摘要：對多組礦質混合料, 按照瀝青混合料馬歇爾設計方法和Superpave 設計方法分別確定最佳瀝青含量T檢驗表明, 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. 根據試驗結果的統計規律, 提出馬歇爾法和Superpave 法確定的最佳瀝青含量間的定量關系式, 并對模型進行檢驗和實際應用。
關鍵詞：道路工程；最佳瀝青含量；馬歇爾設計方法；Superpave 設計方法；粗級配；細級配
目前，世界上最流行的瀝青混合料配合比設計法，絕大部分是馬歇爾(M arshall)試驗配合比設計方法，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系的瀝青混合料配合比設計法受到廣泛關注。美國Superpave 體系[ 1 ] 及法國[ 2 ] 等都提出了這類設計方法，他們基本都是將設計瀝青混合料的各個成分由體積比換算得到質量比，要求混合料的各項指標符合所提出的設計目標。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，也就使最佳瀝青含量發生變化。
擊實成型法的優點在于試件成型裝置較簡便、成本低且攜帶方便，較易在現場和實驗室里成型試件。其主要缺點為：瀝青混合料結構性能(如永久變形能力) 不同于現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，達到穩定狀態。 NCHRP/AAMA S研究指出[ 3 ]，搓揉壓實成型的試件在物理和力學性能方面均與現場鉆取的芯試件大體相當，能較好地代表在現場壓實的試件。 但由于國外搓揉壓實機機構復雜, 且型號也有好幾種，一時難以在國內推廣，故沒有定為我國的標準試驗方法。因此，馬歇爾擊實成型仍是主要成型方法。目前，廣大道路技術人員關心研究并建立馬歇爾成型與搓揉成型試件的配合比設計確定的最佳瀝青含量間的關系。
1 試驗
1.1 方案和樣本
礦料級配類型根據劃分標準分為粗級配和細級配[ 4 ]。根據現行規范，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、石灰巖1、石灰巖2及輝綠巖等5 種。
1.2 試驗方法
根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》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，瀝青混合料的最大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，進行體積組成分析。最后按照馬歇爾試驗結果和體積參數確定最佳瀝青含量[ 5 ]。
根據我國瀝青混合料設計現狀和一般的交通量考慮[ 6, 7 ]，旋轉壓實設計的初始次數N ini= 8,N des= 100,N max= 160. 瀝青混合料的配合比設計按照Superpave 混合料設計方法進行[ 1 ]。
1. 3 試驗結果及分析
根據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計確定的最佳瀝青含量試驗結果見表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，從統計學意義上說明兩種方法的密度差值有明顯差異。表3的31組試驗結果統計表明，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規范[ 5 ] 容許的瀝青含量允許偏差0. 3%。這是試驗統計得出的一個基本結論, 與文獻[6, 7 ]結論一致. 馬歇爾方法和Superpave 法的差異，主要是成型方法和體積指標的計算不同。在體積分析時，集料表面的孔隙考慮了瀝青可以被吸入的影響，產生了有效瀝青用量的概念。我國目前的計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包括了瀝青吸入部分的影響。本批試驗均采用真空法測量和計算瀝青混合料的體積參數，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。從試驗的可操作性和工程實際中實施的可能性出發，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。表4 是利用SPSS[ 8 ]軟件統計計算的31 組瀝青混合料兩種方法設計的結果，方差分析的置信水平為95% ，計算時顯著水平A= 0. 05， 相關系數R2= 0. 48 (調整后的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計學意義, 可以用它來繼續判斷模型中系數有無統計學意義. 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值遠遠小于0. 05) , 其它如混合料類型、瀝青、礦料種類的P值均遠大于0. 05, 影響很不顯著。關連強度指數說明因變量(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個因素) 所解釋. 依Cohen 所提標準[ 9 ] , 解釋變異量在6% 以下者, 顯示變量間的關系微弱; 解釋變異量在6%～ 16% 之間, 顯示變量間屬中度關系; 解釋變異量在16% 以上者, 顯示變量間具強度關系. 與最佳瀝青含量差值有強度關系的是礦料級配類型; 中度關系的是混合料類型; 微弱關系是集料品種; 沒有關系的是瀝青品種。
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系
在目前旋轉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壓實成型法確
定最佳瀝青含量, 就是要盡量準確地建立兩種配合比設計的瀝青含量之間的關系. 根據上述分析,對31 組瀝青混合料根據級配類型分為2大類, 然后進行回歸分析, 尋找兩種方法確定的最佳瀝青含量的關系。式(1)是19組粗級配瀝青混合料兩種方法的最佳瀝青含量關系回歸方程, 式(2) 是12組細級配瀝青混合料兩種方法的最佳瀝青含量關系回歸方程, 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 法確定的粗級配最佳瀝青用量(% ) ； x 1 為馬歇爾法確定的粗級配最佳瀝青用量(% ) ； y 2 為Superpave 法確定的細級配最佳瀝青用量(% ) ； x 2 為馬歇爾法確定的細級配最佳瀝青用量(% )。
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，因此這兩個回歸模型是有統計學意義的。
由表6 包括常數項在內的所有系數的檢驗結果可見， 在模型1 (粗級配) 和模型2 (細級配) 中，馬歇爾法最佳瀝青含量都具有統計學意義. 常數項雖沒有統計學意義，但出于常識，應將其保留在方程中。
表7是31組瀝青混合料由馬歇爾法確定的最佳瀝青含量, 根據本批試驗建立的經驗回歸方程預測的Superpave 法確定的最佳瀝青含量匯總表。根據現行施工規范[ 5 ] , 實際施工時允許的瀝青含量誤差為0. 3%. 因此, 本文以實測值與預測值差值是否超過0. 3% 作為衡量模型的實用性檢驗標準。從表7 可見, 19 組粗級配瀝青混合料中, 所有預測的最佳瀝青含量與實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計學意義, 也具有實際應用價值, 回歸方程可以在工程實際中應用. 12 組細級配瀝青混合料中, 有3 組預測的最佳瀝青含量與實測的最佳瀝青含量相差超過0. 3% , 占試驗樣本的25%。因此, 對于細級配瀝青混合料, 兩種方法確定的最佳瀝青含量回歸方程僅具有統計學意義, 但沒有實際應用價值, 因此由回歸方程預測的最佳瀝青含量不能在工程實際中應用. 即對于細級配瀝青混合料, 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關系。
3 結論
a. 對于粗級配瀝青混合料和細級配瀝青混合料, 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系可用線性回歸方程表示，回歸方程效果顯著，預測值誤差在規范或工程實際允許的誤差范圍內，回歸方程具有實際應用價值。
d. 對于細級配瀝青混合料, 兩種方法的最佳瀝青含量用線性回歸方程表示, 僅具有統計學意義，預測值誤差有25% 超過規范或工程實際允許的誤差范圍，回歸方程沒有實際應用價值。
參考文獻
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