兩種設(shè)計(jì)方法的最佳瀝青含量關(guān)系探討
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(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便、成本低且攜帶方便,較易在現(xiàn)場和實(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)場鉆取的芯試件大體相當(dāng),能較好地代表在現(xiàn)場壓實(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
礦料級配類型根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)分為粗級配和細(xì)級配[ 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。按照表干法測定試件的密度,瀝青混合料的最大理論相對密度由真空法實(shí)測,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對角線,表2中置信度為95%,T值越大,P值越小,表示配對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,表示兩種方法測量的密度存在明顯差異。從表2可見,對于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,用級配類型和混合料類型作為衡量礦料級配的因素進(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最佳瀝青含量差值的影響。由表4 可知, 對最佳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(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最佳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
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 (粗級配) 和模型2 (細(xì)級配) 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,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)測值與預(yù)測值差值是否超過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 組粗級配瀝青混合料中, 所有預(yù)測的最佳瀝青含量與實(shí)測的最佳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)級配瀝青混合料中, 有3 組預(yù)測的最佳瀝青含量與實(shí)測的最佳瀝青含量相差超過0. 3% , 占試驗(yàn)樣本的25%。因此, 對于細(xì)級配瀝青混合料, 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)測的最佳瀝青含量不能在工程實(shí)際中應(yīng)用. 即對于細(xì)級配瀝青混合料, 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應(yīng)關(guān)系。
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配類型,混合料類型、瀝青品種、集料種類對最佳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. 對于細(xì)級配瀝青混合料, 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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