吉增暉，郁　偉

（江蘇省揚州市公路管理處，江蘇 揚州 225007）

基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的泡沫瀝青冷再生混合料優(yōu)化設(shè)計

吉增暉，郁偉

（江蘇省揚州市公路管理處，江蘇 揚州 225007）

結(jié)合泡沫瀝青冷再生混合料的室內(nèi)試驗，探討泡沫瀝青再生二灰碎石混合料的設(shè)計及其優(yōu)化方法。結(jié)果表明：采用馬歇爾方法設(shè)計的泡沫瀝青冷再生二灰碎石混合料，15 ℃干劈裂強度為0.65 MPa，滿足路面基層強度要求；瀝青用量對濕劈裂強度影響最為顯著，干濕劈裂強度比的影響最小?；诨疑P(guān)聯(lián)度方法，優(yōu)化了泡沫瀝青再生二灰碎石混合料設(shè)計方法，確定了最佳油石比。

泡沫瀝青；冷再生；二灰碎石混合料；灰色關(guān)聯(lián)分析法；歸一化處理

1 概述

大量損壞的二灰碎石基層瀝青路面是當前高等級公路維修養(yǎng)護的重點。傳統(tǒng)的二灰碎石基層的維修采用水泥穩(wěn)定碎石回填或水泥就地冷再生二灰碎石方案，存在二灰碎石銑刨料處置及半剛性基層瀝青路面反射裂縫等問題。本文采用泡沫瀝青再生二灰碎石基層，解決了上述難題，對泡沫瀝青再生二灰碎石混合料設(shè)計進行探討［1-6］。

現(xiàn)有再生設(shè)計規(guī)范根據(jù)劈裂強度試驗和浸水劈裂強度試驗結(jié)果（或者馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果），結(jié)合工程經(jīng)驗，綜合確定最佳泡沫瀝青用量［7］?，F(xiàn)有設(shè)計方法的不足在于沒有全面考慮劈裂強度試驗和浸水劈裂強度等性能指標，僅僅考慮一個或幾個單一的性能指標來確定最佳瀝青用量。本文嘗試采用干劈裂強度、濕劈裂強度、干濕劈裂強度比和無側(cè)限抗壓強度綜合性能分析，通過權(quán)重計算，最終獲得最佳瀝青用量的計算方式。

2 常規(guī)的泡沫瀝青再生二灰碎石混合料設(shè)計

2.1 瀝青發(fā)泡試驗

使用德國維特根公司的WLB10S發(fā)泡試驗機對金陵石化70#道路石油瀝青進行發(fā)泡試驗，結(jié)合瀝青發(fā)泡試驗結(jié)果，選擇150 ℃和160 ℃作為本次配合比設(shè)計的瀝青發(fā)泡溫度，發(fā)泡用水量分別選取1.5%、2.5%、3.5%和4.5%，量測其膨脹率和半衰期，從而尋求該瀝青最佳發(fā)泡條件。試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 瀝青發(fā)泡特性

根據(jù)試驗所得到的各種瀝青發(fā)泡特性曲線，綜合考慮膨脹率和半衰期2個因素，膨脹率≥10倍，半衰期≥8 s，可得出瀝青的最佳發(fā)泡溫度和發(fā)泡用水量。金陵石化70#瀝青的最佳發(fā)泡條件為：發(fā)泡溫度160 ℃；發(fā)泡用水量2.5%。

2.2 級配組成

本文擬定了2種不同銑刨料摻量的集料組成方案，試驗級配范圍參照泡沫瀝青冷再生混合料工程設(shè)計級配范圍的要求。A：完全采用銑刨料，銑刨料用量為98%，水泥為2%；B：銑刨料總量為88%，新集料為10%，水泥為2%；，2種混合料級配如表1所示。

對2種級配方案按照經(jīng)驗的最佳含水量10.5%和最佳泡沫瀝青用量2.0%和2.5%成型馬歇爾試件進行15 ℃劈裂試驗以及浸水劈裂試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表1 不同銑刨料摻量的混合料級配

表2 不同泡沫瀝青用量下合成級配的劈裂強度

從試驗結(jié)果可以看出，級配方案A在2.5%瀝青用量下的干劈裂強度和干濕劈裂強度比均較高，因此選擇級配方案A作為設(shè)計級配，不添加新集料。

2.3 最佳含水量的確定

參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40）T0131的方法，對選定的合成級配進行土工擊實試驗，確定最佳含水量。試驗時擬定泡沫瀝青用量為2.5%，分別采用預(yù)摻水量8.0%、10.0%、12.0%、13.0%和14.0%來進行擊實試驗，通過試驗結(jié)果繪制干密度與含水量的關(guān)系曲線，最大干密度對應(yīng)的含水量即為最佳含水量OWC。土工擊實試驗結(jié)果如表3所示。由試驗結(jié)果可知，土工擊實法確定的級配方案A的最佳含水量OWC為11.0%。

2.4 最佳泡沫瀝青用量的確定

在上述土工擊實法確定的最佳含水量的基礎(chǔ)上，通過比較不同泡沫瀝青用量的混合料干濕劈裂強度，選擇混合料強度最大的泡沫瀝青用量為最佳泡沫瀝青用量。本試驗采用泡沫瀝青用量分別為1.5%，2.0%，2.3%，2.5%，3.0%，試驗結(jié)果如表4所示。

表3 干密度測試結(jié)果

由表4的試驗結(jié)果再結(jié)合已有工程經(jīng)驗的情況下可初步判定設(shè)計級配所對應(yīng)的最佳泡沫瀝青用量約為2.5%（外摻）。在此泡沫瀝青用量下的干劈裂強度、濕劈裂強度以及干濕劈裂強度比均能滿足規(guī)范要求。

表4 劈裂強度試驗結(jié)果

通過以上試驗分析，初步判定級配方案A是可行的，配合比為RAP∶水泥=98.0%∶2.0%，泡沫瀝青的用量為2.5%，含水量為11.0%（泡沫瀝青和水均為外摻）。所設(shè)計的冷再生混合料15 ℃干劈裂強度為0.65 MPa，強度滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）規(guī)定的15 ℃劈裂強度不小于0.4 MPa強度指標。設(shè)計結(jié)果如表5所示。

表5 最佳泡沫瀝青用量及用水量試驗結(jié)果

3 泡沫瀝青再生二灰碎石混合料設(shè)計方法優(yōu)化［8-11］

3.1 瀝青用量與再生混合料性能的灰色關(guān)聯(lián)度分析

本文將干劈裂強度、濕劈裂強度、干濕劈裂強度比和無側(cè)限抗壓強度等性能指標作為再生混合料性能的判據(jù)。以瀝青用量作為參考數(shù)列，分別計算瀝青用量與再生混合料性能的灰色關(guān)聯(lián)度，如表6、表7所示。用數(shù)學(xué)的方法尋求瀝青用量的主要控制指標，從而為再生混合料性能的質(zhì)量控制提供指導(dǎo)。

表7差矩陣中最大值為0.958，最小值為0.012，計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度，計算結(jié)果見表8。

表6 瀝青用量與再生混合料性能指標關(guān)聯(lián)性分析

表7 差矩陣

表8 瀝青用量與再生混合料性能指標的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)表8，瀝青用量與再生混合料性能的灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果是γ2＞γ1＞γ4＞γ3，說明瀝青用量對濕劈裂強度影響最為顯著，其次是干劈裂強度，再次是振動成型法無側(cè)限抗壓強度，干劈裂強度比的影響最小。

3.2 再生混合料性能指標在確定瀝青用量中的應(yīng)用

為了合理確定瀝青用量，根據(jù)灰關(guān)聯(lián)分析法計算的瀝青用量與再生混合料性能的各項主要性能指標（干劈裂強度、濕劈裂強度、干劈裂強度比、振動成型法無側(cè)限抗壓強度）的關(guān)聯(lián)度，取關(guān)聯(lián)度高的3個指標作為瀝青用量的主要控制指標；然后采用歸一化處理方法，將關(guān)聯(lián)程度較高的3個指標的關(guān)聯(lián)度系數(shù)計算各自所占的權(quán)重；再根據(jù)這3個指標的權(quán)重確定瀝青用量。這樣可以避免由單個指標確定瀝青用量所帶來的偏差，從而為泡沫瀝青再生混合料設(shè)計中瀝青用量的確定提供可靠依據(jù)。

通過分析瀝青用量與再生混合料性能評價指標的關(guān)系，建立基于干劈裂強度、濕劈裂強度、振動成型法無側(cè)限抗壓強度的瀝青用量確定關(guān)系：

式中：γ1、γ2、γ4分別為干劈裂強度、濕劈裂強度、無側(cè)限抗壓強度指標對應(yīng)的關(guān)聯(lián)度；I1為干劈裂強度采用內(nèi)插值法確定的瀝青用量；I2為濕劈裂強度采用內(nèi)插值法確定的瀝青用量；I4為無側(cè)限抗壓強度采用內(nèi)插值法確定的瀝青用量。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析計算出的瀝青用量與干劈裂強度、濕劈裂強度、無側(cè)限抗壓強度指標的關(guān)聯(lián)度為：

將這組值進行歸一化處理，便可得到3個性能指標的權(quán)重系數(shù)，分別為0.34、0.35、0.31，則關(guān)聯(lián)度公式的具體形式為：

為了驗證關(guān)聯(lián)度公式的可靠性，3個關(guān)聯(lián)度高的性能指標測試結(jié)果如表9所示。

表9 瀝青用量驗證試驗結(jié)果

內(nèi)插法得到的瀝青用量I1為2.5%，I2為2.5%，I4為3.0%，則根據(jù)關(guān)聯(lián)度公式確定的瀝青用量：

現(xiàn)行的公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范采用單一指標確定泡沫瀝青用量的方法，適用于規(guī)模較小、再生層位較低的工程；而對于規(guī)模較大、再生層位較高的工程，建議采用多指標關(guān)聯(lián)度公式合理有效地確定泡沫瀝青用量。

3.3 優(yōu)化的設(shè)計方法

泡沫瀝青冷再生二灰碎石混合料優(yōu)化設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 泡沫瀝青冷再生二灰碎石混合料優(yōu)化設(shè)計流程

采用常規(guī)的泡沫瀝青再生二灰碎石混合料優(yōu)化設(shè)計方法，最佳瀝青用量2.5%時，混合料干劈裂強度0.65 MPa，濕劈裂強度0.53 MPa；采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，混合料最大干劈裂強度為0.65 MPa，最大濕劈裂強度為0.53 MPa時，瀝青用量均為2.5%；此外，最大無側(cè)限抗壓強度為5.80MPa時，瀝青用量為3.0%，根據(jù)權(quán)重系數(shù)0.34、0.35、0.31，計算出最佳瀝青用量為2.7%。因此，與常規(guī)的設(shè)計方法相比，優(yōu)化的設(shè)計方法得到的瀝青混合料的劈裂強度、抗壓強度、水穩(wěn)定性均較高，具有較好的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

（1）采用馬歇爾方法設(shè)計的泡沫瀝青冷再生二灰碎石混合料，15 ℃干劈裂強度為0.65 MPa，強度滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）規(guī)定的15 ℃劈裂強度不小于0.4 MPa的要求。

（2）瀝青用量對濕劈裂強度影響最為顯著，其次是干劈裂強度，干劈裂強度比的影響最小。

本文采用單一工程的二灰碎石銑刨料進行分析及泡沫瀝青冷再生二灰碎石混合料設(shè)計方法的優(yōu)化，樣本量不足，但優(yōu)化方法具有可操作性與實用性，適用于干線公路二灰碎石基層瀝青混合料再生設(shè)計。

［1］Technical Guideline: Bitumen Stabilised Materials. A Guideline for the Design and Construction of Bitumen Emulsion and Foamed Bitumen Stabilised Materials［R］. Asphalt Academy，2009.

［2］ 范宏建，嚴凌.基于泡沫瀝青冷再生技術(shù)的基層材料抗剪性能研究［J］.石油瀝青，2012，26（6）：29-33.

［3］張志清，叢鋮東，隰文博，等.泡沫瀝青冷再生混合料在道路大修工程中的應(yīng)用研究［J］. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，40（8）：1156-1162.

［4］李長旺，肖國良，王艷海.泡沫瀝青冷再生水泥穩(wěn)定碎石基層力學(xué)性能實驗室研究［J］.石油瀝青，2010，24（4）：34-37. .

［5］袁坤，李立寒，呂天華.泡沫瀝青穩(wěn)定混合料壓實特性的試驗研究［J］. 武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2012，36（2）：399-402.

［6］奎永才，盧章天.泡沫瀝青發(fā)泡特性及其冷再生混合料性能研究［J］.公路交通技術(shù)，2015（4）：53-57.

［7］JTG F41—2008公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范［S］.

［8］鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法［M］.上海：華東理工大學(xué)出版社，1987.

［9］高彥麗，李其祥，向東棟，等.復(fù)合改性瀝青組分與性能的灰色關(guān)聯(lián)分析［J］.湖北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，33 （2）：178-181.

［10］顏可珍，蔣智禹，林峰.瀝青混合料低溫性能影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析［J］. 廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，37 （1）：115-119.

［11］楊朝暉，董艷.瀝青混合料高溫穩(wěn)定性與瀝青指標的灰色關(guān)聯(lián)分析［J］. 城市建設(shè)，2010（21）：412.

Optimization Design of Cold Recycling Foamed Asphalt Based on Grey Relational Analysis

Ji Zenghui， Yu Wei
（Yangzhou Highway Management Office， Yangzhou 225007， China）

Through laboratory tests of foamed asphalt cold recycled mixture， this paper studied the design method of foamed asphalt recycled lime-fly-ash macadam mixture and its optimization method. The results showed that: the splitting strength of foamed asphalt cold recycled lime-fly-ash macadam mixture designed by Marshall method at 15℃ was 0.65 MPa， which meets the strength requirement of pavement base； asphalt content has the most significant effect on wet splitting strength， and the ratio of dry and wet splitting strength has the minimum effect. Based on the method of gray correlation degree， optimized the design method of foamed asphalt recycled lime-fly-ash macadam mixture was optimized， the optimum bitumen aggregate ratio was got.

foamed asphalt； cold-recyling； lime-flyash macadam mixture； grey relational analysis； normalization

U414

A

1672-9889（2016）01-0004-04

江蘇省基礎(chǔ)研究計劃（自然科學(xué)基金）項目（項目編號：BK20151069）；江蘇省公路科學(xué)研究計劃項目（項目編號：12Y05G）

吉增暉（1970-），男，江蘇揚州人，高級工程師，主要從事公路建設(shè)管理工作。

2015-05-20）