基于加权理想解法的沥青抗老化性能评价

岳军委

0 引言

中国青海、西藏、新疆等西北部地区具有海拔高、紫外线辐射强等特点，更容易加速沥青路面的老化过程，使路面产生裂缝、坑洞等病害［1］。因此，合理评价沥青的抗老化能力，在工程实际中选择抗老化性能突出的沥青，对于沥青路面保持长期良好的使用性能，具有十分重要的意义［2］。

目前通常采用短期老化和长期老化试验对沥青抗老化能力进行评价。旋转薄膜烘箱(RTFOT)用于模拟沥青的短期老化过程［3-4］;美国SHRP评价体系的压力老化箱(PAV)用于模拟沥青在实际使用过程中的长期老化。现在多采用残余针入度比、残余延度、软化点增量、黏度比、老化指数等指标评价沥青的抗老化性能［5-6］。然而，各种评价方法和指标的评价结果并不一致;美国SHRP评价体系的长期老化试验方法虽然比较有效，但试验设备比较昂贵，目前在中国还无法普及［7-8］;另外，长期老化和短期老化试验方法对不同沥青抗老化性能的评价结果往往不一致，难以进行综合评价［9-10］。

本文引入综合评价方法中的理想解法(TOPSIS法)，并对其进行改进，通过试验得到4种SBS改性沥青的基本性能指标数据;同时进行旋转薄膜加热试验及压力老化箱老化试验，得到各项老化性能评价指标所需的试验参数，将各参数代入加权理想解法模型，转换为综合评价指数，利用这一综合评价指标对改性沥青的抗老化性能进行评价。

1 加权理想解法模型的建立

理想解法是一种采用多项评价指标对评价对象进行综合评价的方法，在医学、工程等领域应用广泛。其核心理念是由各评价指标的最优值和最劣值确定正理想解和负理想解，然后综合分析被评价对象距离正理想解和负理想解的远近，判定被评价对象优劣的标准是距离相对接近度，最终依据距离相对接近度选出最优材料［11］。

理想解法如图1所示，A+表示正理想解，A原表示负理想解，A2距离正理想解A+比A1远，但A1距离负理想解并非最远，A2距离负理想解A原比A1更远。

图1 理想解法

理想解法可以综合考虑评价对象的原始数据信息，因此评价结果较为全面。但是，理想解法也存在不足，在构建加权规范阵时只对原始数据加权，在距离贴近度计算时没有考虑各项评价指标的权重。本文对常规理想解法进行改进，计算欧氏距离时对各项评价指标进行加权处理［12］。

1.1 建立初始指标矩阵B

设评价对象区域集中有m个对象，每个评价对象有n个评价指标，初始指标矩阵B由m个评价对象和n个评价指标组成，即B=(bij)m伊n，其中B是初始指标矩阵，bij是评价指标元素。

1.2 指标标准化处理

不同的沥青抗老化性能评价指标有不同的物理量纲，为了在各单项指标间进行比较，必须进行无量纲化处理。采用标准0-1变换对评价指标进行无量纲化处理，对于越大越好的指标(正指标)，评价指标无量纲化公式为

式中:i=1，2，…，m;j=1，2，…，n。

对于指标值越小越好的指标(逆指标)，评价指标无量纲化公式为

1.3 构成加权规范阵

设给定各项评价指标的权重向量为w=(w1，w2，…wn)，则属性值

1.4 正理想解和负理想解的计算

设正理想解A+的第j个属性值为c+j，负理想解A原的第j个属性值为c原j，则有

式中:J+为正指标集合，J原为逆指标集合。

1.5 计算评估对象的加权欧氏距离

评估对象的加权欧氏距离为

1.6 计算综合评估指数

根据加权欧氏距离计算综合评估指数

依据pi的大小对各个评估对象进行优劣排序，pi越大，评估对象性能越突出。

2 老化试验结果分析

选用编号为A、B、C、D的4种改性沥青，其中A、B、D为SBSⅠ-C改性沥青，C为SBSⅠ-B改性沥青。根据试验规程，对4种改性沥青进行RTFOT及PAV老化试验，测试4种SBS改性沥青老化前后的25益针入度、5益延度、软化点、135益黏度指标，并结合上述评价指标对4种SBS改性沥青的抗老化性能进行分析。

2.1 残余针入度比

针入度反映的是沥青的稠度、黏度，即沥青的软硬程度，沥青老化后针入度变小，变硬，残余针入度比可以直观反映沥青在老化前后的变化。残余针入度比越大，说明沥青的抗老化性能越好。表1列出了4种SBS改性沥青短期老化和长期老化阶段的25益针入度值。

表1 SBS改性沥青不同老化阶段的25益针入度值(100 g，5 s，25益)

经过短期老化，4种沥青残余针入度比相差不大;长期老化后，4种SBS改性沥青残余针入度比有明显差别，D沥青残余针入度比明显低于B、C沥青，说明残余针入度比指标对短期老化方式不敏感，对长期老化试验较敏感。

2.2 残余延度

沥青是一种弹塑性体，低温延度可以反映沥青在低温状态的变形能力，因此能够很好地对沥青的低温性能进行衡量。沥青路面在使用过程中受到车辆荷载和自然环境的综合作用，沥青的延度值会逐渐衰减，延度低于某一值时，将不能承受路面内部的温度应力和荷载应力，产生多种路面病害。表2列出了4种SBS改性沥青不同老化阶段的5益延度值。

表2 SBS改性沥青不同老化阶段的5益延度

老化后，4种SBS改性沥青的延度均减小，短期老化阶段B、C沥青的低温延度差别不大，长期老化后2种沥青的低温延度差别变大;4种沥青短期老化、长期老化前后抗老化性能排序相对一致，从残余延度指标来看，B、C沥青的抗老化性能比较突出，这也与残余针入度比结果一致。

2.3 软化点增量

沥青老化后，软化点升高，考虑到4种不同改性沥青的软化点起始值相差不大，采用老化前、后的软化点增量来对其老化性能进行评价。表3列出了4种沥青不同老化阶段的软化点及其增量。

表3 SBS改性沥青不同老化阶段的软化点及其增量

短期老化后4种沥青的软化点增加程度较小，长期老化后4种沥青软化点增加程度较大，说明长期老化对沥青性能的影响较大。无论是短期老化还是长期老化，B、D沥青的软化点增量都较小，说明其抗老化性能优于其他2种沥青;同时可以看出，软化点增量能够很好地对不同SBS改性沥青的抗老化性能做出区分。

2.4 135 益黏度比

沥青区别于其他材料的最大特征是它的黏度随温度的变化而急剧变化，当温度较低时呈现弹性，随温度升高表现为黏弹性、黏塑性甚至成为流体，沥青经加热老化后，稠度增加，黏度也将变大。所以，老化后黏度比越小，沥青的抗老化性能越好。表4列出了4种SBS改性沥青老化前、后135益黏度及黏度比。

表4 SBS改性沥青不同老化阶段的135益黏度及黏度比

短期老化后4种沥青135益黏度的增大程度较小，黏度比差别不大，长期老化后4种沥青135益黏度的增大较明显，黏度比差别也变大;不同老化阶段B、C、D三种沥青的抗老化性能排序结果不一样;无论短期老化还是长期老化，B、C两种沥青的抗老化性能均比较突出。

从以4项评价指标对沥青抗老化性能进行排序的结果来看，同一沥青在相同的老化试验条件下，基于不同评价指标得出的评价结果并不一致。所以，有必要选用一种更加客观、全面的评价方法对沥青的抗老化性能进行综合评价。

3 利用改进理想解法对沥青抗老化性能进行评价

3.1 试验所得评价参数

选取残余针入度比、残余延度比、软化点增量、黏度比4项评价指标作为评价参数，残余针入度比、残余延度比为正向指标，软化点增量、黏度比为逆向指标。4种SBS改性沥青评价指标的初始数据见表5。

表5 4种SBS改性沥青评价指标的初始数据

3.2 评价指标权重的确定

在综合采用多项评价指标对沥青抗老化性能进行评价时，会涉及到各项指标权重的分配。沥青老化后，黏度和软化点升高，延度和针入度降低，低温性能急剧衰减。本文对残余延度比赋予40%的权重，软化点增量、黏度比、残余针入度比所占的权重统一定为20%。

下面仅以短期老化试验数据为例进行说明，长期老化评价过程参照短期老化评价步骤进行。

3.3 建立初始矩阵

将4种SBS改性沥青的评价参数代入式(1)、(2)，得到初始矩阵

3.4 加权规范初始矩阵

3.5 确定虚拟的最优质沥青及最劣质沥青

找出加权规范矩阵各列的最大值或最小值，虚拟的最优质沥青样本为 [0.2 0.4 0 0]T，虚拟的最劣质沥青样本为 [0 0 0.2 0.2]T

3.6 加权欧式距离及综合评价指数计算

根据式(6)、(7)计算各评价沥青与最优沥青的距离d+i以及与最劣沥青的距离d原i，根据式(8)计算各沥青抗老化性能的综合评价指数，进行抗老化性能综合排序，结果见表6。

表6 4种SBS改性沥青经过加权理想解法评价后的排序结果

通过加权理想法综合评价，可以得出4种沥青短期抗老化能力从优到劣的排序依次是B、D、A、C;长期抗老化能力从优到劣的排序依次是B、C、D、A。

4 结语

(1)加权理想解法具有原理清晰、计算过程简便易行等优点，将多个评价指标转换为单个评价因子，使得评价过程更为全面，有助于克服采用单项指标过于单一的缺陷，是一种简单而有效的材料评价方法。

(2)虽然加权理想解法能综合全面地对沥青的短期、长期抗老化性能进行评价，但各评价指标权重值的确定还应考虑工程所在地的气候、交通条件，并且与沥青路面因老化作用常出现的各种病害紧密联系，以使各权重值的确定更符合路面实际情况。

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