基于正交试验的泡沫沥青降黏效果研究

徐大卫，蒋春祥

(1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.连云港市通榆河北延送水工程管理处，江苏 连云港 222000)

0 引 言

泡沫沥青技术由于其优秀的使用性能及其重要的社会与经济意义，在沥青路面建设中得到越来越多的应用。但目前对泡沫沥青黏度试验研究并不多，而且黏度对于沥青混合料的和易性至关重要，是影响温拌效果的关键要素[1]。为全面考察不同条件下泡沫沥青的降黏效果，需要借助合理的科学试验方法进行影响因素分析。对于单因素或者两因素试验，因其因素少，试验的设计、实施与分析都比较简单。在实际试验中，常常需要同时考察3个或3个以上的试验因素，若进行全面试验，则试验的规模将很大，往往因试验条件的限制而难于实施[2]。正交试验设计是研究多因素多水平的一种高效率设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分具有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备的“均匀分散，齐整可比”的特点。因此选择正交设计试验方法，考虑沥青的加热温度、用水量、水温等发泡因素研究泡沫沥青的降黏效果，将泡沫沥青用于混合料中，为温拌沥青提供指导，同时提高沥青混合料的施工和易性[3]。

1 试验材料及试验设备

1.1 试验原材料

选用韩国AK-70#基质沥青与SBS改性沥青作为试验原材料，其性能如表1。发泡时所用的水为普通自来水。

表1 沥青的性能指标试验结果

1.2 试验设备

试验选用美国布洛克菲尔德(Brookfield)-DV-Ⅱ型旋转黏度仪(简称布氏黏度仪)测量泡沫沥青的黏度。但是，泡沫沥青在加热时体积膨胀，产生气泡，影响旋转黏度的测量(读数不稳定且泡沫沥青容易溢出盛样筒)，所以对布氏黏度仪进行了改进，将黏度仪的盛样筒改为杯口直径更大的瓷缸(直径为10.5 cm，高为15 cm，放在油浴里控温)，以规避气泡及体积膨胀对读数产生的影响。为了保证Brookfield黏度仪的扭矩读数在10%～98%之间，试验时选择27#转子，转速统一为50 r/min[4-5]。

室内发泡试验选用德国维特根WLB10发泡试验机，该试验机主要由沥青加热桶、水流量计、压缩空气罐、沥青泵、压力调节器等组成。试验时可以通过沥青加热桶，有效的对沥青进行控温，保证沥青发泡时的温度，通过水流量计对发泡用水量进行控制。

由于泡沫沥青制备好之后将其放置，需要使用时再次加热会影响泡沫沥青里的含水量，所以选择沥青发泡后立刻用改进的布氏黏度计测量每组条件下的泡沫沥青的旋转黏度，以提高试验结果的准确性。

2 研究方法

正交试验计步骤如下[6]：①确定因子及其水平数；②根据所选因子及水平数选用合适的正交表格；③试验数据的极差分析；④方差分析检验。

结合国内外的研究，基质沥青与改性沥青因子和水平数选择如下。基质沥青发泡温度：140，150，160 ℃。SBS改性沥青发泡温度：150，160，170 ℃。用水量和水温的选择，基质沥青与SBS相同，用水量：1%，2%，3%；水温：20，40，60 ℃[7-8]。

试验将沥青进行黏度区域温度的划分，黏度区域划分的目的是为了模拟现场泡沫沥青施工时的拌合温度与摊铺温度从而得到拌合和摊铺效果好坏的降黏评价指标，所以针对不同类型的沥青区域温度划分如表2 (120，100 ℃分别为基质沥青混合料拌和与摊铺时的经验温度，140，120 ℃分别为改性沥青混合料拌和与摊铺时的经验温度)。

根据正交试验的设计原理，选择L9(33)正交表[9]，即3个因子，每个因子各3个水平，共需做9次试验。基质沥青正交试验表格如表3，SBS正交试验表格如表4。

表3 基质沥青正交试验表格

表4 SBS改性沥青正交试验表格

(续表4)

水平因素D(发泡温度/℃)E(用水量/%)F(水温/℃)试验7170160试验8170220试验9170340

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

通过WLB10发泡试验及布氏旋转黏度改进试验，测量的试验数据如表5。

表5 正交试验数据结果

(续表5)

试验基质沥青120℃旋转黏度/cp试验SBS改性沥青140℃旋转黏度/cpA3B1C31015.0D3E1F31532.5A3B2C1945.0D3E2F11416.0A3B3C2795.0D3E3F21525.0

从表5看出，泡沫沥青旋转黏度均低于未发泡的沥青黏度。基质沥青在A2B3C1条件下，黏度最小。改性沥青在D2E3F1条件下，黏度最小。

3.2 极差分析

根据上述结果，从极差分析方法入手，判断各个因子的影响程度的大小及每个因子各水平的优劣评价。基质发泡沥青极差分析结果如表6，改性发泡沥青极差分析结果如表7。表6和表7中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分布为各对应列(因子)上1、2、3水平效应的估计值，其计算式是：Ⅰi(Ⅱi,Ⅲi)=第i列上对应水平1(2,3)的数据和。Ki为i水平数据的综合平均值。R行为极差，表明因子对试验结果的影响幅度。

表6 基质发泡沥青极差分析结果

由表6知，在基质发泡沥青试验中，对于发泡温度，综合平均值K的大小：KA1>KA3>KA2，KA2为优水平，即150 ℃的发泡温度优于140 ℃和160 ℃。对于用水量，KB1>KB2>KB3，KB3为优水平，即加水量3%优于1%和2%。对于水温，KC3>KC2>KC1，KC1为优水平，即水温20 ℃优于40 ℃和60 ℃。综上，A2B3C1为基质沥青的最优水平组合，即在发泡温度为150 ℃，用水量为3%，水温为20 ℃条件下70#基质沥青降黏效果最优。

由R2>R1>R3可知，发泡温度、发泡用水量、发泡水温对泡沫沥青降黏影响程度大小如下：发泡用水量>发泡温度>发泡水温。

结合基质沥青降黏的最佳效果与影响因素的大小，在选择发泡条件时，可以不考虑水温对泡沫沥青的影响，水温为常温即可。

表7 SBS发泡沥青极差分析结果

(续表7)

试验号水平(因素)1(发泡温度/℃)2(用水量/%)3(水温/℃)4(空白列)旋转黏度(试验结果)/cp315036031315.0416014031326.0516026011230.0616032021105.0717016021532.5817022031416.0917034011525.0Ⅰ4492.54471.04133.54367.5Ⅱ3661.04211.04416.04202.5Ⅲ4473.53945.04077.54057.5K11497.51490.31377.81455.8K21220.31403.71472.01400.8K31491.21315.01359.21352.3R277.2175.3112.8103.5

由表7可得，在改性沥青发泡试验中，对于发泡温度，综合平均值K的大小：KD1>KD3>KD2，KD2为优水平，即160 ℃的发泡温度优于150 ℃和170 ℃。对于用水量，KE1>KE2>KE3，KE3为优水平，即加水量3%优于1%和2%。对于水温，KF2>KF1>KF3，KF3为优水平，即水温度60 ℃优于20 ℃和40 ℃。综上所述，D2E3F3为SBS改性沥青的最优水平组合，即在发泡温度为160 ℃，用水量为3%，水温为60 ℃条件下SBS改性沥青降黏效果最优。

由R1>R2>R3可知，发泡温度、发泡用水量、发泡水温对泡沫温拌沥青降黏影响程度大小如下：发泡温度>发泡用水量>发泡水温。结合SBS发泡降黏最佳效果，改性沥青发泡时，可适当提高发泡水温。

3.3 方差分析检验

正交试验设计的极差分析简便易行，计算量小，也较直观，但极差分析精度较差，判断因素的作用时缺乏一个定量的标准，此时需要用方差分析作为判断标准。借助正交设计助手软件对数据进行方差分析，α=0.05。结果如表8。

表8 沥青黏度方差分析

在表8中，F检验结果表明，用水量对泡沫沥青黏度的影响最显著，由方差分析知，降黏影响程度：用水量>发泡温度>水温，与表6分析结果一致，A2B3C1为基质发泡沥青降黏效果的最佳组合。而发泡温度、用水量、水温对泡沫沥青黏度的影响均不显著，究其原因可能自由度较小(仅为2)，使试验的灵敏度降低，从而掩盖了考察因素的显著性。由于各因素对降黏影响都不显著，从表7中选择平均数小的组合，即SBS泡沫沥青降黏效果最佳组合为D2E3F3。

4 结 论

1)对于基质沥青，发泡温度、发泡用水量、发泡水温对泡沫温拌沥青降黏影响程度大小如下：发泡用水量>发泡温度>发泡水温。在发泡温度为150 ℃，用水量为3%，水温为20 ℃条件下70#基质沥青降黏效果最优。

2) 对于SBS改性沥青，发泡温度、发泡用水量、发泡水温对泡沫温拌沥青降黏影响程度大小如下：发泡温度>发泡用水量>发泡水温。在发泡温度为160 ℃，用水量为3%，水温为60 ℃条件下SBS改性沥青降黏效果最优。

3)温拌沥青混合料的拌和温度一般在110～130 ℃(基质沥青)，130～150 ℃(改性沥青)，从经济成本，节约能源及施工和易性方面考虑，选择基质泡沫沥青的拌和温度：120 ℃，SBS改性泡沫沥青的拌和温度：140 ℃，同时为尽可能提高施工和易性，选择降黏效果最好的组合进行黏度试验，其结果作为生产泡沫温拌沥青的施工控制参数，建议基质泡沫沥青拌和时的黏度应不大于684.5 cp，SBS改性泡沫沥青的拌和时的黏度应不大于985.0 cp。

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