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两种设计方法的最佳沥青含量关系探讨
2009/04/09 00:00
来源：东南大学 李闯民 长沙理工大学 商玉田
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摘要：对多组矿质混合料, 按照沥青混合料马歇尔设计方法和Superpave 设计方法分别确定最佳沥青含量T检验表明, 两种方法确定的最佳沥青含量有显著差异. 采用多元方差分析方法, 研究了沥青混合料类型, 矿料级配类型、沥青品种及矿料种类对两种方法确定的沥青含量差别的影响效果. 结果表明, 矿料级配类型是主要因素, 其他因素影响不显著. 根据试验结果的统计规律, 提出马歇尔法和Superpave 法确定的最佳沥青含量间的定量关系式, 并对模型进行检验和实际应用。
关键词：道路工程；最佳沥青含量；马歇尔设计方法；Superpave 设计方法；粗级配；细级配
目前，世界上最流行的沥青混合料配合比设计法，绝大部分是马歇尔(M arshall)试验配合比设计方法，在美国还有维姆法(Hveem )。近年来，充分考虑沥青混合料路用性能，直接与各种性能建立联系的沥青混合料配合比设计法受到广泛关注。美国Superpave 体系[ 1 ] 及法国[ 2 ] 等都提出了这类设计方法，他们基本都是将设计沥青混合料的各个成分由体积比换算得到质量比，要求混合料的各项指标符合所提出的设计目标。马歇尔法采用击实成型法，维姆法、Superpave 法和GTM法均采用搓揉压实成型法，成型方法不同，引起密实度不同，也就使最佳沥青含量发生变化。
击实成型法的优点在于试件成型装置较简便、成本低且携带方便，较易在现场和实验室里成型试件。其主要缺点为：沥青混合料结构性能(如永久变形能力) 不同于现场压实的沥青混凝土；成型的试件也无法模拟通车多年后橡胶轮胎对沥青路面的压实效果。搓揉压实是模拟路面施工过程的碾压，其优点是在成型过程中能使集料的位置排列得到大的移动，达到稳定状态。 NCHRP/AAMA S研究指出[ 3 ]，搓揉压实成型的试件在物理和力学性能方面均与现场钻取的芯试件大体相当，能较好地代表在现场压实的试件。 但由于国外搓揉压实机机构复杂, 且型号也有好几种，一时难以在国内推广，故没有定为我国的标准试验方法。因此，马歇尔击实成型仍是主要成型方法。目前，广大道路技术人员关心研究并建立马歇尔成型与搓揉成型试件的配合比设计确定的最佳沥青含量间的关系。
1 试验
1.1 方案和样本
矿料级配类型根据划分标准分为粗级配和细级配[ 4 ]。根据现行规范，混合料的分类由矿料公称最大粒径命名，本文选择了上面层、中面层及下面层常用的AC13, SMA 13,AC20 和AC25等4种沥青混合料。沥青分为普通沥青和改性沥青。矿料则选择了常用的花岗岩、玄武岩、石灰岩1、石灰岩2及辉绿岩等5 种。
1.2 试验方法
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的马歇尔试验方法，两面击实75 次成型马歇尔试件。按照表干法测定试件的密度，沥青混合料的最大理论相对密度由真空法实测，然后计算空隙率、沥青饱和度及矿料间隙率等物理指标，进行体积组成分析。最后按照马歇尔试验结果和体积参数确定最佳沥青含量[ 5 ]。
根据我国沥青混合料设计现状和一般的交通量考虑[ 6, 7 ]，旋转压实设计的初始次数N ini= 8,N des= 100,N max= 160. 沥青混合料的配合比设计按照Superpave 混合料设计方法进行[ 1 ]。
1. 3 试验结果及分析
根据我国的马歇尔试验法和美国的Superpave 法，对31组沥青混合料进行配合比设计确定的最佳沥青含量试验结果见表1。表中OACm 为马歇尔法,OACsup为Superpave 法。
在图1中画出了1∶1对角线，表2中置信度为95%，T值越大，P值越小，表示配对样本组的最佳沥青含量差值的差异越显著。 P值在0. 05以下，表示两种方法测量的密度存在明显差异。从表2可见，对于31 组沥青混合料的最佳沥青含量差值，其P值为0. 00，小于0. 05，从统计学意义上说明两种方法的密度差值有明显差异。表3的31组试验结果统计表明，马歇尔法确定的平均最佳沥青含量值比Superpave 法确定的大0. 41%，95% 置信水平的差值范围为0. 32%～ 0. 50%。因此，95% 置信水平的下限也超过了我国公路沥青路面施工技术规范[ 5 ] 容许的沥青含量允许偏差0. 3%。这是试验统计得出的一个基本结论, 与文献[6, 7 ]结论一致. 马歇尔方法和Superpave 法的差异，主要是成型方法和体积指标的计算不同。在体积分析时，集料表面的孔隙考虑了沥青可以被吸入的影响，产生了有效沥青用量的概念。我国目前的计算方法并没有将这部分吸收沥青从总沥青中扣除，但在真空法测定混合料体积时包括了沥青吸入部分的影响。本批试验均采用真空法测量和计算沥青混合料的体积参数，因此，差异主要来源于成型方法的不同。
影响两种成型方法的因素有材料本身的原因，也有矿料级配的原因。从试验的可操作性和工程实际中实施的可能性出发，本文选择矿料种类、沥青品种作为材料本身的因素，用级配类型和混合料类型作为衡量矿料级配的因素进行试验分析。表4 是利用SPSS[ 8 ]软件统计计算的31 组沥青混合料两种方法设计的结果，方差分析的置信水平为95% ，计算时显著水平A= 0. 05， 相关系数R2= 0. 48 (调整后的R2= 0. 29)。
（中国混凝土与水泥制品网 转载请注明出处）
关键词：道路工程；最佳沥青含量；马歇尔设计方法；Superpave 设计方法；粗级配；细级配
目前，世界上最流行的沥青混合料配合比设计法，绝大部分是马歇尔(M arshall)试验配合比设计方法，在美国还有维姆法(Hveem )。近年来，充分考虑沥青混合料路用性能，直接与各种性能建立联系的沥青混合料配合比设计法受到广泛关注。美国Superpave 体系[ 1 ] 及法国[ 2 ] 等都提出了这类设计方法，他们基本都是将设计沥青混合料的各个成分由体积比换算得到质量比，要求混合料的各项指标符合所提出的设计目标。马歇尔法采用击实成型法，维姆法、Superpave 法和GTM法均采用搓揉压实成型法，成型方法不同，引起密实度不同，也就使最佳沥青含量发生变化。
击实成型法的优点在于试件成型装置较简便、成本低且携带方便，较易在现场和实验室里成型试件。其主要缺点为：沥青混合料结构性能(如永久变形能力) 不同于现场压实的沥青混凝土；成型的试件也无法模拟通车多年后橡胶轮胎对沥青路面的压实效果。搓揉压实是模拟路面施工过程的碾压，其优点是在成型过程中能使集料的位置排列得到大的移动，达到稳定状态。 NCHRP/AAMA S研究指出[ 3 ]，搓揉压实成型的试件在物理和力学性能方面均与现场钻取的芯试件大体相当，能较好地代表在现场压实的试件。 但由于国外搓揉压实机机构复杂, 且型号也有好几种，一时难以在国内推广，故没有定为我国的标准试验方法。因此，马歇尔击实成型仍是主要成型方法。目前，广大道路技术人员关心研究并建立马歇尔成型与搓揉成型试件的配合比设计确定的最佳沥青含量间的关系。
1 试验
1.1 方案和样本
矿料级配类型根据划分标准分为粗级配和细级配[ 4 ]。根据现行规范，混合料的分类由矿料公称最大粒径命名，本文选择了上面层、中面层及下面层常用的AC13, SMA 13,AC20 和AC25等4种沥青混合料。沥青分为普通沥青和改性沥青。矿料则选择了常用的花岗岩、玄武岩、石灰岩1、石灰岩2及辉绿岩等5 种。
1.2 试验方法
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的马歇尔试验方法，两面击实75 次成型马歇尔试件。按照表干法测定试件的密度，沥青混合料的最大理论相对密度由真空法实测，然后计算空隙率、沥青饱和度及矿料间隙率等物理指标，进行体积组成分析。最后按照马歇尔试验结果和体积参数确定最佳沥青含量[ 5 ]。
根据我国沥青混合料设计现状和一般的交通量考虑[ 6, 7 ]，旋转压实设计的初始次数N ini= 8,N des= 100,N max= 160. 沥青混合料的配合比设计按照Superpave 混合料设计方法进行[ 1 ]。
1. 3 试验结果及分析
根据我国的马歇尔试验法和美国的Superpave 法，对31组沥青混合料进行配合比设计确定的最佳沥青含量试验结果见表1。表中OACm 为马歇尔法,OACsup为Superpave 法。
在图1中画出了1∶1对角线，表2中置信度为95%，T值越大，P值越小，表示配对样本组的最佳沥青含量差值的差异越显著。 P值在0. 05以下，表示两种方法测量的密度存在明显差异。从表2可见，对于31 组沥青混合料的最佳沥青含量差值，其P值为0. 00，小于0. 05，从统计学意义上说明两种方法的密度差值有明显差异。表3的31组试验结果统计表明，马歇尔法确定的平均最佳沥青含量值比Superpave 法确定的大0. 41%，95% 置信水平的差值范围为0. 32%～ 0. 50%。因此，95% 置信水平的下限也超过了我国公路沥青路面施工技术规范[ 5 ] 容许的沥青含量允许偏差0. 3%。这是试验统计得出的一个基本结论, 与文献[6, 7 ]结论一致. 马歇尔方法和Superpave 法的差异，主要是成型方法和体积指标的计算不同。在体积分析时，集料表面的孔隙考虑了沥青可以被吸入的影响，产生了有效沥青用量的概念。我国目前的计算方法并没有将这部分吸收沥青从总沥青中扣除，但在真空法测定混合料体积时包括了沥青吸入部分的影响。本批试验均采用真空法测量和计算沥青混合料的体积参数，因此，差异主要来源于成型方法的不同。
影响两种成型方法的因素有材料本身的原因，也有矿料级配的原因。从试验的可操作性和工程实际中实施的可能性出发，本文选择矿料种类、沥青品种作为材料本身的因素，用级配类型和混合料类型作为衡量矿料级配的因素进行试验分析。表4 是利用SPSS[ 8 ]软件统计计算的31 组沥青混合料两种方法设计的结果，方差分析的置信水平为95% ，计算时显著水平A= 0. 05， 相关系数R2= 0. 48 (调整后的R2= 0. 29)。
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方差分析模型的F值为2. 50, P = 0. 04, 小于0. 05, 因此所用的模型有统计学意义, 可以用它来继续判断模型中系数有无统计学意义. 从Ｐ值大小可判断各因素对最佳沥青含量差值的影响。由表4 可知, 对最佳沥青含量差值有显著影响的因素是矿料级配类型(F = 12. 38, P = 0. 00, P值远远小于0. 05) , 其它如混合料类型、沥青、矿料种类的P值均远大于0. 05, 影响很不显著。关连强度指数说明因变量(最佳沥青含量差值) 总变异中, 有多少百分比的变异量可以被自变量(4个因素) 所解释. 依Cohen 所提标准[ 9 ] , 解释变异量在6% 以下者, 显示变量间的关系微弱; 解释变异量在6%～ 16% 之间, 显示变量间属中度关系; 解释变异量在16% 以上者, 显示变量间具强度关系. 与最佳沥青含量差值有强度关系的是矿料级配类型; 中度关系的是混合料类型; 微弱关系是集料品种; 没有关系的是沥青品种。
由于只有矿料级配类型对两种方法确定的最佳沥青含量差值有显著影响, 那么级配类型是影响两种方法确定的最佳沥青含量差异的唯一主要因素, 其他因素的影响可以不考虑.
2 两种最佳沥青含量的关系
在目前旋转压实仪未得到推广使用的条件下, 如何用马歇尔击实法代替旋转压实成型法确
由表5可见, 方程(1)的F值为125. 39, P值为0. 00；方程(2) 的F值为8. 10, P 值为0. 02，因此这两个回归模型是有统计学意义的。
由表6 包括常数项在内的所有系数的检验结果可见， 在模型1 (粗级配) 和模型2 (细级配) 中，马歇尔法最佳沥青含量都具有统计学意义. 常数项虽没有统计学意义，但出于常识，应将其保留在方程中。
表7是31组沥青混合料由马歇尔法确定的最佳沥青含量, 根据本批试验建立的经验回归方程预测的Superpave 法确定的最佳沥青含量汇总表。根据现行施工规范[ 5 ] , 实际施工时允许的沥青含量误差为0. 3%. 因此, 本文以实测值与预测值差值是否超过0. 3% 作为衡量模型的实用性检验标准。从表7 可见, 19 组粗级配沥青混合料中, 所有预测的最佳沥青含量与实测的最佳沥青含量均没有相差0. 3% 以上, 因此, 对于粗级配沥青混合料, 两种方法确定的最佳沥青含量回归方程不仅具有统计学意义, 也具有实际应用价值, 回归方程可以在工程实际中应用. 12 组细级配沥青混合料中, 有3 组预测的最佳沥青含量与实测的最佳沥青含量相差超过0. 3% , 占试验样本的25%。因此, 对于细级配沥青混合料, 两种方法确定的最佳沥青含量回归方程仅具有统计学意义, 但没有实际应用价值, 因此由回归方程预测的最佳沥青含量不能在工程实际中应用. 即对于细级配沥青混合料, 马歇尔法确定的最佳沥青含量与Superpave 法确定的最佳沥青含量之间有显著差异, 前者最佳沥青含量肯定大于后者确定的最佳沥青含量, 但是很难建立有效的对应关系。
3 结论
a. 对于粗级配沥青混合料和细级配沥青混合料, 两种方法确定的最佳沥青含量有显著差异, 马歇尔法确定的最佳沥青含量比Superpave 法确定的最佳沥青含量大。
b. 影响两种方法确定的最佳沥青含量差异的主要因素是矿料级配类型，混合料类型、沥青品种、集料种类对最佳沥青含量差异影响很小或没有影响。
c. 对于粗级配沥青混合料，两种方法的最佳沥青含量关系可用线性回归方程表示，回归方程效果显著，预测值误差在规范或工程实际允许的误差范围内，回归方程具有实际应用价值。
d. 对于细级配沥青混合料, 两种方法的最佳沥青含量用线性回归方程表示, 仅具有统计学意义，预测值误差有25% 超过规范或工程实际允许的误差范围，回归方程没有实际应用价值。
参考文献
[1] A sphalt Inst itute. 高性能沥青路面Superpave 技术实用手册[M ]。江苏省交通科学研究院
编译. 南京：江苏省交通科学研究院, 2002
[2] 陈佩茹. 与性能相关的法国沥青混合料设计方法[J ]. 中外公路, 2002, (1)：56259
[3] Roberts F L. 热拌沥青混合料材料、混合料设计与施工[M ]. 余叔藩译. 重庆: 重庆交通科研设计院,2000
[4] N cat E, Ray B row n. HMA Pavement M ix Type Select ion Guide [M ] . W ash ington DC: NA PA&FHWA , 2001.
[5] JTJ 032294, 公路沥青路面施工技术规范[S ].
[6] 山东省交通科学研究所. 沥青混合料矿料级配及配合比设计方法研究[R ]. 济南: 山东省交通科学研究所, 2002.
[7] 江苏省交通科学研究院. 沥青混合料矿料级配及配合比设计方法的研究[R ]. 南京: 江苏省交通科学研究院, 2002.
[8] SPSS Ins. SPSS 10. 0 fo r w indow s[EBöOL ]. h t tp:∥www. sp ss. com , 2003212201.
[9] 吴明隆. SPSS 统计应用实务[M ]. 北京: 中国铁道出版社, 2001.
方差分析模型的F值为2. 50, P = 0. 04, 小于0. 05, 因此所用的模型有统计学意义, 可以用它来继续判断模型中系数有无统计学意义. 从Ｐ值大小可判断各因素对最佳沥青含量差值的影响。由表4 可知, 对最佳沥青含量差值有显著影响的因素是矿料级配类型(F = 12. 38, P = 0. 00, P值远远小于0. 05) , 其它如混合料类型、沥青、矿料种类的P值均远大于0. 05, 影响很不显著。关连强度指数说明因变量(最佳沥青含量差值) 总变异中, 有多少百分比的变异量可以被自变量(4个因素) 所解释. 依Cohen 所提标准[ 9 ] , 解释变异量在6% 以下者, 显示变量间的关系微弱; 解释变异量在6%～ 16% 之间, 显示变量间属中度关系; 解释变异量在16% 以上者, 显示变量间具强度关系. 与最佳沥青含量差值有强度关系的是矿料级配类型; 中度关系的是混合料类型; 微弱关系是集料品种; 没有关系的是沥青品种。
由于只有矿料级配类型对两种方法确定的最佳沥青含量差值有显著影响, 那么级配类型是影响两种方法确定的最佳沥青含量差异的唯一主要因素, 其他因素的影响可以不考虑.
2 两种最佳沥青含量的关系
在目前旋转压实仪未得到推广使用的条件下, 如何用马歇尔击实法代替旋转压实成型法确
定最佳沥青含量, 就是要尽量准确地建立两种配合比设计的沥青含量之间的关系. 根据上述分析,对31 组沥青混合料根据级配类型分为2大类, 然后进行回归分析, 寻找两种方法确定的最佳沥青含量的关系。式(1)是19组粗级配沥青混合料两种方法的最佳沥青含量关系回归方程, 式(2) 是12组细级配沥青混合料两种方法的最佳沥青含量关系回归方程, 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 为Superpave 法确定的粗级配最佳沥青用量(% ) ； x 1 为马歇尔法确定的粗级配最佳沥青用量(% ) ； y 2 为Superpave 法确定的细级配最佳沥青用量(% ) ； x 2 为马歇尔法确定的细级配最佳沥青用量(% )。
由表5可见, 方程(1)的F值为125. 39, P值为0. 00；方程(2) 的F值为8. 10, P 值为0. 02，因此这两个回归模型是有统计学意义的。
由表6 包括常数项在内的所有系数的检验结果可见， 在模型1 (粗级配) 和模型2 (细级配) 中，马歇尔法最佳沥青含量都具有统计学意义. 常数项虽没有统计学意义，但出于常识，应将其保留在方程中。
表7是31组沥青混合料由马歇尔法确定的最佳沥青含量, 根据本批试验建立的经验回归方程预测的Superpave 法确定的最佳沥青含量汇总表。根据现行施工规范[ 5 ] , 实际施工时允许的沥青含量误差为0. 3%. 因此, 本文以实测值与预测值差值是否超过0. 3% 作为衡量模型的实用性检验标准。从表7 可见, 19 组粗级配沥青混合料中, 所有预测的最佳沥青含量与实测的最佳沥青含量均没有相差0. 3% 以上, 因此, 对于粗级配沥青混合料, 两种方法确定的最佳沥青含量回归方程不仅具有统计学意义, 也具有实际应用价值, 回归方程可以在工程实际中应用. 12 组细级配沥青混合料中, 有3 组预测的最佳沥青含量与实测的最佳沥青含量相差超过0. 3% , 占试验样本的25%。因此, 对于细级配沥青混合料, 两种方法确定的最佳沥青含量回归方程仅具有统计学意义, 但没有实际应用价值, 因此由回归方程预测的最佳沥青含量不能在工程实际中应用. 即对于细级配沥青混合料, 马歇尔法确定的最佳沥青含量与Superpave 法确定的最佳沥青含量之间有显著差异, 前者最佳沥青含量肯定大于后者确定的最佳沥青含量, 但是很难建立有效的对应关系。
a. 对于粗级配沥青混合料和细级配沥青混合料, 两种方法确定的最佳沥青含量有显著差异, 马歇尔法确定的最佳沥青含量比Superpave 法确定的最佳沥青含量大。
b. 影响两种方法确定的最佳沥青含量差异的主要因素是矿料级配类型，混合料类型、沥青品种、集料种类对最佳沥青含量差异影响很小或没有影响。
c. 对于粗级配沥青混合料，两种方法的最佳沥青含量关系可用线性回归方程表示，回归方程效果显著，预测值误差在规范或工程实际允许的误差范围内，回归方程具有实际应用价值。
d. 对于细级配沥青混合料, 两种方法的最佳沥青含量用线性回归方程表示, 仅具有统计学意义，预测值误差有25% 超过规范或工程实际允许的误差范围，回归方程没有实际应用价值。
参考文献
[1] A sphalt Inst itute. 高性能沥青路面Superpave 技术实用手册[M ]。江苏省交通科学研究院
编译. 南京：江苏省交通科学研究院, 2002
[2] 陈佩茹. 与性能相关的法国沥青混合料设计方法[J ]. 中外公路, 2002, (1)：56259
[3] Roberts F L. 热拌沥青混合料材料、混合料设计与施工[M ]. 余叔藩译. 重庆: 重庆交通科研设计院,2000
[4] N cat E, Ray B row n. HMA Pavement M ix Type Select ion Guide [M ] . W ash ington DC: NA PA&FHWA , 2001.
[5] JTJ 032294, 公路沥青路面施工技术规范[S ].
[6] 山东省交通科学研究所. 沥青混合料矿料级配及配合比设计方法研究[R ]. 济南: 山东省交通科学研究所, 2002.
[7] 江苏省交通科学研究院. 沥青混合料矿料级配及配合比设计方法的研究[R ]. 南京: 江苏省交通科学研究院, 2002.
[8] SPSS Ins. SPSS 10. 0 fo r w indow s[EBöOL ]. h t tp:∥www. sp ss. com , 2003212201.
[9] 吴明隆. SPSS 统计应用实务[M ]. 北京: 中国铁道出版社, 2001.
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