基于正交試驗的膠粉改性瀝青配方優(yōu)化

宋寬彬，王笑風(fēng)，褚付克，殷衛(wèi)永

（1.河南交通投資集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016；2.交通運(yùn)輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備研發(fā)中心，河南鄭州 450000；3.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；4.河南省固廢材料道路工程循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗室，河南 鄭州 450000）

膠粉改性瀝青常用于道路工程建設(shè)，可消耗大量廢舊輪胎膠粉，是廢舊輪胎資源化、無害化處理的重要途徑[1]。膠粉改性瀝青混合料還具有較好的綜合路用性能[2-3]。膠粉改性瀝青制備過程中，原材料配方是影響性能的重要因素。不少學(xué)者針對膠粉改性瀝青制備中原材料配方優(yōu)化開展了相關(guān)研究。王笑風(fēng)等人[4]研究了不同類型橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青的三大指標(biāo)及測力延度，發(fā)現(xiàn)硫化膠粉復(fù)合改性瀝青的儲存穩(wěn)定性及抗變形能力優(yōu)于脫硫膠粉復(fù)合改性瀝青的。馬萬等人[5]通過DSR 溫度掃描，研究了不同膠粉摻量橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量和相位角，結(jié)果表明：在較高溫度的摻量測試范圍內(nèi)，膠粉摻量越高，膠粉改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量越大，膠粉的增黏作用越強(qiáng)。王輝等人[6]研究了不同膠粉摻量和細(xì)度的膠粉改性瀝青常規(guī)指標(biāo)、抗離析性能和車轍因子，發(fā)現(xiàn)膠粉摻量宜小于22%，膠粉細(xì)度宜小于80 目。這些關(guān)于膠粉改性瀝青配方優(yōu)化的研究，主要分析了單因素變量對性能的影響，未能綜合分析不同影響因素之間的交互作用。

正交試驗通過均衡布設(shè)影響因素及水平，分析不同影響因素之間的交互作用，快速確定最佳方案，是工程中常用的試驗分析方法[7]。目前相關(guān)學(xué)者通過正交試驗確定膠粉改性瀝青最佳配方及工藝[8]，但這些正交試驗研究大多采用極差分析[9-10]，未能區(qū)分試驗過程中因素水平的改變及試驗誤差所引起的數(shù)據(jù)波動，且無法定量分析因素影響的重要程度。而正交試驗的方差分析，可有效彌補(bǔ)極差分析的不足[11]。因此，本研究針對膠粉改性瀝青配方優(yōu)化環(huán)節(jié)，基于三因素三水平正交試驗，以膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)、延度和黏度作為性能評價指標(biāo)，通過極差分析和方差分析，綜合分析每個因素對不同性能指標(biāo)的影響程度，考慮膠粉改性瀝青總體性能并確定最佳配方，以期為膠粉改性瀝青制備及配方優(yōu)化提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

采用中海油AH-70 作為基質(zhì)瀝青制備膠粉改性瀝青。AH-70瀝青各項指標(biāo)見表1。

表1 AH-70基質(zhì)瀝青檢測結(jié)果Table 1 Test results of the AH-70 base asphalt

1.1.2 橡膠粉

采用3 種不同來源和細(xì)度的膠粉作為原材料。膠粉來源分別為大貨車膠粉、客車膠粉、小汽車膠粉。膠粉細(xì)度分別為20、40、60 目。膠粉技術(shù)指標(biāo)見表2。不同來源的膠粉性能指標(biāo)均滿足《路用廢胎硫化橡膠粉》（JT/T 797-2011）要求。

表2 膠粉性能指標(biāo)Table 2 Performance index of rubber powder

1.1.3 膠粉改性瀝青

自制膠粉改性瀝青，膠粉摻量以基質(zhì)瀝青為基準(zhǔn)，外摻20%，同時，摻加0.7% 表面活性劑和0.2%交聯(lián)劑。膠粉改性瀝青制備工藝為：在180±5 ℃條件下，先以2 000 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌45 min，再以3 500 r/min剪切攪拌45 min。膠粉改性瀝青制備完成后，立即進(jìn)行后續(xù)相關(guān)性能檢測試驗。

1.2 試驗方法

以膠粉來源（A）、細(xì)度（B）和摻量（C）作為影響因素，每個因素選擇3 個水平進(jìn)行正交試驗。試驗因素及水平見表3。設(shè)置空白對照列，對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析。正交試驗不同試驗組試驗因素及水平見表4。每組正交試驗中，除膠粉改性瀝青制備溫度和剪切攪拌時間等因素外，其他影響因素均保持一致。

表3 正交試驗因素及水平Table 3 Factors and levels of the orthogonal test

表4 正交試驗不同試驗組因素及水平Table 4 Factors and levels of different experimental groups in the orthogonal test

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

膠粉改性瀝青使用過程中，需重點(diǎn)關(guān)注高、低溫性能和黏度。為確保高溫性能，膠粉改性瀝青應(yīng)具有相對較高的黏度，但黏度又不能過高，防止輸送過程中堵塞管道，影響施工性能。高溫性能評價指標(biāo)選擇軟化點(diǎn)，低溫性能評價指標(biāo)選擇5℃延度。因此，本試驗采用軟化點(diǎn)、5℃延度和177℃黏度評價膠粉改性瀝青性能優(yōu)劣。不同影響因素及水平組合下，膠粉改性瀝青性能試驗結(jié)果見表5。

表5 不同因素和水平組合下膠粉改性瀝青性能正交試驗結(jié)果Table 5 Orthogonal test results of crumb rubber modified asphalt with different factors and levels

2.2 結(jié)果分析

采用極差分析法和方差分析法，確定不同評價指標(biāo)下的最佳組合，分析不同因素對膠粉改性瀝青性能的影響。采用極差分析法分析每個因素在不同水平下的試驗指標(biāo)和均值，以及每個因素在不同水平下的試驗指標(biāo)極大值和極小值的極差，初步確定每個因素的最優(yōu)水平和不同水平對試驗結(jié)果的影響程度。極差越大，該因素不同水平對試驗結(jié)果的影響程度越大。方差分析根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，進(jìn)一步分析不同因素對試驗結(jié)果是否顯著性影響。方差越大，該因素不同水平對試驗結(jié)果的影響程度越大。

2.2.1 軟化點(diǎn)結(jié)果分析

軟化點(diǎn)試驗結(jié)果極差和方差分析結(jié)果見表6。由表6中極差分析結(jié)果可知，膠粉種類因素在第一水平（載重貨車）對應(yīng)的軟化點(diǎn)均值為68.6℃，為3 個水平中最高值。膠粉細(xì)度因素在3 個水平中，軟化點(diǎn)最高值為第二水平（40 目）對應(yīng)的均值為68.5℃。膠粉摻量因素在3 個水平中軟化點(diǎn)最高值為第三水平（25%）對應(yīng)的軟化點(diǎn)均值70.5℃。按照不同因素在不同水平下軟化點(diǎn)極差從大到小，不同因素的排序為膠粉摻量（均值極差8.7℃）＞膠粉種類（均值極差4.8℃）＞膠粉細(xì)度（均值極差3.7℃），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)影響程度大小為膠粉摻量＞膠粉種類＞膠粉細(xì)度。

由表6 中方差分析結(jié)果還可知，3 個因素的F統(tǒng)計量值從大到小排序為：膠粉摻量（1 072.8%）＞膠粉種類（319.9）＞膠粉細(xì)度（237.6 目），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)影響程度大小為膠粉摻量＞膠粉種類＞膠粉細(xì)度。3 個因素的F統(tǒng)計量值均大于F統(tǒng)計臨界值，表明：3 個因素對膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)均有顯著性影響。

表6 軟化點(diǎn)正交試驗結(jié)果極差和方差分析Table 6 Range and variance analysis of softening point of orthogonal test results

根據(jù)軟化點(diǎn)極差和方差分析可知，三因素對軟化點(diǎn)均有顯著性影響，影響程度排序為：因素C（膠粉摻量）＞因素A（膠粉種類）＞因素B（膠粉細(xì)度）。不同因素和水平下的軟化點(diǎn)最優(yōu)組合方案為A1B2C3。

2.2.2 延度結(jié)果分析

延度試驗結(jié)果極差和方差分析結(jié)果見表7。由表7中極差分析結(jié)果可知，膠粉種類因素在第一水平（載重貨車）對應(yīng)的延度均值為10.1 cm，為3個水平中最高值。膠粉細(xì)度因素在3個水平中延度最高值為第三水平（60 目）對應(yīng)的延度均值為10.4 cm。膠粉摻量因素在3 個水平中延度最高值為第二水平（20%）對應(yīng)的延度均值為10.2 cm。按照不同因素在不同水平下延度極差從大到小，不同因素的排序為：膠粉細(xì)度（2.2 cm）＞膠粉摻量（1.7 cm）＞膠粉種類（1.3 cm），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青延度影響程度大小為膠粉細(xì)度＞膠粉摻量＞膠粉種類。

表7 延度正交試驗結(jié)果極差和方差分析Table 7 Range and variance analysis of ductilit of orthogonal test results

由表7 中方差分析結(jié)果還可知，3 個因素的F統(tǒng)計量值從大到小排序為：膠粉細(xì)度（102.4 目）＞膠粉摻量（63.7%）＞膠粉種類（47.00），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青延度影響程度大小為膠粉細(xì)度＞膠粉摻量＞膠粉種類。3 個因素的F統(tǒng)計量均大于F統(tǒng)計臨界值，表明：3 個因素對膠粉改性瀝青延度均有顯著性影響。

根據(jù)延度極差和方差分析可知，3 個因素對延度均有顯著性影響，影響程度排序為：因素B（膠粉細(xì)度）＞因素C（膠粉摻量）＞因素A（膠粉種類）。不同因素和水平下的延度最優(yōu)組合方案為A1B3C2。

2.2.3 黏度結(jié)果分析

黏度試驗結(jié)果極差和方差分析結(jié)果見表8。由表8中極差分析結(jié)果可知，膠粉種類因素在第一水平（載重貨車）對應(yīng)的黏度均值為2.9 Pa·s，是3個水平中最高值。膠粉細(xì)度因素在3個水平中，為黏度最高值為第二水平（40 目），對應(yīng)的黏度均值3.0 Pa·s。膠粉摻量因素在3 個水平中，黏度最高值為第三水平（25%），對應(yīng)的黏度均值3.8 Pa·s，但是該黏度值過高，對施工不利。在目前普通施工設(shè)備下，改性瀝青過于黏稠，容易堵管或?qū)е铝鲃铀俣群捅盟退俣冉档?，?yán)重降低生產(chǎn)產(chǎn)量和進(jìn)度。因此，膠粉摻量因素在3個水平中，黏度最優(yōu)值選為第二水平（20%）。按照不同因素在不同水平下的黏度極差排序為膠粉摻量（2.4 Pa·s）＞膠粉細(xì)度（0.8 Pa·s）＝膠粉種類（0.8 Pa·s），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青黏度影響程度大小為膠粉摻量＞膠粉細(xì)度＝膠粉種類。

表8 黏度正交試驗結(jié)果極差和方差分析Table 8 Range and variance analysis of viscosity of orthogonal test results

由表8 中方差分析結(jié)果還可知，3 個因素的F統(tǒng)計量值排序為膠粉摻量（319.5）＞膠粉細(xì)度（39.3）＞膠粉種類（33.3），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青黏度影響程度大小為膠粉摻量＞膠粉細(xì)度＞膠粉種類。3 個因素的F統(tǒng)計量均大于F統(tǒng)計臨界值，表明：3 個因素對膠粉改性瀝青黏度均有顯著性影響。

根據(jù)黏度極差和方差分析可知，三因素對黏度均有顯著性影響，影響程度排序為因素C（膠粉摻量）＞因素B（膠粉細(xì)度）＞因素A（膠粉種類）。不同因素和水平下的黏度最優(yōu)組合方案為A1B2C2。

2.2.4 綜合分析

根據(jù)膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度和黏度的分析，將各因素對不同性能影響程度及不同性能的最佳組合方案進(jìn)行對比，見表9。

表9 各因素對不同性能影響程度及最佳組合方案Table 9 Ⅰnfluence degree of various factors on different performance and the best combination scheme

根據(jù)性能指標(biāo)重要程度和不同因素對性能的影響程度，結(jié)合不同性能指標(biāo)下的最優(yōu)組合，依次確定不同因素的最優(yōu)水平。膠粉改性瀝青使用過程中，主要利用高黏及良好的高溫性能，提高路面性能。高黏和高溫性能具有一定內(nèi)在關(guān)系，高黏促使高溫性能提升。因素C（膠粉摻量）對軟化點(diǎn)和黏度影響程度最顯著，軟化點(diǎn)在該因素下的最佳水平為水平三，但黏度在該因素下的最佳水平為水平二，若選取水平三會導(dǎo)致黏度過高，嚴(yán)重影響施工性能。因此，因素C的最佳水平確定為水平二，即定為C2，該水平也是延度指標(biāo)在該因素下的最佳水平。

在黏度指標(biāo)中，因素A和B的影響程度基本一致。軟化點(diǎn)指標(biāo)中，因素A 的影響程度大于因素B的，選擇因素A 為第二影響因素，不同性能指標(biāo)下，因素A的最優(yōu)水平均為水平一。因此，因素A的最佳水平確定為水平一，即定為A1。針對第三影響因素B，軟化點(diǎn)和黏度指標(biāo)中，該因素的最佳水平均為水平二；延度指標(biāo)中，因素B的水平三為最佳水平。綜合考慮因素B 不同水平對性能的影響，確定其最佳水平為水平二，即定為B2。因此，確定不同因素的最佳組合方案為A1B2C2。該組合下，膠粉改性瀝青綜合性能良好。

3 結(jié)論

通過對不同因素和水平下的正交試驗結(jié)果分析，得出結(jié)論為：

1）三因素對軟化點(diǎn)均有顯著性影響，影響程度排序為因素C（膠粉摻量）＞因素A（膠粉種類）＞因素B（膠粉細(xì)度）。針對軟化點(diǎn)的最優(yōu)組合方案為A1B2C3。

2）三因素對延度均有顯著性影響，影響程度排序為因素B（膠粉細(xì)度）＞因素C（膠粉摻量）＞因素A（膠粉種類）。針對延度的最優(yōu)組合方案為A1B3C2。

3）三因素對黏度均有顯著性影響，影響程度排序為因素C（膠粉摻量）＞因素B（膠粉細(xì)度）＞因素A（膠粉種類）。針對黏度的最優(yōu)組合方案為A1B2C2。

4）根據(jù)各因素對性能影響，確定最佳不同因素的最佳組合方案為A1B2C2。該組合下，膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)為71℃，延度為11.1 cm，黏度為3.0 Pa·s，膠粉改性瀝青綜合性能良好。