基于加權(quán)理想解法的瀝青抗老化性能評價(jià)

岳軍委

0 引言

中國青海、西藏、新疆等西北部地區(qū)具有海拔高、紫外線輻射強(qiáng)等特點(diǎn)，更容易加速瀝青路面的老化過程，使路面產(chǎn)生裂縫、坑洞等病害［1］。因此，合理評價(jià)瀝青的抗老化能力，在工程實(shí)際中選擇抗老化性能突出的瀝青，對于瀝青路面保持長期良好的使用性能，具有十分重要的意義［2］。

目前通常采用短期老化和長期老化試驗(yàn)對瀝青抗老化能力進(jìn)行評價(jià)。旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)用于模擬瀝青的短期老化過程［3-4］;美國SHRP評價(jià)體系的壓力老化箱(PAV)用于模擬瀝青在實(shí)際使用過程中的長期老化?，F(xiàn)在多采用殘余針入度比、殘余延度、軟化點(diǎn)增量、黏度比、老化指數(shù)等指標(biāo)評價(jià)瀝青的抗老化性能［5-6］。然而，各種評價(jià)方法和指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果并不一致;美國SHRP評價(jià)體系的長期老化試驗(yàn)方法雖然比較有效，但試驗(yàn)設(shè)備比較昂貴，目前在中國還無法普及［7-8］;另外，長期老化和短期老化試驗(yàn)方法對不同瀝青抗老化性能的評價(jià)結(jié)果往往不一致，難以進(jìn)行綜合評價(jià)［9-10］。

本文引入綜合評價(jià)方法中的理想解法(TOPSIS法)，并對其進(jìn)行改進(jìn)，通過試驗(yàn)得到4種SBS改性瀝青的基本性能指標(biāo)數(shù)據(jù);同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)及壓力老化箱老化試驗(yàn)，得到各項(xiàng)老化性能評價(jià)指標(biāo)所需的試驗(yàn)參數(shù)，將各參數(shù)代入加權(quán)理想解法模型，轉(zhuǎn)換為綜合評價(jià)指數(shù)，利用這一綜合評價(jià)指標(biāo)對改性瀝青的抗老化性能進(jìn)行評價(jià)。

1 加權(quán)理想解法模型的建立

理想解法是一種采用多項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)對評價(jià)對象進(jìn)行綜合評價(jià)的方法，在醫(yī)學(xué)、工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其核心理念是由各評價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)值和最劣值確定正理想解和負(fù)理想解，然后綜合分析被評價(jià)對象距離正理想解和負(fù)理想解的遠(yuǎn)近，判定被評價(jià)對象優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是距離相對接近度，最終依據(jù)距離相對接近度選出最優(yōu)材料［11］。

理想解法如圖1所示，A+表示正理想解，A原表示負(fù)理想解，A2距離正理想解A+比A1遠(yuǎn)，但A1距離負(fù)理想解并非最遠(yuǎn)，A2距離負(fù)理想解A原比A1更遠(yuǎn)。

圖1 理想解法

理想解法可以綜合考慮評價(jià)對象的原始數(shù)據(jù)信息，因此評價(jià)結(jié)果較為全面。但是，理想解法也存在不足，在構(gòu)建加權(quán)規(guī)范陣時(shí)只對原始數(shù)據(jù)加權(quán)，在距離貼近度計(jì)算時(shí)沒有考慮各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。本文對常規(guī)理想解法進(jìn)行改進(jìn)，計(jì)算歐氏距離時(shí)對各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)處理［12］。

1.1 建立初始指標(biāo)矩陣B

設(shè)評價(jià)對象區(qū)域集中有m個(gè)對象，每個(gè)評價(jià)對象有n個(gè)評價(jià)指標(biāo)，初始指標(biāo)矩陣B由m個(gè)評價(jià)對象和n個(gè)評價(jià)指標(biāo)組成，即B=(bij)m伊n，其中B是初始指標(biāo)矩陣，bij是評價(jià)指標(biāo)元素。

1.2 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

不同的瀝青抗老化性能評價(jià)指標(biāo)有不同的物理量綱，為了在各單項(xiàng)指標(biāo)間進(jìn)行比較，必須進(jìn)行無量綱化處理。采用標(biāo)準(zhǔn)0-1變換對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，對于越大越好的指標(biāo)(正指標(biāo))，評價(jià)指標(biāo)無量綱化公式為

式中:i=1，2，…，m;j=1，2，…，n。

對于指標(biāo)值越小越好的指標(biāo)(逆指標(biāo))，評價(jià)指標(biāo)無量綱化公式為

1.3 構(gòu)成加權(quán)規(guī)范陣

設(shè)給定各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量為w=(w1，w2，…wn)，則屬性值

1.4 正理想解和負(fù)理想解的計(jì)算

設(shè)正理想解A+的第j個(gè)屬性值為c+j，負(fù)理想解A原的第j個(gè)屬性值為c原j，則有

式中:J+為正指標(biāo)集合，J原為逆指標(biāo)集合。

1.5 計(jì)算評估對象的加權(quán)歐氏距離

評估對象的加權(quán)歐氏距離為

1.6 計(jì)算綜合評估指數(shù)

根據(jù)加權(quán)歐氏距離計(jì)算綜合評估指數(shù)

依據(jù)pi的大小對各個(gè)評估對象進(jìn)行優(yōu)劣排序，pi越大，評估對象性能越突出。

2 老化試驗(yàn)結(jié)果分析

選用編號為A、B、C、D的4種改性瀝青，其中A、B、D為SBSⅠ-C改性瀝青，C為SBSⅠ-B改性瀝青。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程，對4種改性瀝青進(jìn)行RTFOT及PAV老化試驗(yàn)，測試4種SBS改性瀝青老化前后的25益針入度、5益延度、軟化點(diǎn)、135益黏度指標(biāo)，并結(jié)合上述評價(jià)指標(biāo)對4種SBS改性瀝青的抗老化性能進(jìn)行分析。

2.1 殘余針入度比

針入度反映的是瀝青的稠度、黏度，即瀝青的軟硬程度，瀝青老化后針入度變小，變硬，殘余針入度比可以直觀反映瀝青在老化前后的變化。殘余針入度比越大，說明瀝青的抗老化性能越好。表1列出了4種SBS改性瀝青短期老化和長期老化階段的25益針入度值。

表1 SBS改性瀝青不同老化階段的25益針入度值(100 g，5 s，25益)

經(jīng)過短期老化，4種瀝青殘余針入度比相差不大;長期老化后，4種SBS改性瀝青殘余針入度比有明顯差別，D瀝青殘余針入度比明顯低于B、C瀝青，說明殘余針入度比指標(biāo)對短期老化方式不敏感，對長期老化試驗(yàn)較敏感。

2.2 殘余延度

瀝青是一種彈塑性體，低溫延度可以反映瀝青在低溫狀態(tài)的變形能力，因此能夠很好地對瀝青的低溫性能進(jìn)行衡量。瀝青路面在使用過程中受到車輛荷載和自然環(huán)境的綜合作用，瀝青的延度值會逐漸衰減，延度低于某一值時(shí)，將不能承受路面內(nèi)部的溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力，產(chǎn)生多種路面病害。表2列出了4種SBS改性瀝青不同老化階段的5益延度值。

表2 SBS改性瀝青不同老化階段的5益延度

老化后，4種SBS改性瀝青的延度均減小，短期老化階段B、C瀝青的低溫延度差別不大，長期老化后2種瀝青的低溫延度差別變大;4種瀝青短期老化、長期老化前后抗老化性能排序相對一致，從殘余延度指標(biāo)來看，B、C瀝青的抗老化性能比較突出，這也與殘余針入度比結(jié)果一致。

2.3 軟化點(diǎn)增量

瀝青老化后，軟化點(diǎn)升高，考慮到4種不同改性瀝青的軟化點(diǎn)起始值相差不大，采用老化前、后的軟化點(diǎn)增量來對其老化性能進(jìn)行評價(jià)。表3列出了4種瀝青不同老化階段的軟化點(diǎn)及其增量。

表3 SBS改性瀝青不同老化階段的軟化點(diǎn)及其增量

短期老化后4種瀝青的軟化點(diǎn)增加程度較小，長期老化后4種瀝青軟化點(diǎn)增加程度較大，說明長期老化對瀝青性能的影響較大。無論是短期老化還是長期老化，B、D瀝青的軟化點(diǎn)增量都較小，說明其抗老化性能優(yōu)于其他2種瀝青;同時(shí)可以看出，軟化點(diǎn)增量能夠很好地對不同SBS改性瀝青的抗老化性能做出區(qū)分。

2.4 135 益黏度比

瀝青區(qū)別于其他材料的最大特征是它的黏度隨溫度的變化而急劇變化，當(dāng)溫度較低時(shí)呈現(xiàn)彈性，隨溫度升高表現(xiàn)為黏彈性、黏塑性甚至成為流體，瀝青經(jīng)加熱老化后，稠度增加，黏度也將變大。所以，老化后黏度比越小，瀝青的抗老化性能越好。表4列出了4種SBS改性瀝青老化前、后135益黏度及黏度比。

表4 SBS改性瀝青不同老化階段的135益黏度及黏度比

短期老化后4種瀝青135益黏度的增大程度較小，黏度比差別不大，長期老化后4種瀝青135益黏度的增大較明顯，黏度比差別也變大;不同老化階段B、C、D三種瀝青的抗老化性能排序結(jié)果不一樣;無論短期老化還是長期老化，B、C兩種瀝青的抗老化性能均比較突出。

從以4項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)對瀝青抗老化性能進(jìn)行排序的結(jié)果來看，同一瀝青在相同的老化試驗(yàn)條件下，基于不同評價(jià)指標(biāo)得出的評價(jià)結(jié)果并不一致。所以，有必要選用一種更加客觀、全面的評價(jià)方法對瀝青的抗老化性能進(jìn)行綜合評價(jià)。

3 利用改進(jìn)理想解法對瀝青抗老化性能進(jìn)行評價(jià)

3.1 試驗(yàn)所得評價(jià)參數(shù)

選取殘余針入度比、殘余延度比、軟化點(diǎn)增量、黏度比4項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)作為評價(jià)參數(shù)，殘余針入度比、殘余延度比為正向指標(biāo)，軟化點(diǎn)增量、黏度比為逆向指標(biāo)。4種SBS改性瀝青評價(jià)指標(biāo)的初始數(shù)據(jù)見表5。

表5 4種SBS改性瀝青評價(jià)指標(biāo)的初始數(shù)據(jù)

3.2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

在綜合采用多項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)對瀝青抗老化性能進(jìn)行評價(jià)時(shí)，會涉及到各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的分配。瀝青老化后，黏度和軟化點(diǎn)升高，延度和針入度降低，低溫性能急劇衰減。本文對殘余延度比賦予40%的權(quán)重，軟化點(diǎn)增量、黏度比、殘余針入度比所占的權(quán)重統(tǒng)一定為20%。

下面僅以短期老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明，長期老化評價(jià)過程參照短期老化評價(jià)步驟進(jìn)行。

3.3 建立初始矩陣

將4種SBS改性瀝青的評價(jià)參數(shù)代入式(1)、(2)，得到初始矩陣

3.4 加權(quán)規(guī)范初始矩陣

3.5 確定虛擬的最優(yōu)質(zhì)瀝青及最劣質(zhì)瀝青

找出加權(quán)規(guī)范矩陣各列的最大值或最小值，虛擬的最優(yōu)質(zhì)瀝青樣本為 [0.2 0.4 0 0]T，虛擬的最劣質(zhì)瀝青樣本為 [0 0 0.2 0.2]T

3.6 加權(quán)歐式距離及綜合評價(jià)指數(shù)計(jì)算

根據(jù)式(6)、(7)計(jì)算各評價(jià)瀝青與最優(yōu)瀝青的距離d+i以及與最劣瀝青的距離d原i，根據(jù)式(8)計(jì)算各瀝青抗老化性能的綜合評價(jià)指數(shù)，進(jìn)行抗老化性能綜合排序，結(jié)果見表6。

表6 4種SBS改性瀝青經(jīng)過加權(quán)理想解法評價(jià)后的排序結(jié)果

通過加權(quán)理想法綜合評價(jià)，可以得出4種瀝青短期抗老化能力從優(yōu)到劣的排序依次是B、D、A、C;長期抗老化能力從優(yōu)到劣的排序依次是B、C、D、A。

4 結(jié)語

(1)加權(quán)理想解法具有原理清晰、計(jì)算過程簡便易行等優(yōu)點(diǎn)，將多個(gè)評價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為單個(gè)評價(jià)因子，使得評價(jià)過程更為全面，有助于克服采用單項(xiàng)指標(biāo)過于單一的缺陷，是一種簡單而有效的材料評價(jià)方法。

(2)雖然加權(quán)理想解法能綜合全面地對瀝青的短期、長期抗老化性能進(jìn)行評價(jià)，但各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值的確定還應(yīng)考慮工程所在地的氣候、交通條件，并且與瀝青路面因老化作用常出現(xiàn)的各種病害緊密聯(lián)系，以使各權(quán)重值的確定更符合路面實(shí)際情況。

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