基于正交试验设计对GMA配合比优化的探讨

彭超杰

彭超杰

中恩工程技术有限公司广东省广州市510640

摘要：本文就粗骨料/ME比例、沥青用量、矿粉用量三因素，采用正交试验设计对港珠澳大桥某标段GMA浇筑式沥青混凝土铺装方案目标配合比的优化方案进行探讨。运用SPSStatistics22.0统计分析软件对试验所得数据进行直观分析和方差分析，得出推荐优方案为：粗骨料/ME=50/50，10.7%的沥青用量，25%的矿粉用量。

关键词：浇筑式沥青混凝土；优化；统计分析；

引言：港珠澳大桥是连接香港、广东珠海和澳门的大型跨海通道，其钢桥面铺装层设计采用了全新的GMA浇筑式沥青混凝土施工工艺。为了更大程度提高GMA的力学性能，满足港珠澳大桥对桥面铺装层的要求，杨东来、徐永刚等[1]对GMA的生产设备，原材料以及配合比设计做了相关研究。万涛涛[3]奚强[2]张海威[4]等则对GMA浇筑沥青混凝土的高温性能，抗疲劳性能评价做了研究，并选用动稳定度和冲击韧性值分别评价浇筑式沥青混凝土的高温稳定性和抗疲劳性能。本文在这些研究基础上，采用正交试验设计和SPSSStatistics22.0统计分析软件对港珠澳大桥某标段的GMA浇筑式沥青混凝土目标配合比优化方案进行探讨。

1GMA工艺

目前浇筑式沥青混凝土施工分为MA（MastiocAsphalt）和GA（GussAsphalt）工艺。其中以英国为代表的MA工艺天然湖沥青含量高、细集料级配严格，性能较稳定，但其先拌沥青、矿粉和细集料再掺加粗集料拌制成品的生产工艺使得拌和时间需要4-6h，施工效率低。而以德国、日本为代表的GA施工工艺则相反，采用沥青拌和楼集中拌和生产，施工连续，施工效率高，但由于细集料的级配要求宽松，GA混合料的性能稳定性较MA的差。GMA工艺则结合了MA和GA两者的优势，既能保证浇筑式沥青混凝土性能稳定，又能提供连续施工的条件，提高施工效率。

1.1GMA原材料

港珠澳大桥某标段桥面铺装采用的GMA工艺，其原材料组成主要是5-10mm的粗骨料，0.075-2.36mm的A档细集料，0.075-0.6mm的B档细集料，0.075-0.212mm的C档细集料，矿粉以及浇筑式沥青结合料。

1.2GMA室内配合比设计

GMA室内配合比设计分两步：第一步是先进行ME（沥青砂浆）设计，第二是GMA设计。ME设计阶段的评价指标为25℃的硬度，控制影响因素为可溶沥青含量。GMA设计阶段评价指标为马歇尔稳定度、流值、流动性、硬度、车辙动稳定度、冲击韧性，控制影响因素为沥青（含矿物质）含量。其中港珠澳大桥某标段目标配合比性能测试结果见表1。

2正交试验设计

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTGE20-2011》，对成型的试件分别进行沥青混合料车辙试验以及三点弯曲试验，并根据荷载-跨中挠度曲线图计算试件冲击韧性[5].各个方案试验结果见表3。

将2.2中试验结果输入SPSSStatistics22.0统计分析软件，建立数据库，并分别对动稳定度和冲击韧性进行单因素统计和方差分析。其中单因素统计显示了各因素不同水平的平均值，直观分析可以得出各因素水平对动稳定度影响强弱顺序是：A3＞A2＞A1，B1＞B2＞B3，C3＞C1＞C2；对冲击韧性影响强弱顺序是：A1＞A2＞A3，B3＞B1＞B2，C3＞C2＞C1。

方差分析结果可看出各个因素对动稳定度的影响主次顺序为：C＞A＞B，结合直观分析及方差分析的结果，优方案为：A3B1C3；各因素对动稳定度的影响主次顺序为：B＞C＞A。结合直观分析及方差分析的结果，优方案为：A1B3C3。

3.2综合分析

沥青混凝土的高温稳定性和抗疲劳特性是相互影响的，如果只提高动稳定度值必然会导致抗疲劳能力的下降。反之亦然。级配优化必须在兼顾GMA高温稳定性和抗疲劳特性的同时，能对其高温稳定性有较大的提高。图1、图2和图3分别是粗骨料/ME的比例、沥青用量和矿粉用量对GMA动稳定度和冲击韧性的影响趋势。

图1粗骨料/ME对动稳定度和冲击韧性的影响

从图1可见，粗骨料/ME的比例对稳定和冲击韧性的影响是呈相反的趋势的。其对动稳定度是呈正作用，且增加的幅度较大；对冲击韧性的呈负作用，但减少的幅度相对较小。

图2沥青用量对动稳定度和冲击韧性的影响

（下转第397页）

从图2可见，沥青用量对动稳定度是呈负作用，变化幅度相对粗骨料/ME的影响要小；对冲击韧性的影响在10.70%-11.20%的范围内呈负相关，在11.20%-11.70%呈正相关但增加幅度小。

图3矿粉用量对动稳定度和冲击韧性的影响

从图3可见，矿粉用量对动稳定度的影响在10.70%-11.20%的范围内是负相关的，在11.20%-11.70%是正相关的；对冲击韧性的影响是正作用。动稳定度值和冲击韧性值都在矿粉掺量为25%时达到最大值。

从3.1中的分析结果可知：

各因素对动稳定度的影响从大到小分别是，矿粉用量＞粗骨料/ME＞沥青用量，优方案为：粗骨料/ME=53/47，10.2%的沥青用量，25%的矿粉用量。

各因素对冲击韧性的影响从大到小分别是，沥青用量＞矿粉用量＞粗骨料/ME，优方案为：粗骨料/ME=47/53，11.7%的沥青用量，25%的矿粉用量。

结合3.2中综合分析，兼顾GMA的高温稳定性和抗疲劳性能的基础上，推荐最优方案为A2B1C3，即：粗骨料/ME=50/50，10.7%的沥青用量，25%的矿粉用量。

4总结

运用正交试验设计来安排GMA级配优化方案的试验，布点均衡，减少试验次数，并能保证主要因素的各种可能不会遗漏。运用SPSS对正交试验结果进行直观分析和方差分析，分析结果直观易懂，得到了各因素对GMA浇筑式沥青混凝土高温稳定性和抗疲劳性能的影响情况。对于GMA浇筑式沥青混凝土动稳定度指标，各因素影响的大小顺序为：矿粉用量＞粗骨料/ME＞沥青用量；对于冲击韧性指标的影响从大到小分别是：沥青用量＞矿粉用量＞粗骨料/ME。最后在兼顾GMA高温性能和抗疲劳性能的基础上，综合对比分析各因素对两指标的影响程度，推荐最优方案为：粗骨料/ME=50/50，10.7%的沥青用量，25%的矿粉用量。

参考文献：

[1]杨东来，徐永刚，张育才.港珠澳大桥GMA浇注式沥青混凝土施工技术[J].筑路机械与施工机械化,2016(01):31-40.

[2]奚强.浇筑式沥青混凝土钢桥面铺装材料高温性能评价体系研究[D].华南理工大学,2013.

[3]万涛涛.浇注式桥面铺装材料高温性能研究[D].华南理工大学,2013.

[4]张海威.基于性能平衡的浇注式沥青混凝土的研究[D].华南理工大学,2015.

[5]王建祥，慈军，张凌凯.基于正交试验设计的浇筑式沥青混凝土配合比研究[J].河南科学,2014,32(2):207-210.