沥青稳定碎石高温稳定性影响因素的灰熵分析

　第32卷第7期　2009年7月

学版)

JOURNALOFHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

合肥工业大学学报(自然科

Vol.32No.7　Jul.2009　

沥青稳定碎石高温稳定性影响因素的灰熵分析

朱洪洲,　徐　松,　唐伯明,　何兆益

(重庆交通大学土木建筑学院,重庆　400074)

摘　要:通过合理的混合料组成设计,提高沥青稳定碎石的高温稳定性,有助于减少柔性基层沥青路面出现高温流动性车辙变形。文章在ATB25和ATB30级配范围内,选择9种集料级配,采用3种沥青,分别制备了13种沥青稳定碎石混合料,并通过高温车辙试验测试其动稳定度指标,然后运用灰关联熵方法分析了沥青针入度、空隙率、沥青用量、饱和度、4.75mm筛孔通过率、0.075mm筛孔通过率、粉胶比及公称最大粒径对沥青稳定碎石高温稳定性能的影响显著程度。分析结果表明,沥青针入度、空隙率对混合料高温稳定性具有较显著影响;为了提高沥青稳定碎石高温抗车辙性能,应选用高粘度沥青结合料,4%左右空隙率的混合料具有较佳的高温性能。

关键词:沥青稳定基层;抗车撤性能;车撤试验;灰关联熵方法

中图分类号:U416.2　　　文献标识码:A　　　文章编号:1003-5060(2009)07-1081-05

Researchonhightemperaturestabilityofasphalttreatedbase

bythegreycorrelationentropymethod

ZHUHong-zhou,　XUSong,　TANGBo-ming,　HEZhao-yi

(SchoolofCivilandArchitecturalEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

Abstract:Thehightemperaturestabilityperformanceofasphalttreatedbaseisaffectedbymanyfac-tors.Thefactorsstudiedinthepaperaretheasphaltpenetration,voidsratio,asphaltdosage,satura-tion,filler-bitumenratio,passingpercentof4.75mmmesh,passingpercentof0.075mmmesh,and

thenominalbiggestdimension.Thirteenkindsofasphalttreatedbasemixturesarepreparedwiththreekindsofasphaltbyusingninetypesofgradingofaggregates,andthehightemperaturestabilityexperimentismade.Therelationdegreebetweeneachfactorandhightemperaturestabilityisana-lyzedbythegreycorrelationentropymethod.Accordingtotheimportanceofeachfactor,themainin-fluencingfactorsaretheasphaltpenetration,voidsratioandasphaltdosage.Themixturewiththevoidsratioofabout4%showsbetterpeformance.

Keywords:asphalttreatedbase;rut-resistanceproperty;wheelruttingtest;greycorrelationentropymethod

温稳定性差的沥青混合料,重载慢速车辆、渠化交通及过高的路面温度等都是导致沥青路面出现车辙的重要原因[2]。沥青稳定碎石基层虽然处在沥青层下部,在高温条件下,经过汽车荷载反复作用仍会发生永久变形,因此要求其在高温条件下保持相当的抗剪变形能力。在荷载、气候难以预测控制的情况下,通过合理的混合料设计,提高沥青

0　引　　言

随着对半刚性基层沥青路面早期破坏的认识逐渐深入,以沥青稳定碎石为基层的沥青路面在我国得到越来越广泛的应用。国内外经验表明,

车辙是柔性基层沥青路面最主要的破坏模式[1]。沥青路面车辙是多因素综合作用的结果。采用高收稿日期:2008-09-11基金项目:重庆市科委攻关课题(项目编号:2004-8367)作者简介:朱洪洲,(1976-),男,山东莱州人,博士,重庆交通大学副教授.

混合料的高温抗车辙性能是可行的办法。然而混合料参数对性能的影响非常复杂,为了简化工作,需要筛选出影响沥青稳定碎石高温稳定性的关键

材料参数。

灰色理论是我国邓聚龙教授于1982年提出的一种新型工程系统理论。这种理论的优点是在不完全的信息中,分析随机因素序列的关联性,发现影响系统的主要因素和各因素对系统影响的差别,因此需要较少的试验量,具有较高实用价值,它已应用于沥青混合料的高温稳定性研究中[4-6]。但现有的这些灰色关联方法的共同特点是在确定关联度时,都是采用计算逐点关联测度平均值的办法得到的,这就必然带来2个缺点:①局部关联倾向,即在点关联测度值分布离散情况下由点关联测度值大的点决定总体关联度倾向;②造成信息损失,平均值淹没了许多点关联测度的个性,没有充分利用点关联测度提供的丰富信息。灰关联熵方法可以克服这2个缺点,因此使分析更加合理准确

[7]

[3]

沥青稳定碎石混合料空隙率和沥青饱和度等参数反映了混合料内部结构特征,因而对混合料性能也具有较大影响。综上所述,选择沥青针入度、沥青用量、0.075mm筛孔通过率、粉胶比、4.75mm筛孔通过率、公称最大粒径、混合料空隙率和混合料的沥青饱和度作为沥青稳定碎石高温稳定性影响因素的分析参量。

2　灰关联熵分析步骤

2.1　灰关联系数

X为灰关联因子集,x0∈x为参考列,xi∈x(i=1,2,…,m)为比较列,即:

x0=(x0(1),x0(2),…,x0(n)),x1=(x1(1),x1(2),…,x1(n)),x2=(x2(1),x2(2),…,x2(n)),…,xm=(xm(1),xm(2),…,xm(n))。则比较列与参考列间的灰关联系数为:

ξi[x0(k),xi(k)]=

mini=1,m

k=1,n

。

本文应用灰关联熵方法分析沥青稳定碎石材料参数对其的高温稳定性能影响的显著性,找出

影响沥青稳定碎石高温抗车辙性能的关键因素,可为沥青稳定碎石的材料设计提供参考。

minΔi(k)+ρmaxi=1,m

maxΔi(kk=1,n

(1)

Δi(k)+ρmaxi=1,m

i(maxΔk)k=1,n

其中,ρ为分辨系数,一般取0.5;minminΔi(k)为i=1,mk=1,n两极最小差;maxmaxΔi(k)为两极最大差。i=1,mk=1,n2.2　灰　熵

设内涵数列x=(x1,x2,…,xm), i,xi≥0,且∑xi=1,称函数

H (x) -∑xilnxi

为序号X的灰熵,xi为属性信息。

2.3　灰关联熵与灰熵关联度

X为离散数列,x0∈x为参考列,xi∈x,i=1,2,…,m为比较列,Ri={ξ[x0(k),xi(k)],k=1,2,…,n},则:

Ph

1　沥青稳定碎石高温稳定性的参量选取

造成沥青路面出现车辙的外因,如超重车辆、高温、渠化交通等,往往难以控制。因而只能通过合理的混合料组成设计,提高沥青混合料的高温

抗剪切能力,以使路面在恶劣外界条件下仍保持较好的抗车辙能力。就沥青稳定碎石混合料本身而言,影响其高温稳定性的因素主要可以分为沥青结合料、集料、混合料结构等几方面。

沥青稳定碎石混合料主要依靠沥青结合料将集料粘结成整体。高温条件下沥青呈现较低的粘度,混合料抗剪强度显著降低,在荷载作用下产生粘塑性变形和永久变形累积,从而导致沥青路面出现车辙。沥青针入度是我国划分沥青标号的主要标准,反映了沥青的粘度。不同用量沥青及其与矿粉之间的比例直接影响沥青-矿粉胶结体的品质,因而对于矿料间粘结力也有重要影响。

高温状态下,沥青粘结力变弱,混合料抗剪强度主要由集料骨架承担,因而集料主要依赖其骨料之间形成的骨架嵌挤结构。集料公称最大粒径以及作为粗细集料分界的4.75mm筛孔通过率等对于集料是否形成骨架作用意义明显。

(2)

ξ[x0(h),xi(h)]

i

,

(3)

k=1

[x(h),x(h)]∑ξ

Ph∈Pi(h=1,2,…,n)

称为分布的密度值。

Xi的灰关联熵表示为:

n

H(Ri) 　-∑PhlnPh

k=1

(4)(5)

　　序列xi的灰熵关联度为:

E(xi) H(Ri)/Hmax

信息列的最大值。

其中,Hmax=lnn,n代表由n个元素构成的差异

3　沥青稳定碎石高温车辙试验

3.1　试验材料

3.1.1　沥　青

采用韩国SKAH-70沥青、中海AH-70沥青

及大港AH-50沥青3种重交石油沥青,其主要技术性能指标见表1所列

[8]

。

3.1.2　矿　料

集料采用石灰岩,粗集料和细集料的各项技术指标均符合要求,填料选择石灰石矿粉。

表1　沥青技术性质

材料

韩国SKAH-70沥青中海AH-70沥青大港AH-50沥青

25℃针入度/0.1mm

726856

15℃延度/cm

>100>100>80

软化点/℃52.250.059.3

针入度指数-0.82-0.90.81

含蜡量/(%)

2.22.32.7

密度/(g·cm-3)

1.0251.0141.004

3.1.3　级　配

以常用的ATB25和ATB30两种类型沥青稳定碎石混合料为研究对象,共选择1～9级配,如图1所示

。

#

#

轮碾成型试件取芯、测试芯样密度来选定最终碾压次数。

选用2#和7#2种级配,采用3.0%油石比,先选用24次碾压次数,得到这2种级配的实测相对密度与马歇尔标准试件相对密度的比值分别为100.2%、99.8%,均符合压实标准。因此,最后选择24次作为轮碾成型试件压实次数。

对9种级配和3种沥青的13组沥青稳定碎石进行了高温车辙试验,以动稳定度评价其高温抗车辙性能。动稳定度由下式计算[9]:C1C2

DS=d2-d1

式中　DS———沥青混合料的动稳定度

2

1

(6)

图1　沥青稳定碎石矿料级配曲线

3.2　最佳油石比的确定

由大型马歇尔试验确定的不同级配沥青稳定

碎石混合料的最佳油石比见表2所列。

表2　沥青稳定碎石混合料最佳油石比%

沥青

级配1#2#3#

韩国SKAH-70

4#5#6#7#8#9#

中海AH-70

2#7#2#7#

油石比2.83.03.13.13.12.82.92.92.92.92.83.02.9

d1———时间t1(一般为45min)的变形量d2———时间t2(一般为60min)的变形量

N———试验轮往返碾压速度,本试验为

42次/min

C1———试验机类型修正系数,曲柄连杆驱

动试件的变速行走方式为1.0,链

驱动试验轮的等速方式为1.5;

C2———试件系数,试验室制备的宽300mm的试件为1.0,从路面切

割的宽150mm的试件为0.8。

4　基于动稳定度的灰关联熵分析

不同混合料的影响参量值及动稳定度试验结果见表3所列。

将表3作为灰关联熵分析的原始数列,对其进行均值变换(同时将所有指标转换为正项指标)。生成数列见表4所列。

按照(1)、(2)式计算出各影响指标与动稳定度的关联系数,其结果见表5所列。根据(3)式,计算得灰熵关联密度结果见表6所列。

大港AH-50

3.3　高温车辙试验

车辙试件采用轮碾成型机进行成型,通过对

表3　不同材料参数的动稳定度试验结果

影响参量Xa/次·mm-1x1/0.1mmx2/(%)x3/(%)

x4/(%)x5/(%)x6/(%)x7/1x8/mm

1911725.3355.520

22.80.7126.5

21964723.4967.430

4.531.526.5

31835723.6167.330

43.11.292.65

41743724.0764.529.5

43.11.2926.5

51342723.2669.640

63.11.9426.5

61443725.8257.120

22.80.7131.5

72030723.5266.530

42.91.3831.5

81834724.4161.129

32.91.0331.5

91380723.4167.240

62.92.0731.5

101602684.0263.430

4.531.526.5

111846683.7964.130

42.91.3831.5

[1**********].130

4.531.526.5

133440563.8164.830

42.91.3831.5

　　　注:Xa、x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8分别为动稳定度、沥青针入度、空隙率、饱和度、筛孔率、筛孔率、沥青用量、粉胶比、粒径。

表4　生成数列

编号YaY1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

Y8

10.4890.9500.7380.8670.6690.4950.9480.5220.920

21.0540.9501.1271.0521.0041.1141.0161.1030.920

30.9850.9501.0901.0511.0040.9901.0490.9490.920

40.9350.9500.9671.0070.9870.9901.0490.9490.920

50.7200.9501.2071.0871.3381.4861.0491.4260.920

60.7740.9500.6760.8920.6690.4950.9480.5221.093

71.0890.9501.1181.0381.0040.9900.9821.0151.093

80.9840.9500.8920.9540.9700.7430.9820.7571.093

90.7410.9501.1541.0491.3381.4860.9821.5221.093

100.8601.0060.9790.9901.0041.1141.0161.1030.920

110.9911.0061.0381.0011.0040.9900.9821.0151.093

121.5321.2210.9831.0011.0041.1141.0161.1030.920

131.8461.2211.0331.0121.0040.9900.9821.0151.093

表5　灰关联系数

编号ξa1ξa2ξa3ξa4ξa5ξa6ξa7

ξa8

10.4840.6340.5340.7060.9860.4850.9290.501

20.8060.8550.9970.8960.8780.9190.8980.763

30.9250.8050.8680.9580.9870.8700.9230.870

40.9680.9330.8580.8930.8870.7910.9710.966

50.6530.4710.5410.4120.3610.5680.3800.684

60.7120.8150.7870.8050.6080.7140.6320.575

70.7560.9390.8950.8350.8140.8010.8530.991

80.9260.8250.9350.9690.6420.9950.6560.798

90.6740.5110.5840.4200.3670.6420.3560.551

100.7480.7850.7690.7500.6290.7350.6400.878

110.9670.9020.9770.9711.0000.9800.9480.808

120.5820.4410.4490.4500.5090.4560.5020.414

130.4090.3470.3410.3390.3360.3330.3420.365

表6　灰熵关联密度

编号Pa1Pa2Pa3Pa4Pa5Pa6Pa7Pa8

10.0500.0690.0560.0750.1090.0520.1030.055

20.0840.0920.1050.0950.0970.0990.1000.083

30.0960.0870.0910.1020.1100.0940.1020.095

40.1010.1010.0900.0950.0990.0850.1080.105

50.0680.0510.0570.0440.0400.0610.0420.075

60.0740.0880.0830.0860.0680.0770.0700.063

70.0790.1010.0940.0890.0900.0860.0940.108

80.0960.0890.0980.1030.0710.1070.0730.087

90.0700.0550.0610.0450.0410.0690.0390.060

100.0780.0850.0810.0800.0700.0790.0710.096

110.1010.0970.1030.1030.1110.1060.1050.088

120.0610.0480.0470.0480.0560.0490.0560.045

130.0430.0370.0360.0360.0370.0360.0380.040

　　根据(4)式计算,得到比较列的灰关联熵H(Rj)分别为:

H(Ra1)=2.5362,H(Ra2)=2.5235,H(Ra3)=2.5214,H(Ra4)=2.5114,H(Ra5)=2.5019,H(Ra6)=2.5232,

H(Ra7)=2.5056,H(Ra8)=2.5232。　　最后,由灰关联熵按照(5)式计算出灰熵关联度,不同因素的灰熵关联度如图2所示。

各影响因素对沥青稳定碎石动稳定度的影响大小依次为:沥青针入度※混合料空隙率※公称

最大粒径※沥青用量※沥青饱和度※4.75mm通过率※粉胶比※0.075mm通过率

。

因素和因素间对系统影响的差别,因此需要较少的试验量,具有较高实用价值。而灰关联熵分析法克服了灰关联分析法中“采用逐点关联测度平

均值计算”的缺点,可以更为真实地反应出关联度大小。

(2)对9种沥青级配和3种沥青的沥青稳定碎石进行了高温车辙试验,测定了其动稳定度。然后以动稳定度为参考列计算了各因素的灰熵关联度,评价了不同影响因素对其的影响显著性。研究表明,沥青针入度、空隙率、沥青用量对沥青稳定碎石高温稳定性影响较为显著。在沥青稳定碎石材料组成设计中,应将这3个因素作为主要控制指标。

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图2　不同因素的灰熵关联度

沥青针入度是我国划分沥青标号的主要依据。众多研究表明,采用低标号的沥青,混合料具

有较高的强度和劲度,在高温下仍能保持足够的粘滞性,不致出现过大的变形,因而可以显著改善沥青稳定碎石的高温稳定性能。

一般认为,混合料剩余空隙率为3%～5%的密实型的沥青混合料具有较高的力学强度[10]。随着空隙率的增大,混合料强度降低。但是混合料空隙率过低,如低于3%,混合料中的沥青在高温时会体积膨胀,软化后的沥青将从混合料中挤出形成泛油。

沥青用量对混合料的抗车辙能力有一定的影响。在马歇尔试验中,马歇尔稳定度随沥青用量的变化而不同,一般存在一个最大稳定度所对应的最佳沥青含量。这是因为,当沥青用量过少时,集料表面沥青膜过薄,混合料呈干枯状而缺乏足够的粘结力,不能形成高的强度,稳定度不高。在一定范围内,沥青用量的增加,会增加混合料的稳定度。当沥青过量时,自由沥青使集料颗粒在荷载作用下产生滑移,反而使混合料的稳定度降低。由于本文均采用了最佳油石比,可能低估了沥青用量的影响。

5　结　　论

(1)灰关联分析可以在不完全的信息中,分析随机因素序列的关联性,发现影响系统的主要

(责任编辑　吕　杰)