摘要：對多組礦質(zhì)混合料, 按照瀝青混合料馬歇爾設(shè)計方法和Superpave 設(shè)計方法分別確定瀝青含量T檢驗表明, 兩種方法確定的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, 礦料級配類型、瀝青品種及礦料種類對兩種方法確定的瀝青含量差別的影響效果. 結(jié)果表明, 礦料級配類型是主要因素, 其他因素影響不顯著. 根據(jù)試驗結(jié)果的統(tǒng)計規(guī)律, 提出馬歇爾法和Superpave 法確定的瀝青含量間的定量關(guān)系式, 并對模型進行檢驗和實際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青含量；馬歇爾設(shè)計方法；Superpave 設(shè)計方法；粗級配；細(xì)級配
目前，世界上最流行的瀝青混合料配合比設(shè)計法，絕大部分是馬歇爾(M arshall)試驗配合比設(shè)計方法，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)計方法，他們基本都是將設(shè)計瀝青混合料的各個成分由體積比換算得到質(zhì)量比，要求混合料的各項指標(biāo)符合所提出的設(shè)計目標(biāo)。馬歇爾法采用擊實成型法，維姆法、Superpave 法和GTM法均采用搓揉壓實成型法，成型方法不同，引起密實度不同，也就使瀝青含量發(fā)生變化。
擊實成型法的優(yōu)點在于試件成型裝置較簡便、成本低且攜帶方便，較易在現(xiàn)場和實驗室里成型試件。其主要缺點為：瀝青混合料結(jié)構(gòu)性能(如永久變形能力) 不同于現(xiàn)場壓實的瀝青混凝土；成型的試件也無法模擬通車多年后橡膠輪胎對瀝青路面的壓實效果。搓揉壓實是模擬路面施工過程的碾壓，其優(yōu)點是在成型過程中能使集料的位置排列得到大的移動，達到穩(wěn)定狀態(tài)。 NCHRP/AAMA S研究指出，搓揉壓實成型的試件在物理和力學(xué)性能方面均與現(xiàn)場鉆取的芯試件大體相當(dāng)，能較好地代表在現(xiàn)場壓實的試件。 但由于國外搓揉壓實機機構(gòu)復(fù)雜, 且型號也有好幾種，一時難以在國內(nèi)推廣，故沒有定為我國的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。因此，馬歇爾擊實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)計確定的瀝青含量間的關(guān)系。
1 試驗
1.1 方案和樣本
礦料級配類型根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)分為粗級配和細(xì)級配。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，混合料的分類由礦料公稱粒徑命名，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 試驗方法
根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的馬歇爾試驗方法，兩面擊實75 次成型馬歇爾試件。按照表干法測定試件的密度，瀝青混合料的理論相對密度由真空法實測，然后計算空隙率、瀝青飽和度及礦料間隙率等物理指標(biāo)，進行體積組成分析。最后按照馬歇爾試驗結(jié)果和體積參數(shù)確定瀝青含量。
根據(jù)我國瀝青混合料設(shè)計現(xiàn)狀和一般的交通量考慮[，旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計的初始次數(shù)N ini= 8,N des= 100,N max= 160. 瀝青混合料的配合比設(shè)計按照Superpave 混合料設(shè)計方法進行。
1. 3 試驗結(jié)果及分析
根據(jù)我國的馬歇爾試驗法和美國的Superpave 法，對31組瀝青混合料進行配合比設(shè)計確定的瀝青含量試驗結(jié)果。
影響兩種成型方法的因素有材料本身的原因，也有礦料級配的原因。從試驗的可操作性和工程實際中實施的可能性出發(fā)，本文選擇礦料種類、瀝青品種作為材料本身的因素，用級配類型和混合料類型作為衡量礦料級配的因素進行試驗分析。
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)計學(xué)意義. 從Ｐ值大小可判斷各因素對瀝青含量差值的影響。由表4 可知, 對瀝青含量差值有顯著影響的因素是礦料級配類型(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)連強度指數(shù)說明因變量(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, 顯示變量間具強度關(guān)系. 與瀝青含量差值有強度關(guān)系的是礦料級配類型; 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。
由于只有礦料級配類型對兩種方法確定的瀝青含量差值有顯著影響, 那么級配類型是影響兩種方法確定的瀝青含量差異的主要因素, 其他因素的影響可以不考慮.
2 兩種瀝青含量的關(guān)系
在目前旋轉(zhuǎn)壓實儀未得到推廣使用的條件下, 如何用馬歇爾擊實法代替旋轉(zhuǎn)壓實成型法確
定瀝青含量, 就是要盡量準(zhǔn)確地建立兩種配合比設(shè)計的瀝青含量之間的關(guān)系. 根據(jù)上述分析,對31 組瀝青混合料根據(jù)級配類型分為2大類, 然后進行回歸分析, 尋找兩種方法確定的瀝青含量的關(guān)系。式(1)是19組粗級配瀝青混合料兩種方法的瀝青含量關(guān)系回歸方程, 式(2) 是12組細(xì)級配瀝青混合料兩種方法的瀝青含量關(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 法確定的粗級配瀝青用量(% ) ； x 1 為馬歇爾法確定的粗級配瀝青用量(% ) ； y 2 為Superpave 法確定的細(xì)級配瀝青用量(% ) ； x 2 為馬歇爾法確定的細(xì)級配瀝青用量(% )。
根據(jù)本批試驗建立的經(jīng)驗回歸方程預(yù)測的Superpave 法確定的瀝青含量匯總表。根據(jù)現(xiàn)行施工規(guī)范 , 實際施工時允許的瀝青含量誤差為0. 3%. 因此, 本文以實測值與預(yù)測值差值是否超過0. 3% 作為衡量模型的實用性檢驗標(biāo)準(zhǔn)。從表7 可見, 19 組粗級配瀝青混合料中, 所有預(yù)測的瀝青含量與實測的瀝青含量均沒有相差0. 3% 以上, 因此, 對于粗級配瀝青混合料, 兩種方法確定的瀝青含量回歸方程不僅具有統(tǒng)計學(xué)意義, 也具有實際應(yīng)用價值, 回歸方程可以在工程實際中應(yīng)用. 12 組細(xì)級配瀝青混合料中, 有3 組預(yù)測的瀝青含量與實測的瀝青含量相差超過0. 3% , 占試驗樣本的25%。因此, 對于細(xì)級配瀝青混合料, 兩種方法確定的瀝青含量回歸方程僅具有統(tǒng)計學(xué)意義, 但沒有實際應(yīng)用價值, 因此由回歸方程預(yù)測的瀝青含量不能在工程實際中應(yīng)用. 即對于細(xì)級配瀝青混合料, 馬歇爾法確定的瀝青含量與Superpave 法確定的瀝青含量之間有顯著差異, 前者瀝青含量肯定大于后者確定的瀝青含量, 但是很難建立有效的對應(yīng)關(guān)系。
3 結(jié)論
a. 對于粗級配瀝青混合料和細(xì)級配瀝青混合料, 兩種方法確定的瀝青含量有顯著差異, 馬歇爾法確定的瀝青含量比Superpave 法確定的瀝青含量大。
b. 影響兩種方法確定的瀝青含量差異的主要因素是礦料級配類型，混合料類型、瀝青品種、集料種類對瀝青含量差異影響很小或沒有影響。
c. 對于粗級配瀝青混合料，兩種方法的瀝青含量關(guān)系可用線性回歸方程表示，回歸方程效果顯著，預(yù)測值誤差在規(guī)范或工程實際允許的誤差范圍內(nèi)，回歸方程具有實際應(yīng)用價值。
d. 對于細(xì)級配瀝青混合料, 兩種方法的瀝青含量用線性回歸方程表示, 僅具有統(tǒng)計學(xué)意義，預(yù)測值誤差有25% 超過規(guī)范或工程實際允許的誤差范圍，回歸方程沒有實際應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青含量；馬歇爾設(shè)計方法；Superpave 設(shè)計方法；粗級配；細(xì)級配
目前，世界上最流行的瀝青混合料配合比設(shè)計法，絕大部分是馬歇爾(M arshall)試驗配合比設(shè)計方法，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)計方法，他們基本都是將設(shè)計瀝青混合料的各個成分由體積比換算得到質(zhì)量比，要求混合料的各項指標(biāo)符合所提出的設(shè)計目標(biāo)。馬歇爾法采用擊實成型法，維姆法、Superpave 法和GTM法均采用搓揉壓實成型法，成型方法不同，引起密實度不同，也就使瀝青含量發(fā)生變化。
擊實成型法的優(yōu)點在于試件成型裝置較簡便、成本低且攜帶方便，較易在現(xiàn)場和實驗室里成型試件。其主要缺點為：瀝青混合料結(jié)構(gòu)性能(如永久變形能力) 不同于現(xiàn)場壓實的瀝青混凝土；成型的試件也無法模擬通車多年后橡膠輪胎對瀝青路面的壓實效果。搓揉壓實是模擬路面施工過程的碾壓，其優(yōu)點是在成型過程中能使集料的位置排列得到大的移動，達到穩(wěn)定狀態(tài)。 NCHRP/AAMA S研究指出，搓揉壓實成型的試件在物理和力學(xué)性能方面均與現(xiàn)場鉆取的芯試件大體相當(dāng)，能較好地代表在現(xiàn)場壓實的試件。 但由于國外搓揉壓實機機構(gòu)復(fù)雜, 且型號也有好幾種，一時難以在國內(nèi)推廣，故沒有定為我國的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。因此，馬歇爾擊實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)計確定的瀝青含量間的關(guān)系。
1 試驗
1.1 方案和樣本
礦料級配類型根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)分為粗級配和細(xì)級配。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，混合料的分類由礦料公稱粒徑命名，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 試驗方法
根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的馬歇爾試驗方法，兩面擊實75 次成型馬歇爾試件。按照表干法測定試件的密度，瀝青混合料的理論相對密度由真空法實測，然后計算空隙率、瀝青飽和度及礦料間隙率等物理指標(biāo)，進行體積組成分析。最后按照馬歇爾試驗結(jié)果和體積參數(shù)確定瀝青含量。
根據(jù)我國瀝青混合料設(shè)計現(xiàn)狀和一般的交通量考慮[，旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計的初始次數(shù)N ini= 8,N des= 100,N max= 160. 瀝青混合料的配合比設(shè)計按照Superpave 混合料設(shè)計方法進行。
1. 3 試驗結(jié)果及分析
根據(jù)我國的馬歇爾試驗法和美國的Superpave 法，對31組瀝青混合料進行配合比設(shè)計確定的瀝青含量試驗結(jié)果。
影響兩種成型方法的因素有材料本身的原因，也有礦料級配的原因。從試驗的可操作性和工程實際中實施的可能性出發(fā)，本文選擇礦料種類、瀝青品種作為材料本身的因素，用級配類型和混合料類型作為衡量礦料級配的因素進行試驗分析。
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)計學(xué)意義. 從Ｐ值大小可判斷各因素對瀝青含量差值的影響。由表4 可知, 對瀝青含量差值有顯著影響的因素是礦料級配類型(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)連強度指數(shù)說明因變量(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, 顯示變量間具強度關(guān)系. 與瀝青含量差值有強度關(guān)系的是礦料級配類型; 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。
由于只有礦料級配類型對兩種方法確定的瀝青含量差值有顯著影響, 那么級配類型是影響兩種方法確定的瀝青含量差異的主要因素, 其他因素的影響可以不考慮.
2 兩種瀝青含量的關(guān)系
在目前旋轉(zhuǎn)壓實儀未得到推廣使用的條件下, 如何用馬歇爾擊實法代替旋轉(zhuǎn)壓實成型法確
定瀝青含量, 就是要盡量準(zhǔn)確地建立兩種配合比設(shè)計的瀝青含量之間的關(guān)系. 根據(jù)上述分析,對31 組瀝青混合料根據(jù)級配類型分為2大類, 然后進行回歸分析, 尋找兩種方法確定的瀝青含量的關(guān)系。式(1)是19組粗級配瀝青混合料兩種方法的瀝青含量關(guān)系回歸方程, 式(2) 是12組細(xì)級配瀝青混合料兩種方法的瀝青含量關(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 法確定的粗級配瀝青用量(% ) ； x 1 為馬歇爾法確定的粗級配瀝青用量(% ) ； y 2 為Superpave 法確定的細(xì)級配瀝青用量(% ) ； x 2 為馬歇爾法確定的細(xì)級配瀝青用量(% )。
根據(jù)本批試驗建立的經(jīng)驗回歸方程預(yù)測的Superpave 法確定的瀝青含量匯總表。根據(jù)現(xiàn)行施工規(guī)范 , 實際施工時允許的瀝青含量誤差為0. 3%. 因此, 本文以實測值與預(yù)測值差值是否超過0. 3% 作為衡量模型的實用性檢驗標(biāo)準(zhǔn)。從表7 可見, 19 組粗級配瀝青混合料中, 所有預(yù)測的瀝青含量與實測的瀝青含量均沒有相差0. 3% 以上, 因此, 對于粗級配瀝青混合料, 兩種方法確定的瀝青含量回歸方程不僅具有統(tǒng)計學(xué)意義, 也具有實際應(yīng)用價值, 回歸方程可以在工程實際中應(yīng)用. 12 組細(xì)級配瀝青混合料中, 有3 組預(yù)測的瀝青含量與實測的瀝青含量相差超過0. 3% , 占試驗樣本的25%。因此, 對于細(xì)級配瀝青混合料, 兩種方法確定的瀝青含量回歸方程僅具有統(tǒng)計學(xué)意義, 但沒有實際應(yīng)用價值, 因此由回歸方程預(yù)測的瀝青含量不能在工程實際中應(yīng)用. 即對于細(xì)級配瀝青混合料, 馬歇爾法確定的瀝青含量與Superpave 法確定的瀝青含量之間有顯著差異, 前者瀝青含量肯定大于后者確定的瀝青含量, 但是很難建立有效的對應(yīng)關(guān)系。
3 結(jié)論
a. 對于粗級配瀝青混合料和細(xì)級配瀝青混合料, 兩種方法確定的瀝青含量有顯著差異, 馬歇爾法確定的瀝青含量比Superpave 法確定的瀝青含量大。
b. 影響兩種方法確定的瀝青含量差異的主要因素是礦料級配類型，混合料類型、瀝青品種、集料種類對瀝青含量差異影響很小或沒有影響。
c. 對于粗級配瀝青混合料，兩種方法的瀝青含量關(guān)系可用線性回歸方程表示，回歸方程效果顯著，預(yù)測值誤差在規(guī)范或工程實際允許的誤差范圍內(nèi)，回歸方程具有實際應(yīng)用價值。
d. 對于細(xì)級配瀝青混合料, 兩種方法的瀝青含量用線性回歸方程表示, 僅具有統(tǒng)計學(xué)意義，預(yù)測值誤差有25% 超過規(guī)范或工程實際允許的誤差范圍，回歸方程沒有實際應(yīng)用價值。