基于灰关联法改性沥青老化性能研究方法

摘要

本发明公开一种基于灰关联法改性沥青老化性能研究方法，包括以下步骤：首先,对改性沥青老化前后分子量及分布的变化进行计算；然后，进行灰色关联法参数的计算；其次，进行分子量分布变化对改性沥青宏观性能指标变化影响的灰关联熵分析；再次，确定分子量及分布的变化对老化性能的影响顺序；最后，确定应力吸收层改性沥青结合料耐老化性能的主要影响因素，为控制应力吸收层沥青结合料的质量提供参考。本发明旨在借助先进的分析手段，从沥青的微观组成入手研究沥青的宏观性能与微观结构变化之间的关系，从本质上研究沥青的老化机理，保证道路应力吸收层沥青结合料的使用品质，为控制应力吸收层沥青结合料的质量提供参考。

说明书

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，涉及道路应力吸收层改性沥青老化性能的方法研究，尤其涉及一种基于灰关联法的道路应力吸收层改性沥青老化性能的研究方法。

背景技术

灰色关联分析法,简称灰关联法,是贫信息系统分析的有效手段，是基于行为因子序列的微观或宏观几何接近，分析因子间的影响程度，辨别主要与次要因子，确定因子对主行为贡献测度的有效方法。其目的是对信息不完全与少数不确定的系统作因子间的量化、序化，进而从微观角度进行分析。

公路在国家交通系统和国民建设中起着举足轻重的角色，由于沥青老化导致公路沥青混凝土路面耐久性不足成为道路界一直关注的问题。我国道路工作者虽然也在改善路面的使用性能和耐久性能方面进行着积极的探索和研究，对于沥青在自然因素作用下老化后物理性质的改变已有较为深刻的认识，然而对于沥青老化在微观层次上的技术分析还需要进一步完善。

沥青的组成成分非常复杂，现在的技术大多是围绕沥青组分变化与沥青宏观性能变化之间的关系，这对于沥青老化机理的研究有一定的局限性。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的不足,提出一种基于灰关联法的道路应力吸收层改性沥青老化性能的研究方法。材料的微观组成决定着材料的性质，因此借助先进的分析手段，从沥青的微观组成入手研究沥青的宏观性能与微观结构变化之间的关系，从本质上研究沥青的老化机理，找出影响沥青老化的各方面原因，利用灰关联法计算沥青微观分子量，通过对比分析求出主要因子与次要因子，判断各种分子量对沥青六种宏观老化性能指标的影响程度，接着进行影响程度排序，进而确定出影响沥青老化程度最大的关键因子和最小的因子，从而得出沥青老化机理的主要指标，为沥青老化研究提供重要依据。

本发明使用的沥青宏观性能指标有：针入度、135℃粘度比、弹性恢复比、粘韧性比、5℃延度比、质量比，其中粘度比、延度比参照规范使用135℃和5℃；使用的沥青种类有：SBR、SBS、SAM、QP、GC、TPS、STR七种具有代表性的应力吸收层改性沥青。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于灰关联法改性沥青老化性能研究方法，包括以下如下步骤：

a、对改性沥青老化前后分子量及分布的变化进行计算；

b、进行灰色关联法参数的计算；

c、进行分子量分布变化对改性沥青宏观性能指标变化影响的灰关联熵分析；

d、确定分子量及分布的变化对老化性能的影响顺序；

e、确定应力吸收层改性沥青结合料耐老化性能的主要影响因素，为控制应力吸收层沥青结合料的质量提供参考。

所述步骤a中的计算改性沥青老化前后分子量及分布的方法为凝胶渗透色谱法。

所述步骤b中的灰色关联法参数计算包括灰关联度、灰关联熵以及灰熵关联度。

所述改性沥青宏观性能指标包括针入度比、135℃粘度比、弹性恢复比、黏韧性比、5℃延度比和质量比。

与现有技术相比本发明的优点是：

1、从沥青的微观角度入手，透彻地分析了分子量分布变化对改性沥青老化性能的影响，而且本发明选用参数多，改性沥青老化性能指标选取全面，得出的结论能准确地反应改性沥青老化性能影响因素顺序。

2、本发明便于操作，影响因素较少，条件限制少，易完成，具有实际应用和推广价值。

附图说明

图1是不同参数比对针入度比的灰熵关联度；

图2是不同参数比对135℃粘度比的灰熵关联度；

图3是不同参数比对弹性恢复比的灰熵关联度；

图4是不同参数比对粘韧性比的灰熵关联度；

图5是不同参数比对5℃延度比的灰熵关联度；

图6是不同参数比对质量比的灰熵关联度。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。

一种基于灰关联法改性沥青老化性能研究方法，包括以下如下步骤：

(a)利用凝胶渗透色谱分离技术研究SBR、SBS、SAM、QP、GC、TPS、STR七种改性沥青老化过程中分子量分布和组成变化，并对改性沥青老化前后分子量及分布的变化进行计算；

(b)对上述步骤中的七种改性沥青进行灰色关联法相关参数(包括灰关联度、灰关联熵和灰熵关联度)的计算；

(c)进行分子量分布变化对改性沥青宏观性能指标变化影响的灰关联熵分析；

(d)将改性沥青老化前后各参数比值与不同老化性能指标的比值通过灰关联熵计算出灰熵关联度，然后根据灰熵关联度确定分子量及分布的变化对老化性能的影响顺序；

(e)确定出应力吸收层改性沥青结合料耐老化性能的主要影响因素，为控制应力吸收层沥青结合料的质量提供参考。

选取SBR、SBS、SAM、QP、GC、TPS、STR七种改性沥青进行研究，利用凝胶渗透色谱法计算得出改性剂和沥青相老化前后平均分子量，由于SBS、SAM、STR这三种改性沥青采用的是复合改性剂，出现了两个改性剂峰(1峰和2峰)。各改性沥青中改性剂和沥青相(用J表示)老化前后分子量具体数据见表1～表4。其中为峰值分子量，为数均分子质量，为重均分子质量，PD表示分散度A表示峰面积，A％表示物质含量。

表1改性剂老化前平均分子量及分布

表2改性剂老化后平均分子量及分布

表3沥青相老化前平均分子量及分布

表4沥青相老化后平均分子量及分布

灰关联法参数计算：

(1)灰关联度

一般进行灰关联分析时都要把原始因子转化为关联因子集。灰关联因子集定义为：设序列X＝(x₁,x₂,…,x_r)，F为X的数值映射集，称X的象集χ为灰关联因子集。

{初值化，平均值化，最大值化，最小值化，区间值化，正因子化}

灰关联度计算公式为X₀∈χ为比较列，j＝1,2,…r。

其中，X₀＝{x₀(i)丨i＝1,2,…，r}，X_j＝{x_j(i)丨i＝1,2,…，r}，则r(X₀,X_j)满足灰关联四公理：规范性，偶对称性，整体性和接近性，r称为灰关联度，称r(X₀(k),X_j(k))为灰关联系数。其中，ξ为分辨系数，一般取0.5。

(2)灰关联熵

设χ为灰关联因子集，X₀∈χ为主行列，X_j∈χ，j＝1,2,…m为参考列，{r(X₀(k),X_j(k))丨k＝1,2,…n}则映射Map：R_j→P_j

称为灰关联系数分布映射，映射值P_h称为分布的密度值。函数：

为X_j的灰关联熵。

(3)灰熵关联度

序列Xj的灰熵关联度为：

其中，H_m称为灰熵的最大值，H_m(x)＝lnn。n代表由n个元素构成的差异信息列的最大值。

分子量分布变化对改性沥青老化性能影响的灰关联熵分析：

(1)各因素对针入度比的影响

分别计算改性沥青改性剂相和沥青相老化后与老化前各参数的比值，见表5所示，M为改性剂相部分，J为沥青相部分，MPT表示老化后峰值分子量与老化前比值，MNT表示数均分子量老化后与老化前的比值，MWT表示重均分子量老化后与老化前的比值，PDT表示分散度老化后与老化前的比值，AT表示老化后含量与老化前的比值。

表5老化后与老化前各参数比值

将不同种改性沥青老化后与老化前针入度比作为主行为，改性沥青改性剂相和沥青相老化后与老化前各参数的比值作为因子集序列，从而构成灰关联熵分析的原始数列，见表6所示。

表6各参数比值与沥青针入度比的关系

由于初值化是从初态出发，对事物的发展态势进行分析，而均值化是从平均的观念对事物发展进行分析。本发明对原始数列进行均值化变换，即用序列x的平均值去除序列x中所有的数据，同时将所有指标转换为正项指标，生成数列见表7所示。

表7均值处理产生数列

执行公式1和公式2计算出各影响指标与针入度比的灰关联系数，结果见表8所示：

表8灰关联系数

执行公式3计算得出灰熵关联密度，结果见表9所示：

表9灰熵关联密度

执行公式4计算得出比较列的灰关联熵，见表10所示：

表10灰关联熵

执行公式5计算得出灰熵关联度，老化前后各参数的比值与针入度比值的灰熵关联度即为图1所示。

(2)各因素对135℃粘度比的影响

重复执行灰关联法参数计算中的(1)灰关联度、(2)灰关联熵、(3)灰熵关联度，并根据相关试验数据可以得出各分子量及其分布的变化与老化前后135℃粘度比的灰熵关联度，即为图2所示。

(3)各因素对弹性恢复比的影响

重复执行灰关联法参数计算中的(1)灰关联度、(2)灰关联熵、(3)灰熵关联度，并根据相关试验数据可以得出各分子量及其分布的变化与老化前后弹性恢复比的灰熵关联度，即为图3所示。

(4)各因素对粘韧性比的影响

重复执行灰关联法参数计算中的(1)灰关联度、(2)灰关联熵、(3)灰熵关联度，并根据相关试验数据可以得出各分子量及其分布的变化与老化前后粘韧性比的灰熵关联度，即为图4所示。

(5)各因素对5℃延度比的影响

重复执行灰关联法参数计算中的(1)灰关联度、(2)灰关联熵、(3)灰熵关联度，并根据相关试验数据可以得出各分子量及其分布的变化与老化前后5℃延度比的灰熵关联度，即为图5所示。

(6)各因素对质量比的影响

重复执行灰关联法参数计算中的(1)灰关联度、(2)灰关联熵、(3)灰熵关联度，并根据相关试验数据可以得出各分子量及其分布的变化与老化前后质量比的灰熵关联度，即为图6所示。

确定分子量及分布的变化对老化性能的影响顺序：

图1示出了改性沥青老化前后各分子量及分布各参数比值对针入度比的影响大小依次为：沥青相含量比＞沥青相分散度比＞沥青相峰值分子量比＞改性剂重均分子量比＞改性剂数均分子量比＞沥青相数均分子量比＞沥青相重均分子量比＞改性剂分散度比＞改性剂峰值分子量比＞改性剂含量比。

图2示出了改性沥青老化前后各分子量及分布各参数比值对135℃粘度比的影响大小依次为：沥青相重均分子量比＞沥青相数均分子量比＞沥青相分散度比＞沥青相含量比＞沥青相峰值分子量比＞改性剂峰值分子量比＞改性剂重均分子量比＞改性剂数均分子量比＞改性剂分散度比＞改性剂含量比。

图3示出了改性沥青老化前后各分子量及分布各参数比值对弹性恢复比的影响大小依次为：沥青相分散度比＞沥青相含量比＞沥青相峰值分子量比＞沥青相重均分子量比＞沥青相数均分子量比＞改性剂分散度比＞改性剂重均分子量比＞改性剂峰值分子量比＞改性剂数均分子量比＞改性剂含量比。

图4示出了改性沥青老化前后各分子量及分布各参数比值对粘韧性比的影响大小依次为：沥青相含量比＞沥青相峰值分子量比＞沥青相分散度比＞改性剂分散度比＞沥青相数均分子量比＞改性剂数均分子量比＞沥青相重均分子量比＞改性剂重均分子量比＞改性剂峰值分子量比＞改性剂含量比。

图5示出了改性沥青老化前后各分子量及分布各参数比值对5℃延度比的影响大小依次为：沥青相含量比＞沥青相重均分子量比＞沥青相峰值分子量比＞改性剂分散度比＞沥青相分散度比＞改性剂峰值分子量比＞沥青相数均分子量比＞改性剂重均分子量比＞改性剂含量比＞改性剂数均分子量比。

图6示出了改性沥青老化前后各分子量及分布各参数比值对质量比的影响大小依次为：沥青相含量比＞沥青相峰值分子量比＞沥青相分散度比＞沥青相数均分子量比＞沥青相重均分子量比＞改性剂重均分子量比＞改性剂数均分子量比＞改性剂分散度比＞改性剂峰值分子量比＞改性剂含量比。

确定应力吸收层改性沥青结合料耐老化性能的主要影响因素：

通过图1～图6以及步骤(d)可以得出影响改性沥青宏观性能最大的因素是沥青相分子量及分散度的变化，其中沥青相含量比的影响最大；而改性剂对改性沥青老化的影响较小。而且改性沥青老化后沥青相的变化较改性剂的变化对改性沥青老化后性能的影响更大，所以应力吸收层改性沥青结合料应重视基质沥青的选用。

以上对本发明的具体实施进行了描述，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质性内容。

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。