基于灰色關(guān)聯(lián)的高黏劑添加工藝研究

孫國(guó)慶，鄧稱(chēng)意，歐開(kāi)海

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 深圳 518029）

基于灰色關(guān)聯(lián)的高黏劑添加工藝研究

孫國(guó)慶，鄧稱(chēng)意，歐開(kāi)海

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 深圳 518029）

高黏劑拌合方式和拌合時(shí)間,對(duì)OGFC瀝青混合料的綜合性能的發(fā)揮有著重要影響,通過(guò)對(duì)不同添加工藝組合（高黏劑的添加方式以及拌和時(shí)間）下的Marshall指標(biāo)和路用性能指標(biāo)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)；應(yīng)用數(shù)學(xué)的分析方法建立不同添加工藝組合的灰色關(guān)聯(lián)度,評(píng)價(jià)OGFC瀝青混合料綜合性能的優(yōu)劣。研究表明:添加工藝組合對(duì)OGFC瀝青混合料的Marshall指標(biāo)和路用性能指標(biāo)均有顯著影響；運(yùn)用基于綜合性能的灰色關(guān)聯(lián)分析,有利于克服單指標(biāo)設(shè)計(jì)不能兼顧其它性能的缺陷,是一種簡(jiǎn)單而有效的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)方法。

OGFC；高粘劑；灰色關(guān)聯(lián)；綜合性能

0 引言

2015年末全國(guó)公路總里程457.73萬(wàn)km[1],隨著公路建設(shè)的大發(fā)展,不同的路面結(jié)構(gòu)也在全國(guó)各地得到廣泛的應(yīng)用,OGFC(Open-graded Friction Course,開(kāi)級(jí)配瀝青混合料磨耗,)主要是能使路面保持良好的表面特性,減少濺水,減少水霧和眩光,提高雨中行車(chē)的安全性能,而發(fā)展起來(lái)的一種良好路面結(jié)構(gòu)層[2]。

OGFC在廣泛應(yīng)用的同時(shí)路面也存在著缺陷,由于混合料空隙率比較大,造成瀝青老化較嚴(yán)重,路面材料易松散、飛散,耐久性能差等問(wèn)題[3],在實(shí)踐中我們選用高黏瀝青,提高瀝青混合料的抗老化能力和黏結(jié)力,減少路面出現(xiàn)嚴(yán)重掉粒、松散等病害[4]。瀝青混合料路用性能受高粘劑的添加方式和拌合時(shí)間的影響,為深入分析不同的添加方式和拌合時(shí)間對(duì)瀝青混合料的綜合性能的影響,本研究從高黏劑的添加、拌合時(shí)間兩方面入手,設(shè)計(jì)了6種工藝組合,測(cè)定不同工藝組合下瀝青混合料的綜合性能；借助灰色關(guān)聯(lián)理論計(jì)算不同工藝組合的灰色關(guān)聯(lián)度,對(duì)比評(píng)價(jià)不同工藝組合的優(yōu)劣并推薦最佳的工藝組合。

1 原材料基本性質(zhì)

石料采用輝綠巖,集料技術(shù)指標(biāo)及級(jí)配見(jiàn)表1、表2。瀝青采用SBSI-D瀝青,其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)

表2 集料級(jí)配

表3 SBSI-D瀝青的技術(shù)指標(biāo)

2 灰色關(guān)聯(lián)理論

2.1 基本原理

灰色關(guān)聯(lián)理論是中國(guó)著名學(xué)者鄧聚龍教授1982年創(chuàng)立的一門(mén)新興橫斷學(xué)科,它以“部分信息已知,部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對(duì)象,主要通過(guò)對(duì)“部分”已知信息的生成、開(kāi)發(fā)、提取有價(jià)值的信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行行為的正確認(rèn)識(shí)和有效控制[5]。根據(jù)實(shí)際情況和預(yù)定目標(biāo)來(lái)確定應(yīng)采取的行動(dòng),便是決策,需要研究、解決的問(wèn)題或需要處理的事物以及一個(gè)系統(tǒng)行為的現(xiàn)狀等稱(chēng)為事件。灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度分析作為一種系統(tǒng)分析技術(shù),是發(fā)展態(tài)勢(shì)的量化比較分析,通過(guò)計(jì)算目標(biāo)值（參考數(shù)列）與影響因素（比較數(shù)列）的關(guān)聯(lián)度來(lái)評(píng)價(jià)局勢(shì)的優(yōu)劣[5]。比起其它系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法,如方差分析、回歸分析、主成分分析等,灰色關(guān)聯(lián)對(duì)樣本量的多少和樣本有無(wú)規(guī)律同樣適用,并且計(jì)算量小,非常方便,也不會(huì)出現(xiàn)量化結(jié)果與定性分析結(jié)果不符的情況?；疑P(guān)聯(lián)分析的基本思想是根據(jù)序列曲線(xiàn)幾何形狀的相似程度來(lái)判斷其聯(lián)系是否緊密,曲線(xiàn)越接近,關(guān)聯(lián)程度就越大[6]。

2.2 計(jì)算步驟

Steps1:確定事件集A={a1,a2,…,an}和對(duì)策集B={b1,b2,…,bm},構(gòu)造局勢(shì)集S={Sij=(ai,bj)|ai?A, bj?B}；

Steps2:確定決策目標(biāo)1,2,…,S；

Steps3:求不同局勢(shì)S（iji=1,2,…,n；j=1,2,…, m）在k目標(biāo)下的效果值u（ij

k）

Steps4::求K目標(biāo)下局勢(shì)效果序列u（k）的初值像仍記為

Steps5:由Steps4結(jié)果寫(xiě)出局勢(shì)Sij的效果向量

Steps6:求理想最優(yōu)效果向量

（2）當(dāng)K目標(biāo)效果值接近某一適中值u0為好時(shí)取

Steps7:計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

3 高黏劑添加工藝組合及性能試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 高黏劑添加工藝組合設(shè)計(jì)

為防止OGFC路面表面混合料的過(guò)早脫落、飛散而添加高黏劑,增加瀝青與集料之間的黏附性,提高瀝青的性能,改善瀝青混合料的高溫、低溫、水穩(wěn)定、耐疲勞等性能。高黏劑的添加改變了混合料的生產(chǎn)工藝,高黏劑添加方式分為干拌和濕拌兩種,干拌和濕拌兩種方式以及拌合的時(shí)間不同都對(duì)瀝青混合料的綜合路用性能勢(shì)必有影響。為了更加深入分析高黏劑添加工藝組合對(duì)瀝青混合料路用性能的影響,本研究著重從以上兩方面入手,通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)理論分析不同拌合工藝組合下的瀝青混合料路用性能的變化規(guī)律,并推薦最佳的添加工藝組合。以下通過(guò)高黏劑TPS分析為例。

（1）高黏劑添加方式

高黏劑的添加方式分干拌和濕拌兩種情況。采干拌時(shí),將劑量好的TPS直接添加到混合料中,在高溫下通過(guò)拌合葉的攪拌使高黏劑均勻粘附于集料表面,然后再?lài)姙r青,再攪拌,配制成OGFC瀝青混合料；采濕拌時(shí),是將劑量好的高黏劑添加到瀝青中,通過(guò)高速剪切設(shè)備使高黏劑均勻分散在瀝青中,拌合時(shí)直接將高黏瀝青噴灑于拌合樓中,通過(guò)拌合葉的攪拌均勻黏附于集料表面,配制成OGFC瀝青混合料。

（2）拌和時(shí)間

拌和時(shí)間是瀝青、TPS、骨料、礦粉均勻混溶的重要保證,是影響混合料性能的重要因素之一。本研究設(shè)定兩種添加方式拌合時(shí)間各為三種水平:一是在干拌時(shí)加入高黏劑TPS和噴灑瀝青與集料拌合時(shí)間有三種水平:20 s、30 s、40 s；二是濕拌時(shí)噴灑瀝青和集料拌合時(shí)間有三種水平10 s、15 s、20 s。

表4 試驗(yàn)因素及水平

3.2 OGFC瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同試驗(yàn)方案的OGFC-13瀝青混合料（油石比為4.7%）進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),測(cè)定其馬歇爾指標(biāo),包括毛體積相對(duì)密度γf、空隙率VV、馬歇爾穩(wěn)定度MS、飛散質(zhì)量損失；測(cè)定瀝青混合料的兩部分路用性能指標(biāo),主要是殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比TSR、低溫彎曲破壞應(yīng)變、動(dòng)穩(wěn)定度DS。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 瀝青混合料的馬歇爾指標(biāo)和路用性能指標(biāo)

4 基于綜合路用性能的拌合工藝的灰色關(guān)聯(lián)分析

由OGFC瀝青混合料的馬歇爾指標(biāo)及路用性能指標(biāo)可知:當(dāng)僅僅考慮單個(gè)指標(biāo)時(shí),就很直觀(guān)地確定最好的工藝組合,如獲得最低飛散質(zhì)量損失的工藝組合為高粘劑濕拌、拌合時(shí)間為20 s,但該工藝組合下的其他路用指標(biāo)就不見(jiàn)得很好；因此,我們無(wú)法直觀(guān)地確定最好的拌合工藝組合而獲得最優(yōu)良的綜合性能。本研究借助灰色關(guān)聯(lián)理論優(yōu)選出具有優(yōu)良的綜合性能的拌合工藝組合。

以密度γf、MS、殘留穩(wěn)定度、TSR、DS、低溫彎曲應(yīng)變的最大值、飛散質(zhì)量最小值以及VV、的中間值為目標(biāo)值,采用灰色關(guān)聯(lián)理論分析,優(yōu)選能獲得優(yōu)良綜合路用性能的拌合工藝組合,計(jì)算過(guò)程如下:

Steps1:記不同工藝組合生產(chǎn)的OGFC瀝青混合料的路用性能多指標(biāo)評(píng)價(jià)為事件a1,則事件集A={a1}；記試驗(yàn)編號(hào)1的工藝組合為方案b1,2為b2,……,6為b6,則方案集B={b1,b2,b3,b4,b5,b6}。于是有局勢(shì)集:

Steps2:K目標(biāo)下的局勢(shì)效果序列（初值像）U（K）（K=1,2,3,4…,8）:

●巴彥淖爾市臨河區(qū)圖克新勝村中度鹽堿土壤示范園區(qū)，使用硅谷功能肥，葵花出苗達(dá)到85%以上，畝產(chǎn)近600斤，創(chuàng)中度鹽堿地高產(chǎn)新紀(jì)錄，葵花品質(zhì)大幅度提升。

U（1）=（2.129,2.135,2.137,2.142,2.124,2134）

U（2）=（20.2,19.9,19.8,19.5,20.1,19.9）

U（3）=（7.25,7.33,7.21,7.18,7.32,7.20）

U（4）=（9.6,9.3,8.8,7.9,7.6,7.4）

U（5）=（88.9,90.2,91.0,86.7,87.5,88.3）

U（6）=（82.2,84.7,86.1,85.8,87.4,88.2）

U（7）=（13 102.31,13 667.04,13 804.22, 12 897.58,13 488.93,13 921.06）

U（8）=（2 016.73,2 018.8,2 262.76,2 133.65, 2 385.92,2 397.31）

Steps3:以 ηk·μk作為 k目標(biāo)下的局勢(shì)效果序列:

η1·μ1=（0.998 0,1.000 8,1.001 6,1.003 9,0.995 6, 1.0002）

η2·μ2=（1.015 1,1.000 0,0.995 0,0.979 9,1.010 1, 1.0000）

η3·μ3=（1.000 3,1.011 3,0.994 8,0.990 6,1.009 9, 0.9934）

η4·μ4=（1.438 4,1.102 8,1.043 5,0.936 8,0.901 2, 0.8775）

η5·μ5=（1.001 5,1.016 1,1.025 2,0.976 7,0.985 7, 0.9947）

η6·μ6=（0.958 8,0.9880,1.004 3,1.000 8,1.019 4, 1.0288）

η7·μ7=（0.972 0,1.0139,1.024 0,0.956 8,1.000 6, 1.0327）

η8·μ8=（0.915 6,0.916 6,1.027 3,0.968 7,1.083 3, 1.0884）

Steps4:計(jì)算局勢(shì)Sij的效果向量Uij（i=1；j=1,2,…,12）:

U11=（0.998 0,1.015 1,1.000 3,1.438 4,1.001 5, 0.958 8,0.972 0,0.915 6）

U12=（1.000 8,1.000 0,1.011 3,1.102 8,1.016 1, 0.988 0,1.013 9,0.916 6）

U13=（1.001 6,0.995 0,0.994 8,1.043 5,1.025 2, 1.004 3,1.024 0,1.027 3）

U14=（1.003 9,0.979 9,0.990 6,0.936 8,0.976 7, 1.000 8,0.956 8,0.968 7）

U15=（0.995 6,1.010 1,1.009 9,0.901 2,0.985 7, 1.019 4,1.000 6,1.083 3）

U16=（1.000 2,1.000 0,0.993 4,0.877 5,0.994 7, 1.028 8,1.032 7,1.088 4）

Steps5:確定理想最優(yōu)效果向量:

以密度γf、MS、殘留穩(wěn)定度、TSR、DS、低溫彎曲破壞應(yīng)變的最大值,飛散質(zhì)量最小值以及VV的中間值為最優(yōu)值,最優(yōu)效果向量如下:

Steps6:計(jì)算uij與的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度

ε11=0.795 0,ε12=0.932 0,ε13=0.928 5,ε14=0.861 5, ε15=0.997 2,ε16=0.977 0

按OGFC瀝青混合料的綜合性能的拌合工藝組合優(yōu)劣排序?yàn)?

⑤＞⑥＞②＞③＞④＞①

可知將高黏劑先添加到瀝青中配制成高黏瀝青（濕拌）,再將高黏瀝青噴灑到拌合樓中拌合時(shí)間為15 s為最優(yōu)的拌合工藝組合,此工藝組合生產(chǎn)出來(lái)的OGFC瀝青混合料的具有最優(yōu)綜合性能；濕拌法更有助于高粘劑充分均勻分散于瀝青中,提高了瀝青與石料的黏附性,適當(dāng)?shù)陌韬蠒r(shí)間使黏結(jié)料和粗細(xì)集料間更均勻混溶,而不至于發(fā)生瀝青析漏和混合料離析狀況。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）高黏劑的添加方式和拌合時(shí)間對(duì)OGFC瀝青混合料的Marshall指標(biāo)及路用性能指標(biāo)具有顯著的影響,濕拌法有助于高黏劑充分均勻分散于瀝青中,提高了瀝青與石料的黏附性。

（2）適當(dāng)?shù)陌韬蠒r(shí)間使瀝青與集料充分均勻接觸,而不發(fā)生離析,有助于提高OGFC瀝青混合料的綜合性能。

（3）運(yùn)用基于綜合路用性能的灰色關(guān)聯(lián)分析,有利于克服單指標(biāo)設(shè)計(jì)不能兼顧其它路用性能指標(biāo)的缺陷,不失為一種簡(jiǎn)單而有效的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。

[1]交通運(yùn)輸部.2015年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[Z].2016.

[2]曹東偉,劉清泉,唐國(guó)奇.排水瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,2010.

[3]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社, 2006.

[4]張銳,黃曉明,侯曙光.新型瀝青添加劑TPS的性能[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2006,6(4):36-40.

[5]溫惠英,徐建閩,傅惠.基于灰色關(guān)聯(lián)分析的路段行程時(shí)間卡爾曼濾波預(yù)測(cè)算法[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,34(9): 66-69,75.

[6]王鵬,曾凡奇,黃曉明.瀝青高溫性能指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度分析[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2006,6(3):32-36.

U414

A

1009-7716（2017）07-0240-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.074

2017-03-30

孫國(guó)慶（1985-）,男,山東菏澤人,工程師,從事道路工程設(shè)計(jì)、科研工作。