CN104834817A - 确定泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值的方法，对泡沫温拌沥青在不同发泡参数下进行发泡试验，通过灰色关联法确定泡沫温拌沥青的发泡关键参数，并运用响应曲面法获取泡沫温拌沥青最佳发泡参数的取值。本发明方法有效解决现有技术凭借经验获取沥青发泡参数取值带来误差的问题，具有简单易行，节省人力物力，获取数据准确的优点，可为今后的试验及工程施工提供可靠的技术指导。

Description

确定泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值的方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，涉及泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值的确定。

背景技术

在能源日趋紧张，减排要求越来越高的“低碳时代”，泡沫温拌沥青技术在沥青路面建设中得到了越来越多的应用。

泡沫温拌沥青技术主要是通过沥青发泡来实现的，发泡过程是热沥青与冷水滴接触表面发生能量(热量)交换，水受热蒸发形成水蒸气，水体在一定的蒸气压力下被压入沥青的连续相中，从而形成泡沫温拌沥青。

近年来，国外开展了泡沫温拌沥青技术的研究工作，其目的是通过降低沥青混合料拌合与摊铺温度，达到降低沥青混合料生产过程中的能源消耗与有害气体排放的目的，同时保证泡沫温拌沥青混合料与热拌沥青混合料基本相同的路用性能和施工和易性。从美国温拌沥青混合料技术的发展及应用趋势看，各种“泡沫沥青温拌技术”的应用日趋广泛。

我国有关“泡沫沥青温拌技术”的研究和应用尚处于起步和探索阶段，各种发泡条件对沥青发泡效果具有哪些影响尚没有得到系统研究，目前尚没有形成标准的、统一的泡沫温拌沥青的制备方案。

目前在实际工程施工中，获取泡沫温拌沥青最佳发泡参数的取值是工程经验和相关的发泡试验。主要是根据相关的工程经验选取影响发泡参数的取值范围，然后选取一系列发泡参数进行发泡实验，通过对发泡效果膨胀率和半衰期的评价，得到发泡效果的最优值对应的发泡参数取值即为泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值。

沥青的发泡效果是影响泡沫温拌沥青混合料性能的重要因素之一，沥青发泡的质量直接影响到泡沫温拌沥青混合料施工可行性，及其路用性能的好坏。由于不同的沥青在不同的条件下的发泡关键参数是不一样的，上述方法并没有明确给出如何确定泡沫温拌沥青关键参数；试验选取的数据不一定在最优取值区间，并且实验过程中极易产生随机误差，进而造成发泡参数最佳取值的误差；而且要想通过实验获取比较准确的最佳发泡参数取值，必须通过大量的试验进行筛选，必然会造成大量的人力、物力和财力的浪费。

基于以上原因，本发明给出了确定沥青发泡关键参数及其最优取值的方法。该方法通过发泡试验和数据建模分析相结合，可以有效解决了现有技术的缺陷，具有节约费用、操作简单、快速方便、获取数据准确的优点，可以为将来的工程施工提供可靠的技术指导。

发明内容

发明的目：提供一种确定泡沫温拌沥青最佳发泡参数的取值的方法，以解决现有的技术不足，简单方便、精确地获取泡沫温拌沥青的最佳发泡参数取值。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的确定泡沫温拌沥青最佳发泡参数的取值的方法的步骤如下：

步骤1，确定泡沫温拌沥青的发泡参数作为试验变量；

步骤2，根据不同试验变量进行第一次沥青发泡试验；

步骤3，由第一次沥青发泡试验结果通过灰色关联法优选出影响沥青发泡的关键参数；

步骤4，选取三个发泡关键参数进行第二次发泡试验；

步骤5，对第二次沥青发泡试验数据运用响应曲面法获取泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值。

具体地，所述步骤1确定的试验变量为沥青的类型、发泡沥青的温度、水的温度、发泡用水量、发泡剂用量、发泡沥青的压力与水的压力。

具体地，所述步骤3的第一次发泡试验选取膨胀率和半衰期作为沥青的发泡评价指标。

具体地，所述步骤3中的灰色关联法的运用是通过对沥青发泡的试验结果进行关联度的计算，通过关联度大小的比较，从而获取影响沥青发泡的关键参数。

具体地，所述步骤5中的响应曲面法是通过对发泡关键参数发泡结果进行建模分析，运用Design Expert获取数学模型的三维曲面图，根据最速上升法选取沥青发泡最佳参数取值。

使用时，发泡参数初步选取为沥青温度、用水量、水温、发泡剂用量、沥青软化点(以软化点指标体现沥青的品质和类型)，考虑今后现场实际施工环境，试验压力统一采用定值，沥青压力为1.5Mpa，水压为0.5Mpa，气压为0Mpa。

进行发泡试验，选取膨胀率和半衰期作为沥青的发泡评价指标，根据沥青发泡效果的影响因素试验的初步结果，选取具有代表性的试验数据。

运用灰色关联法处理试验数据，根据序列曲线之间的相似程度来判断发泡参数之间的关联程度，其特征在于包含如下步骤：

(1)选择一个沥青发泡参数参考序列X0：X0＝{x0(1)，x0(2)...；x0(n)}；有m个沥青发泡参数序列Xi：Xi＝{xi(1)，xi(2)...，xi(n)}，(i＝1，2，3，...，m)

(2)求各沥青发泡参数序列的初值像：

Yi＝{yi(1)，yi(2)，....，yi(n)}＝{xi(1)/xi(1)，xi(2)/xi(1)，...，xi(n)/xi(1)}，

(i＝0，1，2，3...，n)。

(3)求差序列Δi：

Δi(k)＝|y0(k)-yi(k)|，(i＝1，2，3，...，m)，(k＝1，2，3，...，n)；

Δi＝{Δi(1)，Δi(2)，...，Δi(n)}，(i＝1，2，3，...，m).

(4)求关联系数ξi(k)：

$\mathrm{\ξi}\left(k\right)=\frac{\min \min \mathrm{\Δi}\left(k\right)+l\max \max \mathrm{\Δi}\left(k\right)}{\mathrm{\Δi}\left(k\right)+l\max \max \mathrm{\Δi}\left(k\right)},(i=\mathrm{1,2,3},...,m),(k=\mathrm{1,2,3}...,n);$

其中min min Δi(k)和maxmaxΔi(k)称为两极最小差和两极最大差，l是分辨系数。

(5)计算关联度γi：

$\mathrm{yi}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ξi}\left(k\right),(i=\mathrm{1,2,3},...,m),(k=\mathrm{1,2,3},...,n)$

通过关联度的大小比较，从而可以定量的确定出泡沫温拌沥青发泡关键参数。

在确定泡沫温拌沥青发泡的关键参数前提下，选取三个沥青发泡关键参数进行发泡试验，运用响应曲面法选取出的试验数据，拟合发泡沥青最大膨胀率与半衰期的二阶数学模型，并进行方差分析，同时运用Design Expert软件对目标函数建模，以获取最佳发泡参数取值。所述的响应曲面法包含如下具体步骤：

(1)确定发泡关键参数作为试验变量及其变量水平：各发泡关键参数试验变量Xi相互独立，三水平(-1、0、1)，因试验中的变量表示不同的变化范围，为方便计算机识别与比较，将试验变量通过式(1)转化为变量水平x，结果如表1所示：

$x=\frac{{X-X}_0}{\mathrm{\δX}}---\left(1\right)$

其中：X₀为变量水平x＝0时各变量X对应的值，δX为相邻变量水平的变量之间的差值。

表1试验变量水平

采用最大膨胀率与半衰期作为试验的目标函数。其中Y₁表示沥青最大膨胀率，Y₂表示沥青半衰期。

为保证沥青发泡质量，要求沥青发泡的最大膨胀率的最低值为10，半衰期的最小值为10s，同时考虑到泡沫温拌沥青的实际生产成本，要求沥青的温度需尽量低，用水量需尽量少，水温尽量靠近室温。

在以上附加条件同时满足的前提下，根据响应曲面法中BBD选取试验变量，并进行发泡实验，获取发泡实验的数据膨胀率和半衰期。

应用Design Expert软件根据试验设计的数据拟合目标函数的方程式，目标函数用回归二阶模型多项式(2)表示：

$Y=b_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i{X}_i+\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_{\mathrm{ii}}{X}_i^2+\underset{i}{\overset{i<j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_{\mathrm{ij}}{X}_i{X}_j---\left(2\right)$

其中Y是目标函数，k为实验变量，b₀为常数，b_ii为二次参数系数，b_ij为相互作用参数系数。

对目标函数进行方差分析，检验数学模型拟合实验数据的可靠性，模型是否具有显著意义；要求采用5％的显著水平，方差分析结果P值小于5％。

根据拟合的数学模型，在水温为室温的条件下，运用Design Expertt软件获取数学模型三维曲面图，并应用最速上升法选出最佳发泡参数的取值。

有益效果：本方法具有实验组数较少，节省大量人力物力财力的特点，同时响应曲面法分析将体系的响应作为一个多因素的函数，运用图形技术这种函数关系显示出来，凭借直觉的观察就能直接选择实验设计中的最优发泡参数取值。

附图说明

图1为基质沥青用水量与沥青温度交互作用对发泡效果(最大膨胀率)的影响；

图2为基质沥青用水量与沥青温度交互作用对发泡效果(半衰期)的影响；

图3为基质沥青发泡最优点的选取。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

对不同发泡参数进行发泡试验，获取的实验数据如表2所示，各影响因素的灰色关联系数计算结果如表3所示。

表2沥青发泡试验结果

表3各影响因素关联度计算结果

各影响因素对基质沥青发泡膨胀率的影响程度由大到小依次是：用水量、沥青温度、沥青类型、水温及发泡剂用量；各影响因素对沥青发泡半衰期的影响程度由大到小依次是：沥青类型、用水量、沥青温度、水温、发泡剂用量。综上，影响基质沥青发泡最主要的试验因素为：用水量、沥青类型、沥青温度、水温。

选取用水量、沥青温度和水温作为本试验沥青的发泡关键参数，并运用响应曲面法选取试验数据，基质沥青发泡试验变量水平如表4所示，基质沥青交互作用发泡试验结果如表5所示。

表4基质沥青发泡试验的变量水平

表5基质沥青交互作用发泡试验结果

根据表3运用响应曲面法选取出的试验数据，应用Design Expert软件根据试验设计的数据拟合，建立基质沥青最大膨胀率与半衰期的二阶数学模型，如式(3)和式(4)所示。

$\begin{array}{c}{Y}_{1-1}=-339.275-20.725X_1+{4.7275X}_2+{0.1637X}_3+{0.145X}_1{X}_2+0.015X_1{X}_3\\ +2.50000E-004X_2{X}_3+{0.55X}_1^2-{0.016X}_2^2-3.37500E-003X_3^2\\ (R^2=09967,p=00014)\end{array}---\left(3\right)$

$\begin{array}{c}{Y}_{2-1}=22.5625+0.03{75X}_1+{0.11375X}_2+{6.875E-003X}_3+{0.0375X}_1{X}_2-{0.02625X}_1{X}_3\\ +5E-004X_2{X}_3-2{X_1}^2-1.25E-{003X}_2^2-5.625E-004X_3^2\\ (R^2=09912,p=00063)\end{array}---\left(4\right)$

对所建模型进行方差分析，结果如表6与表7所示。

表6基质沥青最大膨胀率的方差分析表

表7基质沥青半衰期的方差分析表

通过表6与表7分析结果，二阶模型的方差分析p值分别为0.0014与0.0063，符合检验要求。

通过运用响应曲面法选取出的试验数据，建立发泡沥青最大膨胀率与半衰期的二阶数学模型图，如附图1-2所示。

由附图1-2可以看出，基质沥青发泡的最大膨胀率在用水量较小的情况下，沥青温度对其影响不大，但是随着用水量的增加最大膨胀率呈现线性增长的趋势；半衰期受沥青温度的影响较大，沥青温度在140℃-150℃之间时半衰期随沥青温度的增加不断增加，而沥青温度超过150℃半衰期则会不断的减小。整体来看，半衰期随用水量与沥青温度的增加而减小。

通过Design Expert软件最小二乘法的计算比较，在室内温度30℃水温条件下建立的数学模型获取三维曲面图，如附图3所示，并应用最速上升法选出关键参数的最优取值，最终确定发泡最佳参数最优取值。

从附图3可以得出结果：基质沥青发泡用水量为15％，沥青温度150℃，水温30℃时，获得的沥青发泡效果最优。

综上可以看出，该方法确定的泡沫温拌沥青发泡最优参数取值与试验结果大体相当，证明了方案的可行性，且具有节约费用、操作简单、快速方便、获取数据准确的优点，可为今后的试验和工程施工提供可靠的技术指导。

Claims (5)

1.一种确定泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值的方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤1，确定泡沫温拌沥青的发泡参数作为试验变量；

步骤2，根据不同试验变量进行第一次沥青发泡试验；

步骤3，由第一次沥青发泡试验结果通过灰色关联法优选出影响沥青发泡的关键参数；

步骤4，选取三个发泡关键参数进行第二次沥青发泡试验；

步骤5，对第二次沥青发泡试验数据运用响应曲面法获取泡沫温拌沥青最佳发泡参数的取值。

2.根据权利要求1所述的确定泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值的方法，其特征在于：所述步骤1确定的试验变量为沥青的类型、发泡沥青的温度、水的温度、发泡用水量、发泡剂用量、发泡沥青的压力与水的压力。

3.根据权利要求1所述的确定泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值的方法，其特征在于：所述步骤3的第一次发泡试验选取膨胀率和半衰期作为沥青的发泡评价指标。

4.根据权利要求1所述的确定泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值的方法，其特征在于：所述步骤3中的灰色关联法的运用是通过对沥青发泡的试验结果进行关联度的计算，通过关联度大小的比较，从而获取影响沥青发泡的关键参数。

5.根据权利要求1所述的确定泡沫温拌沥青最佳发泡参数取值的方法，其特征在于：所述步骤5中的响应曲面法是通过对发泡关键参数发泡结果进行建模分析，运用Design Expert获取数学模型的三维曲面图，根据最速上升法选取沥青发泡最佳参数取值。