基于多目标加权灰靶决策模型的高模量沥青混合料集料适应性研究.pdf

总第 期交通科技 第期 收稿日期：第一作者：殷金海（），男，助理工程师，本科。通信作者：张辉（），男，高级工程师，博士。基于多目标加权灰靶决策模型的高模量沥青混合料集料适应性研究殷金海王丽丽张辉（苏州三创路面工程有限公司苏州 ；江苏中路工程技术研究院有限公司南京 ）摘要为研究玄武岩、石灰岩和凝灰岩在高模量沥青混合料中的适应性，对比评价了种集料制备的高模量沥青混合料 的马歇尔性能、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性，结合雷达图进行综合分析，并采用多目标加权灰靶决策模型综合评价。结果表明，各集料类型的高模量沥青混合料马歇尔稳定度均大于 ，动稳定度均高于 次，极限抗弯拉应变与水稳性均符合规范要求，各集料类型下雷达图面积石灰岩玄武岩凝灰岩，玄武岩高模量沥青混合料 高温性能较优，石灰岩高模量沥青混合料 水稳定性较优，多目标加权灰靶决策模型下石灰岩高模量沥青混合料 综合性能最优。关键词高模量沥青混合料路用性能集料适应性多目标加权灰靶决策模型中图分类号 高模量沥青混合料被认为是解决高温重载下沥青路面车辙问题的理想材料 。以法国为代表的欧洲地区自 年起就已经展开了高模量沥青混合料 的研究，并确定 具有良好的高温稳定性、抗疲劳性和水稳定性，由于该优点，高模量沥青混合料很快就被推广应用于路面铺装中面层与上面层 。目前，高模量沥青制备方法主要有种：直接采用低标号硬质沥青；基质沥青中添加天然沥青，如岩沥青、湖沥青等；基质沥青中添加改性剂，如高模量剂、抗车辙剂、聚乙烯或聚丙烯等。近年来，相关学者对高模量沥青制备方法、评价指标均作出了大量的研究。郝志鹏采用红外光谱对高模量沥青改性机理进行了探究，发现复合高模量剂显著增加改性沥青碳基分子含量，增大分子间作用力以提高沥青黏度导致混合料高温性能提升。张开贵等通过荧光显微镜对高模量改性沥青进行了相态分析，研究发现，高模量剂分散后显著削弱沥青小分子链运动使得改性沥青结构稳定。丁敏等通过频率模量曲线分析得出，高模量沥青混合料动态模量更高，抗变形能力更强，中频或低频区域内该特征更为显著。对高模量沥青混合料进行了四点弯曲疲劳试验，预测了沥青材料的刚度与加载时间关系。目前针对高模量沥青混合料的研究方向多为改性剂类型与力学性能研究，而针对高模量沥青混合料受集料类型影响的相关研究较为缺乏。不同地区生产的集料不同，集料种类也会在一定程度上影响混合料的使用性能。鉴于此，本文选取工程中常用的几种集料，在相同条件下制备高模量混合料，结合多目标加权灰靶决策模型综合评价其路用性能。原材料及试验方法 原材料选择江苏中亿通有限公司生产的 号基质沥青，其技术指标见表。表 号沥青技术指标检测项目检测结果技术要求针入度（，）软化点 延度（，）针入度比（）复合高模量剂常温下为黑色固体材料，采用线型低密度聚乙烯 与多链聚烯烃的弹性剂为原材料，具有较高韧性与弹性，且含有芳香芬的刚性基团，可以增大沥青的刚性与变形恢复。在沥青混合料生产中，采用直投的方式添加，技术指标见表。表复合高模量剂技术指标检测项目质量指标针入度（，）（）软化点 灰分 颗粒直径 熔滴点 选择玄武岩、石灰岩、凝灰岩种集料，矿粉均选择石灰岩矿粉。其中玄武岩属于中性偏碱性材料，石灰岩属偏碱性材料，凝灰岩属偏酸性材料。各集料技术指标见表表。表粗集料技术指标试验项目玄武岩石灰岩凝灰岩技术要求集料压碎值 表观相对密度 吸水率 针片状颗粒含量 水 洗 法 颗粒含量 表细集料技术指标试验项目玄武岩石灰岩凝灰岩技术要求表观相对密度 亚甲蓝值（）砂当量 棱角性 表矿粉技术指标试验项目检测结果技术要求密度（）含水率 亲水系数 塑性指数 外观无团粒结块无团粒结块 试验方法为分析种集料制备的高模量沥青混合料（）路用性能，均采用同一级配、同一油石比、同一制备方法制备高模量沥青混合料，按规范 要求，采用马歇尔试验、车辙试验、小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验，分析玄武岩、石灰岩与凝灰岩对高模量沥青混合料 路用性能造成的差异。配合比设计选择表表中的玄武岩、石灰岩、凝灰岩种集料，矿粉均选择石灰岩矿粉。高模量沥青混合料 级配设计见表、图。表高模密水混合料级配设计级配类型通过下列筛孔（）集料的质量分数 级配上限 级配下限 设计级配 图 级配设计图结合相关项目工程经验，最终取沥青用量为，复合高模量剂为，下拌和 ，成型高模量沥青混合料 。结果与讨论 马歇尔稳定度按标准马歇尔击实法成型种集料的高模量沥青混合料 ，双面各击实 次，试件成型后置于常温条件下 进行马歇尔试验，试验结果见表。表不同集料类型犎犕犕 马歇尔试验结果集料类型稳定度 流值 空隙率空隙率技术要求玄武岩 凝灰岩 石灰岩 由 表可 见，石 灰 岩高 模 量 沥 青 混 合 料 稳定度最高，为 ，较玄武岩高模量沥青混合料 高 ，较凝灰岩高模量沥青混合料 高 ，流值均在 （）之间，表现出良好的力学性能。种集料所制备的高模量沥青混合料 空隙率无显著性差异，均在 左右，表现出良好的密水性。高温稳定性对种集料制备的 沥青混合料进行 车辙试验，试验结果见表。表不同集料类型犎犕犕 车辙试验结果集料类型动稳定度（次）变异系数要求（次）玄武岩 凝灰岩 石灰岩 年第期殷金海等：基于多目标加权灰靶决策模型的高模量沥青混合料集料适应性研究由表可见，动稳定度由高到低依次为玄武岩 、石灰岩 、凝 灰岩 ，凝灰岩作为酸性集料，与沥青黏附性等级略低于中性集料与碱性集料。在沥青路面中，行车荷载主要由集料来承担，因此，集料的硬度、表观形貌等均对沥青混合料的高温抗车辙能力有重要影响，对比种集料类型下 动稳定度变异系数仅为 。因此，集料对高强密水沥青混合料高温抗车辙性能影响较小。低温弯曲试验进行低温小梁弯曲试验，试验温度 ，考察集料类型对高模量沥青混合料低温性能影响。试验结果见表。表不同集料犎犕犕 小梁弯曲试验结果集料类型抗弯拉强度 劲度模量 破坏应变 应变要求 玄武岩 凝灰岩 石灰岩 由表可见，集料对高强密水沥青混合料的低温性 能 影 响 较 小，弯 曲 应 变 最 小 的 凝 灰 岩 混合料的低温性能满足规范要求；抗弯拉强度和弯曲破坏应变最大的是石灰岩 ，表明在行车荷载作用下，石灰岩 混合料低温抗裂性能最优异，这是由于石灰岩为碱性集料，在充分拌和条件下与沥青黏结能力更强，在荷载作用下抗弯拉强度和破坏应变更大。水稳定性为了对比不同集料对 混合料水稳定性能的影响，对种集料 混合料进行了浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验，试验结果见表、表。表 不同集料犎犕犕 浸水马歇尔稳定度试验结果集料类型非条件稳定度 条件稳定度 残留稳定度 限值玄武岩 凝灰岩 石灰岩 表 不同集料犎犕犕 冻融劈裂试验结果集料类型非条件劈裂强度 条件劈裂强度 冻融劈裂强度比 限值玄武岩 凝灰岩 石灰岩 由表、表 可见，种集料 混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比均满足规范要求的 和，其中，残留稳定度和冻融劈裂强度比最大的是石灰岩 沥青混合料，这是由于石灰岩作为集料与沥青黏结性能更强，在水的侵蚀作用下，稳定性更好。雷达图分析采用均值法对种集料下高模量沥青混合料马歇尔稳定度、动稳定度、极限抗弯拉应变、残留稳定度与冻融劈裂强度比无量纲化处理后可得到表，结合圆环形雷达图（见图）综合分析种类型集料对高模 量沥 青 混 合 料 性 能影响。表 各集料类型条件下犎犕犕 路用性能指标无量纲化处理集料类型玄武岩凝灰岩石灰岩马歇尔稳定度 动稳定度 极限抗弯拉应变 图各集料类型下高模量沥青混合料路用性能雷达图计算各集料类型下各无量纲指标雷达图区域面积，见表。表 无量纲指标雷达图区域面积集料类型玄武岩凝灰岩石灰岩雷达图区域面积 雷达图区域面积可有效表明各集料类型下的高模量沥青混合料的综合性能，雷达区域面积越大，代表该沥青混合料所覆盖的各项路用性能越广，相对性能更具优势。由表 可见，经无量纲化处理后，玄武岩集料雷达区域面积为 ，动稳定度指标最为突出，凝灰岩集料雷达区域面积为 ，石灰岩集料雷达区域面积为 ，且马歇尔强度指标、冻融劈裂强度比与残留稳定度指标更为突出。各集料类型下雷达图面积石灰岩玄武岩凝灰岩，这表明石灰岩高模量沥青混合料 综合性能更具优势，具有良好的力学性能与水稳定性；玄武岩高模量沥青混合料 高温性能较比于其余种集料类型的殷金海等：基于多目标加权灰靶决策模型的高模量沥青混合料集料适应性研究 年第期混合料更高；凝灰岩高模量沥青混合料 综合性能略低，尤其是在高温性能与水稳定性方面较为欠缺。多目标灰靶决策基于高模量沥青混合料高温性能、低温性能、水稳定性、马歇尔强度和经济指标，采用灰色系统理论中的多目标加权决策模型，优选更适用于高模量沥青混合料 的集料类型。通过市场调研，确定不同集料类型的经济性指标。以高模量沥青混合料 路用性能结果为例，种集料类型下动稳定度、极限抗弯拉应变、马歇尔强度、残留稳定度比、冻融劈裂强度比和材料单价参数见表。表 各集料类型条件下犎犕犕 路用性能指标集料类型马歇尔稳定度 动稳定度（次）极限抗弯拉应变 单价（元）玄武岩 凝灰岩 石灰岩 ）以选择何种集料类型作为事件集犃犪犻犪；选择玄武岩、石灰岩、凝灰岩集料作为对策犫、犫、犫，对策集犅犫、犫、犫；由事件集和对策集构成决策集。）确定决策目标。将不同集料类型条件下各指标作为决策目标。）考虑到不同应用场景与应用条件下对沥青混合料指标权衡的侧重性不同，因此本文均衡分析个指标的重要性，采用均值化处理，各决策目标权重设置为 。）根据表 数据得出目标效果样本矩阵如下，其中，犽为目标序列号。犝犽狌犽犻 犼狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）狌（）熿燀燄燅 熿燀燄燅 ）动稳定度、极限抗弯拉应变、马歇尔强度、残留稳定度比、残留劈裂强度比记目标序列向量狌（犽）犻 犼，临界值为犿（犽）犻 犼分别设置为：犿（）犻 犼，犿（）犻 犼 ，犿（）犻 犼 ，犿（）犻 犼，犿（）犻 犼，经济指标为成本型目标，将临界值设置犿（）犻 犼 。）根据效益型目标效果函数测度函数公式：狉（犽）犻 犼狌（犽）犻 犼狌（犽）犻犼 狌犽犻 犼狌（犽）犻犼犻犼，成本型目标效果函数测度函数公式狉（犽）犻 犼狌（犽）犻犼狌（犽）犻 犼狌（犽）犻犼 犻 狌犽犻 犼犼，结合上部设定的目标效果临界值，对效果矩阵狌进行效果测度矩阵计算。测度效果矩阵如下：犚犽狉犽犻 犼狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狉（）狌（）狌（）狌（）熿燀燄燅 熿燀燄燅 ）计算综合效果测度矩阵。根据公式狉犻 犼犽犽狉（犽）犻 犼，计算综合效果测度矩阵。犚狉 狉 狉 ）决策，根据步骤中计算的结果，得到各集料类型的靶心距离，见表。表 各集料类型的靶心距离集料类型玄武岩凝灰岩石灰岩靶心距离 由表 可知，种集料类型条件下，由石灰岩作为集料所制备的高模量沥青混合料靶心距离最接近，综合路用性能表现最优，玄武岩集料次之，凝灰岩集料较差。结语本文结合试验对比分析种常用集料下高模量沥青混合料 路用性能表现，并结合多 年第期殷金海等：基于多目标加权灰靶决策模型的高模量沥青混合料集料适应性研究目标加权算法综合对比种集料在高模量沥青混合料应用中的优劣，主要得出以下结论。）酸性集料凝灰岩对高模量沥青混合料路用性能影响略高。其中玄武岩集料 高温性更优，石灰岩集料 低温性能与水稳定性较优。各集料类型的高模量沥青混合料单一路用性能指标差异性较小。）通过雷达图分析表明，各集料类型下路用性能雷达图面积石灰岩玄武岩凝灰岩，石灰岩高模量沥青混合料具有良好的力学性能与水稳定性；玄武岩高模量沥青混合料高温性能更优；凝灰岩高模量沥青混合料水稳定性略低。）通过多目标加权灰靶决策模型，得出石灰岩高模量沥青混合料 综合性能最优，可推荐作为相关工程高模量沥青混合料集料选择材料。将多目标加权灰靶决策模型应用到高模量沥青混合料集料优选，能有效解决实际工程中集料选择问题，使选择结果更科学、合理。参考文献谢成，骆俊晖，刘豪斌，等高模量沥青及沥青混合料性能研究公路，（）：崔鹏硬质沥青对老化沥青及沥青混合料性能的影响公路交通科技，（）：王陕郡，张钊，陈世轩，等市政道路沥青混合料路用性能对比研究公路，（）：王瑞林，袁光权高模量沥青的研发及其性能提升材料科学与工程学报，（）：，张辉，潘友强，张志祥，等玄武岩页岩混杂增强的沥青混合料路用性能试验研究长沙理工大学学报（自然科学版），（）：张争奇，卢川，王素青，等高模量沥青性能及其界定标准研究重庆交通大学学报（自然科学版），（）：，郝志腾复合高模量改性剂改性机理及其混合料性能研究呼和浩特：内蒙古农业大学，张开贵，张基于荧光显微镜的高模量改性沥青相态研究市政技术，（）：，丁敏，曾德勇高模量改性沥青混合料动态力学特性研究科技创新与应用，（）：（），：，魏明华，徐洋，吴少鹏，等高掺量再生钢渣沥青混合料组成与设计研究武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：犛 狋 狌 犱 狔狅 狀狋 犺 犲犃 犱 犪 狆 狋 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔狅 犳犎 犻 犵 犺犕 狅 犱 狌 犾 狌 狊犃 狊 狆 犺 犪 犾 狋犕 犻 狓 狋 狌 狉 犲犃 犵 犵 狉 犲 犵 犪 狋 犲犅 犪 狊 犲 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