彩色瀝青混合料紫外線老化影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

包惠明, 遲恩濤, 葉騰飛

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

憑借良好的排水性能和色彩豐富的特點,彩色排水瀝青路面被逐漸地應(yīng)用于城市道路中.為了滿足排水功能，彩色排水瀝青路面通常具有較大的空隙率，但這更容易使彩色排水瀝青路面受外界因素的影響而老化[1]，尤其是太陽光中的紫外線.目前，學(xué)者已開始關(guān)注彩色瀝青的抗紫外線老化性能.何文華等[2]根據(jù)紫外光老化前后馬歇爾穩(wěn)定度和流值的變化,評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗紫外光老化能力.二氧化鈦(TiO2)作為一種具有高透明性、高分散性、高折光性和高光活性的阻隔紫外線材料，引起了學(xué)者的關(guān)注.孫式霜等[3]以納米TiO2粉體作為紫外線吸收抗老化劑，證實其對紫外線有強吸收作用,能夠有效地增強瀝青抗紫外線老化的性能.鄭木蓮等[4]為了提高瀝青路面夏季高溫穩(wěn)定性,緩解城市熱島效應(yīng),將一種新型熱反射涂層涂布于瀝青路面,研究表明白色熱反射涂層的降溫效果優(yōu)于灰色涂層.在此基礎(chǔ)之上，張爭奇等[5]研發(fā)一種彩色反射式瀝青路面涂層，并測試涂層對路用性能的影響，最終從經(jīng)濟效果和降溫效果的角度考慮,推薦紅色、綠色及黃色的填料.Zhang等[6]采用薄膜烘箱試驗、壓力老化試驗和紫外輻射容器分別模擬粘結(jié)劑的短期、長期熱氧化和光氧化老化，與空白試樣相比，熱致變色瀝青在3種老化模式下均表現(xiàn)出較好的抗老化性能，加入質(zhì)量分數(shù)為6%的紅色熱致變色粉的瀝青在粘結(jié)劑中表現(xiàn)出最佳的抗老化性能.Zheng等[7]在高原地區(qū)研究無機納米TiO2高彈性瀝青混合料的性能，證實納米TiO2粉末的加入可以有效地提高高彈性瀝青的抗紫外線老化性能.

目前，大多數(shù)研究都是針對彩色瀝青紫外線老化的一個影響因素或獨立的幾個影響因素進行分析，缺乏綜合性，且關(guān)于彩色瀝青的顏色、二氧化鈦摻量、紫外線照射時間和空隙率等影響因素的研究較多[8-10].灰色關(guān)聯(lián)理論[11]是根據(jù)完全已知、完全未知或部分已知的信息，將系統(tǒng)分為白色、黑色或灰色系統(tǒng)，運用數(shù)學(xué)分析的方法解決數(shù)據(jù)匱乏情況下的系統(tǒng)問題，可避免樣本量及計算量較大的問題[12-13].基于此，本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，對顏色、空隙率、二氧化鈦摻量和紫外線照射時間等彩色瀝青混合料紫外線老化的影響因素進行分析.

1 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)理論是一種新型工程系統(tǒng)理論[14]，其主要研究對象是信息不完全的不確定系統(tǒng)，主要包括元素信息不完全、結(jié)構(gòu)信息不完全、邊界信息不完全和運行行為不完全等4種情況.灰色關(guān)聯(lián)理論運用少與多的辯證統(tǒng)一，局部與整體的轉(zhuǎn)化，對少量已知信息進行篩選、加工、延伸和擴展，深化對系統(tǒng)的認識，從眾多因素中提煉系統(tǒng)的主要影響因素.

灰色關(guān)聯(lián)分析法有以下6個步驟.

步驟1參考數(shù)列和比較數(shù)列的確定.設(shè)參考數(shù)列為X0={X0(t)|t=1,2,3,…,N}，分析數(shù)列為Xi={Xi(t)|t=1,2,3，…,N},i=1,2,3,…,n.

步驟2參數(shù)初始化.為方便分析，并保證影響因素的等效性和同序性，將參數(shù)進行無量綱處理，常用的無量綱處理方法有初值化處理、均值化處理、中心化處理、極小化處理、極大化處理和極差化處理[15].文中采用中心化處理方法，即

(1)

設(shè)中心化處理后的參考數(shù)列Y0={Y0(t)|t=1,2,3,…,N}；分析數(shù)列為Yi={Yi(t)|t=1,2,3,…,N},i=1,2,3,…,n.

步驟3計算絕對差.各參考數(shù)列與分析數(shù)列在各點的絕對差為

Δi(t)=|Y0(t)-Yi(t)|.

(2)

步驟4計算關(guān)聯(lián)系數(shù).Y0與Yi的關(guān)聯(lián)系數(shù)為

(3)

步驟5計算關(guān)聯(lián)度.Y0與Yi的關(guān)聯(lián)度ri為

.

(4)

步驟6確定主要影響因素.Yi與Y0的關(guān)聯(lián)度ri越大，表明Yi與Y0的發(fā)展趨勢越接近，Yi對Y0的影響越大.按照關(guān)聯(lián)度ri對影響因素進行排序，最終確定主要影響因素.

2 試驗材料與設(shè)計

2.1 試驗材料

1) 基質(zhì)瀝青.采用“東海牌”70#A級瀝青(中國石化股份有限公司(茂名))，其基本技術(shù)指標，如表1所示.

表1 70#A級瀝青的基本技術(shù)指標Tab.1 Basic technical indexes of 70#A asphalt

2) 彩色乳化瀝青.采用彩色乳化瀝青(北京市中遠海運國際貿(mào)易有限公司)，其基本技術(shù)指標，如表2所示.

表2 彩色乳化瀝青基本技術(shù)指標Tab.2 Basic technical indexes of colored emulsified asphalt

3) 納米TiO2.采用銳鈦礦型納米TiO2(河北省南宮市鑫盾合金焊材噴涂有限公司)，其為白色粉末狀，質(zhì)地柔軟，無嗅無味，遮蓋力和著色力強，溶點為1 560～1 580 ℃，不溶于水、稀無機酸、有機溶劑和油，微溶于堿，溶于濃硫酸.

4) 集料.采用廣西某采石場壓碎值較高、針片狀較低、表面紋理良好的石灰?guī)r作為集料.石灰?guī)r集料的篩分結(jié)果，如表3所示.表3中：l為粒徑；ρa為表觀相對密度；ρv為毛體積相對密度；ηw為吸水率；ηm為壓碎值；δl為針片狀集料的質(zhì)量分數(shù).通過水洗法測定粗集料中小于0.075 mm的顆粒質(zhì)量分數(shù)為0.48%，滿足文獻[17]不大于1.0%的要求.

表3 石灰?guī)r集料的篩分結(jié)果Tab.3 Screening results of limestone aggregates

5) 紫外線老化設(shè)備.作為試驗主要光源的紫外線燈泡采用E27型燈頭的紫外線老化燈泡(德國歐司朗集團).紫外線燈泡的技術(shù)指標：功率為300 W；電壓為230 V；紫外線波長為365～400 nm；長度為185 mm.

2.2 試驗設(shè)計

在分析空隙率對紫外線老化性能的影響時，先根據(jù)主骨料空隙填充(CAVF)法[18-21]設(shè)計空隙率分別為20%，23%，25%的母體瀝青混合料，分別記作級配1～3.礦料級配組成，如表4所示.表4中：η為礦料的通過率，表示各級粒徑顆粒的分配情況;孔徑1～9分別表示篩孔孔徑為16.000，13.200，9.500，2.360，1.180，0.600，0.300，0.150，0.075 mm.

表4 礦料級配組成Tab.4 Aggregate gradation composition

圖1 母體馬歇爾試件Fig.1 Matrix Marshall test pieces

在最佳瀝青用量的情況下，制備3種符合馬歇爾試驗指標級配的母體試件.級配1～3的實測空隙率分別為19.62%，22.68%，24.62%.3種級配的母體馬歇爾試件，如圖1所示.

3 紫外線老化影響因素分析

3.1 空隙率和紫外線照射時間

將母體馬歇爾試件在紫外線燈下分別照射24，48，72 h，制備經(jīng)過紫外線老化的試件.根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[16]，取未經(jīng)紫外線老化和經(jīng)過紫外線老化的試件進行瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗.將試件置于(60±1) ℃的恒溫水槽中，保溫40 min后，取出試件，使用馬歇爾試驗儀進行加載.

圖2 不同級配試件的馬歇爾穩(wěn)定度Fig.2 Marshall stability of different graded test pieces

不同級配試件的馬歇爾穩(wěn)定度，如圖2所示.圖2中：SM為馬歇爾穩(wěn)定度；t0為紫外線照射時間.由圖2可知：在紫外線的照射下，隨著空隙率增大，馬歇爾穩(wěn)定度的降幅逐漸增大.這是因為空隙率越大，紫外線越容易穿透試件照射進其內(nèi)部，在光、水和空氣的作用下，瀝青混合料逐漸老化，降低瀝青與骨料之間的粘結(jié)性.由此可知，空隙率越大，紫外線對瀝青混合料的老化影響越顯著.

由圖2還可知：隨著紫外線照射時間的增加，馬歇爾穩(wěn)定度降幅逐漸增大，紫外線對瀝青混合料老化程度的影響逐漸增大.

3.2 二氧化鈦摻量和彩色瀝青的顏色

在分析二氧化鈦摻量對彩色瀝青紫外線老化性能的影響時，首先，在紅色乳化瀝青中摻加質(zhì)量分數(shù)(δ)分別為2.0%，2.5%，3.0%，3.5%，4.0%的TiO2，使用高速剪切分散機，以7 500 r·min-1的速度剪切分散30 min，直至瀝青均勻穩(wěn)定.然后，將TiO2改性乳化瀝青在已經(jīng)成型24 h之后的級配1母體試件上涂抹1 mm厚度，涂刷完成后，用玻璃棒在表面來回滾動，確保表面平整，在25 ℃室溫下，固化12 h.TiO2改性紅色乳化瀝青馬歇爾試件，如圖3所示.

試件分別經(jīng)過24，48，72 h紫外線老化處理后，根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[16]進行瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗.將經(jīng)過紫外線老化處理的試件放置于(60±1) ℃的恒溫水槽中，保溫40 min后，取出試件，使用馬歇爾試驗儀進行加載.

改性紅色乳化瀝青的馬歇爾穩(wěn)定度，如圖4所示.由圖4可知：隨著TiO2摻量的增加，經(jīng)過紫外線照射的彩色瀝青試件的馬歇爾穩(wěn)定度呈先上升后下降的趨勢；當TiO2摻量為3.0%時，試件的馬歇爾穩(wěn)定度最高，且隨著照射時間增長，馬歇爾穩(wěn)定度降幅相對較小，即此時的抗紫外線老化性能最佳.

圖3 改性紅色乳化瀝青馬歇爾試件 圖4 改性紅色乳化瀝青試件的馬歇爾穩(wěn)定度 Fig.3 Modified red emulsified asphalt Fig.4 Marshall stability of modified Marshall test pieces red emulsified asphalt test pieces

經(jīng)過紫外線老化處理后，取摻加TiO2的紅色瀝青馬歇爾試件的表面顆粒進行電鏡掃描，結(jié)果如圖5所示.同時，通過線掃描進行Ti元素能譜分析，結(jié)果如圖6所示.圖6中：d為線性掃描的距離；CPS為計數(shù)率.

圖5 電鏡掃描微觀照片 圖6 Ti元素能譜分析 Fig.5 Micrograph of SEM scan Fig.6 Tielement energy spectrum analysis

在紫外線照射下，瀝青與骨料之間略有分層，但整體依舊粘結(jié)在一起，并未造成十分嚴重的影響.TiO2在攪拌的過程中出現(xiàn)團聚的現(xiàn)象，同時，由于TiO2主要通過吸收、反射和散射紫外線達到屏蔽紫外線的目的，在這個過程中也會導(dǎo)致團聚現(xiàn)象的產(chǎn)生，若團聚嚴重，則不利于屏蔽紫外線.因此，應(yīng)盡量增加攪拌時間，使TiO2分布得更加均勻.

在摻加TiO2的過程中，隨著TiO2摻量的增加，紅色乳化瀝青逐漸變淺，參照色度圖[22-24]，可找到該顏色對應(yīng)的波長，以顏色波長對顏色進行量化，隨著TiO2摻量的增加，顏色波長逐漸減小.因此，彩色瀝青混合料的顏色也是紫外線老化的影響因素.

3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

為了分析不同影響因素對彩色瀝青混合料紫外線老化程度的影響，采用紅色和綠色兩種彩色乳化瀝青，制備紅、綠兩種顏色的馬歇爾試件，經(jīng)過24，48，72 h的紫外線照射后，根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[16]進行瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗，將試件均置于(60±1) ℃的恒溫水槽中，保溫40 min后，取出試件，使用馬歇爾試驗儀進行加載，得到試驗的原始數(shù)據(jù).

對顏色波長、空隙率、二氧化鈦摻量和紫外線照射時間與經(jīng)紫外線處理后的試件的馬歇爾穩(wěn)定度進行灰色關(guān)聯(lián)分析.其中，經(jīng)紫外線處理后的試件的馬歇爾穩(wěn)定度為參考數(shù)列；顏色波長、空隙率、二氧化鈦摻量和紫外線照射時間為比較數(shù)列.

試驗的原始數(shù)據(jù)，如表5所示.表5中：X0～X4分別為馬歇爾穩(wěn)定度、TiO2摻量、顏色波長、空隙率及紫外線照射時間的原始數(shù)據(jù).

表5 試驗的原始數(shù)據(jù)

根據(jù)式(1)將原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，實現(xiàn)參數(shù)初始化.指標初始值，如表6所示.表6中：Y0～Y4分別表示馬歇爾穩(wěn)定度、TiO2摻量、顏色波長、空隙率及紫外線照射時間的指標初始值.

表6 指標初始值

根據(jù)式(2)計算比較數(shù)列與參考數(shù)列在各點的絕對差.參考數(shù)列與比較數(shù)列的差數(shù)列，如表7所示.表7中：Δ1～Δ4為參考數(shù)列(經(jīng)過紫外線老化試件的馬歇爾穩(wěn)定度)與比較數(shù)列(TiO2摻量、顏色波長、空隙率、紫外線照射時間)的絕對差.

根據(jù)式(3)計算經(jīng)過紫外線老化試件的馬歇爾穩(wěn)定度與TiO2摻量、顏色波長、空隙率、紫外線照射時間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，分別記為ξ1～ξ4，結(jié)果如表8所示.

將關(guān)聯(lián)系數(shù)代入式(4)，可計算出經(jīng)過紫外線老化的試件的馬歇爾穩(wěn)定度與TiO2摻量、顏色波長、空隙率、紫外線照射時間的關(guān)聯(lián)度r1～r4，分別為0.661，0.601，0.615，0.772.

由灰色關(guān)聯(lián)分析可知：r4>r1>r3>r2，彩色瀝青混合料紫外線老化性能最大的影響因素是紫外線照射時間，其次是TiO2摻量和空隙率，最后是顏色，這4個影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度均大于0.600，關(guān)聯(lián)度為強度[25-27]，說明這4個影響因素對彩色瀝青混合料的紫外線老化性能均有重要影響.

表7 參考數(shù)列與比較數(shù)列的差數(shù)列

續(xù)表Continue table

表8 關(guān)聯(lián)系數(shù)表Tab.8 Correlation coefficients

4 結(jié)論

1) 在大空隙的排水瀝青路面中，根據(jù)標準馬歇爾試驗結(jié)果的降幅可知，隨著照射時間的增加和空隙率的增大，馬歇爾穩(wěn)定度降幅逐漸增大，紫外線對瀝青混合料的老化程度的影響逐漸增大.

2) 根據(jù)標準馬歇爾試驗、電鏡掃描和能譜分析可知，TiO2具有提高瀝青混合料的抗紫外線老化的作用，對于大空隙排水瀝青路面而言，將摻加TiO2改性的彩色乳化瀝青作為彩色瀝青混合料涂層，當TiO2摻量為3.0%時，隨著照射時間的增加，馬歇爾穩(wěn)定度的降幅最小，彩色瀝青混合料的抗紫外線老化能力最佳.

3) TiO2能使彩色乳化瀝青的顏色變淺，根據(jù)色度圖可知，隨著TiO2摻量的增加，其顏色的波長逐漸減小.

4) 由馬歇爾穩(wěn)定度與4種影響因素的關(guān)聯(lián)度可知，彩色瀝青紫外線老化的影響因素按照重要程度排序為紫外線照射時間>TiO2摻量>空隙率>顏色，且試驗中的這4個影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度均大于0.600，說明紫外線照射時間、彩色瀝青的顏色、TiO2摻量和母體瀝青混合料的空隙率均對彩色瀝青紫外線老化有重要影響.