GAC-16C改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的影響因素分析

陳秋

（廣州冠粵路橋檢測(cè)有限公司，廣州 510880）

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

以廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)第二高速公路北段工程SG01 標(biāo)瀝青混凝土路面為例，結(jié)合料為PG76 SBS 改性瀝青，粗集料為玄武巖(10～18 mm、5～10 mm、3～5 mm)，細(xì)集料為機(jī)制砂（粒徑d＜2.36 mm），填料包含水泥和石灰?guī)r礦粉2 類。在確定試驗(yàn)所需的原材料后，采用正交試驗(yàn)的方法，以尺寸篩孔的通過(guò)率為變量，通過(guò)試驗(yàn)室試配生成目標(biāo)配合比合成級(jí)配，見表1。

表1 目標(biāo)配合比合成級(jí)配組成

考慮到生產(chǎn)期間拌和站的除塵環(huán)節(jié)（粗集料的粉塵都可能被除掉）后，采用上述原材料進(jìn)行GAC-16C 瀝青混合料礦料級(jí)配曲線設(shè)計(jì)。

經(jīng)試配，GAC-16C 瀝青混合料目標(biāo)配合比為（10～18）mm∶（5～10）mm∶（3～5）mm∶（0～3）mm∶礦粉∶水泥=41∶27∶4∶24.5∶2.5∶1。

通過(guò)試驗(yàn)室對(duì)各礦料進(jìn)行密度試驗(yàn)，可得出各礦料的表觀密度、毛體積密度，通過(guò)合成試驗(yàn)可得礦料的合成毛體積密度、礦料的合成表觀密度。

2 劈裂強(qiáng)度影響分析

以9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm 篩孔通過(guò)率的變化來(lái)分析，同時(shí)按油石比的變化制作成型馬歇爾試件。

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

成型溫度(163±2.5）℃，引入真空法以便測(cè)定理論最大密度。根據(jù)試驗(yàn)要求，每組制作24 個(gè)試件，均勻分為4 個(gè)細(xì)分組別，分別用于馬歇爾性能指標(biāo)試驗(yàn)和15℃劈裂試驗(yàn)，從中采集數(shù)據(jù)，旨在探尋劈裂強(qiáng)度與混合料標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法的線性關(guān)系。

本試驗(yàn)采用油石比為4.7%制備馬歇爾試驗(yàn)，按JTG E20—2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)GAC-16C 型瀝青混凝土進(jìn)行瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

表2 GAC-16C型瀝青混凝土的瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

極差分析雖然是1 種較為直觀的方法，但其僅能作為試驗(yàn)結(jié)果的輔助判斷方法，無(wú)法準(zhǔn)確掌握因素水平的變化所帶來(lái)的差異。而方差分析則具有量化特性，可以對(duì)各因素展開定量分析，在劈裂強(qiáng)度分析中，可更為合理地反映各因素的顯著性影響。因此，宜將方差分析作為主要的分析方法。

經(jīng)方差分析后，可確定數(shù)據(jù)的總變差，從中精準(zhǔn)識(shí)別試驗(yàn)誤差和條件變差，并分別賦予特定的數(shù)量，以便直觀分析。換言之，可將其分解為各因素響應(yīng)值的總和、均值及平方和等，并根據(jù)此類數(shù)據(jù)展開統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)工作。

數(shù)據(jù)的數(shù)量易對(duì)平方和造成影響，為在最大限度上削弱該影響，需要引入自由度的概念，以便有效修正項(xiàng)數(shù)。在確定各因素離差平方和后將其除以自由度的商，從而求得均方離差。

結(jié)合表1 內(nèi)容可知，在各類影響15℃劈裂強(qiáng)度的因素中，可識(shí)別影響劈裂強(qiáng)度的主要因素，即2.36 mm、4.75 mm 和0.075 mm 的孔篩通過(guò)率。根據(jù)前述內(nèi)容可知，極差分析對(duì)因子（因素）作用的判斷是由因素自身所引起的。也就是說(shuō)，因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)具有較明顯的影響，由試驗(yàn)誤差引起的結(jié)論不成立。

在各類劈裂強(qiáng)度的影響因素中，具有顯著作用的是細(xì)集料級(jí)配變異；相比之下，雖然油石比變異會(huì)對(duì)其造成影響，但相對(duì)甚微。由此認(rèn)為，就瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度而言，極為關(guān)鍵的影響因素在于細(xì)集料，具體體現(xiàn)在級(jí)配組成和空隙率兩方面[1]。

3 劈裂強(qiáng)度與密度、空隙率的相關(guān)性及變異性分析

3.1 15℃劈裂強(qiáng)度與密度、空隙率的相關(guān)性

25 組劈裂強(qiáng)度與毛體積密度關(guān)系見圖1 所示，25 組劈裂強(qiáng)度與空隙率關(guān)系見圖2。

圖1 25 組劈裂強(qiáng)度與密度關(guān)系

圖2 25 組劈裂強(qiáng)度與空隙率關(guān)系

關(guān)于試件毛體積密度、空隙率與劈裂強(qiáng)度的線性關(guān)系，主要體現(xiàn)為：（1） 在試件毛體積密度增加的條件下，15 ℃劈裂強(qiáng)度具有同步增加的變化趨勢(shì)，線性相關(guān)系數(shù)R=74.95%；（2）在試件空隙率增加的條件下，15 ℃劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐步降低的變化趨勢(shì)，線性相關(guān)系數(shù)R=67.7%。

經(jīng)分析認(rèn)為，毛體積密度值的高度顯著影響因子為2.36 mm篩孔通過(guò)率和油石比；而空隙率的高度顯著影響因子則為油石比、2.36 mm 和0.075 mm 篩孔通過(guò)率。相比之下，油石比對(duì)劈裂強(qiáng)度雖有影響但不顯著，由此也很好地解釋了為何線性相關(guān)系數(shù)偏低的現(xiàn)象。隨著孔隙率的變化，即1.19%→1.15%→1.04%；此外，對(duì)應(yīng)的劈裂強(qiáng)度也有逐步降低的趨勢(shì)，而衰減幅度達(dá)到了6.2%。根據(jù)此關(guān)系可以得知，空隙率對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響較為顯著。

根據(jù)此特點(diǎn)，需注意以下幾點(diǎn)：（1）從級(jí)配組成設(shè)計(jì)的角度切入，尋找合適的篩孔通過(guò)率（應(yīng)當(dāng)滿足可降低空隙率、可提高試件密度的雙重要求），同時(shí)確定適宜的油石比；（2）在工程施工中，還可采取提高混合料出場(chǎng)溫度、優(yōu)化壓實(shí)工藝（例如，機(jī)械設(shè)備的組合、碾壓速度、遍數(shù)等）的方法，通過(guò)多種途徑提高路面壓實(shí)密度，改善路面的狀態(tài)，使其原位空隙率控制在4%～6%以內(nèi)，并由此提高材料的抗拉強(qiáng)度，保證路面具有較佳的質(zhì)量。

3.2 劈裂強(qiáng)度變異性分析

對(duì)于方差相等的2 個(gè)隨機(jī)變量，其揭露的信息為各自的平均值取值的均勻性保持一致，但并不能說(shuō)明取值的分散程度一致。根據(jù)此特點(diǎn)，可在對(duì)取值的均勻程度和取值大小的相對(duì)關(guān)系展開分析時(shí)，較為適宜的方法是引入隨機(jī)變量的變異系數(shù)，具體指的是標(biāo)準(zhǔn)差除以平均值的百分?jǐn)?shù)，利用該指標(biāo)表征隨機(jī)變量的不穩(wěn)定情況。

不同因素對(duì)15 ℃劈裂強(qiáng)度變異系數(shù)的影響各異，主次排序?yàn)椋鹤顬轱@著的是0～3 mm 篩孔通過(guò)率，最不顯著的是油石比。以0～3 mm 篩孔通過(guò)率為例，該值從24.5%增加至26.5%后，變異系數(shù)表現(xiàn)出降低的變化趨勢(shì)。由此表明，需正確選擇0～3 mm 篩孔通過(guò)率，建議可根據(jù)實(shí)際情況小幅度調(diào)整，此條件下有助于緩解瀝青混凝土的離散性問(wèn)題，由此保證瀝青混合料的質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）在15 ℃劈裂強(qiáng)度的影響因子中，油石比和9.5 mm 篩孔通過(guò)率對(duì)其的影響不顯著，2.36 mm 篩孔通過(guò)百分率對(duì)其的影響接近高度顯著。由此表明，在級(jí)配和油石比發(fā)生同步變化時(shí)，級(jí)配會(huì)在較大程度上對(duì)劈裂強(qiáng)度帶來(lái)影響，幾乎具有主導(dǎo)性作用。從極差分析的角度確定基于各因子的最優(yōu)組合方案。

2）在空隙率從4.2 %增加至5.7%后，劈裂強(qiáng)度存在衰減的變化趨勢(shì)。根據(jù)此特點(diǎn)，建議在瀝青混合料生產(chǎn)期間嚴(yán)格控制瀝青和細(xì)集料的用量，盡可能優(yōu)化級(jí)配組成，通過(guò)此途徑達(dá)到提高毛體積密度的效果。實(shí)際施工中需要重點(diǎn)關(guān)注原位空隙率，該值應(yīng)在4%～6%以內(nèi)，此條件下可避免瀝青路面早期受損的問(wèn)題，使建成的路面具有更為良好的耐久性。

3）0～3 mm 篩孔通過(guò)率是劈裂強(qiáng)度變異性的關(guān)鍵影響因素，根據(jù)此方面的特點(diǎn)可知，若要更為有效地發(fā)揮出瀝青混合料的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，則需要合理優(yōu)化材料組成，例如，精準(zhǔn)控制細(xì)集料的級(jí)配和用量以及粗集料的用量，由此緩解劈裂強(qiáng)度的變異性問(wèn)題，從而保證制得的瀝青混合料具有更突出的性能優(yōu)勢(shì)，有效提高路面的施工質(zhì)量。