基于主成分分析法評(píng)價(jià)乳化瀝青混合料的壓實(shí)特性

侯德華，李忠玉，張 慶

(1.河南省高等級(jí)公路檢測與養(yǎng)護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453003； 2.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453003； 3.河南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

0 引 言

乳化瀝青混合料作為一種環(huán)保型冷拌路面材料，在常溫環(huán)境下具有良好的施工性，與熱拌瀝青路面施工相比較可節(jié)約大量能源，有效減少環(huán)境污染，已成為實(shí)現(xiàn)道路工程可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[1-2]。

不同的乳化瀝青混合料的制備工藝會(huì)對(duì)路用性能產(chǎn)生顯著影響。例如，乳化瀝青混合料拌合時(shí)間直接影響著混合料路用性能，拌合時(shí)間過短會(huì)因?yàn)閿嚢璨痪鶆驅(qū)е禄旌狭峡障堵首兓?，使得混合料的勁度、拉伸?qiáng)度和疲勞壽命下降[3]，拌合時(shí)間過長則會(huì)導(dǎo)致乳化瀝青過早破乳，致使乳化瀝青在混合料中選擇性地粘附細(xì)集料，形成瀝青膠團(tuán)，最終使混合料產(chǎn)生離析[4]；另一方面，不同壓實(shí)方法對(duì)乳化瀝青混合料路用性能有著顯著的影響。劉娜[5]分別采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和二次擊實(shí)成型乳化瀝青冷再生混合料試件，表明2種成型方法的效果相當(dāng)。張翠紅[6]等人分別采用室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和靜壓2種方法對(duì)試件進(jìn)行壓實(shí)成型，分析表征壓實(shí)特性的密實(shí)度參數(shù)和成型試件的壓實(shí)效果。Miljkovi[7]通過施加不同的壓實(shí)能，分析壓實(shí)能對(duì)間接拉伸模量的影響，研究表明在較高的壓力及較長的壓實(shí)時(shí)間作用下，會(huì)破壞其早期黏結(jié)強(qiáng)度，造成試件的微觀損傷。王火明[8]等人研究了乳化瀝青冷再生混合料放置時(shí)間對(duì)混合料的壓實(shí)度及強(qiáng)度的影響，指出應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先確定冷再生混合料的可工作時(shí)間，指出合理的評(píng)價(jià)方法。

綜上所述，針對(duì)常溫拌合乳化瀝青混合料關(guān)鍵工藝參數(shù)的研究比較多，但多集中于壓實(shí)工藝，同時(shí)考慮到冷拌混合料在鋪筑后不能立即壓實(shí)，需要等待一定的時(shí)間再壓實(shí)。但是如何確定等待壓實(shí)的時(shí)間，一般都由工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來，國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、指南均無試驗(yàn)方法。

近年來，越來越多的學(xué)者開始傾向于運(yùn)用主成分分析方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析[9-11]，以各原始指標(biāo)為變量，應(yīng)用該方法時(shí)，從中提取出主成分，再以各主成分得分作為評(píng)價(jià)新指標(biāo)。這一方法不僅簡化了原始變量，降低了主觀隨意性，而且消除了多指標(biāo)間的相互影響，大大提高了綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性?；诖耍疚牟捎眯D(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件并分析在不同壓實(shí)等待時(shí)間下乳化瀝青混合料的壓實(shí)特性及力學(xué)性能，并通過建立主成分綜合得分評(píng)價(jià)模型，分析不同壓實(shí)等待時(shí)間與乳化瀝青混合料壓實(shí)指標(biāo)及力學(xué)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)，找出合理、科學(xué)的壓實(shí)等待時(shí)間及評(píng)價(jià)方法，以期為乳化瀝青混合料的攤鋪、碾壓設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)選用的乳化瀝青為河南威森德道路材料有限公司生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)，具體性能見表1。

表1 SBR改性乳化瀝青性能指標(biāo)

試驗(yàn)采用的集料為石灰?guī)r集料，性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。主要技術(shù)指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)，技術(shù)指標(biāo)見表2。

為提高乳化瀝青混合料的早期強(qiáng)度，添加適量水泥以加快乳化瀝青破乳。水泥采用標(biāo)號(hào)為C42.5的硅酸鹽水泥，摻量為2%；試驗(yàn)用水為自來水；級(jí)配取AC-13范圍中值。

表2 石灰?guī)r集料技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

圖1 常溫拌合乳化瀝青混合料攪拌機(jī)

試驗(yàn)采用雙軸攪拌機(jī)對(duì)混合料進(jìn)行拌和，如圖1所示。由于乳化瀝青材料的破乳情況受環(huán)境溫度和攪拌轉(zhuǎn)速的影響較大，因此，控制試驗(yàn)溫度為25 ℃，攪拌機(jī)攪拌轉(zhuǎn)速定為350 r·min-1?？紤]常溫拌合乳化瀝青混合料攤鋪機(jī)的作業(yè)生產(chǎn)率，攪拌時(shí)間不宜過長，因此將拌和時(shí)間設(shè)定為30 s。拌和順序?yàn)椋合葘⒓虾退喔砂?，然后加水?dāng)嚢?，再加入乳化瀝青進(jìn)行濕拌，最后將乳化瀝青混合料分別裝入試模，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓實(shí)成型并進(jìn)行養(yǎng)生，先在標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)生48 h，再放入烘箱在60 ℃下保持28 h。

利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀模擬混合料的壓實(shí)過程，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)180次，使試件成型。以壓實(shí)等待時(shí)間作為研究變量，同時(shí)為對(duì)乳化瀝青混合料壓實(shí)過程中的流失漿液進(jìn)行有效分析，在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀試模的基礎(chǔ)上進(jìn)行模具改裝，增加壓實(shí)流失漿液收集裝置，如圖2所示。該收集裝置在常規(guī)試模上打孔，形成排液孔，乳化瀝青混合料在壓實(shí)過程中流失的漿液可從排液孔中流出，下部的環(huán)形筒可對(duì)漿液進(jìn)行收集。

圖2 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀及漿液收集裝置

漿液中油水比的計(jì)算公式如式(1)所示；通過流失漿液中凈水量的比例計(jì)算乳化瀝青混合料壓實(shí)失水率的計(jì)算公式如式(2)所示

式中：W為乳化瀝青混合料壓實(shí)失水率(%)；YS為漿液中油水比；M0為乳化瀝青混合料的初始質(zhì)量(kg)；M1為成型后的乳化瀝青混合料質(zhì)量(kg)；m0為收集漿液全部取出并攪拌均勻后所取適量樣品的質(zhì)量(kg)；m1為漿液樣品置于(105±3)℃烘箱中，烘干至質(zhì)量不變，然后冷卻至室溫，稱得的質(zhì)量(kg)；m2為上述質(zhì)量為m1的樣品，置于(950±5)℃馬弗爐中，灼燒至質(zhì)量不變，一般為2～3 h，冷卻至室溫，稱其所得的質(zhì)量(kg)。

1.3 試驗(yàn)方法

為分析不同壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)乳化瀝青混合料空隙及殘留水分的影響，測量了混合料的孔隙率、失水率及油水比指標(biāo)。

試驗(yàn)采用UTA-2000A聲波檢測儀分析乳化瀝青混合料的密實(shí)程度，如圖3所示，該儀器具有波形和數(shù)字顯示裝置，便于觀察波形和進(jìn)行聲速測量。在25 ℃環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)和檢測。為了減少聲能損耗，在與探頭接觸的試件表面涂抹凡士林作為耦合劑，同時(shí)為減少測量誤差，將試件制備成50 mm×50 mm×180 mm的小梁，每個(gè)試件測量5次，舍棄最大值和最小值后求剩余3個(gè)值的平均值。

圖3 聲波檢測儀

采用間接拉伸模量試驗(yàn)(ITSM)分析乳化瀝青混合料的勁度模量。ITSM試驗(yàn)在20 ℃下進(jìn)行，并按照BS EN 12697-26的要求，測試條件見表3。使用UTN-25試驗(yàn)機(jī)在圓柱形試樣上進(jìn)行，如圖4所示。

表3 試驗(yàn)條件

圖4 ITSM測試試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，通過瀝青混合料車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)乳化瀝青混合料的高溫抗變形能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)空隙率的影響

通過對(duì)不同壓實(shí)等待時(shí)間下制備的乳化瀝青混合料試件進(jìn)行空隙率測試，來分析壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)乳化瀝青混合料密實(shí)度的影響。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到空隙率與等待時(shí)間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 空隙率-壓實(shí)等待時(shí)間曲線

從圖5可知，在初始階段隨著壓實(shí)等待時(shí)間的增加，試件空隙率隨之顯著降低，壓實(shí)等待時(shí)間到達(dá)30 min以后，試件的空隙率變化略有增加。這主要是由于當(dāng)壓實(shí)等待時(shí)間到達(dá)一定階段時(shí)，乳化瀝青破乳完全，在瀝青的黏結(jié)作用下混合料的可壓實(shí)性降低，試件空隙率會(huì)略有增加。對(duì)試件的致密性而言，壓實(shí)等待時(shí)間在30 min時(shí)最為合適。

2.2 壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)失水率及油水比的影響

對(duì)不同壓實(shí)等待時(shí)間下所得流失漿液進(jìn)行分析，得到乳化瀝青混合料壓實(shí)等待時(shí)間與漿液油水比、失水率之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 油水比與失水率隨壓實(shí)等待時(shí)間的變化曲線

從圖6可知，隨著壓實(shí)等待時(shí)間的延長，油水比逐漸降低并趨近于零；失水率逐漸升高，壓實(shí)等待時(shí)間到達(dá)40 min后，失水率增加幅度已不顯著。表明初始時(shí)期乳化瀝青未完全破乳，流失漿液中瀝青占比較高，自由水相對(duì)較少。隨著乳化瀝青逐漸破乳，瀝青微粒聚集、吸附在集料表面形成瀝青薄膜，在外界壓力作用下不易流失，而水分更容易在壓實(shí)作用下從混合料中排出。

2.3 壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)超聲波波速的影響

對(duì)不同壓實(shí)等待時(shí)間條件下制備的乳化瀝青混合料試件分別進(jìn)行超聲波檢測，評(píng)價(jià)壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)乳化瀝青混合料超聲波檢測速度的影響，如圖7所示。

圖7 超聲波速度-壓實(shí)等待時(shí)間曲線

超聲波在空氣及水中的傳播速度比在骨料中要小，同一試件不同空隙率及含水量下所測的聲速不同，從而可以快速評(píng)價(jià)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[12]。從圖7可知，隨著壓實(shí)等待時(shí)間的增加，波速逐漸增加。說明混合料早期階段的空隙率較大，殘余水分較多，使得超聲波能量產(chǎn)生較大的衰減，傳播時(shí)間變長，波速減小。在壓實(shí)等待時(shí)間為15～30 min時(shí)，波速大幅度增加，主要在于此階段混合料的空隙率大幅度降低，超聲波在石料中的傳播速度遠(yuǎn)大于其在空氣中的傳播速度，故波速會(huì)隨著空隙率的減少而大幅度增加。壓實(shí)等待時(shí)間達(dá)到40 min后，波速略有降低。

2.4 壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)ITSM的影響

對(duì)不同壓實(shí)等待時(shí)間條件下制備的乳化瀝青混合料試件分別進(jìn)行間接拉伸模量試驗(yàn)，從而評(píng)價(jià)壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)乳化瀝青混合料勁度模量的影響，如圖8所示。

圖8 ITSM-壓實(shí)等待時(shí)間曲線

從圖8可知，隨著壓實(shí)等待時(shí)間的增加，試件的間接拉伸模量隨之先增加后期又略有降低。壓實(shí)等待時(shí)間在前10 min時(shí)，間接拉伸模量值較小，抗裂能力較差。主要由于乳化瀝青混合料早期的空隙率較大，密實(shí)程度較低，且乳化瀝青的流失程度較大，不利于混合料的強(qiáng)度形成。

2.5 壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響

對(duì)不同壓實(shí)等待時(shí)間條件下制備的乳化瀝青混合料試件分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)，從而評(píng)價(jià)壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)乳化瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，如圖9所示。

從圖9可知，隨著壓實(shí)等待時(shí)間的增加，車轍板的動(dòng)穩(wěn)定度隨之先增加后降低。其變化趨勢與間接拉伸模量的變化規(guī)律相一致。通過前面的分析可知，如果壓實(shí)等待時(shí)間短，混合料的空隙率相對(duì)較大，其高溫變形量就會(huì)增加；當(dāng)壓實(shí)等待時(shí)間為30 min時(shí)，達(dá)到峰值，說明此時(shí)乳化瀝青混合料最為密實(shí)，抵抗變形能力較好。

圖9 動(dòng)穩(wěn)定度-壓實(shí)等待時(shí)間曲線

2.6 不同壓實(shí)等待時(shí)間下乳化瀝青混合料性能指標(biāo)的主成分分析

本文基于MATLAB的主成分分析程序?qū)Σ煌瑝簩?shí)等待時(shí)間下乳化瀝青混合料的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，選取的原始評(píng)價(jià)指標(biāo)見表4。

表4 不同壓實(shí)等待時(shí)間下乳化瀝青混合料的性能特征

通過MATLAB中相應(yīng)的主成分分析函數(shù)對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用Princomp函數(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，并提取主成分分析的特征值與方差貢獻(xiàn)率，見表5。

由表5可知，通過主成分分析法可以將不同壓實(shí)等待時(shí)間下乳化瀝青混合料的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化為PC1和PC22個(gè)主成分。PC1的貢獻(xiàn)率為94.266%，分PC2的貢獻(xiàn)率為4.853%，2個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率到達(dá)99.119%，說明這2個(gè)主成分可以體現(xiàn)出乳化瀝青混合料綜合性能99.119%的信息，提取較為完全。以主成分PC1和PC2為主要分析目標(biāo)，進(jìn)一步

表5 主成分分析的特征值與方差貢獻(xiàn)率

計(jì)算它們在不同壓實(shí)等待時(shí)間下乳化瀝青混合料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的因子載荷，結(jié)果見表6。

表6 乳化瀝青混合料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的因子載荷

不同壓實(shí)等待時(shí)間下乳化瀝青混合料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的載荷量越高，說明該指標(biāo)越能反映乳化瀝青混合料的整體性能。由表6可知，PC1的各個(gè)指標(biāo)載荷量相差不大，說明混合料的評(píng)價(jià)指標(biāo)波速、油水比和失水率與間接拉伸模量對(duì)PC1的影響效果相當(dāng)。表明利用評(píng)價(jià)指標(biāo)波速、油水比和失水率分析乳化瀝青混合料的壓實(shí)程度是行之有效的，能夠反映出乳化瀝青混合料內(nèi)部空隙及含水量的變化情況。同時(shí)，PC1包含了乳化瀝青混合料性能的絕大部分信息，且油水比和空隙率與其成負(fù)相關(guān)，由此可知PC1主要反映了乳化瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性。PC2的各個(gè)指標(biāo)載荷量相差較大，其中動(dòng)穩(wěn)定度的載荷量最大達(dá)到0.779，說明PC2主要反映了乳化瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

為構(gòu)建2個(gè)主成分的得分評(píng)價(jià)模型，將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)變量的主成分載荷量除以其對(duì)應(yīng)特征值的算數(shù)平方根，可計(jì)算出每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)變量在主成分上的特征向量，以此為權(quán)重計(jì)算2個(gè)主成分的得分F1和F2，它們的表達(dá)式如下

F1=0.175X1+0.16X2+0.174X3-0.174X4-0.173X5+0.173X6

(3)

F2=-0.07X1+1.444X2-0.577X3+0.599X4-0.513X5-0.627X6

(4)

主成分的綜合得分F評(píng)價(jià)模型是由每個(gè)主成分得分與其對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率成績的總和算出，即

F=0.942 7F1+0.048 5F2

(5)

將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后依次代入上述公式，可以得到不同壓實(shí)等待時(shí)間下乳化瀝青混合料的主成分綜合得分，見表7。

由表7可知，壓實(shí)等待時(shí)間為40 min的綜合評(píng)價(jià)得分最高，為0.548，其次是壓實(shí)等待時(shí)間為30～50 min。說明適當(dāng)?shù)难娱L壓實(shí)等待時(shí)間有利于提高混合料綜合性能，但不能過多延遲，否則會(huì)降低混合料的綜合性能，綜合考慮后，推薦最佳等待壓實(shí)時(shí)間為30～50 min。

表7 不同壓實(shí)等待時(shí)間下乳化瀝青混合料的主成分綜合得分

3 結(jié) 語

(1)分析壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)乳化瀝青混合料壓實(shí)特性與力學(xué)性能的影響規(guī)律。表明適當(dāng)延長壓實(shí)等待時(shí)間有利于提高乳化瀝青混合料密實(shí)度及強(qiáng)度，但不能過多提前或延遲壓實(shí)時(shí)間，否則會(huì)對(duì)混合料強(qiáng)度造成不利影響。

(2)基于主成分分析方法表明，評(píng)價(jià)指標(biāo)超聲波波速與間接拉伸模量對(duì)其主成分PC1的影響效果相當(dāng)。利用超聲波波速評(píng)價(jià)分析乳化瀝青混合料的壓實(shí)程度是行之有效的，能夠反映出乳化瀝青混合料內(nèi)部孔隙及含水量，可以快速準(zhǔn)確評(píng)價(jià)乳化瀝青混合料的壓實(shí)特性。

(3)通過分析不同壓實(shí)等待時(shí)間下乳化瀝青混合料主成分綜合得分，表明壓實(shí)等待時(shí)間對(duì)于路面最終的壓實(shí)度和力學(xué)性能有著十分重要的影響。基于本試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮后，推薦最佳壓實(shí)等待時(shí)間為30～50 min。