阳离子乳化沥青混凝土配合比设计的优选方法研究

何建新,郭鹏飞,刘录录,杨力行

(新疆农业大学 水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐830052)

随着热拌沥青混凝土快速发展给人们带来了很大方便的同时,在其应用过程中不断有很多问题凸显,如对环境的污染、能源的消耗等诸多问题。因此,寻找一种新的材料代替热拌沥青混凝土成为了人们思考和要解决的问题。阳离子乳化沥青的出现恰恰解决了这一问题,采用阳离子乳化沥青代替传统的热拌沥青的意义,主要有以下四点。第一,节约能源;第二,节省资源;第三,延长施工季节;第四,减少环境污染和CO和CO2的排放,改善施工环境[1]。可以看出阳离子乳化沥青混凝土应用有着巨大优势,而研究阳离子乳化沥青混凝土各因素对混合料性能的影响规律显得格外重要。本文在通过二次回归正交试验解决双变量因素配合比设计的基础上[2-3],采用王元、方开泰提出的均匀正交试验设计方法[4],测定不同配合比的流值、稳定度和孔隙率。同时运用投影寻踪回归分析法和投影寻踪仿真单因素法[5-6]对不通因素下的流值,稳定度进行分析,研究水泥掺量、乳液用量、拌合用水量的权重关系及其对沥青混凝土流值、稳定度的影响规律。

1 原材料及设计方案

阳离子乳化沥青混凝土原材料的组成包括粗骨料(人工碎石),细骨料(人工砂),填料(水泥和矿粉),各材料技术性能指标见表1～表5。水工沥青混凝土配合比一般采用配合比参数数值来表示,包括骨料最大粒径Dmax、矿料级配指数n、填料用量F(%)和沥青用量B(%)(或油石比)。考虑到《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》[7](DL/T5411—2009)中推荐碾压式沥青混凝土心墙骨料的最大粒径不宜大于19 mm,(SL501—2010)[8]中也规定碾压式沥青混凝土心墙骨料的最大粒径不大于19 mm。结合本材料的具体情况考虑,确定粗骨料最大粒径为19 mm。本试验在热拌沥青混凝土的基础上确定了最佳填料用量为10%(即确定矿粉用量与水泥掺量之和为10%),然后运用均匀正交设计法按水泥掺量、乳液用量、拌合用水量三因素配置成三水平的9组试件,均匀正交试验设计方案见表6。

表1 粗骨料的技术性能

表2 细骨料的技术性能

表3 水泥填料的技术性能

表4 矿粉填料的技术性能

表5 阳离子乳化沥青沥青样品的技术性能

2 试验方法

参照《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T5362—2006)规定,测定阳离子乳化沥青混凝土稳定度及流值,应将马歇尔成型试件置于60℃±1℃恒温水槽中恒温30 min～40 min[9]。但在大量试验的基础上发现60℃的恒温水槽中恒温40 min后,试件变形较大,试验数据不稳定,离差较大,影响了实验结果的可靠性。因此将试件的试验浸泡温度确定为40℃,即将试件置于40℃±1℃的恒温水槽中恒温40 min,采用马歇尔试验仪测定每组试件的压力值和变形值。最大荷载即为试样的马歇尔稳定度(kN),精度为0.01 kN;变形值即为流值,精度为0.1 mm。

表6 正交试验设计方案

3 结果与分析

3.1 结果

按上述正交试验方案将配制的9组阳离子乳化沥青混凝土试件进行马歇尔试验,以孔隙率、稳定度、流值为考核指标,实验结果见表7。

表7 正交试验结果汇总表

3.2 投影寻踪回归分析

在投影寻踪分析法(PP)的基础上,数据分析采用投影寻踪回归分析法(PPR)。PP是以数据的线性为基础,其主要目的是寻找线性投影中的非线性结构。其优点是不论要处理的数据是正态分布还是偏态分布,也不论其系统属于白色,灰色,黑色还是模糊系统都可以有效的处理高维数据。然而PPR则是在其基础上进行回归的一种数据分析法,其优点是无需假定其数据分布类型,不需人为确定回归模型的不合理限制。因此PPR能够有效的解决现行回归分析法的自身局限性,从而有效的提够了回归方程的精度[10]。

设y是因变量,x是p维自变量,PPR模型为:

式中:MU为数值函数最优个数;β为数值函数的贡献权重系数;f i为数值函数即数表;αtix为i方向的投影值 ,其中 αti=(αi1,αi2,…,αip),‖ αi‖ =1,i=1,2,…,MU 。

对表7中的9组数据进行PPR分析,反映投影灵敏度指标的光滑系数取0.10,投影方向初始值M=5,最终投影方向取MU=4。模型参数为:N,P,Q,M,MU=9,3,1,5,3。

对于沥青混凝土稳定度,β=(1.0166,0.1939,0.2426),

对于沥青混凝土流值,β=(0.8973,0.3987,0.1529),

阳离子乳化沥青混凝土稳定度和流值的实测值与拟合值的相对误差见表8、表9。由表8、表9可以看出所有的指标计算值与试验值吻合较好,说明PPR模型能够较好的反映水泥掺量、乳液用量、拌合用水量与稳定度和流值的关系。对于稳定度,自变量的相对权值关系为:水泥掺量1.00000、乳液用量0.89817、拌合用水量0.42573,可以看出水泥掺量对稳定度影响最大,其次是乳液用量的影响。对于流值,自变量的相对权值关系为:水泥掺量1.00000、乳液用量0.50714、拌合用水量0.26512,可以看出水泥掺量影响最大,其次是乳液用量的影响。

表8 稳定度PPR模型计算结果分析表

表9 流值PPR模型计算结果分析表

综合考虑水泥掺量、乳液用量、拌合用水量与阳离子乳化沥青混凝土稳定度和流值的关系,采用投影寻踪回归分析法(PPR)对试验结果进行仿真分析,并应用surfer8.0软件绘制出流值等值线图和稳定度等值线图。通过分析图1流值等值线图可以看出乳液用量最优区域为10%～14%,图2稳定度等值线图可以看出稳定度随乳液用量的增加而减小。同时参照相关工程实践要求稳定度＞7 kN、流值＞3 mm,因此本次研究推荐使用基础配合比参数为水泥掺量为5%,乳液用量为10.2和拌合用水量为1.4%。

图1 流值等值线图

4 结 语

(1)本文在试验的基础上通过投影寻踪回归分析法(PPR)研究了水泥掺量、乳液用量、拌合用水量与阳离子乳化沥青混凝土稳定度和流值的关系。得出水泥掺量对稳定度和流值的影响最大,随着水泥掺量的增加稳定度变大,流值变小。

图2 稳定度等值线图

(2)通过对最优区域的分析得出阳离子乳化沥青混凝土基础配合比参数为水泥掺量为5%,乳液用量为10.2%,拌合用水量为1.4%。

(3)本文仅对阳离子乳化沥青混凝土配合比的影响因素进行了初探,材料的力学性能、耐久性等性能还有待于进一步探索与研究。

[1]交通部阳离子乳化沥青课题协作.组阳离子乳化沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2]田 平,唐亨山,张怀顺.沥青混合料配合比设计的新探索[J].河北交通职业技术学院学报,2006,3(4):16-19,26.

[3]管晓芳.正交试验灰关联度分析法[J].水利与建筑工程学报,2007,5(2):76-77,88.

[4]方开泰,马长兴.正交与均匀试验设计[M].北京:科学出版社,2001:144-151.

[5]刘大秀.投影寻踪在试验设计中的应用[J].数理统计与管理,1995,14(1):47-51.

[6]任露泉.试验优化设计与分析[M].北京:高等教育出版社,2003:481-505.

[7]中华人民共和国国家能源局.DL/T5411-2009.土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S].北京:中国电力出版社,2010.

[8]中华人民共和国水利部.SL501-2010.土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2011.

[9]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5362—2006.水工沥青混凝土试验规程[S].北京:中国电力出版社,2007.

[10]郭鹏飞,何建新,刘 亮,等.浇筑式沥青混凝土配合比设计优选方法研究[J].水利与建筑工程学报,2012,10(4):42-46.