基于主成分分析法评价乳化沥青混合料的压实特性

侯德华，李忠玉，张 庆

(1.河南省高等级公路检测与养护技术重点实验室，河南 新乡 453003； 2.河南省高远公路养护技术有限公司，河南 新乡 453003； 3.河南师范大学化学化工学院，河南 新乡 453007)

0 引 言

乳化沥青混合料作为一种环保型冷拌路面材料，在常温环境下具有良好的施工性，与热拌沥青路面施工相比较可节约大量能源，有效减少环境污染，已成为实现道路工程可持续发展的有效途径[1-2]。

不同的乳化沥青混合料的制备工艺会对路用性能产生显著影响。例如，乳化沥青混合料拌合时间直接影响着混合料路用性能，拌合时间过短会因为搅拌不均匀导致混合料空隙率变化大，使得混合料的劲度、拉伸强度和疲劳寿命下降[3]，拌合时间过长则会导致乳化沥青过早破乳，致使乳化沥青在混合料中选择性地粘附细集料，形成沥青胶团，最终使混合料产生离析[4]；另一方面，不同压实方法对乳化沥青混合料路用性能有着显著的影响。刘娜[5]分别采用旋转压实和二次击实成型乳化沥青冷再生混合料试件，表明2种成型方法的效果相当。张翠红[6]等人分别采用室内旋转压实和静压2种方法对试件进行压实成型，分析表征压实特性的密实度参数和成型试件的压实效果。Miljkovi[7]通过施加不同的压实能，分析压实能对间接拉伸模量的影响，研究表明在较高的压力及较长的压实时间作用下，会破坏其早期黏结强度，造成试件的微观损伤。王火明[8]等人研究了乳化沥青冷再生混合料放置时间对混合料的压实度及强度的影响，指出应在设计时预先确定冷再生混合料的可工作时间，指出合理的评价方法。

综上所述，针对常温拌合乳化沥青混合料关键工艺参数的研究比较多，但多集中于压实工艺，同时考虑到冷拌混合料在铺筑后不能立即压实，需要等待一定的时间再压实。但是如何确定等待压实的时间，一般都由工程经验总结而来，国内外相关规范、指南均无试验方法。

近年来，越来越多的学者开始倾向于运用主成分分析方法对评价指标进行综合分析[9-11]，以各原始指标为变量，应用该方法时，从中提取出主成分，再以各主成分得分作为评价新指标。这一方法不仅简化了原始变量，降低了主观随意性，而且消除了多指标间的相互影响，大大提高了综合评价结果的准确性。基于此，本文采用旋转压实仪成型试件并分析在不同压实等待时间下乳化沥青混合料的压实特性及力学性能，并通过建立主成分综合得分评价模型，分析不同压实等待时间与乳化沥青混合料压实指标及力学指标之间的关联，找出合理、科学的压实等待时间及评价方法，以期为乳化沥青混合料的摊铺、碾压设计提供参考。

1 试验

1.1 原材料

试验选用的乳化沥青为河南威森德道路材料有限公司生产，主要技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，具体性能见表1。

表1 SBR改性乳化沥青性能指标

试验采用的集料为石灰岩集料，性能指标均满足规范要求。主要技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，技术指标见表2。

为提高乳化沥青混合料的早期强度，添加适量水泥以加快乳化沥青破乳。水泥采用标号为C42.5的硅酸盐水泥，掺量为2%；试验用水为自来水；级配取AC-13范围中值。

表2 石灰岩集料技术指标

1.2 试验方案

图1 常温拌合乳化沥青混合料搅拌机

试验采用双轴搅拌机对混合料进行拌和，如图1所示。由于乳化沥青材料的破乳情况受环境温度和搅拌转速的影响较大，因此，控制试验温度为25 ℃，搅拌机搅拌转速定为350 r·min-1。考虑常温拌合乳化沥青混合料摊铺机的作业生产率，搅拌时间不宜过长，因此将拌和时间设定为30 s。拌和顺序为：先将集料和水泥干拌，然后加水搅拌，再加入乳化沥青进行湿拌，最后将乳化沥青混合料分别装入试模，采用旋转压实仪压实成型并进行养生，先在标养室养生48 h，再放入烘箱在60 ℃下保持28 h。

利用旋转压实仪模拟混合料的压实过程，旋转压实180次，使试件成型。以压实等待时间作为研究变量，同时为对乳化沥青混合料压实过程中的流失浆液进行有效分析，在旋转压实仪试模的基础上进行模具改装，增加压实流失浆液收集装置，如图2所示。该收集装置在常规试模上打孔，形成排液孔，乳化沥青混合料在压实过程中流失的浆液可从排液孔中流出，下部的环形筒可对浆液进行收集。

图2 旋转压实仪及浆液收集装置

浆液中油水比的计算公式如式(1)所示；通过流失浆液中净水量的比例计算乳化沥青混合料压实失水率的计算公式如式(2)所示

式中：W为乳化沥青混合料压实失水率(%)；YS为浆液中油水比；M0为乳化沥青混合料的初始质量(kg)；M1为成型后的乳化沥青混合料质量(kg)；m0为收集浆液全部取出并搅拌均匀后所取适量样品的质量(kg)；m1为浆液样品置于(105±3)℃烘箱中，烘干至质量不变，然后冷却至室温，称得的质量(kg)；m2为上述质量为m1的样品，置于(950±5)℃马弗炉中，灼烧至质量不变，一般为2～3 h，冷却至室温，称其所得的质量(kg)。

1.3 试验方法

为分析不同压实等待时间对乳化沥青混合料空隙及残留水分的影响，测量了混合料的孔隙率、失水率及油水比指标。

试验采用UTA-2000A声波检测仪分析乳化沥青混合料的密实程度，如图3所示，该仪器具有波形和数字显示装置，便于观察波形和进行声速测量。在25 ℃环境下进行试验和检测。为了减少声能损耗，在与探头接触的试件表面涂抹凡士林作为耦合剂，同时为减少测量误差，将试件制备成50 mm×50 mm×180 mm的小梁，每个试件测量5次，舍弃最大值和最小值后求剩余3个值的平均值。

图3 声波检测仪

采用间接拉伸模量试验(ITSM)分析乳化沥青混合料的劲度模量。ITSM试验在20 ℃下进行，并按照BS EN 12697-26的要求，测试条件见表3。使用UTN-25试验机在圆柱形试样上进行，如图4所示。

表3 试验条件

图4 ITSM测试试验机

试验参照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，通过沥青混合料车辙试验评价乳化沥青混合料的高温抗变形能力。

2 结果与分析

2.1 压实等待时间对空隙率的影响

通过对不同压实等待时间下制备的乳化沥青混合料试件进行空隙率测试，来分析压实等待时间对乳化沥青混合料密实度的影响。整理试验数据得到空隙率与等待时间的关系，如图5所示。

图5 空隙率-压实等待时间曲线

从图5可知，在初始阶段随着压实等待时间的增加，试件空隙率随之显著降低，压实等待时间到达30 min以后，试件的空隙率变化略有增加。这主要是由于当压实等待时间到达一定阶段时，乳化沥青破乳完全，在沥青的黏结作用下混合料的可压实性降低，试件空隙率会略有增加。对试件的致密性而言，压实等待时间在30 min时最为合适。

2.2 压实等待时间对失水率及油水比的影响

对不同压实等待时间下所得流失浆液进行分析，得到乳化沥青混合料压实等待时间与浆液油水比、失水率之间的关系，如图6所示。

图6 油水比与失水率随压实等待时间的变化曲线

从图6可知，随着压实等待时间的延长，油水比逐渐降低并趋近于零；失水率逐渐升高，压实等待时间到达40 min后，失水率增加幅度已不显著。表明初始时期乳化沥青未完全破乳，流失浆液中沥青占比较高，自由水相对较少。随着乳化沥青逐渐破乳，沥青微粒聚集、吸附在集料表面形成沥青薄膜，在外界压力作用下不易流失，而水分更容易在压实作用下从混合料中排出。

2.3 压实等待时间对超声波波速的影响

对不同压实等待时间条件下制备的乳化沥青混合料试件分别进行超声波检测，评价压实等待时间对乳化沥青混合料超声波检测速度的影响，如图7所示。

图7 超声波速度-压实等待时间曲线

超声波在空气及水中的传播速度比在骨料中要小，同一试件不同空隙率及含水量下所测的声速不同，从而可以快速评价其内部结构[12]。从图7可知，随着压实等待时间的增加，波速逐渐增加。说明混合料早期阶段的空隙率较大，残余水分较多，使得超声波能量产生较大的衰减，传播时间变长，波速减小。在压实等待时间为15～30 min时，波速大幅度增加，主要在于此阶段混合料的空隙率大幅度降低，超声波在石料中的传播速度远大于其在空气中的传播速度，故波速会随着空隙率的减少而大幅度增加。压实等待时间达到40 min后，波速略有降低。

2.4 压实等待时间对ITSM的影响

对不同压实等待时间条件下制备的乳化沥青混合料试件分别进行间接拉伸模量试验，从而评价压实等待时间对乳化沥青混合料劲度模量的影响，如图8所示。

图8 ITSM-压实等待时间曲线

从图8可知，随着压实等待时间的增加，试件的间接拉伸模量随之先增加后期又略有降低。压实等待时间在前10 min时，间接拉伸模量值较小，抗裂能力较差。主要由于乳化沥青混合料早期的空隙率较大，密实程度较低，且乳化沥青的流失程度较大，不利于混合料的强度形成。

2.5 压实等待时间对动稳定度的影响

对不同压实等待时间条件下制备的乳化沥青混合料试件分别进行车辙试验，从而评价压实等待时间对乳化沥青混合料高温稳定性的影响，如图9所示。

从图9可知，随着压实等待时间的增加，车辙板的动稳定度随之先增加后降低。其变化趋势与间接拉伸模量的变化规律相一致。通过前面的分析可知，如果压实等待时间短，混合料的空隙率相对较大，其高温变形量就会增加；当压实等待时间为30 min时，达到峰值，说明此时乳化沥青混合料最为密实，抵抗变形能力较好。

图9 动稳定度-压实等待时间曲线

2.6 不同压实等待时间下乳化沥青混合料性能指标的主成分分析

本文基于MATLAB的主成分分析程序对不同压实等待时间下乳化沥青混合料的性能评价指标进行分析，选取的原始评价指标见表4。

表4 不同压实等待时间下乳化沥青混合料的性能特征

通过MATLAB中相应的主成分分析函数对原数据进行标准化处理，采用Princomp函数对标准化后的评价指标进行主成分分析，并提取主成分分析的特征值与方差贡献率，见表5。

由表5可知，通过主成分分析法可以将不同压实等待时间下乳化沥青混合料的性能指标转化为PC1和PC22个主成分。PC1的贡献率为94.266%，分PC2的贡献率为4.853%，2个主成分的累计贡献率到达99.119%，说明这2个主成分可以体现出乳化沥青混合料综合性能99.119%的信息，提取较为完全。以主成分PC1和PC2为主要分析目标，进一步

表5 主成分分析的特征值与方差贡献率

计算它们在不同压实等待时间下乳化沥青混合料性能评价指标的因子载荷，结果见表6。

表6 乳化沥青混合料性能评价指标的因子载荷

不同压实等待时间下乳化沥青混合料性能评价指标的载荷量越高，说明该指标越能反映乳化沥青混合料的整体性能。由表6可知，PC1的各个指标载荷量相差不大，说明混合料的评价指标波速、油水比和失水率与间接拉伸模量对PC1的影响效果相当。表明利用评价指标波速、油水比和失水率分析乳化沥青混合料的压实程度是行之有效的，能够反映出乳化沥青混合料内部空隙及含水量的变化情况。同时，PC1包含了乳化沥青混合料性能的绝大部分信息，且油水比和空隙率与其成负相关，由此可知PC1主要反映了乳化沥青混合料的内部结构及力学特性。PC2的各个指标载荷量相差较大，其中动稳定度的载荷量最大达到0.779，说明PC2主要反映了乳化沥青混合料的高温稳定性。

为构建2个主成分的得分评价模型，将各个评价指标变量的主成分载荷量除以其对应特征值的算数平方根，可计算出每个评价指标变量在主成分上的特征向量，以此为权重计算2个主成分的得分F1和F2，它们的表达式如下

F1=0.175X1+0.16X2+0.174X3-0.174X4-0.173X5+0.173X6

(3)

F2=-0.07X1+1.444X2-0.577X3+0.599X4-0.513X5-0.627X6

(4)

主成分的综合得分F评价模型是由每个主成分得分与其对应的贡献率成绩的总和算出，即

F=0.942 7F1+0.048 5F2

(5)

将原始数据标准化后依次代入上述公式，可以得到不同压实等待时间下乳化沥青混合料的主成分综合得分，见表7。

由表7可知，压实等待时间为40 min的综合评价得分最高，为0.548，其次是压实等待时间为30～50 min。说明适当的延长压实等待时间有利于提高混合料综合性能，但不能过多延迟，否则会降低混合料的综合性能，综合考虑后，推荐最佳等待压实时间为30～50 min。

表7 不同压实等待时间下乳化沥青混合料的主成分综合得分

3 结 语

(1)分析压实等待时间对乳化沥青混合料压实特性与力学性能的影响规律。表明适当延长压实等待时间有利于提高乳化沥青混合料密实度及强度，但不能过多提前或延迟压实时间，否则会对混合料强度造成不利影响。

(2)基于主成分分析方法表明，评价指标超声波波速与间接拉伸模量对其主成分PC1的影响效果相当。利用超声波波速评价分析乳化沥青混合料的压实程度是行之有效的，能够反映出乳化沥青混合料内部孔隙及含水量，可以快速准确评价乳化沥青混合料的压实特性。

(3)通过分析不同压实等待时间下乳化沥青混合料主成分综合得分，表明压实等待时间对于路面最终的压实度和力学性能有着十分重要的影响。基于本试验结果，综合考虑后，推荐最佳压实等待时间为30～50 min。