应用正交试验进行SMA—13配合比研究

夏选朋

（西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710068）

0 引言

广东地区夏季高温炎热且气温在30℃持续时间较长，路面温度一般都在60℃以上，在此地区修筑SMA路面，对其高温性能要求更为严格。正交试验设计方法是处理多因素试验的一种科学方法，使用规格化的表格即正交表合理安排试验，以较少的试验次数就可以判断出较优的试验条件，只要对试验结果进行简单的统计分析，即可更全面、更系统地掌握试验结果，做出正确判断。目前研究表明［1］，SMA混合料马歇尔指标以及路用性能都与9.5mm筛孔、4.75mm筛孔、2.36mm筛孔、0.075mm筛孔和油石比等多个因素密切相关，各因素都会对马歇尔技术指标产生影响，但是各影响因素的影响程度各有不同，针对广东地区炎热的气候特点，找到高温性能的主要因素，各因素根据设计水平搭配起来从而更好地解决高温车辙问题，防止路面早期车辙损害，提高路面使用寿命。

1 原材料选择

正交试验所用的原材料包括粗、细集料、填料、纤维和沥青。粗、细集料为辉绿岩集料，且通过人工方式将其按规范的单粒径大小分成9档，分别为13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm；填料采用石灰岩矿粉；纤维采用北京垦特来公司生产的木质纤维、掺量为0.3%，沥青采用进口重交通AH—70沥青（泰普克AH—70沥青）。原材料的各项质量技术指标均满足规范要求。

2 SMA—13高温稳定性影响因素的正交试验分析

2.1 正交试验设计

以9.5mm、4.75mm、2.36mm和0.075mm筛孔通过率以及油石比五因素五水平进行正交试验，同时不考虑相互间交互影响，以车辙动稳定度为检验试验指标。正交试验所考察的因素及水平见表1，共需进行25次车辙试验［2］。

表1 正交试验因素水平

2.2 试验结果及方差分析

根据正交试验设计的25组SMA-13改性沥青混合料25组组成设计得出的各档筛孔通过率要求，通过电算法进行试配，使每组级配组合均符合上述25组配合比各档筛网通过率要求，采用马氏击实仪进行马氏试验，SMA—13改性沥青混合料理论最大相对密度采用集料有效相对密度计算得到。按照规程要求成型车辙板并进行车辙试验，得到马歇尔试验结果各项技术指标及车辙结果。

在正交试验结果分析中，极差分析不能估计试验中与试验结果测定中必然存在的误差大小。为了弥补这个缺点，采用方差分析的方法，对各因素的显著性水平给出一个定量分析。下面通过Minitab 15工程统计软件进行方差分析。

2.3 软件分析步骤及结果

软件分析步骤如下：

a）启动Minitab 15后，在工作表中正交表的右边建立空白列输入动稳定度的试验结果；

b）依次单击标题栏上的统计—DOE—田口设计—分析田口设计；

c）在弹出的对话框中，“响应数据”位于选择试验结果（DS）所在列；

d）单击选项，在弹出的对话框中选择“望大”，单击OK后就得到试验分析结果如下图1和表2。

图1 均值主效应图

表2 对于均值的方差分析

从图1可以看出因素A、B、C这3个因素曲线波动很明显，而D、E这两个因素相对比较平稳，这就说明A、B、C这3个因素对于试验结果的敏感度最大，为主要影响因素，而D和E两因素不显著。Minitab默认的显著水平为0.1，从表2方差分析表中看出，F检验后，A、B、C这3个因素的P值均小于0.1，表示有显著影响，而D、E两因素不显著。显著水平为B＞A＞C＞E＞D，由图1可知最优的水平组合为A2B3C3D1E1，该方案并未进行试验，在该情况下可通过软件按照以下步骤预测在该水平组合下的试验结果预测值：

a）依次单击统计—DOE—田口设计—预测田口试验值；

b）只勾选平均值；

c）单击水平，选择“从列表中选择水平”，选择各因素相应的最优水平即A2B3C3D1E1，确定后便可得到预测结果（见表3）。

表3 田口分析DS与A、B、C、D、E预测值

预测结果表明，最优方案（A2B3C3D1E1）下的预测结果为7 120.44，对比正交试验结果，此结果在所有方案中最优，但需要进行实际试验验证。

2.4 最优方案的试验结果

最优试验方案为A2B3C3D1E1，即9.5mm、4.75mm、2.36mm 和0.075mm 的筛孔通过率为66%、24%、20%和11%，油石比为7%。通过单粒径集料回配SMA—13混合料，级配曲线如图2中的粗线。该方案下的马歇尔试验及动稳定度试验结果见表4。

图2 最优方案的SMA—13级配曲线图

表4 最优方案的马歇尔试验及动稳定度试验结果

从实验结果上看，最优方案的动稳定度达到6000以上，虽然小于预测的结果，但是对比正交试验的结果，该方案的动稳定度是最大的，满足高温地区对混合料高温性能的要求，达到SMA—13优化的目的，但从结果上也看出，最优方案下的油石比是偏大的，因为析漏试验结果过于偏大，接近规范要求的0.1%，容易造成路面泛油，经过讨论和分析图1动稳定度的均值效应图，发现油石比从6.0%到7.0%，动稳定度在800之间变化，也就是变化并不是很大，此时对混合料抗车辙作用的是石料之间的嵌挤力，所以变化最优方案的油石比，又做了五组级配，最后经济比较后选择最佳油石比为6.7%，此时的析漏试验值为0.06%，满足规范要求。

3 结论

3.1 采用5因素5水平正交设计表，考察了9.5mm、4.75mm、2.36mm和0.075mm各筛孔质量通过百分率的分布水平和油石比共5个关键因子对SMA—13改性沥青混合料高温稳定性能的影响，运用Minitab 15软件对各影响因素的显著性给予方差分析，分析结果是9.5mm、4.75mm和2.36mm筛孔通过率是影响SMA—13的主要因素，其中4.75mm通过率是最显著影响因素，而0.075mm通过率及油石比相对不显著。

3.2 通过软件Minitab不仅能对正交试验结果分析显著因子，而且能找出最优试验方案，达到混合料的优化目的，同时还能对最优方案进行预测。

3.3 本文针对广东夏季高温地区，给出SMA-13改性沥青混合料优化配比过程，但是应该看到，往往试验结果满足要求，但是还必须有目的地去找到最经济的方案，尽量满足其他指标，如该方案的最佳油石比的确定，这样才能真正做到混合料的优化设计。

［1］刘忠根，张登良.均匀设计在SMA骨料级配设计中的应用［J］.长安大学学报：自然科学版，2003，23（1）：1-6.

［2］汪荣鑫.数理统计［M］.西安：西安交通大学出版社，1998.