基于模糊層次分析法的瀝青再生劑組分比選

孔 林，王晨成，余 樂，蔣 斌

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引言

瀝青路面在長期使用過程中，受到外部環境(光、熱、水等)影響會發生氧化、揮發等反應，使瀝青逐漸老化，表現為針入度減小、軟化點升高、延度下降和黏度變大[1-3]。由于輕質油分一般具有低黏度、低溶解度、高芳香族含量、易于在瀝青中均勻擴散并與舊瀝青具有良好的相容性等特點，常常用為再生劑的主要成分，降低老化瀝青的黏度，補充老化過程中缺失的成分使老化瀝青的力學性能得到恢復[4-6]。然而，大量學者研究發現輕質油分種類、性能不同，對瀝青的改性效果也各不相同[7-9]，如何挑選一款改性效果好且價格低廉的輕質油分是目前再生劑研發過程中需要解決的難題。

近年來，由于模糊層次分析法能夠將專業人員的經驗進行量化，定性分析與定量分析相結合，從多方面對目標進行綜合評價，因而在交通規劃[10]、機械設計方案評價[11]和風險評估[12]等領域得到廣泛應用，但是很少有人運用該方法對瀝青改性劑進行比選。因此，本文采用模糊層次分析法對環烷油、芳烴油和亞麻油的經濟性、技術可行性等多個因素進行評價，優選出一款最佳再生劑，為再生劑組分比選提供一種新方法。

1 原材料

1.1 瀝青

本文所使用的新瀝青為中石化DH70#基質瀝青，舊瀝青由新瀝青經PAV老化48 h得到，各項物理指標如表1所示。

表1 新瀝青和老化瀝青物理指標Table 1 Physical index of new asphalt and aging asphalt類別針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點/℃延度(15 ℃)/cm黏度(135 ℃)/(Pa·s)DH70#67.954.6>1500.356老化瀝青19.977.472.940

1.2 再生劑

本文分別選用環烷油、芳烴油和亞麻油3種輕質油分作為再生劑。環烷油是由環烷基原油加工提煉而制得，以環烷烴與其同系物等為主要成分，具有飽和環狀碳鏈結構，外觀呈淡黃透明色或水白色油狀液體。芳烴油是石油化工的基本產品和基礎原料之一，其主要由苯、甲苯和二甲苯構成，外觀呈深色黏稠液體。亞麻油由亞麻子制取而成，亞麻酸含量較高且有特殊氣味，常溫下呈深琥珀色或金黃色液體。

2 再生劑組分評價指標體系的建立

建立再生劑組分評價指標體系時，將再生劑組分的經濟性、技術可行性、材料自身特性、施工便捷性四大因素納入準則層，其中經濟性是材料能否快速推廣、大范圍使用的關鍵因素；技術可行性是再生劑改性瀝青是否可行的前提和基礎，是評價再生劑改性效果的首要因素；材料特性決定材料的運輸，以及存儲等是否方便安全；而施工可行性主要考慮再生劑對施工和環境的影響。

此外，為了準確反映再生劑對老化瀝青性能的影響，分別采用針入度恢復指數RP25、軟化點恢復指數RS、延度恢復指數RD15和黏度恢復指數RV來評價再生劑對三大指標和黏度的恢復效果，值等于0時，表示再生劑對該指標無影響，值等于1時，表示加入再生劑后該指標恢復至原樣瀝青狀態。最后將單價、摻量、針入度恢復指數、軟化點恢復指數、延度恢復指數、黏度恢復指數、凝點、閃點、施工工藝、環保等10個指標列入指標層，得到再生劑組分綜合評價體系，見圖1。

圖1 再生劑組分綜合評價遞階層次結構圖

3 影響因素權重計算

3.1 確定判斷矩陣

在模糊層次分析法中，兩因素間的重要程度用1～9等數字進行定量標識，例如1表示i跟j同等重要，9表示i比j絕對重要；數字越大，前者比后者越重要；若后者比前者重要，則取其倒數[13-14]。由相關專家按規定對各因素的重要性進行評判，評判結果見表2～表6。

由表2～表6可以形成判斷矩陣A0～A4，其中A0準則層判斷矩陣，A1、A2、A3和A4為指標層判斷矩陣。

表2 準則層權重專家評級表Table 2 Standard-level weight expert rating table評價體系相對重要性經濟性技術可行性材料特性施工便捷性評價準則A0經濟性1 1/353技術可行性3165材料特性 1/5 1/61 1/3施工便捷性 1/3 1/531

表3 經濟性指標權重專家評級表Table 3 Expert rating table for the weight of economic indicators評價體系相對重要性單價摻量經濟可行性A1單價13摻量1/31

表4 技術可行性指標權重專家評級表Table 4 Technical feasibility index weight expert rating table評價體系相對重要性RP25RSRD15RV技術可行性A2RP2511/31/51/5RS311/31/4RD155311/3RV5431

表5 材料特性指標權重專家評級表Table 5 Material characteristic index weight expert rating table評價體系相對重要性凝點閃點材料特性A3凝點11/3閃點31

表6 施工可行性指標權重專家評級表Table 6 Construction feasibility index weight expert rating table評價體系相對重要性施工工藝環境保護施工可行性A4施工工藝12環境保護1/21

3.2 計算各因素的權重

按照文獻[15]中所述方法，對各因素的權重值進行計算，以A0矩陣為例，具體計算步驟如下：

0.325 0.669)T。

3.3 一致性檢驗

由CI=(λmax-n)/(n-1)求得CI=0.050；查詢表7確定一致性指標RI=0.9；則一致性比例CR=CI/RI=0.056<0.1，判斷矩陣A0的一致性滿足要求；若CR>0.1，則認為判斷矩陣的不一致程度較大，需要對判斷矩陣進行重新調整[16]。同理，求得其它各指標的權重值和最大特征值，并進行一致性檢驗，計算結果見表8。

表7 平均隨機一致性指標RI取值Table7 Average random consistency index RI value階數RI10 20 30.5840.9 51.1261.24

表8 再生劑組分綜合評價指標權重匯總表Table8 Comprehensive evaluation index weight summary ta-ble of regenerant components目標層準則層權重指標層權重再生劑組分比選經濟性0.269單價0.750摻量0.250技術可行性0.553針入度恢復指數0.064軟化點恢復指數0.133延度恢復指數0.280黏度恢復指數0.523材料特性0.058凝點0.250閃點0.750施工可行性0.120施工工藝0.667環境保護0.333

由表8可知，準則層四因素中技術可行性的權重值最大，為0.553；材料特性的權重值最小，僅有0.058，即技術可行性對再生劑組分綜合評價影響最大，經濟性和施工可行性次之，材料特性對再生劑組分綜合評價影響最小。

4 再生劑組分綜合評價

4.1 建立因素評判矩陣

技術指標按其性質通?？煞譃槎ㄐ灾笜撕投恐笜藘深?，如單價、摻量、針入度恢復指數、延度恢復指數等為定量指標；施工工藝、環境保護等為定性指標。通過市場調查和室內試驗，得到經濟性因素、技術可行性因素和材料特性因素的指標值，各指標值見表9。

參考文獻[17]所述方法對各指標進行處理：對于定量因素，值越大越好的因素按rij=yij/max{yij}計算其隸屬度，值越小越好的因素按照rij=1-(yij-min{yij})/max{yij}計算其隸屬度；對于定性因素，按優、良、中、次、差進行分級，分別對應隸屬度為1、0.75、0.5、0.25和0，若定性因素評級處于上述5種等級之間，則通過線性內插計算其隸屬度，計算結果見表10和表11。將表10和表11各因素隸屬度計算結果進行匯總，得到單因素評判矩陣R如下：

表9 經濟性、技術可行性和材料特性指標匯總表Table 9 Summary table of economic, technical feasibility and material characteristics indicators改性劑種類摻量/%經濟性技術可行性材料特性單價/(元·t-1)摻量/%針入度恢復指數軟化點恢復指數延度恢復指數黏度恢復指數凝點/℃閃點/℃16 00010.220.240.010.30-2722136 00030.450.490.030.53-27221環烷油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芳烴油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亞麻油59 90050.800.770.130.80-1823579 90071.091.040.210.91-1823599 90091.161.150.230.94-18235

表10 定量因素隸屬度匯總表Table10 Summary Table of Membership of Quantitative Factors改性劑種類摻量/%經濟性技術可行性材料特性單價/(元·t-1)摻量/%針入度恢復指數軟化點恢復指數延度恢復指數黏度恢復指數凝點/℃閃點/℃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 環烷油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 芳烴油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 亞麻油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 定性因素隸屬度匯總表Table 11 Summary table of membership degree of qualitative factors改性劑種類摻量/%施工便捷性施工工藝環保10.920.9430.840.88環烷油50.760.8270.680.7290.600.6010.910.9030.800.80芳烴油50.710.6770.590.5490.480.4010.980.9830.950.94亞麻油50.920.9070.870.8690.800.82

4.2 計算各組方案綜合評分

再生劑組分的綜合比選，首先需要對指標層各指標進行單因素評價，即Si=WiRki，得到經濟性評價S1、技術可行性評價S2、材料特性評價S3，以及施工可行性評價S4，然后由S=W(S1S2

S3S4)T計算綜合評價得分[17]，以1%摻量的環烷油為例。

4.2.1準則層評價

a.經濟性評價。

b.技術可行性評價。

c.材料特性評價。

d.施工可行性評價。

4.2.2綜合評價

方案一的綜合評價為S=W(S1S2S3S4)T=0.460。

同理，得到其它各方案的綜合評價結果，見表12。

表12 再生劑組分綜合評價結果Table12 Comprehensive evaluation results of regenerant components方案改性劑種類摻量/%準則層評價經濟性技術可行性材料特性施工可行性綜合評價平均得分110.8490.2180.9240.9270.460230.7930.4110.9240.8530.5433環烷油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芳烴油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亞麻油50.4420.7340.8830.9000.6330.6031470.3860.9390.8830.8400.7241590.3310.9970.8830.7670.732

由上表可知，再生劑組分綜合評價平均得分排序為亞麻油>環烷油>芳烴油，并且9%摻量的亞麻油綜合評價在15個方案中得分最高，達到0.743，因此可以確定亞麻油為最佳再生劑組分。對比技術可行性因素可以發現，亞麻油的評價最高，摻量達到9%時技術可行性評分接近1.0，說明9%摻量的亞麻油對老化瀝青改性效果最好；此外，亞麻油的經濟性評價和材料特性評價得分較低，但是經濟性和材料特性兩因素的權重值較小，對綜合評分影響不大，所以最終評價結果主要取決于技術可行性的得分。

5 結論

a.在再生劑組分綜合評價過程中，準則層四因素的權重值排序為技術性可行性>經濟性>施工可行性>材料特性，即技術可行性對再生劑組分評價影響最大，材料特性影響最小。

b.通過計算分析，確定了亞麻油為最佳再生劑組分，對老化瀝青的改性效果最好，并提出其最佳摻量為9%。

c.模糊層次分析法通過專業人員對定量因素進行處理，定性分析與定量分析相結合，減少了主觀因素的影響，提高了評判結果的可靠性和真實性，為瀝青再生劑組分比選提供了參考依據。