響應(yīng)面法優(yōu)化大比例廠拌熱再生混合料參數(shù)

王麗麗, 卓上智, 梁忠善, 陳先華*

(1.蘇州交通工程集團有限公司，蘇州 215000；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 211189)

中國瀝青混凝土道路的一般設(shè)計年限為15～20年，隨著公路建設(shè)不斷深入，越來越多的道路需要進行養(yǎng)護翻新。道路養(yǎng)護翻新的過程中，會產(chǎn)生大量的瀝青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement，RAP)。因此，大比例RAP料的瀝青混合料熱再生技術(shù)已成為道路工程領(lǐng)域研究的熱門話題。

再生瀝青混合料中RAP料摻量的增加，可以提高對舊料的回收再利用程度，實現(xiàn)節(jié)約能源，降低成本和保護環(huán)境的目標(biāo)。而RAP料摻量的增大，會對再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性造成不同趨勢的影響。汪小東[1]在對RAP料摻量的梯度研究中發(fā)現(xiàn)，隨著RAP料摻量的增大，再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性增強，低溫穩(wěn)定性下降，水穩(wěn)定性變化不大。這是由于在前段服役過程中，RAP料受到車輛荷載以及環(huán)境的多重耦合作用，產(chǎn)生級配細化、瀝青老化等變異，當(dāng)摻量增加，新混合料整體呈現(xiàn)更脆的狀態(tài)[2]。因此需要采取其他相應(yīng)措施，以確保提高RAP料摻量后再生瀝青混合料的各項性能處于良好的狀態(tài)。添加再生劑是為解決這一問題常用的技術(shù)手段之一。再生劑通過物理溶解和分離瀝青質(zhì)，并補充老化過程中損失的芳香族化合物，降低舊瀝青的黏度，改善其流變性能[3-4]。謝遠光等[5]研究表明，再生劑的添加會導(dǎo)致再生瀝青混合料的低溫抗裂性能一定程度提升。同時，再生劑的添加，會使再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性降低，因此，需要考慮再生劑摻量在熱再生過程中的變化[6]。廠拌熱再生過程中，RAP料預(yù)熱溫度的不同導(dǎo)致RAP瀝青的轉(zhuǎn)移特性產(chǎn)生差異，從而影響新舊瀝青融合程度[7]。在實際工程中，若RAP料沒有進行預(yù)熱，為保證拌合時的溫度，就需要大幅度提高新集料的加熱溫度[8]，但溫度過高在自然環(huán)境下熱量損失速度會更快，造成能耗升級。RAP料預(yù)熱溫度太高，會加劇舊瀝青的老化，從而影響再生瀝青混合料的性能。因此，RAP料的預(yù)熱溫度是增加RAP料摻量中的重要影響因素。RAP料摻量、再生劑摻量以及RAP料預(yù)熱溫度會對再生瀝青混合料的性能產(chǎn)生不同趨勢的影響，在工程實踐中，混合料的工藝參數(shù)需要進行綜合優(yōu)化。

響應(yīng)面法是目前較為常用的近似技術(shù)，通過對3個及以上連續(xù)自變量的控制，匹配由實驗得到的交叉網(wǎng)格響應(yīng)量，從而構(gòu)筑響應(yīng)面以模擬函數(shù)的發(fā)展趨勢，預(yù)測最優(yōu)情況[9]，在許多領(lǐng)域已得到較好的應(yīng)用[9-12]。因此，采用響應(yīng)面法優(yōu)化廠拌再生瀝青混合料的相關(guān)參數(shù)。

研究表明，室內(nèi)研究中具備較好性能再生瀝青混合料的RAP料摻量為30%～40%，而實際工程中大多在20%～30%[13]。高磊等[14]結(jié)合再生瀝青混合料路用性能的RAP料摻量研究中，得出AC-20的推薦RAP料摻量推薦比例為30%。因此，選用RAP料摻量為20%～40%。根據(jù)龔明輝[15]自制生物再生劑的應(yīng)用狀況，采用再生劑添加比例為6%～10%可以達到優(yōu)化要求。王雪蓮等[16]研究表明，RAP最佳預(yù)熱溫度為120～140 ℃。溫度太低會使得新舊瀝青以及再生劑融合程度不足，而溫度太高會導(dǎo)致舊瀝青老化加劇。因此選用100～140 ℃作為RAP料預(yù)熱溫度優(yōu)化區(qū)間。通過對RAP料摻量、RAP料的預(yù)熱溫度和再生劑摻量的控制，由試驗得到不同響應(yīng)面優(yōu)化組中混合料高溫穩(wěn)定性，低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性的評估指標(biāo)，進而進行響應(yīng)面法優(yōu)化，得到預(yù)估模型和最優(yōu)工藝參數(shù)。以期為實際廠拌熱再生工程提供借鑒參考。

1 試驗材料

1.1 瀝青和再生劑

新瀝青采用70#瀝青，瀝青相關(guān)指標(biāo)如表1所示，再生劑采用龔明輝[15]自制生物再生劑。

表1 70#瀝青指標(biāo)

1.2 集料與級配

根據(jù)廠拌熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計方法進行AC-20瀝青混合料級配設(shè)計，合成級配如表2所示。

表2 合成級配

2 響應(yīng)面法優(yōu)化方案設(shè)計

以RAP料摻量、RAP料預(yù)熱溫度和再生劑摻量為試驗影響因素，通過Design-Expert.V8.0.6軟件中的Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化方法，進行三因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計。選取的試驗因素影響水平如表3所示。

表3 試驗影響因素水平

按照表4所示的17組試驗方案，分別進行車轍試驗，低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗，并得到相應(yīng)的評價指標(biāo)。

表4 響應(yīng)面試驗設(shè)計

3 響應(yīng)面法優(yōu)化過程

根據(jù)以上的設(shè)計方案，在Design-Expert.V8.0.6軟件中運行Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化方法，分別對動穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強度比3個響應(yīng)值進行方差分析。

3.1 動穩(wěn)定度相關(guān)性分析

表5 動穩(wěn)定度的方差分析

動穩(wěn)定度=3 625.80+1 064.00A+198.25B-102.50C-94.00AB-5.00AC-30.00BC-359.65A2+13.85B2-80.15C2

(1)

式(1)中：A為RAP料摻量，%；B為RAP料預(yù)熱溫度 ℃；C為再生劑摻量，%。

根據(jù)表5中各因素P和F值可知，表征為顯著的因素對于動穩(wěn)定度的影響排序為A>A2>B>C>AB>C2，其中前三項P<0.000 1，說明其對于動穩(wěn)定度的影響極顯著，而后三項P<0.05表征為顯著。說明在單因素中，RAP料摻量的變化對于動穩(wěn)定度的影響最為明顯，其次到RAP料的預(yù)熱溫度和再生劑的摻量。而在因素的交互作用中，RAP料摻量和RAP料預(yù)熱溫度的交互對于動穩(wěn)定度具備顯著的影響，其交互影響作用如圖1所示?？梢钥闯觯籖AP料預(yù)熱溫度下，隨著RAP料摻量的增大，動穩(wěn)定度不斷增大，增速逐漸減小。這是因為RAP料在前段服役過程中發(fā)生一定程度變異，整體呈現(xiàn)更脆的狀態(tài)，在同一預(yù)熱溫度下柔度下降，因此RAP料摻量的增大，能夠使得新瀝青混合料的動穩(wěn)定度增大，高溫性能增強。根據(jù)響應(yīng)面圖，這一現(xiàn)象在摻量較低時更為明顯，當(dāng)RAP料摻量到達一定高度時，動穩(wěn)定度的增速下降，繼續(xù)增大摻量對動穩(wěn)定度的影響程度減弱。而在同一RAP料摻量下，隨著RAP料預(yù)熱溫度的增加，動穩(wěn)定度接近直線增長的趨勢，這是因為高溫能夠使得舊瀝青融化程度加大，甚至發(fā)生局部老化，從而整體柔度下降，動穩(wěn)定度增大。而在RAP料摻量較小時，其增長速率較大，在RAP料摻量較大時，由于動穩(wěn)定度已經(jīng)處于一個較高水平，因此此時預(yù)熱溫度對其的影響不明顯。根據(jù)響應(yīng)面圖和等高線圖，兩種因素都對動穩(wěn)定度具有增大作用，但RAP料摻量起著主導(dǎo)作用，具備更為顯著的影響作用。

圖1 RAP料摻量和RAP料預(yù)熱溫度對混合料動穩(wěn)定度交互影響作用

3.2 最大彎拉應(yīng)變方差分析

根據(jù)試驗方法進行低溫小梁試驗，得到不同因素下的最大彎拉應(yīng)變，經(jīng)過軟件F檢驗得到方差分析如表6所示。由模型的F值為68.09，P<0.000 1，表征為極顯著，且失擬項表征為不顯著，以及其他相關(guān)指標(biāo)不難得出，模型整體擬合效果良好，不需要另外添加試驗組。因此，模型得出的預(yù)測公式[式(2)]，具備精確性和可靠度。

最大彎拉應(yīng)變=2 798.40-278.38A+39.25B+68.88C-29.75AB-34.50AC-52.25BC-87.95A2-205.20B2-42.95C2

(2)

式(2)中：A為RAP料摻量，%；B為RAP料預(yù)熱溫度，℃；C為再生劑摻量，%。

根據(jù)表6方差分析可知，對最大彎拉應(yīng)變影響表征為顯著的因素中，按照F值和P值進行影響度排序：A>B2>C>A2>B>BC。單因素中，RAP料摻量對于最大彎拉應(yīng)變的影響最為顯著，其次為再生劑的摻量和RAP預(yù)熱溫度。這說明RAP摻量的變化，能夠最為直接地影響新瀝青混合料的整體柔度，舊瀝青因為老化，黏結(jié)性能較新瀝青要弱，因此舊料的增多，導(dǎo)致低溫環(huán)境下混合料的抗裂性能下降。在因素的交互影響作用中，RAP料預(yù)熱溫度和再生劑摻量的交互作用影響顯著，其交互影響作用圖如圖2所示。根據(jù)圖2(a)所示，在同一再生劑摻量下，最大彎拉應(yīng)變隨著RAP料預(yù)熱溫度的增大呈現(xiàn)出先增大，后減小的趨勢。這是因為在RAP料預(yù)熱溫度較低時，隨著RAP料預(yù)熱溫度的增大，舊瀝青融化程度增大，與新瀝青發(fā)生更大程度的交融，使得新混合料的瀝青膠結(jié)料整體黏結(jié)能力增強，在低溫環(huán)境下的抗裂性能增強。而當(dāng)RAP料預(yù)熱溫度較高時，舊瀝青的老化程度加大，隨著RAP料預(yù)熱溫度的繼續(xù)加大，舊瀝青老化嚴重，與新瀝青的性質(zhì)差別明顯，不利于新舊瀝青的混溶交聯(lián)，新混合料的膠結(jié)料整體黏性下降，在低溫環(huán)境下的抗裂能力也逐漸減弱。

表6 最大彎拉應(yīng)變方差分析

圖2 RAP料預(yù)熱溫度和再生劑摻量對最大彎拉應(yīng)變交互影響作用

在圖2(b)中，同一RAP料預(yù)熱溫度下，最大彎拉應(yīng)變隨著再生劑摻量的增大而逐漸增大，且隨著RAP料預(yù)熱溫度的升高，這一趨勢逐漸變得不明顯。這是因為再生劑能夠與舊瀝青發(fā)生物理交融，改善新舊瀝青的混溶交聯(lián)狀態(tài)，使得新瀝青混合料的低溫抗裂性能增強。而在RAP料預(yù)熱溫度升高時，舊瀝青老化程度加深，再生劑的改善效果減弱?？傮w而言，兩種因素對最大彎拉應(yīng)變的影響程度相近。

3.3 凍融劈裂強度比方差分析

根據(jù)相關(guān)試驗方法進行凍融劈裂試驗，得到試驗組的凍融劈裂強度比。經(jīng)過F檢驗，得到凍融劈裂強度比方差分析如表7所示。由模型的F值為157.21，P<0.000 1，表征為極顯著，且失擬項表征為不顯著，以及其他相關(guān)指標(biāo)不難得出，模型整體擬合效果良好，不需要另外添加試驗組。因此，模型得出的預(yù)測公式[式(3)]，具備精確性和可靠度。

表7 凍融劈裂強度比方差分析

凍融劈裂強度比=86.50-4.79A+0.5B+

0.61C-0.45AB-0.23AC+0.26BC+0.49A2+0.26B2-1.56C2

(3)

式(3)中：A為RAP料摻量，%；B為RAP料預(yù)熱溫度，℃；C為再生劑摻量，%。

根據(jù)表7中的分析數(shù)據(jù)，對凍融劈裂強度比有顯著影響的各因素按照F值和P排序得：A>C2>C>B>A2>AB。單因素中，RAP料摻量對于凍融劈裂強度比有著極其顯著的影響作用，相比之下再生劑摻量以及RAP料預(yù)熱溫度的影響較小，在因素的交互影響作用中，RAP料摻量與RAP料預(yù)熱溫度的交互對凍融劈裂強度比的影響較為顯著，其交互影響作用圖如圖3所示。由圖3(b)可知，在同一RAP預(yù)熱溫度下，凍融劈裂強度比隨著RAP料摻量的增加而呈現(xiàn)減少的趨勢，這是因為凍融劈裂與混合料的空隙以及膠結(jié)料黏結(jié)能力相關(guān)，RAP料摻量的增大，舊瀝青老化造成新舊瀝青混溶交聯(lián)狀態(tài)差，且舊瀝青附著在舊料上，導(dǎo)致混合料內(nèi)集料的均勻性變差，從而在凍融后劈裂強度損失較多，凍融劈裂強度比減小，水穩(wěn)定性變差。相比之下，RAP料預(yù)熱溫度對于凍融劈裂強度比的影響較小，這也與表7中兩者的F值相對應(yīng)。

圖3 RAP料摻量和RAP料預(yù)熱溫度對凍融強度劈裂比的交互影響作用

3.4 綜合優(yōu)化結(jié)果

在Design-Expert軟件優(yōu)化器中選取A、B、C3個試驗影響因素，為保證優(yōu)化結(jié)果的有效性，設(shè)置其為“在界限內(nèi)”。對動穩(wěn)定度，最大彎拉應(yīng)變以及凍融劈裂強度比3個響應(yīng)量，均以其最大值為優(yōu)。且3個響應(yīng)量是分別衡量混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，在一般情況下選取一致的重要性程度，當(dāng)特殊地區(qū)有特殊要求時，可以改變重要性。參數(shù)選取如表8所示。經(jīng)過優(yōu)化計算，所得最優(yōu)解如表9所示。其中3個試驗影響因素均在上下限內(nèi)，具備實際意義。

表8 優(yōu)化器參數(shù)選取

表9 優(yōu)化結(jié)果

3.5 優(yōu)化結(jié)果重復(fù)試驗

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果中的試驗影響因素分別進行車轍試驗，低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗，得到的實驗結(jié)果如表10所示。經(jīng)驗算，所得結(jié)果與預(yù)測結(jié)果誤差分別為1.8%、2.7%、0.6%，說明優(yōu)化結(jié)果具備足夠的精確度。

表10 重復(fù)試驗結(jié)果

4 結(jié)論

以RAP料摻量，RAP料預(yù)熱溫度和再生劑摻量為試驗影響因素，以動穩(wěn)定度，低溫小梁彎曲最大彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強度比為響應(yīng)量。通過Design-Expert軟件的Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計方法對大比例廠拌熱再生工藝參數(shù)進行三因素三水平優(yōu)化設(shè)計，得出如下結(jié)論。

(1)根據(jù)優(yōu)化分析，RAP料摻量能夠?qū)旌狭蟿臃€(wěn)定度，最大彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強度比產(chǎn)生極顯著影響，RAP料預(yù)熱溫度和再生劑摻量主要對動穩(wěn)定度和最大彎拉應(yīng)變產(chǎn)生顯著影響。

(2)通過優(yōu)化分析，得出最優(yōu)解的RAP料摻量為25.69%，RAP料預(yù)熱溫度為131.59 ℃，再生劑摻量為8.29%，此時動穩(wěn)定度為3 224.35 次/mm，最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 870.37 με，凍融劈裂強度比為89.230 1%。且使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進行試驗，得到的結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的誤差都小于3%，證明優(yōu)化結(jié)果可靠有效。