基于灰色關聯與方差分析的瀝青混合料抗剪性能參數影響研究

李利利，高珊珊，都志強，李剛

摘 要：研究瀝青混合料抗剪性能的影響參數，以及各參數交互作用下對抗剪性能的影響?；诩项愋?、瀝青類型、油石比、壓實功、均勻性等參數進行了單軸貫入試驗，并采用了灰色關聯分析與方差分析。結果表明：各參數與瀝青混合料抗剪性能的關聯系數表現為：瀝青類型關聯度最高，集料類型關聯度最低;各參數間交互作用十分復雜，在集料類型、油石比、壓實功在以既定條件為基礎時，才能呈現出對混合料抗剪性能影響的顯著性，其中瀝青類型與壓實度對于抗剪性能的影響始終表現為顯著。瀝青類型和壓實度是瀝青混合料抗剪性能影響的關鍵要素。

關鍵詞：灰色關聯;方差分析;瀝青混合料;抗剪性能

中圖分類號：TU5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）11-0189-04

Research on the Influence of Shear Performance Parameters of Asphalt Mixture Based on Grey Correlation and Variance Analysis

Li Lili， Gao Shanshan， Du Zhiqiang， Li Gang

（Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China ）

Abstract：Study the influence parameters of asphalt mixture resistance and the influence of shear resistance. The uniaxial penetration test was performed based on the parameters of aggregate type， type of asphalt， asphalt ratio， compaction work， and uniformity， using gray association analysis and ANOVA. The results show that the correlation coefficient of each parameter and the asphalt mixture is the highest， the asphalt type is the lowest; the interaction between the parameters is very complex with the significant effect on the established conditions， with the influence of asphalt type and compaction on the shear performance. Asphalt type and compaction are key elements of the shear resistance of asphalt mixture.

Keywords：gray association; ANOVA ; asphalt mixture; shear resistance

0 引言

瀝青混合料抗車轍性能與抗剪性能息息相關，近年來許多研究者針對瀝青混合料的抗剪強度影響因素做了深入探究。Stakston通過細集料與瀝青混合料抗剪強度的關系研究，得知細集料對瀝青混合料抗剪強度的影響會隨著壓實度變化而發生相應變化[1];Lister通過研究表明，壓實度的提升可促進瀝青混合料抗剪性能優化[2]。

在交通量快速增加的趨勢下，軸載與胎壓顯著增大，超載現象愈演愈烈，高速公路車轍現象屢見不鮮，直接威脅著人們的出行安全。瀝青路面車轍是基于壓縮與剪切變形雙重作用造成的，就壓實度不足的路面而言，在開放初期，壓密作用十分關鍵，但是壓實度較好或者在開放一定時間之后的瀝青路面，車轍來源于剪切變形[3]。其中龜裂與車轍損壞是瀝青層內部剪切應力造成的，所以在瀝青路面設計時，需加強對瀝青混合料抗剪強度的重視，而抗剪強度的影響要素比較繁雜，據此本文基于單軸貫入試驗對其影響參數進行了詳細分析。

1 試驗準備

瀝青混合料是基于設計壓實功明確級配與油石比（所有級配最佳油石比均為4.7%，以此為標準，具體選擇4個水平油石比），經過壓實機碾壓成型的材料，所以影響其抗剪強度的關鍵要素為集料、瀝青類型、油石比、壓實功、均勻性[4]，所選材料具體如表1所示。

所有級配的最佳油石比試驗選用瀝青混合料，所有集料根據Superpave瀝青混合料設計方法基于不同壓實功水平設計混合料配合比。以瀝青混合料為載體，改變瀝青類型、油石比，以構成不同參數組合瀝青混合料。通過單軸貫入試驗對混合料抗剪強度進行測試，同時利用SPSS軟件與DPS軟件對試驗結果進行方差分析與灰色關聯分析，從而確定瀝青混合材料抗剪性能的影響參數。

2 單軸貫入試驗方法

單軸貫入試驗方法通過簡化路面模型為圓柱體，添加一定荷載，在壓頭尺寸與圓柱體尺寸的比例充分小的情況下，受力狀態應與路面大體相一致。各應力計算：

式（1）中：κ代表應力（κ'、κ''、κ'''）;R代表單軸貫入強度;E代表強度參數。

式（2）中，a代表混合料內摩擦角;e代表混合料內聚力。

單軸貫入試驗中試件的形變可劃分為4個階段：①壓密，試件內部粗集料與細集料顆粒、瀝青重整定位于嵌擠;②彈性，受荷載作用試件出現彈性變形;③破壞，彈性變形引發細小裂縫，在此階段開始擴大，但是尚未發生結構性破壞;④完全破壞，裂縫逐步擴大到試件可承受應力峰值的時候，內部發生結構性破壞，表征為貫穿性裂縫;在壓頭位移不斷增大的趨勢下，應力數值逐步縮小[5]。

3 瀝青混合料抗剪性能試驗結果

3.1 灰色關聯分析

基于DPS軟件開展的灰色關聯分析，具體結果如表2所示。

由表2可以看出，不同參數和貫入強度間的關聯系數，瀝青類型最大，集料類型最小，關聯系數越大，則表明此參數對于貫入強度的影響越大。但是灰色關聯分析結果太過籠統化，無法切實反映各參數間繁雜的交互影響關系，所以需對數據進行方差分析，以確定各相關參數對于貫入強度影響的顯著性，以及參數間交互性對于貫入強度的影響[4]。

3.2 方差分析

3.2.1 瀝青混合料均勻性的影響分析

瀝青混合料均勻性指標是通過數字圖像處理技術衍生的。它是混合料均勻性評估的重要指標，即均勻性指標越大，則混合料均勻性越差，相反則越好。不同瀝青混合料均勻性對其貫入強度影響的試驗結果[5]如表3所示。

由表3可知，瀝青混合料均勻性與貫入強度絕對數值相關性不明顯，但是與數據之間變異性的相關性較為顯著，均勻性較差的瀝青混合料貫入強度變異性相對較大，反之則較小。

3.2.2? 壓實功-集料類型-瀝青類型交互的影響分析

基于壓實功-集料類型-瀝青類型交互作用的瀝青混合料貫入強度試驗結果[6]如表4所示。

由表4可知，在壓實功逐步增加的趨勢下，瀝青混合料貫入強度隨之增大。各類型集料下，相較于基質瀝青類型混合料，改性瀝青類型混合料的貫入強度相對較高;利用不同類型集料的瀝青混合料貫入強度存在明顯差異，輝綠巖與砂巖瀝青混合料貫入強度相近，但是二者與玄武巖瀝青混合料貫入強度存在顯著差異[7-8]。

基于壓實功-集料類型-瀝青類型交互作用的瀝青混合料貫入強度方差分析結果[7]如表5所示。

由表5可知，壓實功、集料類型、瀝青類型對于瀝青混合料貫入強度的影響顯著，而集料與瀝青類型的交互作用也十分顯著。

通過LSD方法事后多重對比壓實功與集料類型，結果如表6所示。

由表6可知，輝綠巖與砂巖瀝青混合料貫入強度相差不大;壓實功100次與壓實功75次、125次下瀝青混合料貫入強度相差也不大，這就表明集料類型與壓實功二者都與瀝青混合料貫入強度息息相關，但是并不代表這些參數變化會引發貫入強度變化。這主要是由于不同參數與混合料貫入強度的影響是彼此交互的，并非獨立，所以在既定范圍內，參數變化尚且無法影響貫入強度的變化[9-10]。

3.2.3 油石比-壓實功-集料類型交互的影響分析

油石比-壓實功-集料類型交互作用下，瀝青混合料貫入強度試驗結果[8]如表7所示。

由表7可知，在油石比逐步增加下，輝綠巖瀝青混合料的貫入強度呈現為先增加后減小形態，在5.1油石比狀態下，混合料貫入強度達到最高;在油石比逐步增加下，砂巖瀝青混合料的貫入強度表征為持續性增加趨勢;砂巖瀝青混合料在125次壓實功水平下，貫入強度在油石比增加影響下增加幅度比較大，這就表明集料類型、壓實功、油石比間彼此交互。

但是由于輝綠巖瀝青混合料選用了改性瀝青，砂巖瀝青混合料選用了基質瀝青，所以對二者進行了方差分析[11]，結果如表8所示。

由表8可知，油石比對于瀝青混合料貫入強度的影響非常顯著，但是輝綠巖瀝青混合料貫入強度分析結果表明壓實功與油石比間并不相互交互，砂巖瀝青混合料貫入強度分析結果表明壓實功與油石比間彼此交互，這就表明集料類型對于方差分析結果存在一定影響。

通過LSD方法事后多重對比不同集料類型下混合料油石比，結果如表9所示。

由表9可以看出，集料類型與油石比間彼此交互;就砂巖瀝青混合料來講，油石比不同時貫入強度關系明確，但是在4.3%與4.7%油石比下，混合料貫入強度差異并不明顯，而其他油石比下，混合料貫入強度差異顯著;油石比與輝綠巖瀝青混合料貫入強度關系十分繁雜，這就表明集料類型對于貫入強度在油石比變化下的敏感度有著直接性影響。

4 結論

綜上所述，本文基于單軸貫入試驗對集料類型、瀝青類型、油石比、壓實功、均勻性等參數在瀝青混合料抗剪性能中的影響進行了研究。研究結果表明，各參數與瀝青混合料抗剪性能的關聯系數表現為：瀝青類型關聯度最高，集料類型關聯度最低;混合料均勻性與抗剪性能絕對數值之間關聯度不高，但與抗剪性能數值間的變異性相關度較高;各參數間交互作用十分復雜，其中集料類型、油石比、壓實功在以既定條件為基礎時，才能呈現出對混合料抗剪性能影響的顯著性，其中瀝青類型與壓實度對于抗剪性能的影響始終表現為顯著，所以二者是瀝青混合料抗剪性能影響的關鍵要素。

參考文獻

[1]STAKSTON A，BAHIA H，BUSHEK J. Effect of Fine Aggregate Angularity on Compaction and Shearing Resistance of Asphalt Mixtures [J]. Transportation Research Record， 2002，1789：14-24.

[2]LISTER N W， POWELL W D. The Compaction of Bituminous Base and Base-course Materials and Its Relation to Pavement Performance [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts， 1977， 14（5/6）：A96.

[3]張小元，呂俊秀，王修山，等.瀝青混合料高溫抗剪強度及性能參數研究[J].浙江理工大學學報（自然科學版），2019，41（05）：682-687.

[4]汪德才，張海偉，張 華. 乳化瀝青冷再生混合料抗剪特性及其永久變形預估[J]. 江蘇大學學報（自然科學版），2017，38（02）：204-210.

[5]孫 培，韓 森，李曉娟，等. 超薄磨耗層瀝青混合料的抗剪性能[J]. 江蘇大學學報（自然科學版），2016，37（05）：610-615.

[6]李志剛，郝培文，徐金枝. 凍融循環作用對乳化瀝青冷再生混合料抗剪性能的影響[J]. 材料導報，2016，30（10）：121-125.

[7]蒲 磊. GAC-16瀝青混合料高溫抗剪性能試驗研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2018.

[8]李 強，侯 睿，馬 翔，等. 瀝青混合料抗剪性能試驗方法及影響因素研究[J]. 公路工程，2016，41（04）：50-54.

[9]吳幫偉，劉黎萍，孫立軍. 不同參數對瀝青混合料抗剪性能的影響[J]. 公路交通科技，2019，36（10）：1-6，24.

[10]金敦建，肖 鵬，楊盼盼，等. 雙層瀝青混合料層間抗剪性能研究[J]. 公路，2018，63（06）：271-275.

[11]馬 峰，代佳勝，傅 珍，等. SEBS改性瀝青的路用性能研究[J]. 廣西大學學報（自然科學版），2020，45（01）：38-45.