基于正交試驗(yàn)層次分析法的橡膠瀝青生產(chǎn)工藝參數(shù)研究

李士才

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司 北京 101300）

1 引言

銀百高速公路（G69）甜水堡經(jīng)慶城至永和段主線路面結(jié)構(gòu)主要采用半剛性基層瀝青路面，但是半剛性基層瀝青路面容易在路面服役期間產(chǎn)生基層反射裂縫，導(dǎo)致路面服役壽命降低，因此采用加鋪應(yīng)力吸收層這一方式來緩解和防治反射裂縫。近年來，隨著橡膠瀝青的推廣應(yīng)用，半剛性基層瀝青路面逐漸開始采用橡膠瀝青鋪設(shè)應(yīng)力吸收層。相比其他改性瀝青，橡膠瀝青具有應(yīng)力吸收能力好、施工設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)。橡膠瀝青的生產(chǎn)方式包括“干法”和“濕法”兩種，相比之下干法工藝生產(chǎn)的橡膠瀝青穩(wěn)定性差，因此多采用濕法工藝生產(chǎn)［1］。濕法生產(chǎn)工藝參數(shù)主要包括膠粉與瀝青的拌和時(shí)間、拌和溫度、橡膠粉粒徑大小及摻量。因此，為生產(chǎn)得到相對較好的橡膠瀝青就需要對各參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)選，評價(jià)各因素的主次。

經(jīng)過多年的發(fā)展，濕法生產(chǎn)工藝已取得顯著的成果，對于濕法生產(chǎn)工藝參數(shù)，Bahia等［2］通過研究發(fā)現(xiàn)膠粉的種類及來源對所生產(chǎn)的橡膠瀝青性能影響不大，其性能主要受其他因素的交互作用影響。Ragab等［3］采用高效凝膠色譜法對橡膠瀝青細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，研究發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)橡膠瀝青時(shí)的溫度、時(shí)間和攪拌速率是影響橡膠瀝青細(xì)觀結(jié)構(gòu)的主要因素。曹衛(wèi)東等［4］使用不同車輛的輪胎生產(chǎn)橡膠瀝青研究發(fā)現(xiàn)，隨著膠粉的摻量增加，橡膠瀝青低溫條件下延度降低，軟化點(diǎn)越高。李小成［5］采用高速剪切的方法制備橡膠瀝青，并對其常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)膠粉的粒徑越小，其性能越好。何立平等［6］通過試驗(yàn)確定了橡膠瀝青制備時(shí)最合理的膠粉摻量為20%～25%，在180℃的溫度條件下需攪拌30～60 min。張苛等［7］研究發(fā)現(xiàn)，在攪拌溫度為190℃左右時(shí)，40～60目的膠粉最佳摻量為18%～20%，經(jīng)高速剪切1 h后得到的橡膠瀝青其性能較好?？梢钥闯?，現(xiàn)有研究雖然在橡膠瀝青的生產(chǎn)制備的工藝和參數(shù)上有所積累，但是鮮有研究能從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度對現(xiàn)場生產(chǎn)的橡膠瀝青的質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)，并研究各個(gè)參數(shù)在橡膠瀝青生產(chǎn)過程中的關(guān)聯(lián)性與耦合作用。

本研究采用常溫生產(chǎn)工藝制備膠粉，利用四因素三水平的正交試驗(yàn)層次分析方法，以橡膠瀝青的粘度、車轍因子和失效溫度的變化為評價(jià)指標(biāo)，通過研究膠粉摻量、攪拌速率、攪拌溫度和攪拌時(shí)間4個(gè)因素，確定各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響權(quán)重。并基于總權(quán)重矩陣，確定適用于現(xiàn)場生產(chǎn)橡膠瀝青的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)組合，以期指導(dǎo)生產(chǎn)，提升橡膠瀝青質(zhì)量。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

（1）瀝青

選用基質(zhì)瀝青為克煉90＃，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）［8］，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

（2）膠粉

選用40目膠粉由甘肅宏裕森環(huán)保科技有限責(zé)任公司提供，其技術(shù)指標(biāo)滿足《硫化橡膠粉》（GB/T 19208—2008）［9］規(guī)范要求，其測試結(jié)果如表2所示。

表2 橡膠粉的物理及化學(xué)技術(shù)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

（1）橡膠瀝青制備

制備橡膠瀝青時(shí)采用恒溫磁力加熱攪拌器，其規(guī)格為轉(zhuǎn)速0～5 000 r/min，溫度控制精度 ±0.5℃。首先在反應(yīng)容器中加入500 g的基質(zhì)瀝青，并在150℃條件下保溫60 min，之后將溫度調(diào)節(jié)至略高于反應(yīng)溫度，防止加入膠粉后基質(zhì)瀝青溫度下降。然后緩慢加入膠粉并進(jìn)行攪拌，攪拌器攪拌速率逐級調(diào)整至試驗(yàn)反應(yīng)速率，待攪拌達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，將制備好的橡膠瀝青倒入專門的瀝青存放桶中保存，放置24 h之后進(jìn)行性能測試。

（2）橡膠瀝青粘度測試

瀝青粘度采用布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（Brookfield viscometer）進(jìn)行測試，其原理是通過測定在一定溫度條件下使浸沒在瀝青中的轉(zhuǎn)子保持一定轉(zhuǎn)速所需的扭矩來確定瀝青的布氏粘度，其工作原理如圖1所示。測試時(shí)采用27＃轉(zhuǎn)子，瀝青試樣 12.5 g，轉(zhuǎn)速 20 rad/min，每組3次平行試驗(yàn)，保證儀器所測得扭矩在10%～98%之間［10］。

圖1 布氏粘度儀原理

（3）橡膠瀝青流變試驗(yàn)

為了對橡膠瀝青進(jìn)行評價(jià)，采用動態(tài)剪切流變儀（DSR）對其流變性能指標(biāo)進(jìn)行測試，作為后期層次分析時(shí)的評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)國內(nèi)部分試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)為了降低較大膠粉顆粒對試驗(yàn)結(jié)果造成的誤差，部分文獻(xiàn)將儀器振蕩板的間隙調(diào)至2 mm，但由于本次試驗(yàn)采用膠粉顆粒較小（40目），所以在試驗(yàn)中仍保持振蕩板間距為1 mm。

3 正交試驗(yàn)

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對多因素多水平試驗(yàn)，為了合理地減少試驗(yàn)量，根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出均勻分散、齊整可比的點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)以最少的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到和全面試驗(yàn)等效的結(jié)果。文中研究膠粉摻量、攪拌速率、拌和溫度和時(shí)間4個(gè)因素對橡膠瀝青粘度的影響，每個(gè)因素選擇3水平，不考慮各因素間的交互作用影響，因此選擇L9（34）正交試驗(yàn)表（見表3）。

表3 L9（34）正交表

3.2 層次分析法

對于多指標(biāo)正交試驗(yàn)問題，相比直觀分析法和方差分析法，層次分析法的計(jì)算量較小，計(jì)算簡單，可以快速得出最優(yōu)方案和影響因素的主次［11］。層次分析模型是依據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)構(gòu)而建立的一個(gè)三層結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。依據(jù)結(jié)構(gòu)模型，分別建立對應(yīng)的指標(biāo)層矩陣、因素層矩陣和水平層矩陣。

（1）指標(biāo)層矩陣建立

假定正交試驗(yàn)中有n個(gè)因素，m個(gè)水平，則因素Aij的第j個(gè)水平上的試驗(yàn)指標(biāo)平均值為kij，若期望目標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果越大越好，則令Nij＝kij，反之當(dāng)目標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果越小越好時(shí)，令Nij＝1/kij，最終建立矩陣N如式（1）所示。

（2）因素層矩陣建立

主要是對指標(biāo)層矩陣進(jìn)行歸一化，其與指標(biāo)層矩陣的乘積也稱為水平標(biāo)準(zhǔn)影響效應(yīng)矩陣，矩陣Y如式（2）所示。

（3）水平層矩陣建立

因素Ai的極差Ri稱為因素Ai對試驗(yàn)結(jié)果的影響矩陣，水平層矩陣S為各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響權(quán)重矩陣，如式（3）所示。

最后計(jì)算影響試驗(yàn)指標(biāo)的權(quán)矩陣Q＝NYS，得到各因素各水平對試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)影響的權(quán)重，同時(shí)可用其來選擇最優(yōu)方案和影響因素的主次。

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)既有經(jīng)驗(yàn)和研究，選擇4種因素的不同水平，其次確定橡膠瀝青的評價(jià)指標(biāo)，分別為粘度、車轍因子和失效溫度，其指標(biāo)值均為越大越好。其中根據(jù)文獻(xiàn)資料，認(rèn)為粘度是評價(jià)橡膠瀝青性能的核心指標(biāo)，對橡膠瀝青的生產(chǎn)和施工起著重要的控制作用［12］。車轍因子和失效溫度主要用來評價(jià)橡膠瀝青的高溫性能［13］。試驗(yàn)測得各指標(biāo)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的權(quán)矩陣，記為 Q1、Q2、Q3，其結(jié)果為：

不難看出，單純考慮某一指標(biāo)并不能得到最優(yōu)的工藝參數(shù)。當(dāng)以粘度為單一指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)方案為A3B1C2D3；當(dāng)以車轍因子為單一指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)方案為A3B3C1D3；當(dāng)以失效溫度為單一指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)方案為A3B2C3D2。因此需要計(jì)算3個(gè)指標(biāo)的總權(quán)矩陣Q來做最終的評價(jià)，總權(quán)矩陣Q為3個(gè)指標(biāo)權(quán)矩陣之和的平均值。

通過計(jì)算可知，3種膠粉摻量對試驗(yàn)結(jié)果的影響權(quán)重分別為 0.160、0.214、0.393，摻量為 20%時(shí)，權(quán)重最大；此外當(dāng)攪拌速率為2 000 r/min和3 000 r/min時(shí)權(quán)重相同，考慮經(jīng)濟(jì)因素，選擇攪拌速率為2 000 r/min，同理攪拌時(shí)間選擇60 min；當(dāng)攪拌溫度為190℃時(shí)，溫度因素中所占權(quán)重最大。由此可以得到橡膠瀝青的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)為膠粉摻量 20%，攪拌速率 2 000 r/min，攪拌溫度190℃，攪拌時(shí)間60 min。此外不難發(fā)現(xiàn)4種因素中膠粉摻量對試驗(yàn)指標(biāo)的影響最大，其次是攪拌速率、攪拌溫度和攪拌時(shí)間，同時(shí)發(fā)現(xiàn)對于所選的3個(gè)指標(biāo)，攪拌速率和時(shí)間對粘度的權(quán)重最小。

4 現(xiàn)場生產(chǎn)驗(yàn)證及效益評價(jià)

4.1 橡膠瀝青生產(chǎn)

首先向溶脹罐內(nèi)加入基質(zhì)瀝青并加熱，根據(jù)計(jì)算的溶脹罐內(nèi)應(yīng)加入基質(zhì)瀝青的數(shù)量，將瀝青儲存罐中的熱基質(zhì)瀝青泵送至溶脹罐內(nèi)，溶脹罐內(nèi)的瀝青加熱器將基質(zhì)瀝青加熱至190℃。

再向溶脹罐內(nèi)添加膠粉，待溶脹罐內(nèi)的基質(zhì)瀝青加熱至設(shè)定溫度后，通過膠粉添加裝置將膠粉加入到溶脹罐內(nèi)。為保證質(zhì)量，膠粉結(jié)團(tuán)、結(jié)塊嚴(yán)重的不得使用，添加膠粉時(shí)不要撒落在外面，并注意觀察，防止有其他雜物進(jìn)入，如碎石、鐵屑等。

啟動反應(yīng)設(shè)備，溶脹剪切，在溶脹罐內(nèi)將基質(zhì)瀝青與膠粉進(jìn)行充分、均勻的高速攪拌，使膠粉在基質(zhì)瀝青中溶脹，攪拌溶脹時(shí)間60 min，溶脹溫度190℃。

最后將橡膠瀝青置入反應(yīng)罐內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的反應(yīng)發(fā)育，反應(yīng)溫度190℃，反應(yīng)時(shí)間30 min。橡膠瀝青制備工藝流程如圖3所示。

圖3 橡膠瀝青制備工藝流程

4.2 橡膠瀝青質(zhì)量檢測

本研究不僅對最佳參數(shù)生產(chǎn)的橡膠瀝青進(jìn)行了粘度、車轍因子和失效溫度3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，還對甜永高速公路路面工程標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施細(xì)則中規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢測，結(jié)果如表5所示。

表5 橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)

由表5可知，本研究給出的最佳參數(shù)制備的橡膠瀝青，所測技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且與正交試驗(yàn)結(jié)果相近，驗(yàn)證了本研究的真實(shí)性與可重復(fù)性。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過對優(yōu)化前后橡膠瀝青制備成本的對比發(fā)現(xiàn)，過高或者過低的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，均會導(dǎo)致生產(chǎn)成本和瀝青性能的變化。但是當(dāng)采用膠粉摻量20%，攪拌速率2 000 r/min，攪拌溫度190℃，攪拌時(shí)間60 min的條件時(shí)，能夠保證性能最優(yōu)的同時(shí)，生產(chǎn)時(shí)成本達(dá)到最經(jīng)濟(jì)，減少了不必要的能源浪費(fèi)。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）基于對甜永高速橡膠瀝青原材試驗(yàn)結(jié)果，得到最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)為膠粉摻量20%，攪拌速率2 000 r/min，攪拌溫度190℃，攪拌時(shí)間60 min。

（2）相比攪拌速率、攪拌溫度和時(shí)間，膠粉摻量對橡膠瀝青的3個(gè)指標(biāo)的權(quán)重最大。

（3）對于多指標(biāo)多因素的正交試驗(yàn)，采用層次分析法能夠簡單高效地計(jì)算得到影響權(quán)重，便于施工人員的使用，同時(shí)也為類似的工程問題提供了一個(gè)高效的解決思路。

5.2 建議

（1）通過得到的權(quán)矩陣不難發(fā)現(xiàn)，攪拌時(shí)間各水平對各指標(biāo)的影響權(quán)重差異過小，需要增加試驗(yàn)量，減少人為因素和誤差，并做進(jìn)一步深入研究。

（2）在正交試驗(yàn)中未考慮因素間的交互作用，在之后的研究中需著重研究4種因素對各指標(biāo)的交互作用，在現(xiàn)有工藝參數(shù)上再次優(yōu)化。