基于正交試驗(yàn)的泡沫瀝青降黏效果研究

徐大衛(wèi)，蔣春祥

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.連云港市通榆河北延送水工程管理處，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

泡沫瀝青技術(shù)由于其優(yōu)秀的使用性能及其重要的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)意義，在瀝青路面建設(shè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。但目前對(duì)泡沫瀝青黏度試驗(yàn)研究并不多，而且黏度對(duì)于瀝青混合料的和易性至關(guān)重要，是影響溫拌效果的關(guān)鍵要素[1]。為全面考察不同條件下泡沫瀝青的降黏效果，需要借助合理的科學(xué)試驗(yàn)方法進(jìn)行影響因素分析。對(duì)于單因素或者兩因素試驗(yàn)，因其因素少，試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)施與分析都比較簡(jiǎn)單。在實(shí)際試驗(yàn)中，常常需要同時(shí)考察3個(gè)或3個(gè)以上的試驗(yàn)因素，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，則試驗(yàn)的規(guī)模將很大，往往因試驗(yàn)條件的限制而難于實(shí)施[2]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種高效率設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備的“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。因此選擇正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，考慮瀝青的加熱溫度、用水量、水溫等發(fā)泡因素研究泡沫瀝青的降黏效果，將泡沫瀝青用于混合料中，為溫拌瀝青提供指導(dǎo)，同時(shí)提高瀝青混合料的施工和易性[3]。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)原材料

選用韓國(guó)AK-70#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青作為試驗(yàn)原材料，其性能如表1。發(fā)泡時(shí)所用的水為普通自來(lái)水。

表1 瀝青的性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用美國(guó)布洛克菲爾德(Brookfield)-DV-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)黏度儀(簡(jiǎn)稱(chēng)布氏黏度儀)測(cè)量泡沫瀝青的黏度。但是，泡沫瀝青在加熱時(shí)體積膨脹，產(chǎn)生氣泡，影響旋轉(zhuǎn)黏度的測(cè)量(讀數(shù)不穩(wěn)定且泡沫瀝青容易溢出盛樣筒)，所以對(duì)布氏黏度儀進(jìn)行了改進(jìn)，將黏度儀的盛樣筒改為杯口直徑更大的瓷缸(直徑為10.5 cm，高為15 cm，放在油浴里控溫)，以規(guī)避氣泡及體積膨脹對(duì)讀數(shù)產(chǎn)生的影響。為了保證Brookfield黏度儀的扭矩讀數(shù)在10%～98%之間，試驗(yàn)時(shí)選擇27#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速統(tǒng)一為50 r/min[4-5]。

室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)選用德國(guó)維特根WLB10發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)主要由瀝青加熱桶、水流量計(jì)、壓縮空氣罐、瀝青泵、壓力調(diào)節(jié)器等組成。試驗(yàn)時(shí)可以通過(guò)瀝青加熱桶，有效的對(duì)瀝青進(jìn)行控溫，保證瀝青發(fā)泡時(shí)的溫度，通過(guò)水流量計(jì)對(duì)發(fā)泡用水量進(jìn)行控制。

由于泡沫瀝青制備好之后將其放置，需要使用時(shí)再次加熱會(huì)影響泡沫瀝青里的含水量，所以選擇瀝青發(fā)泡后立刻用改進(jìn)的布氏黏度計(jì)測(cè)量每組條件下的泡沫瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度，以提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 研究方法

正交試驗(yàn)計(jì)步驟如下[6]：①確定因子及其水平數(shù)；②根據(jù)所選因子及水平數(shù)選用合適的正交表格；③試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析；④方差分析檢驗(yàn)。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究，基質(zhì)瀝青與改性瀝青因子和水平數(shù)選擇如下。基質(zhì)瀝青發(fā)泡溫度：140，150，160 ℃。SBS改性瀝青發(fā)泡溫度：150，160，170 ℃。用水量和水溫的選擇，基質(zhì)瀝青與SBS相同，用水量：1%，2%，3%；水溫：20，40，60 ℃[7-8]。

試驗(yàn)將瀝青進(jìn)行黏度區(qū)域溫度的劃分，黏度區(qū)域劃分的目的是為了模擬現(xiàn)場(chǎng)泡沫瀝青施工時(shí)的拌合溫度與攤鋪溫度從而得到拌合和攤鋪效果好壞的降黏評(píng)價(jià)指標(biāo)，所以針對(duì)不同類(lèi)型的瀝青區(qū)域溫度劃分如表2 (120，100 ℃分別為基質(zhì)瀝青混合料拌和與攤鋪時(shí)的經(jīng)驗(yàn)溫度，140，120 ℃分別為改性瀝青混合料拌和與攤鋪時(shí)的經(jīng)驗(yàn)溫度)。

根據(jù)正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理，選擇L9(33)正交表[9]，即3個(gè)因子，每個(gè)因子各3個(gè)水平，共需做9次試驗(yàn)?；|(zhì)瀝青正交試驗(yàn)表格如表3，SBS正交試驗(yàn)表格如表4。

表3 基質(zhì)瀝青正交試驗(yàn)表格

表4 SBS改性瀝青正交試驗(yàn)表格

(續(xù)表4)

水平因素D(發(fā)泡溫度/℃)E(用水量/%)F(水溫/℃)試驗(yàn)7170160試驗(yàn)8170220試驗(yàn)9170340

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)WLB10發(fā)泡試驗(yàn)及布氏旋轉(zhuǎn)黏度改進(jìn)試驗(yàn)，測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5。

表5 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

(續(xù)表5)

試驗(yàn)基質(zhì)瀝青120℃旋轉(zhuǎn)黏度/cp試驗(yàn)SBS改性瀝青140℃旋轉(zhuǎn)黏度/cpA3B1C31015.0D3E1F31532.5A3B2C1945.0D3E2F11416.0A3B3C2795.0D3E3F21525.0

從表5看出，泡沫瀝青旋轉(zhuǎn)黏度均低于未發(fā)泡的瀝青黏度?；|(zhì)瀝青在A2B3C1條件下，黏度最小。改性瀝青在D2E3F1條件下，黏度最小。

3.2 極差分析

根據(jù)上述結(jié)果，從極差分析方法入手，判斷各個(gè)因子的影響程度的大小及每個(gè)因子各水平的優(yōu)劣評(píng)價(jià)?；|(zhì)發(fā)泡瀝青極差分析結(jié)果如表6，改性發(fā)泡瀝青極差分析結(jié)果如表7。表6和表7中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分布為各對(duì)應(yīng)列(因子)上1、2、3水平效應(yīng)的估計(jì)值，其計(jì)算式是：Ⅰi(Ⅱi,Ⅲi)=第i列上對(duì)應(yīng)水平1(2,3)的數(shù)據(jù)和。Ki為i水平數(shù)據(jù)的綜合平均值。R行為極差，表明因子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響幅度。

表6 基質(zhì)發(fā)泡瀝青極差分析結(jié)果

由表6知，在基質(zhì)發(fā)泡瀝青試驗(yàn)中，對(duì)于發(fā)泡溫度，綜合平均值K的大?。篕A1>KA3>KA2，KA2為優(yōu)水平，即150 ℃的發(fā)泡溫度優(yōu)于140 ℃和160 ℃。對(duì)于用水量，KB1>KB2>KB3，KB3為優(yōu)水平，即加水量3%優(yōu)于1%和2%。對(duì)于水溫，KC3>KC2>KC1，KC1為優(yōu)水平，即水溫20 ℃優(yōu)于40 ℃和60 ℃。綜上，A2B3C1為基質(zhì)瀝青的最優(yōu)水平組合，即在發(fā)泡溫度為150 ℃，用水量為3%，水溫為20 ℃條件下70#基質(zhì)瀝青降黏效果最優(yōu)。

由R2>R1>R3可知，發(fā)泡溫度、發(fā)泡用水量、發(fā)泡水溫對(duì)泡沫瀝青降黏影響程度大小如下：發(fā)泡用水量>發(fā)泡溫度>發(fā)泡水溫。

結(jié)合基質(zhì)瀝青降黏的最佳效果與影響因素的大小，在選擇發(fā)泡條件時(shí)，可以不考慮水溫對(duì)泡沫瀝青的影響，水溫為常溫即可。

表7 SBS發(fā)泡瀝青極差分析結(jié)果

(續(xù)表7)

試驗(yàn)號(hào)水平(因素)1(發(fā)泡溫度/℃)2(用水量/%)3(水溫/℃)4(空白列)旋轉(zhuǎn)黏度(試驗(yàn)結(jié)果)/cp315036031315.0416014031326.0516026011230.0616032021105.0717016021532.5817022031416.0917034011525.0Ⅰ4492.54471.04133.54367.5Ⅱ3661.04211.04416.04202.5Ⅲ4473.53945.04077.54057.5K11497.51490.31377.81455.8K21220.31403.71472.01400.8K31491.21315.01359.21352.3R277.2175.3112.8103.5

由表7可得，在改性瀝青發(fā)泡試驗(yàn)中，對(duì)于發(fā)泡溫度，綜合平均值K的大?。篕D1>KD3>KD2，KD2為優(yōu)水平，即160 ℃的發(fā)泡溫度優(yōu)于150 ℃和170 ℃。對(duì)于用水量，KE1>KE2>KE3，KE3為優(yōu)水平，即加水量3%優(yōu)于1%和2%。對(duì)于水溫，KF2>KF1>KF3，KF3為優(yōu)水平，即水溫度60 ℃優(yōu)于20 ℃和40 ℃。綜上所述，D2E3F3為SBS改性瀝青的最優(yōu)水平組合，即在發(fā)泡溫度為160 ℃，用水量為3%，水溫為60 ℃條件下SBS改性瀝青降黏效果最優(yōu)。

由R1>R2>R3可知，發(fā)泡溫度、發(fā)泡用水量、發(fā)泡水溫對(duì)泡沫溫拌瀝青降黏影響程度大小如下：發(fā)泡溫度>發(fā)泡用水量>發(fā)泡水溫。結(jié)合SBS發(fā)泡降黏最佳效果，改性瀝青發(fā)泡時(shí)，可適當(dāng)提高發(fā)泡水溫。

3.3 方差分析檢驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的極差分析簡(jiǎn)便易行，計(jì)算量小，也較直觀(guān)，但極差分析精度較差，判斷因素的作用時(shí)缺乏一個(gè)定量的標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)需要用方差分析作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。借助正交設(shè)計(jì)助手軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，α=0.05。結(jié)果如表8。

表8 瀝青黏度方差分析

在表8中，F(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，用水量對(duì)泡沫瀝青黏度的影響最顯著，由方差分析知，降黏影響程度：用水量>發(fā)泡溫度>水溫，與表6分析結(jié)果一致，A2B3C1為基質(zhì)發(fā)泡瀝青降黏效果的最佳組合。而發(fā)泡溫度、用水量、水溫對(duì)泡沫瀝青黏度的影響均不顯著，究其原因可能自由度較小(僅為2)，使試驗(yàn)的靈敏度降低，從而掩蓋了考察因素的顯著性。由于各因素對(duì)降黏影響都不顯著，從表7中選擇平均數(shù)小的組合，即SBS泡沫瀝青降黏效果最佳組合為D2E3F3。

4 結(jié) 論

1)對(duì)于基質(zhì)瀝青，發(fā)泡溫度、發(fā)泡用水量、發(fā)泡水溫對(duì)泡沫溫拌瀝青降黏影響程度大小如下：發(fā)泡用水量>發(fā)泡溫度>發(fā)泡水溫。在發(fā)泡溫度為150 ℃，用水量為3%，水溫為20 ℃條件下70#基質(zhì)瀝青降黏效果最優(yōu)。

2) 對(duì)于SBS改性瀝青，發(fā)泡溫度、發(fā)泡用水量、發(fā)泡水溫對(duì)泡沫溫拌瀝青降黏影響程度大小如下：發(fā)泡溫度>發(fā)泡用水量>發(fā)泡水溫。在發(fā)泡溫度為160 ℃，用水量為3%，水溫為60 ℃條件下SBS改性瀝青降黏效果最優(yōu)。

3)溫拌瀝青混合料的拌和溫度一般在110～130 ℃(基質(zhì)瀝青)，130～150 ℃(改性瀝青)，從經(jīng)濟(jì)成本，節(jié)約能源及施工和易性方面考慮，選擇基質(zhì)泡沫瀝青的拌和溫度：120 ℃，SBS改性泡沫瀝青的拌和溫度：140 ℃，同時(shí)為盡可能提高施工和易性，選擇降黏效果最好的組合進(jìn)行黏度試驗(yàn)，其結(jié)果作為生產(chǎn)泡沫溫拌瀝青的施工控制參數(shù)，建議基質(zhì)泡沫瀝青拌和時(shí)的黏度應(yīng)不大于684.5 cp，SBS改性泡沫瀝青的拌和時(shí)的黏度應(yīng)不大于985.0 cp。

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