摘要：對(duì)多組礦質(zhì)混合料, 按照瀝青混合料馬歇爾設(shè)計(jì)方法和Superpave 設(shè)計(jì)方法分別確定最佳瀝青含量T檢驗(yàn)表明, 兩種方法確定的最佳瀝青含量有顯著差異. 采用多元方差分析方法, 研究了瀝青混合料類型, 礦料級(jí)配類型、瀝青品種及礦料種類對(duì)兩種方法確定的瀝青含量差別的影響效果. 結(jié)果表明, 礦料級(jí)配類型是主要因素, 其他因素影響不顯著. 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)規(guī)律, 提出馬歇爾法和Superpave 法確定的最佳瀝青含量間的定量關(guān)系式, 并對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：道路工程；最佳瀝青含量；馬歇爾設(shè)計(jì)方法；Superpave 設(shè)計(jì)方法；粗級(jí)配；細(xì)級(jí)配
目前，世界上最流行的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)法，絕大部分是馬歇爾(M arshall)試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)方法，在美國還有維姆法(Hveem )。近年來，充分考慮瀝青混合料路用性能，直接與各種性能建立聯(lián)系的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)法受到廣泛關(guān)注。美國Superpave 體系[ 1 ] 及法國[ 2 ] 等都提出了這類設(shè)計(jì)方法，他們基本都是將設(shè)計(jì)瀝青混合料的各個(gè)成分由體積比換算得到質(zhì)量比，要求混合料的各項(xiàng)指標(biāo)符合所提出的設(shè)計(jì)目標(biāo)。馬歇爾法采用擊實(shí)成型法，維姆法、Superpave 法和GTM法均采用搓揉壓實(shí)成型法，成型方法不同，引起密實(shí)度不同，也就使最佳瀝青含量發(fā)生變化。
擊實(shí)成型法的優(yōu)點(diǎn)在于試件成型裝置較簡(jiǎn)便、成本低且攜帶方便，較易在現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室里成型試件。其主要缺點(diǎn)為：瀝青混合料結(jié)構(gòu)性能(如永久變形能力) 不同于現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)的瀝青混凝土；成型的試件也無法模擬通車多年后橡膠輪胎對(duì)瀝青路面的壓實(shí)效果。搓揉壓實(shí)是模擬路面施工過程的碾壓，其優(yōu)點(diǎn)是在成型過程中能使集料的位置排列得到大的移動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 NCHRP/AAMA S研究指出[ 3 ]，搓揉壓實(shí)成型的試件在物理和力學(xué)性能方面均與現(xiàn)場(chǎng)鉆取的芯試件大體相當(dāng)，能較好地代表在現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)的試件。 但由于國外搓揉壓實(shí)機(jī)機(jī)構(gòu)復(fù)雜, 且型號(hào)也有好幾種，一時(shí)難以在國內(nèi)推廣，故沒有定為我國的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。因此，馬歇爾擊實(shí)成型仍是主要成型方法。目前，廣大道路技術(shù)人員關(guān)心研究并建立馬歇爾成型與搓揉成型試件的配合比設(shè)計(jì)確定的最佳瀝青含量間的關(guān)系。
1 試驗(yàn)
1.1 方案和樣本
礦料級(jí)配類型根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)分為粗級(jí)配和細(xì)級(jí)配[ 4 ]。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，混合料的分類由礦料公稱最大粒徑命名，本文選擇了上面層、中面層及下面層常用的AC13, SMA 13,AC20 和AC25等4種瀝青混合料。瀝青分為普通瀝青和改性瀝青。礦料則選擇了常用的花崗巖、玄武巖、石灰?guī)r1、石灰?guī)r2及輝綠巖等5 種。
1.2 試驗(yàn)方法
根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的馬歇爾試驗(yàn)方法，兩面擊實(shí)75 次成型馬歇爾試件。按照表干法測(cè)定試件的密度，瀝青混合料的最大理論相對(duì)密度由真空法實(shí)測(cè)，然后計(jì)算空隙率、瀝青飽和度及礦料間隙率等物理指標(biāo)，進(jìn)行體積組成分析。最后按照馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果和體積參數(shù)確定最佳瀝青含量[ 5 ]。
根據(jù)我國瀝青混合料設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和一般的交通量考慮[ 6, 7 ]，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計(jì)的初始次數(shù)N ini= 8,N des= 100,N max= 160. 瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)按照Superpave 混合料設(shè)計(jì)方法進(jìn)行[ 1 ]。
1. 3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
根據(jù)我國的馬歇爾試驗(yàn)法和美國的Superpave 法，對(duì)31組瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)確定的最佳瀝青含量試驗(yàn)結(jié)果見表1。表中OACm 為馬歇爾法,OACsup為Superpave 法。
在圖1中畫出了1∶1對(duì)角線，表2中置信度為95%，T值越大，P值越小，表示配對(duì)樣本組的最佳瀝青含量差值的差異越顯著。 P值在0. 05以下，表示兩種方法測(cè)量的密度存在明顯差異。從表2可見，對(duì)于31 組瀝青混合料的最佳瀝青含量差值，其P值為0. 00，小于0. 05，從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上說明兩種方法的密度差值有明顯差異。表3的31組試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，馬歇爾法確定的平均最佳瀝青含量值比Superpave 法確定的大0. 41%，95% 置信水平的差值范圍為0. 32%～ 0. 50%。因此，95% 置信水平的下限也超過了我國公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[ 5 ] 容許的瀝青含量允許偏差0. 3%。這是試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出的一個(gè)基本結(jié)論, 與文獻(xiàn)[6, 7 ]結(jié)論一致. 馬歇爾方法和Superpave 法的差異，主要是成型方法和體積指標(biāo)的計(jì)算不同。在體積分析時(shí)，集料表面的孔隙考慮了瀝青可以被吸入的影響，產(chǎn)生了有效瀝青用量的概念。我國目前的計(jì)算方法并沒有將這部分吸收瀝青從總瀝青中扣除，但在真空法測(cè)定混合料體積時(shí)包括了瀝青吸入部分的影響。本批試驗(yàn)均采用真空法測(cè)量和計(jì)算瀝青混合料的體積參數(shù)，因此，差異主要來源于成型方法的不同。
影響兩種成型方法的因素有材料本身的原因，也有礦料級(jí)配的原因。從試驗(yàn)的可操作性和工程實(shí)際中實(shí)施的可能性出發(fā)，本文選擇礦料種類、瀝青品種作為材料本身的因素，用級(jí)配類型和混合料類型作為衡量礦料級(jí)配的因素進(jìn)行試驗(yàn)分析。表4 是利用SPSS[ 8 ]軟件統(tǒng)計(jì)計(jì)算的31 組瀝青混合料兩種方法設(shè)計(jì)的結(jié)果，方差分析的置信水平為95% ，計(jì)算時(shí)顯著水平A= 0. 05， 相關(guān)系數(shù)R2= 0. 48 (調(diào)整后的R2= 0. 29)。
方差分析模型的F值為2. 50, P = 0. 04, 小于0. 05, 因此所用的模型有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義, 可以用它來繼續(xù)判斷模型中系數(shù)有無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義. 從Ｐ值大小可判斷各因素對(duì)最佳瀝青含量差值的影響。由表4 可知, 對(duì)最佳瀝青含量差值有顯著影響的因素是礦料級(jí)配類型(F = 12. 38, P = 0. 00, P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0. 05) , 其它如混合料類型、瀝青、礦料種類的P值均遠(yuǎn)大于0. 05, 影響很不顯著。關(guān)連強(qiáng)度指數(shù)說明因變量(最佳瀝青含量差值) 總變異中, 有多少百分比的變異量可以被自變量(4個(gè)因素) 所解釋. 依Cohen 所提標(biāo)準(zhǔn)[ 9 ] , 解釋變異量在6% 以下者, 顯示變量間的關(guān)系微弱; 解釋變異量在6%～ 16% 之間, 顯示變量間屬中度關(guān)系; 解釋變異量在16% 以上者, 顯示變量間具強(qiáng)度關(guān)系. 與最佳瀝青含量差值有強(qiáng)度關(guān)系的是礦料級(jí)配類型; 中度關(guān)系的是混合料類型; 微弱關(guān)系是集料品種; 沒有關(guān)系的是瀝青品種。
由于只有礦料級(jí)配類型對(duì)兩種方法確定的最佳瀝青含量差值有顯著影響, 那么級(jí)配類型是影響兩種方法確定的最佳瀝青含量差異的唯一主要因素, 其他因素的影響可以不考慮.
2 兩種最佳瀝青含量的關(guān)系
在目前旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀未得到推廣使用的條件下, 如何用馬歇爾擊實(shí)法代替旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型法確
定最佳瀝青含量, 就是要盡量準(zhǔn)確地建立兩種配合比設(shè)計(jì)的瀝青含量之間的關(guān)系. 根據(jù)上述分析,對(duì)31 組瀝青混合料根據(jù)級(jí)配類型分為2大類, 然后進(jìn)行回歸分析, 尋找兩種方法確定的最佳瀝青含量的關(guān)系。式(1)是19組粗級(jí)配瀝青混合料兩種方法的最佳瀝青含量關(guān)系回歸方程, 式(2) 是12組細(xì)級(jí)配瀝青混合料兩種方法的最佳瀝青含量關(guān)系回歸方程, 即
y 1= 0. 38+ 0. 86x 1 R = 0. 938; (1)
y 2= 1. 05x 2- 0. 82 R = 0. 669, (2)
式中, y 1 為Superpave 法確定的粗級(jí)配最佳瀝青用量(% ) ； x 1 為馬歇爾法確定的粗級(jí)配最佳瀝青用量(% ) ； y 2 為Superpave 法確定的細(xì)級(jí)配最佳瀝青用量(% ) ； x 2 為馬歇爾法確定的細(xì)級(jí)配最佳瀝青用量(% )。
由表5可見, 方程(1)的F值為125. 39, P值為0. 00；方程(2) 的F值為8. 10, P 值為0. 02，因此這兩個(gè)回歸模型是有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的。
由表6 包括常數(shù)項(xiàng)在內(nèi)的所有系數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果可見， 在模型1 (粗級(jí)配) 和模型2 (細(xì)級(jí)配) 中，馬歇爾法最佳瀝青含量都具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義. 常數(shù)項(xiàng)雖沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但出于常識(shí)，應(yīng)將其保留在方程中。
表7是31組瀝青混合料由馬歇爾法確定的最佳瀝青含量, 根據(jù)本批試驗(yàn)建立的經(jīng)驗(yàn)回歸方程預(yù)測(cè)的Superpave 法確定的最佳瀝青含量匯總表。根據(jù)現(xiàn)行施工規(guī)范[ 5 ] , 實(shí)際施工時(shí)允許的瀝青含量誤差為0. 3%. 因此, 本文以實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值差值是否超過0. 3% 作為衡量模型的實(shí)用性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。從表7 可見, 19 組粗級(jí)配瀝青混合料中, 所有預(yù)測(cè)的最佳瀝青含量與實(shí)測(cè)的最佳瀝青含量均沒有相差0. 3% 以上, 因此, 對(duì)于粗級(jí)配瀝青混合料, 兩種方法確定的最佳瀝青含量回歸方程不僅具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義, 也具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值, 回歸方程可以在工程實(shí)際中應(yīng)用. 12 組細(xì)級(jí)配瀝青混合料中, 有3 組預(yù)測(cè)的最佳瀝青含量與實(shí)測(cè)的最佳瀝青含量相差超過0. 3% , 占試驗(yàn)樣本的25%。因此, 對(duì)于細(xì)級(jí)配瀝青混合料, 兩種方法確定的最佳瀝青含量回歸方程僅具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義, 但沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值, 因此由回歸方程預(yù)測(cè)的最佳瀝青含量不能在工程實(shí)際中應(yīng)用. 即對(duì)于細(xì)級(jí)配瀝青混合料, 馬歇爾法確定的最佳瀝青含量與Superpave 法確定的最佳瀝青含量之間有顯著差異, 前者最佳瀝青含量肯定大于后者確定的最佳瀝青含量, 但是很難建立有效的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
3 結(jié)論
a. 對(duì)于粗級(jí)配瀝青混合料和細(xì)級(jí)配瀝青混合料, 兩種方法確定的最佳瀝青含量有顯著差異, 馬歇爾法確定的最佳瀝青含量比Superpave 法確定的最佳瀝青含量大。
b. 影響兩種方法確定的最佳瀝青含量差異的主要因素是礦料級(jí)配類型，混合料類型、瀝青品種、集料種類對(duì)最佳瀝青含量差異影響很小或沒有影響。
c. 對(duì)于粗級(jí)配瀝青混合料，兩種方法的最佳瀝青含量關(guān)系可用線性回歸方程表示，回歸方程效果顯著，預(yù)測(cè)值誤差在規(guī)范或工程實(shí)際允許的誤差范圍內(nèi)，回歸方程具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
d. 對(duì)于細(xì)級(jí)配瀝青混合料, 兩種方法的最佳瀝青含量用線性回歸方程表示, 僅具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，預(yù)測(cè)值誤差有25% 超過規(guī)范或工程實(shí)際允許的誤差范圍，回歸方程沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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