基于模糊层次分析法的沥青再生剂组分比选

孔 林，王晨成，余 乐，蒋 斌

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引言

沥青路面在长期使用过程中，受到外部环境(光、热、水等)影响会发生氧化、挥发等反应，使沥青逐渐老化，表现为针入度减小、软化点升高、延度下降和黏度变大[1-3]。由于轻质油分一般具有低黏度、低溶解度、高芳香族含量、易于在沥青中均匀扩散并与旧沥青具有良好的相容性等特点，常常用为再生剂的主要成分，降低老化沥青的黏度，补充老化过程中缺失的成分使老化沥青的力学性能得到恢复[4-6]。然而，大量学者研究发现轻质油分种类、性能不同，对沥青的改性效果也各不相同[7-9]，如何挑选一款改性效果好且价格低廉的轻质油分是目前再生剂研发过程中需要解决的难题。

近年来，由于模糊层次分析法能够将专业人员的经验进行量化，定性分析与定量分析相结合，从多方面对目标进行综合评价，因而在交通规划[10]、机械设计方案评价[11]和风险评估[12]等领域得到广泛应用，但是很少有人运用该方法对沥青改性剂进行比选。因此，本文采用模糊层次分析法对环烷油、芳烃油和亚麻油的经济性、技术可行性等多个因素进行评价，优选出一款最佳再生剂，为再生剂组分比选提供一种新方法。

1 原材料

1.1 沥青

本文所使用的新沥青为中石化DH70#基质沥青，旧沥青由新沥青经PAV老化48 h得到，各项物理指标如表1所示。

表1 新沥青和老化沥青物理指标Table 1 Physical index of new asphalt and aging asphalt类别针入度(25 ℃)/(0.1 mm)软化点/℃延度(15 ℃)/cm黏度(135 ℃)/(Pa·s)DH70#67.954.6>1500.356老化沥青19.977.472.940

1.2 再生剂

本文分别选用环烷油、芳烃油和亚麻油3种轻质油分作为再生剂。环烷油是由环烷基原油加工提炼而制得，以环烷烃与其同系物等为主要成分，具有饱和环状碳链结构，外观呈淡黄透明色或水白色油状液体。芳烃油是石油化工的基本产品和基础原料之一，其主要由苯、甲苯和二甲苯构成，外观呈深色黏稠液体。亚麻油由亚麻子制取而成，亚麻酸含量较高且有特殊气味，常温下呈深琥珀色或金黄色液体。

2 再生剂组分评价指标体系的建立

建立再生剂组分评价指标体系时，将再生剂组分的经济性、技术可行性、材料自身特性、施工便捷性四大因素纳入准则层，其中经济性是材料能否快速推广、大范围使用的关键因素；技术可行性是再生剂改性沥青是否可行的前提和基础，是评价再生剂改性效果的首要因素；材料特性决定材料的运输，以及存储等是否方便安全；而施工可行性主要考虑再生剂对施工和环境的影响。

此外，为了准确反映再生剂对老化沥青性能的影响，分别采用针入度恢复指数RP25、软化点恢复指数RS、延度恢复指数RD15和黏度恢复指数RV来评价再生剂对三大指标和黏度的恢复效果，值等于0时，表示再生剂对该指标无影响，值等于1时，表示加入再生剂后该指标恢复至原样沥青状态。最后将单价、掺量、针入度恢复指数、软化点恢复指数、延度恢复指数、黏度恢复指数、凝点、闪点、施工工艺、环保等10个指标列入指标层，得到再生剂组分综合评价体系，见图1。

图1 再生剂组分综合评价递阶层次结构图

3 影响因素权重计算

3.1 确定判断矩阵

在模糊层次分析法中，两因素间的重要程度用1～9等数字进行定量标识，例如1表示i跟j同等重要，9表示i比j绝对重要；数字越大，前者比后者越重要；若后者比前者重要，则取其倒数[13-14]。由相关专家按规定对各因素的重要性进行评判，评判结果见表2～表6。

由表2～表6可以形成判断矩阵A0～A4，其中A0准则层判断矩阵，A1、A2、A3和A4为指标层判断矩阵。

表2 准则层权重专家评级表Table 2 Standard-level weight expert rating table评价体系相对重要性经济性技术可行性材料特性施工便捷性评价准则A0经济性1 1/353技术可行性3165材料特性 1/5 1/61 1/3施工便捷性 1/3 1/531

表3 经济性指标权重专家评级表Table 3 Expert rating table for the weight of economic indicators评价体系相对重要性单价掺量经济可行性A1单价13掺量1/31

表4 技术可行性指标权重专家评级表Table 4 Technical feasibility index weight expert rating table评价体系相对重要性RP25RSRD15RV技术可行性A2RP2511/31/51/5RS311/31/4RD155311/3RV5431

表5 材料特性指标权重专家评级表Table 5 Material characteristic index weight expert rating table评价体系相对重要性凝点闪点材料特性A3凝点11/3闪点31

表6 施工可行性指标权重专家评级表Table 6 Construction feasibility index weight expert rating table评价体系相对重要性施工工艺环境保护施工可行性A4施工工艺12环境保护1/21

3.2 计算各因素的权重

按照文献[15]中所述方法，对各因素的权重值进行计算，以A0矩阵为例，具体计算步骤如下：

0.325 0.669)T。

3.3 一致性检验

由CI=(λmax-n)/(n-1)求得CI=0.050；查询表7确定一致性指标RI=0.9；则一致性比例CR=CI/RI=0.056<0.1，判断矩阵A0的一致性满足要求；若CR>0.1，则认为判断矩阵的不一致程度较大，需要对判断矩阵进行重新调整[16]。同理，求得其它各指标的权重值和最大特征值，并进行一致性检验，计算结果见表8。

表7 平均随机一致性指标RI取值Table7 Average random consistency index RI value阶数RI10 20 30.5840.9 51.1261.24

表8 再生剂组分综合评价指标权重汇总表Table8 Comprehensive evaluation index weight summary ta-ble of regenerant components目标层准则层权重指标层权重再生剂组分比选经济性0.269单价0.750掺量0.250技术可行性0.553针入度恢复指数0.064软化点恢复指数0.133延度恢复指数0.280黏度恢复指数0.523材料特性0.058凝点0.250闪点0.750施工可行性0.120施工工艺0.667环境保护0.333

由表8可知，准则层四因素中技术可行性的权重值最大，为0.553；材料特性的权重值最小，仅有0.058，即技术可行性对再生剂组分综合评价影响最大，经济性和施工可行性次之，材料特性对再生剂组分综合评价影响最小。

4 再生剂组分综合评价

4.1 建立因素评判矩阵

技术指标按其性质通常可分为定性指标和定量指标两类，如单价、掺量、针入度恢复指数、延度恢复指数等为定量指标；施工工艺、环境保护等为定性指标。通过市场调查和室内试验，得到经济性因素、技术可行性因素和材料特性因素的指标值，各指标值见表9。

参考文献[17]所述方法对各指标进行处理：对于定量因素，值越大越好的因素按rij=yij/max{yij}计算其隶属度，值越小越好的因素按照rij=1-(yij-min{yij})/max{yij}计算其隶属度；对于定性因素，按优、良、中、次、差进行分级，分别对应隶属度为1、0.75、0.5、0.25和0，若定性因素评级处于上述5种等级之间，则通过线性内插计算其隶属度，计算结果见表10和表11。将表10和表11各因素隶属度计算结果进行汇总，得到单因素评判矩阵R如下：

表9 经济性、技术可行性和材料特性指标汇总表Table 9 Summary table of economic, technical feasibility and material characteristics indicators改性剂种类掺量/%经济性技术可行性材料特性单价/(元·t-1)掺量/%针入度恢复指数软化点恢复指数延度恢复指数黏度恢复指数凝点/℃闪点/℃16 00010.220.240.010.30-2722136 00030.450.490.030.53-27221环烷油56 00050.680.770.060.69-2722176 00070.901.070.090.82-2722196 00090.971.180.100.86-2722114 00010.180.230.010.28-324634 00030.360.490.010.49-3246芳烃油54 00050.540.730.020.66-324674 00070.721.010.040.78-324694 00090.841.060.050.83-324619 90010.270.250.010.37-1823539 90030.540.490.050.62-18235亚麻油59 90050.800.770.130.80-1823579 90071.091.040.210.91-1823599 90091.161.150.230.94-18235

表10 定量因素隶属度汇总表Table10 Summary Table of Membership of Quantitative Factors改性剂种类掺量/%经济性技术可行性材料特性单价/(元·t-1)掺量/%针入度恢复指数软化点恢复指数延度恢复指数黏度恢复指数凝点/℃闪点/℃10.7981.0000.190 0.203 0.043 0.319 1.0000.898 30.7980.7780.388 0.415 0.130 0.564 1.0000.898 环烷油50.7980.5560.586 0.653 0.261 0.734 1.0000.898 70.7980.3330.776 0.907 0.391 0.872 1.0000.898 90.7980.1110.836 1.000 0.435 0.915 1.0000.898 11.0001.0000.155 0.195 0.043 0.298 0.111 1.000 31.0000.7780.310 0.415 0.043 0.521 0.111 1.000 芳烃油51.0000.5560.466 0.619 0.087 0.702 0.111 1.000 71.0000.3330.621 0.856 0.174 0.830 0.111 1.000 91.0000.1110.724 0.898 0.217 0.883 0.111 1.000 10.4041.0000.233 0.212 0.043 0.394 0.667 0.955 30.4040.7780.466 0.415 0.217 0.660 0.667 0.955 亚麻油50.4040.5560.690 0.653 0.565 0.851 0.667 0.955 70.4040.3330.940 0.881 0.913 0.968 0.667 0.955 90.4040.1111.000 0.975 1.000 1.000 0.667 0.955

表11 定性因素隶属度汇总表Table 11 Summary table of membership degree of qualitative factors改性剂种类掺量/%施工便捷性施工工艺环保10.920.9430.840.88环烷油50.760.8270.680.7290.600.6010.910.9030.800.80芳烃油50.710.6770.590.5490.480.4010.980.9830.950.94亚麻油50.920.9070.870.8690.800.82

4.2 计算各组方案综合评分

再生剂组分的综合比选，首先需要对指标层各指标进行单因素评价，即Si=WiRki，得到经济性评价S1、技术可行性评价S2、材料特性评价S3，以及施工可行性评价S4，然后由S=W(S1S2

S3S4)T计算综合评价得分[17]，以1%掺量的环烷油为例。

4.2.1准则层评价

a.经济性评价。

b.技术可行性评价。

c.材料特性评价。

d.施工可行性评价。

4.2.2综合评价

方案一的综合评价为S=W(S1S2S3S4)T=0.460。

同理，得到其它各方案的综合评价结果，见表12。

表12 再生剂组分综合评价结果Table12 Comprehensive evaluation results of regenerant components方案改性剂种类掺量/%准则层评价经济性技术可行性材料特性施工可行性综合评价平均得分110.8490.2180.9240.9270.460230.7930.4110.9240.8530.5433环烷油50.7380.5810.9240.7800.6130.593470.6820.7360.9240.6930.673590.6260.7860.9240.6000.675611.0000.2040.7780.9070.490730.9450.3600.7780.8000.5498芳烃油50.8890.5030.7780.6970.6010.585970.8330.6360.7780.5730.6441090.7780.6980.7780.4530.6441110.5530.2610.8830.9730.4101230.4980.4910.8830.9400.51813亚麻油50.4420.7340.8830.9000.6330.6031470.3860.9390.8830.8400.7241590.3310.9970.8830.7670.732

由上表可知，再生剂组分综合评价平均得分排序为亚麻油>环烷油>芳烃油，并且9%掺量的亚麻油综合评价在15个方案中得分最高，达到0.743，因此可以确定亚麻油为最佳再生剂组分。对比技术可行性因素可以发现，亚麻油的评价最高，掺量达到9%时技术可行性评分接近1.0，说明9%掺量的亚麻油对老化沥青改性效果最好；此外，亚麻油的经济性评价和材料特性评价得分较低，但是经济性和材料特性两因素的权重值较小，对综合评分影响不大，所以最终评价结果主要取决于技术可行性的得分。

5 结论

a.在再生剂组分综合评价过程中，准则层四因素的权重值排序为技术性可行性>经济性>施工可行性>材料特性，即技术可行性对再生剂组分评价影响最大，材料特性影响最小。

b.通过计算分析，确定了亚麻油为最佳再生剂组分，对老化沥青的改性效果最好，并提出其最佳掺量为9%。

c.模糊层次分析法通过专业人员对定量因素进行处理，定性分析与定量分析相结合，减少了主观因素的影响，提高了评判结果的可靠性和真实性，为沥青再生剂组分比选提供了参考依据。