石灰?guī)r礦物成分對其集料磨光值的灰色關(guān)聯(lián)分析

王 毅，岳光華，李 維

(1.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安 710064;2.武警交通五支隊，陜西西安 710021)

路面抗滑性是保證道路交通安全的先決條件.根據(jù)相關(guān)研究［1-2］顯示，高速公路上發(fā)生的大多數(shù)交通事故與路面抗滑性不足有關(guān).目前，我國高速公路通常選用玄武巖和輝綠巖作為瀝青路面的上面層.隨著我國高速公路的建設里程不斷增加，玄武巖等優(yōu)良石料的大量消耗使其開采難度和價格不斷增加，并且由于某些地區(qū)缺少類似玄武巖這樣的硬質(zhì)石料，如果從外地遠距離運輸玄武巖，將使工程的建設成本和進度受到嚴重影響.而石灰?guī)r石料不僅分布廣泛，且儲量較大.為此，近年來，國內(nèi)外的科研工作者把石灰?guī)r作為玄武巖石料的替代品，進行了大量的技術(shù)研究［3-4］.由于石灰?guī)r磨光值通常較低，而粗集料磨光值是確定集料能否用于瀝青混凝土路面抗滑磨耗層的重要決定性指標，因此，我國道路工作者對于石灰?guī)r能否作為上面層持懷疑態(tài)度.

本研究利用灰色關(guān)聯(lián)分析理論，根據(jù)數(shù)據(jù)序列參數(shù)之間關(guān)聯(lián)度的大小判斷各個因素對結(jié)果的不同影響程度的基本原理［5-12］，研究石灰?guī)r不同礦物成分對粗集料磨光性能的作用，通過對石灰?guī)r的不同礦物成分與其磨光值的關(guān)聯(lián)度進行分析，以確定影響石灰?guī)r粗集料磨光值的主要礦物成分，為石灰?guī)r在高速公路瀝青路面層的使用提供理論指導.

1 集料性質(zhì)試驗

1.1 原材料基本技術(shù)性質(zhì)

本研究選用我國不同地區(qū)道路建設中所使用的6 種石灰?guī)r，編號分別為 L1，L2，L3，L4，L5，L6.集料的基本技術(shù)性質(zhì)指標見表1.

表1 集料基本技術(shù)性質(zhì)指標

1.2 集料礦物成分分析

巖石一般由多種礦物組成，所以巖石的礦物組成結(jié)構(gòu)決定了其絕大多數(shù)的特征，而每種礦物成分都有獨特的化學組成和單獨的晶體結(jié)構(gòu).本研究使用X-射線衍射儀對6種不同石灰?guī)r進行巖性分析.其分析結(jié)果見表2.

表2 巖石礦物成分的質(zhì)量分數(shù) %

由表2可知，本研究所選取的石灰?guī)r主要礦物成分為方解石、石英、白云石和云母，查閱有關(guān)資料，以上4種造巖礦物的主要物理性質(zhì)見表3.

表3 造巖礦物的主要物理性質(zhì)

1.3 集料的磨光性能試驗

依據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》中粗集料磨光值試驗方法，利用加速磨光機磨光集料，再用擺式摩擦系數(shù)測定儀測定經(jīng)磨光后的集料摩擦系數(shù)值.根據(jù)上述試驗方法得出試驗結(jié)果，L1的磨光值為35.9，L2的磨光值為37.2，L3的磨光值為35.8，L4的磨光值為38.3，L5的磨光值為34.9，L6的磨光值為43.2.

2 灰色關(guān)聯(lián)分析理論

灰色關(guān)聯(lián)分析理論是灰色系統(tǒng)理論的重要組成部分，其基本原理是根據(jù)有限的數(shù)據(jù)資料，通過分析事物或因素的序列曲線的相似程度來判斷其關(guān)聯(lián)程度是否緊密.當序列曲線的形狀越接近，其相應序列之間的關(guān)聯(lián)度也越大，反之關(guān)聯(lián)度就越小.關(guān)聯(lián)度描述了系統(tǒng)在發(fā)展過程中，事物或因素之間相對變化的情況，也就是變化大小、方向和速度的相對性，是各個因素對結(jié)果影響程度的度量，關(guān)聯(lián)度越大，其影響程度也越大.灰色理論提供了在貧信息情況下解決系統(tǒng)問題的新途徑，已經(jīng)廣泛應用到眾多的科研領(lǐng)域，并得到了證實和發(fā)展.主要計算步驟如下:

1)確定反映系統(tǒng)行為特征的參考數(shù)列和影響系統(tǒng)行為的比較數(shù)列.設X0(k)，k=1，2，…，m為參考數(shù)列.設Xi(k)，k=1，2，…，m;i=1，2，…，n為比較數(shù)列.

2)將參考數(shù)列和比較數(shù)列進行量綱歸一處理.由于參考數(shù)列和比較數(shù)列量綱不同，并且數(shù)值大小相差較大，為了使數(shù)列間具有對比性，必須對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)值變換，通常可采用初值化、均值化、區(qū)間相對化和量綱歸一等方法.此處采用均值化方法對數(shù)列進行量綱歸一處理，計算公式如下:

3)計算參考數(shù)列和比較數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù).

若記經(jīng)量綱歸一處理過的參考數(shù)列和比較數(shù)列分別為{Y0(t)}和{Yi(t)}，則t=k時刻時，{Y0(t)}與{Yi(t)}的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ0i(k)按下式計算:

式中:Δmax，Δmin分別為各時刻絕對差中的最大值和最小值;Δ0i(k)為k時刻2個數(shù)列的絕對差;ρ為分辨系數(shù)，主要用來提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性，一般情況下取0.5.

4)計算關(guān)聯(lián)度.公式如下:

γ0i的大小決定了參考數(shù)列與比較數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)程度，越大說明其關(guān)系越密切，即比較序列Xi(k)對于參考序列X0(k)影響程度越大.

3 巖石礦物成分與磨光值的灰色關(guān)聯(lián)

為便于分析巖石礦物成分與磨光值的關(guān)聯(lián)性，將集料磨光值與6種石灰?guī)r的礦物成分統(tǒng)計于表4中.

表4 集料磨光值及礦物成分質(zhì)量分數(shù)

選取集料磨光值作為參考數(shù)列X0，以巖石礦物成分作為比較數(shù)列，X1(方解石的質(zhì)量分數(shù))，X2(石英的質(zhì)量分數(shù))，X3(白云石的質(zhì)量分數(shù))，X4(云母的質(zhì)量分數(shù)).對表4數(shù)據(jù)采用均值化方法進行量綱歸一處理，結(jié)果見表5.其中，Y系列為將參考數(shù)列和比較數(shù)列經(jīng)過量綱歸一處理過的數(shù)值.

表5 試驗結(jié)果的量綱歸一處理

分析巖石各組成礦物成分對集料磨光值的影響程度，按照式Δ0i(k)=|Y0(k)-Yi(k)|求各影響因素量綱歸一后數(shù)列與集料磨光值量綱歸一數(shù)列的絕對差，即影響因素數(shù)列絕對差 Δ，其計算結(jié)果見表6.

表6 6種石灰?guī)r數(shù)列絕對差

由表6數(shù)據(jù)得

根據(jù)表6數(shù)列絕對差以及其中的最大值、最小值，分辨率系數(shù)采用0.5，計算每個數(shù)值的關(guān)聯(lián)系數(shù)和兩數(shù)列間關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表7.

表7 6種石灰?guī)r的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

表7數(shù)據(jù)為各礦物成分對集料磨光值關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果，各礦物成分影響程度由高到低為方解石，石英，白云石，云母.分析表明:巖石中方解石的質(zhì)量分數(shù)與集料磨光值的關(guān)聯(lián)度達到0.975，說明巖石中方解石的質(zhì)量分數(shù)是影響集料磨光值的最敏感因素;巖石中石英的關(guān)聯(lián)度達到0.781.

從組成石灰?guī)r的造巖礦物角度分析，石灰?guī)r中的造巖礦物大部分是由方解石組成，方解石硬度為3，由于其較多，決定了石灰?guī)r主要的物理化學技術(shù)性質(zhì)，而巖石中含有硬度較小的礦物越多，其磨光值越小，故方解石較多的石灰?guī)r的磨光值一般都較小.在巖石4種造巖礦物中，雖然石英較少，但其硬度達到7，其與集料磨光值的關(guān)聯(lián)度達到0.781，當石灰?guī)r中石英增加時，其集料磨光值也跟著增大.結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果可知，石灰?guī)r中方解石和石英的是影響集料磨光值最主要的2種礦物成分.因此，當條件限制必須選擇石灰?guī)r作為高速公路抗磨耗的上面層時，應選擇方解石較少，石英較多，且力學性能較好的硅質(zhì)石灰?guī)r.

4 結(jié)論

1)根據(jù)巖石中礦物成分對集料磨光值關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果，可知礦物成分影響程度由高到低為方解石，石英，白云石，云母.

2)從石灰?guī)r造巖礦物角度，并結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明:石灰?guī)r中方解石和石英是影響集料磨光值最主要的2種礦物成分，且方解石較少，石英較多時，集料的磨光值較大，這就為將力學性能較好的硅質(zhì)石灰?guī)r作為高速公路瀝青路面抗滑磨耗層的原材料提供了理論支持.

3)本研究僅僅從石灰?guī)r的礦物成分對其集料磨光值進行分析，巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)對集料磨光值的影響還需進一步的研究.

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