多因素对沥青混合料空隙率影响的正交试验分析

李林萍，胡帮艳，张 飞，于 江

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

多因素对沥青混合料空隙率影响的正交试验分析

李林萍，胡帮艳，张 飞，于 江

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

根据分形级配理论进行矿料级配设计，把粗级配分形维数Dc、细级配分形维数Df、粗细级配用量比、油石比和压实次数作为沥青混合料空隙率影响因素，采用正交试验分析方法进行试验分析，找出其对沥青混合料空隙的影响程度和变化规律，为优化沥青混合料配合比设计提供依据。

道路工程；分形级配理论；矿料级配设计；正交试验；空隙率

0 引 言

空隙率作为沥青混合料配合比设计的主要控制性指标之一，其与沥青混合料路用性能指标密切相关。而在沥青混合料配合比设计过程中，混合料拌合、成型温度和沥青种类已定，因此影响沥青混合料空隙指标的影响因素就为矿料级配、油石比、压实功。张明等[1]、李艳春等[2]利用正交试验及灰关联度研究了矿料级配和油石比对沥青混合料空隙率的影响。但目前关于沥青混合料空隙率研究主要侧重于矿料级配，但是矿料级配仅停留于某几个筛孔通过百分率和变换级配类型的层面上。

分形级配理论为沥青混合料定量描述提供了理论依据，可明确描述矿料级配是粗、细级配的分布情况及粗细集料的用量比[3]；加之，在沥青混合料配合比设计过程中，压实功和油石比与沥青混合料矿料级配相关联；“正交试验法”是研究与处理多因素试验的一种科学方法，其是利用正交表来安排试验，能够通过少数的试验次数，找到最优方案。因此，以粗级配分形维数Dc、细级配分形维数Df、粗细级配用量比、油石比和压实次数作为沥青混合料空隙率影响因素，采用马歇尔成型方法进行正交试验来成型沥青混合料试件并测得试件的空隙率。对比分析试验结果，得出上述各影响因素对沥青混合料空隙的影响程度和变化规律，为指导沥青混合料配合比设计提供理论依据。

1 原材料技术性能

试验采用克拉玛依90 #沥青，矿料级配中粗集料选用玄武岩，细集料和矿粉选用石灰岩，经试验检测所用矿料及沥青均满足技术规范要求。矿料密度测试结果见表1。

表1 集料密度测试结果Table 1 Aggregate density test results

2 分形矿料级配设计

2.1 分形级配计算公式

研究表明[4-5]：连续级配、骨架密实型沥青混合料级配和间断级配均具有二度域分形特性。不仅可利用二度域分形级配计算公式来定量描述矿料级配的分布状况，而且可依据二度域分形级配计算公式进行矿料级配设计。其中，二度域分形级配计算公式如下：

(2)

2.2 分形级配表示形式

为了定量描述并反映矿料级配，引入矿料级配参数集G来表示矿料级配。矿料级配的参数集G为

(3)

或

(4)

3 试验与分析

3.1 正交试验与矿料级配设计

根据表2中每组试验矿料级配参数集和二度域分形级配计算公式进行矿料级配设计，25个试验所对应的矿料级配见表3。

表2 因素-水平Table 2 Factors-level table

表3 试验方案及结果Table 3 The experimental scheme and result table

(续表3)

所在列表12345试验指标因素DcDfPrDCF()Pbn空隙率VV/%试验32.12.60.350.46753.9试验42.12.70.300.50953.2试验52.12.80.250.541103.9试验62.32.40.400.46955.7试验72.32.50.350.501104.2试验82.32.60.300.54355.7试验92.32.70.250.38509.1试验102.32.80.450.42754.5试验112.52.40.350.54507.2试验122.52.50.300.38759.8试验132.52.60.250.42959.1试验142.52.70.450.461102.4试验152.52.80.400.50352.6试验162.72.40.300.421109.5试验172.72.50.250.463511.3试验182.72.60.450.50502.7试验192.72.70.400.54752.2试验202.72.80.350.38955.4试验212.92.40.250.507510.1试验222.92.50.450.54952.7试验232.92.60.400.381104.0试验242.92.70.350.42355.3试验252.92.80.300.46504.5

表4 根据表1中Dc，Df及k合成的矿料级配汇总Table 4 According to table 1 Dc, Df, and k in the synthesis of mineral aggregate gradation summary table

3.2 试验结果分析

3.2.1 极差分析

试验结果见表3。利用极差分析法对试验数据进行计算[8]，结果见表5。

表5 空隙指标计算Table5 Void index calculation table

3.2.2 直观分析

为对比分析沥青混合料空隙率随各影响因素的变化趋势，绘制因素-指标趋势图，如图1～图5。

图1 Dc与VV的趋势Fig. 1 Dc and VV trend chart

图2 Df与VV的趋势Fig. 2 Df and VV trend chart

图3 k与VV的趋势Fig. 3 k and VV trend chart

图4 Pa与VV的趋势Fig. 4 Pa and VV trend chart

图5 压实次数与VV的趋势Fig. 5 Compaction times and VV trend chart

由图4～图5可以看出，VV随Pa和n的增大而减小，当Pa过大或过小时，Pa对VV的影响程度会减弱；击实50次与75次的空隙率基本一致。

这主要说明3点：一是粗级配的分布状况对沥青混合料空隙率影响程度较小；二是细级配的分布和粗细级配用量对沥青混合料空隙率影响较大，因此要防止细级配过粗干涉粗级配骨架致使沥青混合料空隙率过大，细级配质量过多致使级配类型整体发生变化；三是在调节沥青混合料空隙率时，可以通过变化油石比来实现，但当油石比过大或者过小时，其对空隙率的影响程度会减弱。

4 结 论

依据正交试验分析法对粗集配分维数、细级配分维数、粗细集料用量比、油石比和压实次数对沥青混合料空隙率的影响程度进行试验研究，可以得出以下结论：

1)影响沥青混合料空隙率的各影响因素的主次关系为：粗细级配分界尺寸的通过率大于细级配分维数大于油石比大于压实次数大于粗集配分维数。

2)粗细级配分界尺寸通过率、细级配分维数、油石比是影响沥青混合料空隙率的主要影响因素，但是在沥青混合料配合比设计过程中，优先通过改变分界尺寸通过率和细级配分维数来调节空隙率；

3)在进行沥青混合料配合比设计时，粗细级配分界尺寸通过率和细集料分维数取值要合理协调，进而确保沥青混合料的路用性能。

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Orthogonal Experiment Analysis of Multiple Factors Influence on Asphalt Mixture Voids

LI Linping，HU Bangyan，ZHANG Fei，YU Jiang

(School of Construction Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，Xinjiang，P.R.China)

Mineral grading design was performed according to the grading fractal theory, in which the coarse grading fractal dimensionDc, fine grading fractal dimensionDfand the dosage ratio for coarse and fine grading, asphalt-aggregate ratio and compaction times were taken as factors influencing void ratio of asphalt mixture. Thus the test for analysis was conducted by the orthogonal method to find out their influencing degree on void ratio of asphalt mixture and void change regularity so as to provide basis for optimizing design of mix proportion of asphalt mixture.

highway engineering;grading fractal theory；mineral aggregate gradation design；the orthogonal experiment；void fraction

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.10

2015-04-20；

2015-07-17

国家自然科学基金项目(51168044)

李林萍(1968—)，女,河南郑州人,副教授，硕士,主要从事道路建筑材料和道路工程方面的研究。E-mail：llp8969080@126.com。

U414.1

A

1674-0696(2016)04-047-05