應(yīng)用正交試驗(yàn)進(jìn)行SMA—13配合比研究

夏選朋

（西安市政設(shè)計(jì)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(shí)間較長(zhǎng)，路面溫度一般都在60℃以上，在此地區(qū)修筑SMA路面，對(duì)其高溫性能要求更為嚴(yán)格。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是處理多因素試驗(yàn)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(yàn)，以較少的試驗(yàn)次數(shù)就可以判斷出較優(yōu)的試驗(yàn)條件，只要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析，即可更全面、更系統(tǒng)地掌握試驗(yàn)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(gè)因素密切相關(guān)，各因素都會(huì)對(duì)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(duì)廣東地區(qū)炎熱的氣候特點(diǎn)，找到高溫性能的主要因素，各因素根據(jù)設(shè)計(jì)水平搭配起來(lái)從而更好地解決高溫車(chē)轍問(wèn)題，防止路面早期車(chē)轍損害，提高路面使用壽命。

1 原材料選擇

正交試驗(yàn)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(guò)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(lái)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(xiàng)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2 SMA—13高溫穩(wěn)定性影響因素的正交試驗(yàn)分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

表1 正交試驗(yàn)因素水平

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及方差分析

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

在正交試驗(yàn)結(jié)果分析中，極差分析不能估計(jì)試驗(yàn)中與試驗(yàn)結(jié)果測(cè)定中必然存在的誤差大小。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，采用方差分析的方法，對(duì)各因素的顯著性水平給出一個(gè)定量分析。下面通過(guò)Minitab 15工程統(tǒng)計(jì)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(dòng)Minitab 15后，在工作表中正交表的右邊建立空白列輸入動(dòng)穩(wěn)定度的試驗(yàn)結(jié)果；

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

c）在彈出的對(duì)話(huà)框中，“響應(yīng)數(shù)據(jù)”位于選擇試驗(yàn)結(jié)果（DS）所在列；

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

圖1 均值主效應(yīng)圖

表2 對(duì)于均值的方差分析

從圖1可以看出因素A、B、C這3個(gè)因素曲線(xiàn)波動(dòng)很明顯，而D、E這兩個(gè)因素相對(duì)比較平穩(wěn)，這就說(shuō)明A、B、C這3個(gè)因素對(duì)于試驗(yàn)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(yàn)后，A、B、C這3個(gè)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(yàn)，在該情況下可通過(guò)軟件按照以下步驟預(yù)測(cè)在該水平組合下的試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)值：

a）依次單擊統(tǒng)計(jì)—DOE—田口設(shè)計(jì)—預(yù)測(cè)田口試驗(yàn)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(cè)結(jié)果（見(jiàn)表3）。

表3 田口分析DS與A、B、C、D、E預(yù)測(cè)值

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，最優(yōu)方案（A2B3C3D1E1）下的預(yù)測(cè)結(jié)果為7 120.44，對(duì)比正交試驗(yàn)結(jié)果，此結(jié)果在所有方案中最優(yōu)，但需要進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.4 最優(yōu)方案的試驗(yàn)結(jié)果

最優(yōu)試驗(yàn)方案為A2B3C3D1E1，即9.5mm、4.75mm、2.36mm 和0.075mm 的篩孔通過(guò)率為66%、24%、20%和11%，油石比為7%。通過(guò)單粒徑集料回配SMA—13混合料，級(jí)配曲線(xiàn)如圖2中的粗線(xiàn)。該方案下的馬歇爾試驗(yàn)及動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖2 最優(yōu)方案的SMA—13級(jí)配曲線(xiàn)圖

表4 最優(yōu)方案的馬歇爾試驗(yàn)及動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，最優(yōu)方案的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到6000以上，雖然小于預(yù)測(cè)的結(jié)果，但是對(duì)比正交試驗(yàn)的結(jié)果，該方案的動(dòng)穩(wěn)定度是最大的，滿(mǎn)足高溫地區(qū)對(duì)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?yàn)槲雎┰囼?yàn)結(jié)果過(guò)于偏大，接近規(guī)范要求的0.1%，容易造成路面泛油，經(jīng)過(guò)討論和分析圖1動(dòng)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(dòng)穩(wěn)定度在800之間變化，也就是變化并不是很大，此時(shí)對(duì)混合料抗車(chē)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(jí)配，最后經(jīng)濟(jì)比較后選擇最佳油石比為6.7%，此時(shí)的析漏試驗(yàn)值為0.06%，滿(mǎn)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(jì)表，考察了9.5mm、4.75mm、2.36mm和0.075mm各篩孔質(zhì)量通過(guò)百分率的分布水平和油石比共5個(gè)關(guān)鍵因子對(duì)SMA—13改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響，運(yùn)用Minitab 15軟件對(duì)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(guò)率是影響SMA—13的主要因素，其中4.75mm通過(guò)率是最顯著影響因素，而0.075mm通過(guò)率及油石比相對(duì)不顯著。

3.2 通過(guò)軟件Minitab不僅能對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果分析顯著因子，而且能找出最優(yōu)試驗(yàn)方案，達(dá)到混合料的優(yōu)化目的，同時(shí)還能對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.3 本文針對(duì)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(guò)程，但是應(yīng)該看到，往往試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)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(mǎn)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(jì)。

［1］劉忠根，張登良.均勻設(shè)計(jì)在SMA骨料級(jí)配設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，23（1）：1-6.

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