基于正交试验的胶粉改性沥青配方优化

宋宽彬，王笑风，褚付克，殷卫永

（1.河南交通投资集团有限公司，河南 郑州 450016；2.交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心，河南郑州 450000；3.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000；4.河南省固废材料道路工程循环利用重点实验室，河南 郑州 450000）

胶粉改性沥青常用于道路工程建设，可消耗大量废旧轮胎胶粉，是废旧轮胎资源化、无害化处理的重要途径[1]。胶粉改性沥青混合料还具有较好的综合路用性能[2-3]。胶粉改性沥青制备过程中，原材料配方是影响性能的重要因素。不少学者针对胶粉改性沥青制备中原材料配方优化开展了相关研究。王笑风等人[4]研究了不同类型橡胶粉与SBS复合改性沥青的三大指标及测力延度，发现硫化胶粉复合改性沥青的储存稳定性及抗变形能力优于脱硫胶粉复合改性沥青的。马万等人[5]通过DSR 温度扫描，研究了不同胶粉掺量橡胶沥青的复数模量和相位角，结果表明：在较高温度的掺量测试范围内，胶粉掺量越高，胶粉改性沥青复数剪切模量越大，胶粉的增黏作用越强。王辉等人[6]研究了不同胶粉掺量和细度的胶粉改性沥青常规指标、抗离析性能和车辙因子，发现胶粉掺量宜小于22%，胶粉细度宜小于80 目。这些关于胶粉改性沥青配方优化的研究，主要分析了单因素变量对性能的影响，未能综合分析不同影响因素之间的交互作用。

正交试验通过均衡布设影响因素及水平，分析不同影响因素之间的交互作用，快速确定最佳方案，是工程中常用的试验分析方法[7]。目前相关学者通过正交试验确定胶粉改性沥青最佳配方及工艺[8]，但这些正交试验研究大多采用极差分析[9-10]，未能区分试验过程中因素水平的改变及试验误差所引起的数据波动，且无法定量分析因素影响的重要程度。而正交试验的方差分析，可有效弥补极差分析的不足[11]。因此，本研究针对胶粉改性沥青配方优化环节，基于三因素三水平正交试验，以胶粉改性沥青软化点、延度和黏度作为性能评价指标，通过极差分析和方差分析，综合分析每个因素对不同性能指标的影响程度，考虑胶粉改性沥青总体性能并确定最佳配方，以期为胶粉改性沥青制备及配方优化提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

采用中海油AH-70 作为基质沥青制备胶粉改性沥青。AH-70沥青各项指标见表1。

表1 AH-70基质沥青检测结果Table 1 Test results of the AH-70 base asphalt

1.1.2 橡胶粉

采用3 种不同来源和细度的胶粉作为原材料。胶粉来源分别为大货车胶粉、客车胶粉、小汽车胶粉。胶粉细度分别为20、40、60 目。胶粉技术指标见表2。不同来源的胶粉性能指标均满足《路用废胎硫化橡胶粉》（JT/T 797-2011）要求。

表2 胶粉性能指标Table 2 Performance index of rubber powder

1.1.3 胶粉改性沥青

自制胶粉改性沥青，胶粉掺量以基质沥青为基准，外掺20%，同时，掺加0.7% 表面活性剂和0.2%交联剂。胶粉改性沥青制备工艺为：在180±5 ℃条件下，先以2 000 r/min 转速搅拌45 min，再以3 500 r/min剪切搅拌45 min。胶粉改性沥青制备完成后，立即进行后续相关性能检测试验。

1.2 试验方法

以胶粉来源（A）、细度（B）和掺量（C）作为影响因素，每个因素选择3 个水平进行正交试验。试验因素及水平见表3。设置空白对照列，对试验结果进行方差分析。正交试验不同试验组试验因素及水平见表4。每组正交试验中，除胶粉改性沥青制备温度和剪切搅拌时间等因素外，其他影响因素均保持一致。

表3 正交试验因素及水平Table 3 Factors and levels of the orthogonal test

表4 正交试验不同试验组因素及水平Table 4 Factors and levels of different experimental groups in the orthogonal test

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

胶粉改性沥青使用过程中，需重点关注高、低温性能和黏度。为确保高温性能，胶粉改性沥青应具有相对较高的黏度，但黏度又不能过高，防止输送过程中堵塞管道，影响施工性能。高温性能评价指标选择软化点，低温性能评价指标选择5℃延度。因此，本试验采用软化点、5℃延度和177℃黏度评价胶粉改性沥青性能优劣。不同影响因素及水平组合下，胶粉改性沥青性能试验结果见表5。

表5 不同因素和水平组合下胶粉改性沥青性能正交试验结果Table 5 Orthogonal test results of crumb rubber modified asphalt with different factors and levels

2.2 结果分析

采用极差分析法和方差分析法，确定不同评价指标下的最佳组合，分析不同因素对胶粉改性沥青性能的影响。采用极差分析法分析每个因素在不同水平下的试验指标和均值，以及每个因素在不同水平下的试验指标极大值和极小值的极差，初步确定每个因素的最优水平和不同水平对试验结果的影响程度。极差越大，该因素不同水平对试验结果的影响程度越大。方差分析根据统计学原理，进一步分析不同因素对试验结果是否显著性影响。方差越大，该因素不同水平对试验结果的影响程度越大。

2.2.1 软化点结果分析

软化点试验结果极差和方差分析结果见表6。由表6中极差分析结果可知，胶粉种类因素在第一水平（载重货车）对应的软化点均值为68.6℃，为3 个水平中最高值。胶粉细度因素在3 个水平中，软化点最高值为第二水平（40 目）对应的均值为68.5℃。胶粉掺量因素在3 个水平中软化点最高值为第三水平（25%）对应的软化点均值70.5℃。按照不同因素在不同水平下软化点极差从大到小，不同因素的排序为胶粉掺量（均值极差8.7℃）＞胶粉种类（均值极差4.8℃）＞胶粉细度（均值极差3.7℃），表明：3 个因素对胶粉改性沥青软化点影响程度大小为胶粉掺量＞胶粉种类＞胶粉细度。

由表6 中方差分析结果还可知，3 个因素的F统计量值从大到小排序为：胶粉掺量（1 072.8%）＞胶粉种类（319.9）＞胶粉细度（237.6 目），表明：3 个因素对胶粉改性沥青软化点影响程度大小为胶粉掺量＞胶粉种类＞胶粉细度。3 个因素的F统计量值均大于F统计临界值，表明：3 个因素对胶粉改性沥青软化点均有显著性影响。

表6 软化点正交试验结果极差和方差分析Table 6 Range and variance analysis of softening point of orthogonal test results

根据软化点极差和方差分析可知，三因素对软化点均有显著性影响，影响程度排序为：因素C（胶粉掺量）＞因素A（胶粉种类）＞因素B（胶粉细度）。不同因素和水平下的软化点最优组合方案为A1B2C3。

2.2.2 延度结果分析

延度试验结果极差和方差分析结果见表7。由表7中极差分析结果可知，胶粉种类因素在第一水平（载重货车）对应的延度均值为10.1 cm，为3个水平中最高值。胶粉细度因素在3个水平中延度最高值为第三水平（60 目）对应的延度均值为10.4 cm。胶粉掺量因素在3 个水平中延度最高值为第二水平（20%）对应的延度均值为10.2 cm。按照不同因素在不同水平下延度极差从大到小，不同因素的排序为：胶粉细度（2.2 cm）＞胶粉掺量（1.7 cm）＞胶粉种类（1.3 cm），表明：3 个因素对胶粉改性沥青延度影响程度大小为胶粉细度＞胶粉掺量＞胶粉种类。

表7 延度正交试验结果极差和方差分析Table 7 Range and variance analysis of ductilit of orthogonal test results

由表7 中方差分析结果还可知，3 个因素的F统计量值从大到小排序为：胶粉细度（102.4 目）＞胶粉掺量（63.7%）＞胶粉种类（47.00），表明：3 个因素对胶粉改性沥青延度影响程度大小为胶粉细度＞胶粉掺量＞胶粉种类。3 个因素的F统计量均大于F统计临界值，表明：3 个因素对胶粉改性沥青延度均有显著性影响。

根据延度极差和方差分析可知，3 个因素对延度均有显著性影响，影响程度排序为：因素B（胶粉细度）＞因素C（胶粉掺量）＞因素A（胶粉种类）。不同因素和水平下的延度最优组合方案为A1B3C2。

2.2.3 黏度结果分析

黏度试验结果极差和方差分析结果见表8。由表8中极差分析结果可知，胶粉种类因素在第一水平（载重货车）对应的黏度均值为2.9 Pa·s，是3个水平中最高值。胶粉细度因素在3个水平中，为黏度最高值为第二水平（40 目），对应的黏度均值3.0 Pa·s。胶粉掺量因素在3 个水平中，黏度最高值为第三水平（25%），对应的黏度均值3.8 Pa·s，但是该黏度值过高，对施工不利。在目前普通施工设备下，改性沥青过于黏稠，容易堵管或导致流动速度和泵送速度降低，严重降低生产产量和进度。因此，胶粉掺量因素在3个水平中，黏度最优值选为第二水平（20%）。按照不同因素在不同水平下的黏度极差排序为胶粉掺量（2.4 Pa·s）＞胶粉细度（0.8 Pa·s）＝胶粉种类（0.8 Pa·s），表明：3 个因素对胶粉改性沥青黏度影响程度大小为胶粉掺量＞胶粉细度＝胶粉种类。

表8 黏度正交试验结果极差和方差分析Table 8 Range and variance analysis of viscosity of orthogonal test results

由表8 中方差分析结果还可知，3 个因素的F统计量值排序为胶粉掺量（319.5）＞胶粉细度（39.3）＞胶粉种类（33.3），表明：3 个因素对胶粉改性沥青黏度影响程度大小为胶粉掺量＞胶粉细度＞胶粉种类。3 个因素的F统计量均大于F统计临界值，表明：3 个因素对胶粉改性沥青黏度均有显著性影响。

根据黏度极差和方差分析可知，三因素对黏度均有显著性影响，影响程度排序为因素C（胶粉掺量）＞因素B（胶粉细度）＞因素A（胶粉种类）。不同因素和水平下的黏度最优组合方案为A1B2C2。

2.2.4 综合分析

根据胶粉改性沥青的软化点、延度和黏度的分析，将各因素对不同性能影响程度及不同性能的最佳组合方案进行对比，见表9。

表9 各因素对不同性能影响程度及最佳组合方案Table 9 Ⅰnfluence degree of various factors on different performance and the best combination scheme

根据性能指标重要程度和不同因素对性能的影响程度，结合不同性能指标下的最优组合，依次确定不同因素的最优水平。胶粉改性沥青使用过程中，主要利用高黏及良好的高温性能，提高路面性能。高黏和高温性能具有一定内在关系，高黏促使高温性能提升。因素C（胶粉掺量）对软化点和黏度影响程度最显著，软化点在该因素下的最佳水平为水平三，但黏度在该因素下的最佳水平为水平二，若选取水平三会导致黏度过高，严重影响施工性能。因此，因素C的最佳水平确定为水平二，即定为C2，该水平也是延度指标在该因素下的最佳水平。

在黏度指标中，因素A和B的影响程度基本一致。软化点指标中，因素A 的影响程度大于因素B的，选择因素A 为第二影响因素，不同性能指标下，因素A的最优水平均为水平一。因此，因素A的最佳水平确定为水平一，即定为A1。针对第三影响因素B，软化点和黏度指标中，该因素的最佳水平均为水平二；延度指标中，因素B的水平三为最佳水平。综合考虑因素B 不同水平对性能的影响，确定其最佳水平为水平二，即定为B2。因此，确定不同因素的最佳组合方案为A1B2C2。该组合下，胶粉改性沥青综合性能良好。

3 结论

通过对不同因素和水平下的正交试验结果分析，得出结论为：

1）三因素对软化点均有显著性影响，影响程度排序为因素C（胶粉掺量）＞因素A（胶粉种类）＞因素B（胶粉细度）。针对软化点的最优组合方案为A1B2C3。

2）三因素对延度均有显著性影响，影响程度排序为因素B（胶粉细度）＞因素C（胶粉掺量）＞因素A（胶粉种类）。针对延度的最优组合方案为A1B3C2。

3）三因素对黏度均有显著性影响，影响程度排序为因素C（胶粉掺量）＞因素B（胶粉细度）＞因素A（胶粉种类）。针对黏度的最优组合方案为A1B2C2。

4）根据各因素对性能影响，确定最佳不同因素的最佳组合方案为A1B2C2。该组合下，胶粉改性沥青软化点为71℃，延度为11.1 cm，黏度为3.0 Pa·s，胶粉改性沥青综合性能良好。