基于模糊層次分析法的瀝青再生劑組分比選

孔 林，王晨成，余 樂，蔣 斌

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

瀝青路面在長期使用過程中，受到外部環(huán)境(光、熱、水等)影響會發(fā)生氧化、揮發(fā)等反應(yīng)，使瀝青逐漸老化，表現(xiàn)為針入度減小、軟化點(diǎn)升高、延度下降和黏度變大[1-3]。由于輕質(zhì)油分一般具有低黏度、低溶解度、高芳香族含量、易于在瀝青中均勻擴(kuò)散并與舊瀝青具有良好的相容性等特點(diǎn)，常常用為再生劑的主要成分，降低老化瀝青的黏度，補(bǔ)充老化過程中缺失的成分使老化瀝青的力學(xué)性能得到恢復(fù)[4-6]。然而，大量學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)油分種類、性能不同，對瀝青的改性效果也各不相同[7-9]，如何挑選一款改性效果好且價(jià)格低廉的輕質(zhì)油分是目前再生劑研發(fā)過程中需要解決的難題。

近年來，由于模糊層次分析法能夠?qū)I(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行量化，定性分析與定量分析相結(jié)合，從多方面對目標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，因而在交通規(guī)劃[10]、機(jī)械設(shè)計(jì)方案評價(jià)[11]和風(fēng)險(xiǎn)評估[12]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是很少有人運(yùn)用該方法對瀝青改性劑進(jìn)行比選。因此，本文采用模糊層次分析法對環(huán)烷油、芳烴油和亞麻油的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性等多個(gè)因素進(jìn)行評價(jià)，優(yōu)選出一款最佳再生劑，為再生劑組分比選提供一種新方法。

1 原材料

1.1 瀝青

本文所使用的新瀝青為中石化DH70#基質(zhì)瀝青，舊瀝青由新瀝青經(jīng)PAV老化48 h得到，各項(xiàng)物理指標(biāo)如表1所示。

表1 新瀝青和老化瀝青物理指標(biāo)Table 1 Physical index of new asphalt and aging asphalt類別針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃延度(15 ℃)/cm黏度(135 ℃)/(Pa·s)DH70#67.954.6>1500.356老化瀝青19.977.472.940

1.2 再生劑

本文分別選用環(huán)烷油、芳烴油和亞麻油3種輕質(zhì)油分作為再生劑。環(huán)烷油是由環(huán)烷基原油加工提煉而制得，以環(huán)烷烴與其同系物等為主要成分，具有飽和環(huán)狀碳鏈結(jié)構(gòu)，外觀呈淡黃透明色或水白色油狀液體。芳烴油是石油化工的基本產(chǎn)品和基礎(chǔ)原料之一，其主要由苯、甲苯和二甲苯構(gòu)成，外觀呈深色黏稠液體。亞麻油由亞麻子制取而成，亞麻酸含量較高且有特殊氣味，常溫下呈深琥珀色或金黃色液體。

2 再生劑組分評價(jià)指標(biāo)體系的建立

建立再生劑組分評價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，將再生劑組分的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性、材料自身特性、施工便捷性四大因素納入準(zhǔn)則層，其中經(jīng)濟(jì)性是材料能否快速推廣、大范圍使用的關(guān)鍵因素；技術(shù)可行性是再生劑改性瀝青是否可行的前提和基礎(chǔ)，是評價(jià)再生劑改性效果的首要因素；材料特性決定材料的運(yùn)輸，以及存儲等是否方便安全；而施工可行性主要考慮再生劑對施工和環(huán)境的影響。

此外，為了準(zhǔn)確反映再生劑對老化瀝青性能的影響，分別采用針入度恢復(fù)指數(shù)RP25、軟化點(diǎn)恢復(fù)指數(shù)RS、延度恢復(fù)指數(shù)RD15和黏度恢復(fù)指數(shù)RV來評價(jià)再生劑對三大指標(biāo)和黏度的恢復(fù)效果，值等于0時(shí)，表示再生劑對該指標(biāo)無影響，值等于1時(shí)，表示加入再生劑后該指標(biāo)恢復(fù)至原樣瀝青狀態(tài)。最后將單價(jià)、摻量、針入度恢復(fù)指數(shù)、軟化點(diǎn)恢復(fù)指數(shù)、延度恢復(fù)指數(shù)、黏度恢復(fù)指數(shù)、凝點(diǎn)、閃點(diǎn)、施工工藝、環(huán)保等10個(gè)指標(biāo)列入指標(biāo)層，得到再生劑組分綜合評價(jià)體系，見圖1。

圖1 再生劑組分綜合評價(jià)遞階層次結(jié)構(gòu)圖

3 影響因素權(quán)重計(jì)算

3.1 確定判斷矩陣

在模糊層次分析法中，兩因素間的重要程度用1～9等數(shù)字進(jìn)行定量標(biāo)識，例如1表示i跟j同等重要，9表示i比j絕對重要；數(shù)字越大，前者比后者越重要；若后者比前者重要，則取其倒數(shù)[13-14]。由相關(guān)專家按規(guī)定對各因素的重要性進(jìn)行評判，評判結(jié)果見表2～表6。

由表2～表6可以形成判斷矩陣A0～A4，其中A0準(zhǔn)則層判斷矩陣，A1、A2、A3和A4為指標(biāo)層判斷矩陣。

表2 準(zhǔn)則層權(quán)重專家評級表Table 2 Standard-level weight expert rating table評價(jià)體系相對重要性經(jīng)濟(jì)性技術(shù)可行性材料特性施工便捷性評價(jià)準(zhǔn)則A0經(jīng)濟(jì)性1 1/353技術(shù)可行性3165材料特性 1/5 1/61 1/3施工便捷性 1/3 1/531

表3 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)權(quán)重專家評級表Table 3 Expert rating table for the weight of economic indicators評價(jià)體系相對重要性單價(jià)摻量經(jīng)濟(jì)可行性A1單價(jià)13摻量1/31

表4 技術(shù)可行性指標(biāo)權(quán)重專家評級表Table 4 Technical feasibility index weight expert rating table評價(jià)體系相對重要性RP25RSRD15RV技術(shù)可行性A2RP2511/31/51/5RS311/31/4RD155311/3RV5431

表5 材料特性指標(biāo)權(quán)重專家評級表Table 5 Material characteristic index weight expert rating table評價(jià)體系相對重要性凝點(diǎn)閃點(diǎn)材料特性A3凝點(diǎn)11/3閃點(diǎn)31

表6 施工可行性指標(biāo)權(quán)重專家評級表Table 6 Construction feasibility index weight expert rating table評價(jià)體系相對重要性施工工藝環(huán)境保護(hù)施工可行性A4施工工藝12環(huán)境保護(hù)1/21

3.2 計(jì)算各因素的權(quán)重

按照文獻(xiàn)[15]中所述方法，對各因素的權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算，以A0矩陣為例，具體計(jì)算步驟如下：

0.325 0.669)T。

3.3 一致性檢驗(yàn)

由CI=(λmax-n)/(n-1)求得CI=0.050；查詢表7確定一致性指標(biāo)RI=0.9；則一致性比例CR=CI/RI=0.056<0.1，判斷矩陣A0的一致性滿足要求；若CR>0.1，則認(rèn)為判斷矩陣的不一致程度較大，需要對判斷矩陣進(jìn)行重新調(diào)整[16]。同理，求得其它各指標(biāo)的權(quán)重值和最大特征值，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果見表8。

表7 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值Table7 Average random consistency index RI value階數(shù)RI10 20 30.5840.9 51.1261.24

表8 再生劑組分綜合評價(jià)指標(biāo)權(quán)重匯總表Table8 Comprehensive evaluation index weight summary ta-ble of regenerant components目標(biāo)層準(zhǔn)則層權(quán)重指標(biāo)層權(quán)重再生劑組分比選經(jīng)濟(jì)性0.269單價(jià)0.750摻量0.250技術(shù)可行性0.553針入度恢復(fù)指數(shù)0.064軟化點(diǎn)恢復(fù)指數(shù)0.133延度恢復(fù)指數(shù)0.280黏度恢復(fù)指數(shù)0.523材料特性0.058凝點(diǎn)0.250閃點(diǎn)0.750施工可行性0.120施工工藝0.667環(huán)境保護(hù)0.333

由表8可知，準(zhǔn)則層四因素中技術(shù)可行性的權(quán)重值最大，為0.553；材料特性的權(quán)重值最小，僅有0.058，即技術(shù)可行性對再生劑組分綜合評價(jià)影響最大，經(jīng)濟(jì)性和施工可行性次之，材料特性對再生劑組分綜合評價(jià)影響最小。

4 再生劑組分綜合評價(jià)

4.1 建立因素評判矩陣

技術(shù)指標(biāo)按其性質(zhì)通?？煞譃槎ㄐ灾笜?biāo)和定量指標(biāo)兩類，如單價(jià)、摻量、針入度恢復(fù)指數(shù)、延度恢復(fù)指數(shù)等為定量指標(biāo)；施工工藝、環(huán)境保護(hù)等為定性指標(biāo)。通過市場調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，得到經(jīng)濟(jì)性因素、技術(shù)可行性因素和材料特性因素的指標(biāo)值，各指標(biāo)值見表9。

參考文獻(xiàn)[17]所述方法對各指標(biāo)進(jìn)行處理：對于定量因素，值越大越好的因素按rij=yij/max{yij}計(jì)算其隸屬度，值越小越好的因素按照rij=1-(yij-min{yij})/max{yij}計(jì)算其隸屬度；對于定性因素，按優(yōu)、良、中、次、差進(jìn)行分級，分別對應(yīng)隸屬度為1、0.75、0.5、0.25和0，若定性因素評級處于上述5種等級之間，則通過線性內(nèi)插計(jì)算其隸屬度，計(jì)算結(jié)果見表10和表11。將表10和表11各因素隸屬度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，得到單因素評判矩陣R如下：

表9 經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性和材料特性指標(biāo)匯總表Table 9 Summary table of economic, technical feasibility and material characteristics indicators改性劑種類摻量/%經(jīng)濟(jì)性技術(shù)可行性材料特性單價(jià)/(元·t-1)摻量/%針入度恢復(fù)指數(shù)軟化點(diǎn)恢復(fù)指數(shù)延度恢復(fù)指數(shù)黏度恢復(fù)指數(shù)凝點(diǎn)/℃閃點(diǎn)/℃16 00010.220.240.010.30-2722136 00030.450.490.030.53-27221環(huán)烷油56 00050.680.770.060.69-2722176 00070.901.070.090.82-2722196 00090.971.180.100.86-2722114 00010.180.230.010.28-324634 00030.360.490.010.49-3246芳烴油54 00050.540.730.020.66-324674 00070.721.010.040.78-324694 00090.841.060.050.83-324619 90010.270.250.010.37-1823539 90030.540.490.050.62-18235亞麻油59 90050.800.770.130.80-1823579 90071.091.040.210.91-1823599 90091.161.150.230.94-18235

表10 定量因素隸屬度匯總表Table10 Summary Table of Membership of Quantitative Factors改性劑種類摻量/%經(jīng)濟(jì)性技術(shù)可行性材料特性單價(jià)/(元·t-1)摻量/%針入度恢復(fù)指數(shù)軟化點(diǎn)恢復(fù)指數(shù)延度恢復(fù)指數(shù)黏度恢復(fù)指數(shù)凝點(diǎn)/℃閃點(diǎn)/℃10.7981.0000.190 0.203 0.043 0.319 1.0000.898 30.7980.7780.388 0.415 0.130 0.564 1.0000.898 環(huán)烷油50.7980.5560.586 0.653 0.261 0.734 1.0000.898 70.7980.3330.776 0.907 0.391 0.872 1.0000.898 90.7980.1110.836 1.000 0.435 0.915 1.0000.898 11.0001.0000.155 0.195 0.043 0.298 0.111 1.000 31.0000.7780.310 0.415 0.043 0.521 0.111 1.000 芳烴油51.0000.5560.466 0.619 0.087 0.702 0.111 1.000 71.0000.3330.621 0.856 0.174 0.830 0.111 1.000 91.0000.1110.724 0.898 0.217 0.883 0.111 1.000 10.4041.0000.233 0.212 0.043 0.394 0.667 0.955 30.4040.7780.466 0.415 0.217 0.660 0.667 0.955 亞麻油50.4040.5560.690 0.653 0.565 0.851 0.667 0.955 70.4040.3330.940 0.881 0.913 0.968 0.667 0.955 90.4040.1111.000 0.975 1.000 1.000 0.667 0.955

表11 定性因素隸屬度匯總表Table 11 Summary table of membership degree of qualitative factors改性劑種類摻量/%施工便捷性施工工藝環(huán)保10.920.9430.840.88環(huán)烷油50.760.8270.680.7290.600.6010.910.9030.800.80芳烴油50.710.6770.590.5490.480.4010.980.9830.950.94亞麻油50.920.9070.870.8690.800.82

4.2 計(jì)算各組方案綜合評分

再生劑組分的綜合比選，首先需要對指標(biāo)層各指標(biāo)進(jìn)行單因素評價(jià)，即Si=WiRki，得到經(jīng)濟(jì)性評價(jià)S1、技術(shù)可行性評價(jià)S2、材料特性評價(jià)S3，以及施工可行性評價(jià)S4，然后由S=W(S1S2

S3S4)T計(jì)算綜合評價(jià)得分[17]，以1%摻量的環(huán)烷油為例。

4.2.1準(zhǔn)則層評價(jià)

a.經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。

b.技術(shù)可行性評價(jià)。

c.材料特性評價(jià)。

d.施工可行性評價(jià)。

4.2.2綜合評價(jià)

方案一的綜合評價(jià)為S=W(S1S2S3S4)T=0.460。

同理，得到其它各方案的綜合評價(jià)結(jié)果，見表12。

表12 再生劑組分綜合評價(jià)結(jié)果Table12 Comprehensive evaluation results of regenerant components方案改性劑種類摻量/%準(zhǔn)則層評價(jià)經(jīng)濟(jì)性技術(shù)可行性材料特性施工可行性綜合評價(jià)平均得分110.8490.2180.9240.9270.460230.7930.4110.9240.8530.5433環(huán)烷油50.7380.5810.9240.7800.6130.593470.6820.7360.9240.6930.673590.6260.7860.9240.6000.675611.0000.2040.7780.9070.490730.9450.3600.7780.8000.5498芳烴油50.8890.5030.7780.6970.6010.585970.8330.6360.7780.5730.6441090.7780.6980.7780.4530.6441110.5530.2610.8830.9730.4101230.4980.4910.8830.9400.51813亞麻油50.4420.7340.8830.9000.6330.6031470.3860.9390.8830.8400.7241590.3310.9970.8830.7670.732

由上表可知，再生劑組分綜合評價(jià)平均得分排序?yàn)閬喡橛?環(huán)烷油>芳烴油，并且9%摻量的亞麻油綜合評價(jià)在15個(gè)方案中得分最高，達(dá)到0.743，因此可以確定亞麻油為最佳再生劑組分。對比技術(shù)可行性因素可以發(fā)現(xiàn)，亞麻油的評價(jià)最高，摻量達(dá)到9%時(shí)技術(shù)可行性評分接近1.0，說明9%摻量的亞麻油對老化瀝青改性效果最好；此外，亞麻油的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)和材料特性評價(jià)得分較低，但是經(jīng)濟(jì)性和材料特性兩因素的權(quán)重值較小，對綜合評分影響不大，所以最終評價(jià)結(jié)果主要取決于技術(shù)可行性的得分。

5 結(jié)論

a.在再生劑組分綜合評價(jià)過程中，準(zhǔn)則層四因素的權(quán)重值排序?yàn)榧夹g(shù)性可行性>經(jīng)濟(jì)性>施工可行性>材料特性，即技術(shù)可行性對再生劑組分評價(jià)影響最大，材料特性影響最小。

b.通過計(jì)算分析，確定了亞麻油為最佳再生劑組分，對老化瀝青的改性效果最好，并提出其最佳摻量為9%。

c.模糊層次分析法通過專業(yè)人員對定量因素進(jìn)行處理，定性分析與定量分析相結(jié)合，減少了主觀因素的影響，提高了評判結(jié)果的可靠性和真實(shí)性，為瀝青再生劑組分比選提供了參考依據(jù)。