基于灰色关联与方差分析的沥青混合料抗剪性能参数影响研究

李利利，高珊珊，都志强，李刚

摘 要：研究沥青混合料抗剪性能的影响参数，以及各参数交互作用下对抗剪性能的影响。基于集料类型、沥青类型、油石比、压实功、均匀性等参数进行了单轴贯入试验，并采用了灰色关联分析与方差分析。结果表明：各参数与沥青混合料抗剪性能的关联系数表现为：沥青类型关联度最高，集料类型关联度最低;各参数间交互作用十分复杂，在集料类型、油石比、压实功在以既定条件为基础时，才能呈现出对混合料抗剪性能影响的显著性，其中沥青类型与压实度对于抗剪性能的影响始终表现为显著。沥青类型和压实度是沥青混合料抗剪性能影响的关键要素。

关键词：灰色关联;方差分析;沥青混合料;抗剪性能

中图分类号：TU5 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）11-0189-04

Research on the Influence of Shear Performance Parameters of Asphalt Mixture Based on Grey Correlation and Variance Analysis

Li Lili， Gao Shanshan， Du Zhiqiang， Li Gang

（Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China ）

Abstract：Study the influence parameters of asphalt mixture resistance and the influence of shear resistance. The uniaxial penetration test was performed based on the parameters of aggregate type， type of asphalt， asphalt ratio， compaction work， and uniformity， using gray association analysis and ANOVA. The results show that the correlation coefficient of each parameter and the asphalt mixture is the highest， the asphalt type is the lowest; the interaction between the parameters is very complex with the significant effect on the established conditions， with the influence of asphalt type and compaction on the shear performance. Asphalt type and compaction are key elements of the shear resistance of asphalt mixture.

Keywords：gray association; ANOVA ; asphalt mixture; shear resistance

0 引言

瀝青混合料抗车辙性能与抗剪性能息息相关，近年来许多研究者针对沥青混合料的抗剪强度影响因素做了深入探究。Stakston通过细集料与沥青混合料抗剪强度的关系研究，得知细集料对沥青混合料抗剪强度的影响会随着压实度变化而发生相应变化[1];Lister通过研究表明，压实度的提升可促进沥青混合料抗剪性能优化[2]。

在交通量快速增加的趋势下，轴载与胎压显著增大，超载现象愈演愈烈，高速公路车辙现象屡见不鲜，直接威胁着人们的出行安全。沥青路面车辙是基于压缩与剪切变形双重作用造成的，就压实度不足的路面而言，在开放初期，压密作用十分关键，但是压实度较好或者在开放一定时间之后的沥青路面，车辙来源于剪切变形[3]。其中龟裂与车辙损坏是沥青层内部剪切应力造成的，所以在沥青路面设计时，需加强对沥青混合料抗剪强度的重视，而抗剪强度的影响要素比较繁杂，据此本文基于单轴贯入试验对其影响参数进行了详细分析。

1 试验准备

沥青混合料是基于设计压实功明确级配与油石比（所有级配最佳油石比均为4.7%，以此为标准，具体选择4个水平油石比），经过压实机碾压成型的材料，所以影响其抗剪强度的关键要素为集料、沥青类型、油石比、压实功、均匀性[4]，所选材料具体如表1所示。

所有级配的最佳油石比试验选用沥青混合料，所有集料根据Superpave沥青混合料设计方法基于不同压实功水平设计混合料配合比。以沥青混合料为载体，改变沥青类型、油石比，以构成不同参数组合沥青混合料。通过单轴贯入试验对混合料抗剪强度进行测试，同时利用SPSS软件与DPS软件对试验结果进行方差分析与灰色关联分析，从而确定沥青混合材料抗剪性能的影响参数。

2 单轴贯入试验方法

单轴贯入试验方法通过简化路面模型为圆柱体，添加一定荷载，在压头尺寸与圆柱体尺寸的比例充分小的情况下，受力状态应与路面大体相一致。各应力计算：

式（1）中：κ代表应力（κ'、κ''、κ'''）;R代表单轴贯入强度;E代表强度参数。

式（2）中，a代表混合料内摩擦角;e代表混合料内聚力。

单轴贯入试验中试件的形变可划分为4个阶段：①压密，试件内部粗集料与细集料颗粒、沥青重整定位于嵌挤;②弹性，受荷载作用试件出现弹性变形;③破坏，弹性变形引发细小裂缝，在此阶段开始扩大，但是尚未发生结构性破坏;④完全破坏，裂缝逐步扩大到试件可承受应力峰值的时候，内部发生结构性破坏，表征为贯穿性裂缝;在压头位移不断增大的趋势下，应力数值逐步缩小[5]。

3 沥青混合料抗剪性能试验结果

3.1 灰色关联分析

基于DPS软件开展的灰色关联分析，具体结果如表2所示。

由表2可以看出，不同参数和贯入强度间的关联系数，沥青类型最大，集料类型最小，关联系数越大，则表明此参数对于贯入强度的影响越大。但是灰色关联分析结果太过笼统化，无法切实反映各参数间繁杂的交互影响关系，所以需对数据进行方差分析，以确定各相关参数对于贯入强度影响的显著性，以及参数间交互性对于贯入强度的影响[4]。

3.2 方差分析

3.2.1 沥青混合料均匀性的影响分析

沥青混合料均匀性指标是通过数字图像处理技术衍生的。它是混合料均匀性评估的重要指标，即均匀性指标越大，则混合料均匀性越差，相反则越好。不同沥青混合料均匀性对其贯入强度影响的试验结果[5]如表3所示。

由表3可知，沥青混合料均匀性与贯入强度绝对数值相关性不明显，但是与数据之间变异性的相关性较为显著，均匀性较差的沥青混合料贯入强度变异性相对较大，反之则较小。

3.2.2  压实功-集料类型-沥青类型交互的影响分析

基于压实功-集料类型-沥青类型交互作用的沥青混合料贯入强度试验结果[6]如表4所示。

由表4可知，在压实功逐步增加的趋势下，沥青混合料贯入强度随之增大。各类型集料下，相较于基质沥青类型混合料，改性沥青类型混合料的贯入强度相对较高;利用不同类型集料的沥青混合料贯入强度存在明显差异，辉绿岩与砂岩沥青混合料贯入强度相近，但是二者与玄武岩沥青混合料贯入强度存在显著差异[7-8]。

基于压实功-集料类型-沥青类型交互作用的沥青混合料贯入强度方差分析结果[7]如表5所示。

由表5可知，压实功、集料类型、沥青类型对于沥青混合料贯入强度的影响显著，而集料与沥青类型的交互作用也十分顯著。

通过LSD方法事后多重对比压实功与集料类型，结果如表6所示。

由表6可知，辉绿岩与砂岩沥青混合料贯入强度相差不大;压实功100次与压实功75次、125次下沥青混合料贯入强度相差也不大，这就表明集料类型与压实功二者都与沥青混合料贯入强度息息相关，但是并不代表这些参数变化会引发贯入强度变化。这主要是由于不同参数与混合料贯入强度的影响是彼此交互的，并非独立，所以在既定范围内，参数变化尚且无法影响贯入强度的变化[9-10]。

3.2.3 油石比-压实功-集料类型交互的影响分析

油石比-压实功-集料类型交互作用下，沥青混合料贯入强度试验结果[8]如表7所示。

由表7可知，在油石比逐步增加下，辉绿岩沥青混合料的贯入强度呈现为先增加后减小形态，在5.1油石比状态下，混合料贯入强度达到最高;在油石比逐步增加下，砂岩沥青混合料的贯入强度表征为持续性增加趋势;砂岩沥青混合料在125次压实功水平下，贯入强度在油石比增加影响下增加幅度比较大，这就表明集料类型、压实功、油石比间彼此交互。

但是由于辉绿岩沥青混合料选用了改性沥青，砂岩沥青混合料选用了基质沥青，所以对二者进行了方差分析[11]，结果如表8所示。

由表8可知，油石比对于沥青混合料贯入强度的影响非常显著，但是辉绿岩沥青混合料贯入强度分析结果表明压实功与油石比间并不相互交互，砂岩沥青混合料贯入强度分析结果表明压实功与油石比间彼此交互，这就表明集料类型对于方差分析结果存在一定影响。

通过LSD方法事后多重对比不同集料类型下混合料油石比，结果如表9所示。

由表9可以看出，集料类型与油石比间彼此交互;就砂岩沥青混合料来讲，油石比不同时贯入强度关系明确，但是在4.3%与4.7%油石比下，混合料贯入强度差异并不明显，而其他油石比下，混合料贯入强度差异显著;油石比与辉绿岩沥青混合料贯入强度关系十分繁杂，这就表明集料类型对于贯入强度在油石比变化下的敏感度有着直接性影响。

4 结论

综上所述，本文基于单轴贯入试验对集料类型、沥青类型、油石比、压实功、均匀性等参数在沥青混合料抗剪性能中的影响进行了研究。研究结果表明，各参数与沥青混合料抗剪性能的关联系数表现为：沥青类型关联度最高，集料类型关联度最低;混合料均匀性与抗剪性能绝对数值之间关联度不高，但与抗剪性能数值间的变异性相关度较高;各参数间交互作用十分复杂，其中集料类型、油石比、压实功在以既定条件为基础时，才能呈现出对混合料抗剪性能影响的显著性，其中沥青类型与压实度对于抗剪性能的影响始终表现为显著，所以二者是沥青混合料抗剪性能影响的关键要素。

参考文献

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