應(yīng)用正交試驗進(jìn)行SMA—13配合比研究

夏選朋

（西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

廣東地區(qū)夏季高溫炎熱且氣溫在30℃持續(xù)時間較長，路面溫度一般都在60℃以上，在此地區(qū)修筑SMA路面，對其高溫性能要求更為嚴(yán)格。正交試驗設(shè)計方法是處理多因素試驗的一種科學(xué)方法，使用規(guī)格化的表格即正交表合理安排試驗，以較少的試驗次數(shù)就可以判斷出較優(yōu)的試驗條件，只要對試驗結(jié)果進(jìn)行簡單的統(tǒng)計分析，即可更全面、更系統(tǒng)地掌握試驗結(jié)果，做出正確判斷。目前研究表明［1］，SMA混合料馬歇爾指標(biāo)以及路用性能都與9.5mm篩孔、4.75mm篩孔、2.36mm篩孔、0.075mm篩孔和油石比等多個因素密切相關(guān)，各因素都會對馬歇爾技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生影響，但是各影響因素的影響程度各有不同，針對廣東地區(qū)炎熱的氣候特點，找到高溫性能的主要因素，各因素根據(jù)設(shè)計水平搭配起來從而更好地解決高溫車轍問題，防止路面早期車轍損害，提高路面使用壽命。

1 原材料選擇

正交試驗所用的原材料包括粗、細(xì)集料、填料、纖維和瀝青。粗、細(xì)集料為輝綠巖集料，且通過人工方式將其按規(guī)范的單粒徑大小分成9檔，分別為13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm；填料采用石灰?guī)r礦粉；纖維采用北京墾特來公司生產(chǎn)的木質(zhì)纖維、摻量為0.3%，瀝青采用進(jìn)口重交通AH—70瀝青（泰普克AH—70瀝青）。原材料的各項質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2 SMA—13高溫穩(wěn)定性影響因素的正交試驗分析

2.1 正交試驗設(shè)計

以9.5mm、4.75mm、2.36mm和0.075mm篩孔通過率以及油石比五因素五水平進(jìn)行正交試驗，同時不考慮相互間交互影響，以車轍動穩(wěn)定度為檢驗試驗指標(biāo)。正交試驗所考察的因素及水平見表1，共需進(jìn)行25次車轍試驗［2］。

表1 正交試驗因素水平

2.2 試驗結(jié)果及方差分析

根據(jù)正交試驗設(shè)計的25組SMA-13改性瀝青混合料25組組成設(shè)計得出的各檔篩孔通過率要求，通過電算法進(jìn)行試配，使每組級配組合均符合上述25組配合比各檔篩網(wǎng)通過率要求，采用馬氏擊實儀進(jìn)行馬氏試驗，SMA—13改性瀝青混合料理論最大相對密度采用集料有效相對密度計算得到。按照規(guī)程要求成型車轍板并進(jìn)行車轍試驗，得到馬歇爾試驗結(jié)果各項技術(shù)指標(biāo)及車轍結(jié)果。

在正交試驗結(jié)果分析中，極差分析不能估計試驗中與試驗結(jié)果測定中必然存在的誤差大小。為了彌補(bǔ)這個缺點，采用方差分析的方法，對各因素的顯著性水平給出一個定量分析。下面通過Minitab 15工程統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析。

2.3 軟件分析步驟及結(jié)果

軟件分析步驟如下：

a）啟動Minitab 15后，在工作表中正交表的右邊建立空白列輸入動穩(wěn)定度的試驗結(jié)果；

b）依次單擊標(biāo)題欄上的統(tǒng)計—DOE—田口設(shè)計—分析田口設(shè)計；

c）在彈出的對話框中，“響應(yīng)數(shù)據(jù)”位于選擇試驗結(jié)果（DS）所在列；

d）單擊選項，在彈出的對話框中選擇“望大”，單擊OK后就得到試驗分析結(jié)果如下圖1和表2。

圖1 均值主效應(yīng)圖

表2 對于均值的方差分析

從圖1可以看出因素A、B、C這3個因素曲線波動很明顯，而D、E這兩個因素相對比較平穩(wěn)，這就說明A、B、C這3個因素對于試驗結(jié)果的敏感度最大，為主要影響因素，而D和E兩因素不顯著。Minitab默認(rèn)的顯著水平為0.1，從表2方差分析表中看出，F(xiàn)檢驗后，A、B、C這3個因素的P值均小于0.1，表示有顯著影響，而D、E兩因素不顯著。顯著水平為B＞A＞C＞E＞D，由圖1可知最優(yōu)的水平組合為A2B3C3D1E1，該方案并未進(jìn)行試驗，在該情況下可通過軟件按照以下步驟預(yù)測在該水平組合下的試驗結(jié)果預(yù)測值：

a）依次單擊統(tǒng)計—DOE—田口設(shè)計—預(yù)測田口試驗值；

b）只勾選平均值；

c）單擊水平，選擇“從列表中選擇水平”，選擇各因素相應(yīng)的最優(yōu)水平即A2B3C3D1E1，確定后便可得到預(yù)測結(jié)果（見表3）。

表3 田口分析DS與A、B、C、D、E預(yù)測值

預(yù)測結(jié)果表明，最優(yōu)方案（A2B3C3D1E1）下的預(yù)測結(jié)果為7 120.44，對比正交試驗結(jié)果，此結(jié)果在所有方案中最優(yōu)，但需要進(jìn)行實際試驗驗證。

2.4 最優(yōu)方案的試驗結(jié)果

最優(yōu)試驗方案為A2B3C3D1E1，即9.5mm、4.75mm、2.36mm 和0.075mm 的篩孔通過率為66%、24%、20%和11%，油石比為7%。通過單粒徑集料回配SMA—13混合料，級配曲線如圖2中的粗線。該方案下的馬歇爾試驗及動穩(wěn)定度試驗結(jié)果見表4。

圖2 最優(yōu)方案的SMA—13級配曲線圖

表4 最優(yōu)方案的馬歇爾試驗及動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

從實驗結(jié)果上看，最優(yōu)方案的動穩(wěn)定度達(dá)到6000以上，雖然小于預(yù)測的結(jié)果，但是對比正交試驗的結(jié)果，該方案的動穩(wěn)定度是最大的，滿足高溫地區(qū)對混合料高溫性能的要求，達(dá)到SMA—13優(yōu)化的目的，但從結(jié)果上也看出，最優(yōu)方案下的油石比是偏大的，因為析漏試驗結(jié)果過于偏大，接近規(guī)范要求的0.1%，容易造成路面泛油，經(jīng)過討論和分析圖1動穩(wěn)定度的均值效應(yīng)圖，發(fā)現(xiàn)油石比從6.0%到7.0%，動穩(wěn)定度在800之間變化，也就是變化并不是很大，此時對混合料抗車轍作用的是石料之間的嵌擠力，所以變化最優(yōu)方案的油石比，又做了五組級配，最后經(jīng)濟(jì)比較后選擇最佳油石比為6.7%，此時的析漏試驗值為0.06%，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

3.1 采用5因素5水平正交設(shè)計表，考察了9.5mm、4.75mm、2.36mm和0.075mm各篩孔質(zhì)量通過百分率的分布水平和油石比共5個關(guān)鍵因子對SMA—13改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響，運用Minitab 15軟件對各影響因素的顯著性給予方差分析，分析結(jié)果是9.5mm、4.75mm和2.36mm篩孔通過率是影響SMA—13的主要因素，其中4.75mm通過率是最顯著影響因素，而0.075mm通過率及油石比相對不顯著。

3.2 通過軟件Minitab不僅能對正交試驗結(jié)果分析顯著因子，而且能找出最優(yōu)試驗方案，達(dá)到混合料的優(yōu)化目的，同時還能對最優(yōu)方案進(jìn)行預(yù)測。

3.3 本文針對廣東夏季高溫地區(qū)，給出SMA-13改性瀝青混合料優(yōu)化配比過程，但是應(yīng)該看到，往往試驗結(jié)果滿足要求，但是還必須有目的地去找到最經(jīng)濟(jì)的方案，盡量滿足其他指標(biāo)，如該方案的最佳油石比的確定，這樣才能真正做到混合料的優(yōu)化設(shè)計。

［1］劉忠根，張登良.均勻設(shè)計在SMA骨料級配設(shè)計中的應(yīng)用［J］.長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，23（1）：1-6.

［2］汪榮鑫.數(shù)理統(tǒng)計［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.