沥青稳定排水基层_ATPB_合理级配范围研究

GONGLUJIAOTONG KEJIYINGYONGJISHUBAN 现行沥青混合料马歇尔、维姆和SUPERPAVE 方法选择沥青结合料和矿料后,即要确定矿料级配。通 过长期研究与工程应用,提出了不同沥青混合料类型与 公称最大粒径的矿料级配范围,沥青混合料配合比设计 时从该矿料级配范围中选择满足技术要求的最佳矿料级 配,只是配合比设计时考虑的体积和性能指标要求有所 不同。沥青稳定碎石排水基层 (ATPB) 混合料配合比 设计也不例外,即选择沥青结合料和矿料后要确定矿料 级配。本文研究公称最大粒径 20mm、25mm和 30mm 的ATPB合理级配范围。 1 初拟ATPB大致级配范围 参照上述国外提供不同公称最大粒径的ATPB级配 范围,以及我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[1]提供不同公称最大粒径的 ATPB级配范围, 根据罗伯特·贝雷 (Robert Bailey) 提出的级配设计方法 中以最接近 0.22倍公称最大粒径作为第一控制筛孔 (即关键性筛孔,本研究均为 4.75mm) ,再考虑公称最 大粒径、13.2、9.5、0.075mm筛孔的不同通过率,初步 拟定本研究公称最大粒径 20mm、25mm和 30mm的 ATPB大致级配范围,如表1所示。 2 均匀与正交试验设计 沥青稳定排水基层混合料最显著的特点是具有较大 的空隙率 (一般为15%~25%) ,而 ATPB混合料的空隙 率主要取决于矿料级配组成和颗粒形状、沥青含量以及 压实程度,其中矿料级配组成是控制空隙率大小的首要 因素。因此首先要找到对不同公称最大粒径的 ATPB混 合料空隙率产生最大影响的筛孔通过率,见表1。 表1初拟ATPB的大致级配范围 为了尽量减少重复试验的次数,并保证试验结果的 可靠性,采用均匀与正交设计试验方法[2]各孔径筛 孔的通过率对ATPB混合料空隙率的影响。试验中公称 最大粒径为20mm、25mm和30mm,以空隙率为主要检 测指标,马歇尔稳定度为辅助检测指标。均匀设计考察 公称最大粒径、13.2、9.5、4.75、0.075mm筛孔的通过 率5个因素,每个因素考虑4个水平,即对于公称最大 粒径的均匀设计试验均为 5因素,每个因素 4个水平, 如表2所示。 在均匀设计试验基础上辅以正交设计,主要考察 13.2、9.5、4.75mm筛孔的通过率 3个因素,对于公称 最大粒径为 20mm中的 13.2mm筛孔的通过率考虑 3个 水平,9.5mm筛孔的通过率考虑 2个水平,4.75mm筛 沥青稳定排水基层(ATPB)合理 级配范围研究 刘振清 1 ,刘义怀 2 (1.交通部公路科学研究院,北京 100088;2.江苏省高速公路建设指挥部,江苏 南京 210004) 摘 要:文章首先参照国内外公称最大粒径为 20mm、25mm和 30mm的 ATPB矿料级配范围,初拟 ATPB大致级 配范围;接着采用均匀与正交试验设计方法,通过试验分析ATPB混合料的空隙率与不同孔径筛孔的通过率关系, 建立空隙率与不同孔径筛孔的通过率的回归方程,结合内插法,提出公称最大粒径 20mm、25mm和 30mm的 ATPB合理级配范围。 关键词:沥青稳定排水基层 (ATPB);合理级配范围;均匀设计;正交设计;回归方程 中图分类号:U416.217 文献标识码:B 类型 各筛孔(mm)通过率变化范围/% 31.5 26.5 19 13.2 9.5 4.75 0.075 ATPB20 85～100 35～90 17～50 8～30 0～6 ATPB25 85～100 30～80 12～50 6～24 0～6 ATPB30 85～100 25～75 13～55 7～23 0～6 作者简介:刘振清 (1975-) ,男,福建永泰人,博士,副研究员,从事路面结构与材料研究工作。 科技成果推广 本栏目由山东省公路桥梁检测中心协办 30 GONGLUJIAOTONGKEJIYINGYONGJISHUBAN 公路交通科技 应用技术版 孔的通过率考虑4个水平;对于公称最大粒径为 25mm 中的 13.2mm筛孔的通过率考虑 4个水平,9.5mm筛孔 的通过率考虑 2个水平,4.75mm筛孔的通过率考虑 6 个水平;对于公称最大粒径为 30mm中的 13.2mm筛孔 的通过率考虑2个水平,9.5mm筛孔的通过率考虑4个 水平,4.75mm筛孔的通过率考虑 6个水平,公称最大 粒径和0.075mm筛孔的通过率考虑的水平数根据 ATPB 混合料期望的空隙率确定,如表3所示。 表2 因素、水平和指标均匀设计 表3因素、水平和指标正交设计 根据均匀设计表(即U12(45)12组均匀设计试验) 和辅助正交设计表(公称最大粒径 20mm选用 L24(31×41× 24)正交设计表中的8组试验方案,公称最大粒径25mm 和30mm均选用L24(61×41×23)正交设计表中的8组试验方 案) 可列出各考察孔径筛孔的通过率,其他孔径筛孔的 通过率根据内插法计算,由此确定3种公称最大粒径的 20组试验级案。为了尽量减小油石比差异对空隙 率的影响,对每一矿料级配方案的油石比统一采用估算 法公式确定,按标准筛孔精确配料击实成型马歇尔试 件,采用体积法测试件毛体积密度,再根据混合料最大 理论密度计算每一组混合料的空隙率。 3 试验结果的回归分析 对一组由1个因变量与 p(p≥1)个自变量组成的试 验数据进行回归分析[3,4],首先按多元线性回归模型来考 虑,再逐步找到合适的数学模型,或根据经验、先验知 识以及对数据的直观观察决定合适的数学模型进行回 归。多元回归分析与一元回归分析不同之处就是增加了 变量筛选过程,其方法有前进法、后退法、逐步回归法 等,本研究采用前进法筛选变量技术,对试验数据进行 回归分析。 3.1 公称最大粒径20mm时的回归分析 根据公称最大粒径 20mm的 20组试验级配试验结 果 , 以 空 隙 率 为 因 变 量 , 19、 13.2、 9.5、 4.75、 0.075mm筛孔的通过率 P19、P13.2、P9.5、P4.75和 P0.075为自 变量,通过前进法筛选变量技术回归空隙率与各主要孔 径筛孔通过率的关系。依次进入线性回归方程的自变量 分别为P4.75、P0.075、P9.5、P3.2和P19,五个自变量与空隙率 的线性相关系数如表4所示。 表4前进法筛选变量逐步回归过程(NMAS=20mm) 由表4可知,从第一步到第二步再到第三步时的回 归系数提高较大,说明 0.075mm和 9.5mm筛孔的通过 率对ATPB混合料空隙率影响较大,即影响 ATPB混合 料空隙率的第二关键因素是P0.075;而从第三步到第四步 时的回归系数变化不大,说明 13.2mm筛孔的通过率对 ATPB混合料空隙率影响不大;第四步到第五步时的回 归系数不再提高,说明 NMAS=19mm筛孔的通过率对 ATPB混合料空隙率没有影响。此外,每一步回归均满 足F≥F0.05(5,14)=2.96。 3.2 公称最大粒径25mm时的回归分析 根据公称最大粒径 25mm的 20组试验级配试验结 果 ,以 空 隙 率 为 因 变 量 ,26.5、13.2、9.5、4.75、 0.075mm筛孔的通过率 P26.5、P13.2、P9.5、P4.75和 P0.075为自 变量,通过前进法筛选变量技术回归空隙率与各主要孔 径筛孔通过率的关系。依次进入回归方程的自变量分别 为 P4.75、P9.5、P0.075、P13.2和 P26.5,五个自变量与空隙率的 线性相关系数如表5所示。 因数/mm 通过率水平/% 指标 NMAS=20 13.2 70、80、90 空隙率和稳定度 9.5 40、50 4.75 16、20、24、30 NMAS=25 13.2 50、60、70、80 9.5 40、50 4.75 14、16、18、20、22、24 NMAS=30 13.2 65、75 9.5 29、33、40、55 4.75 11、13、15、17、21、23 考虑因素 联合变量与空隙率y之间的相关系数R2 选出自 变量P19 P13.2 P9.5 P4.75 P0.075 第一步 0.0739 0.5599 0.5247 0.8887 0.2821 P4.75 第二步 0.8888 0.8944 0.9284 0.9321 P0.075 第三步 0.9337 0.9340 0.9528 P9.5 第四步 0.9531 0.9549 P13.2 第五步 0.9549 P19 因数/mm 通过率水平/% 指标 NMAS=20 19 85、90、95、100 空隙率和 稳定度 13.2 35、45、55、65 9.5 17、23、29、35 4.75 8、11、14、17 0.075 0、2、4、6 NMAS=25 26.5 85、90、95、100 13.2 30、40、50、60 9.5 12、18、24、30 4.75 6、8、10、12 0.075 0、2、4、6 NMAS=30 31.5 85、90、95、100 13.2 25、35、45、55 9.5 13、17、21、25 4.75 7、9、11、13 0.075 0、2、4、6 31 GONGLUJIAOTONGKEJIYINGYONGJISHUBAN 通过下列筛孔(mm)的质量百分率/% 31.5 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 100 90～100 72～92 58～85 48～75 29～60 12～33 6～22 3～15 2～12 1～10 0～9 0～6 通过下列筛孔(mm)的质量百分率/% 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 100 90～100 73～90 57～78 31～48 14～32 7～22 3～15 2～12 1～10 0～9 0～6 由表5可知,从第一步到第二步再到第三步时的回 归系数提高较大,说明 9.5mm和 0.075mm筛孔的通过 率对ATPB混合料空隙率影响较大,即影响 ATPB混合 料空隙率的第二关键因素是 P9.5;而从第三步到第四步 再到第五步时的回归系数变化不大,说明 13.2mm和 NMAS=26.5mm筛孔的通过率对 ATPB混合料空隙率影 响不大。此外,每一步回归均满足F≥F0.05(5,14)=2.96。 表5前进法筛选变量逐步回归过程(NMAS=25mm) 3.3 公称最大粒径30mm时的回归分析 根据公称最大粒径 25mm的 20组试验级配试验结 果 ,以 空 隙 率 为 因 变 量 ,31.5、13.2、9.5、4.75、 0.075mm筛孔的通过率 P31.5、P13.2、P9.5、P4.75和 P0.075为自 变量,通过前进法筛选变量技术回归空隙率与各主要孔 径筛孔通过率的关系。依次进入回归方程的自变量分别 为 P4.75、P13.2、P0.075、P9.5和 P31.5,五个自变量与空隙率的 线性相关系数如表6所示。 表6前进法筛选变量逐步回归过程(NMAS=30mm) 由表6可知,从第一步到第二步再到第三步时的回 归系数提高较大,说明 13.2mm和 0.075mm筛孔的通过 率对 ATPB混合料空隙率影响较大,即影响大粒径 ATPB混合料空隙率的第二关键因素是 P13.2;而从第三 步到第四步再到第五步时的回归系数变化不大,说明 9.5mm和 31.5mm筛孔的通过率对大粒径 ATPB混合料 空隙率影响不大。此外,每一步回归均满足。 4 ATPB合理级配范围 得出ATPB混合料的空隙率与各主要孔径筛孔的通 过率之间回归方程后,根据目标空隙率范围 (15%～ 25%)[5~6]就可以确定各主要孔径筛孔的通过率,结合内 插法可计算其它孔径筛孔的通过率,从而得到不同公称 最大粒径的ATPB矿料合理级配范围F≥F0.05(5,14)=2.96。 4.1 公称最大粒径20mm时的合理级配范围 当 y=15%时,可以依次求得 P4.75=31.9%,P0.075= 5.9%,P9.5=48.0%,P13.2=92.8%,P19=95.0%。 当 y=25%时,可以依次求得 P4.75=13.8%,P0.075= 3.5%,P9.5=30.8%,P13.2=57.0%,P19=90.2%。 计算得出空隙率为15%和25%时的各主要孔径筛孔 的通过率后,采用内插法计算其他孔径筛孔的通过率。 因为公称最大粒径为 20mm,故根据回归方程计算结果 将其通过率范围调整为 90%～100%,13.2mm筛孔通过 率计算结果偏大应适当调整。参照国外如美国使用 ATPB的州和澳大利亚关于公称最大粒径 20mm时的 ATPB级配范围,将0.075mm筛孔的通过率范围调整为 0%～6%。取整后可得公称最大粒径20mm时的ATPB矿 料合理级配范围,如表7所示。 4.2 公称最大粒径25mm时的合理级配范围 当 y=15%时,可以依次求得 P4.75=33.7%,P9.5= 66.4%,P0.075=6.4%,P13.2=77.1%,P26.5=99.1%。 考虑因素 联合变量与空隙率y之间的相关系数R2 选出自 变量P26.5 P13.2 P9.5 P4.75 P0.075 第一步 0.1151 0.3606 0.7675 0.7828 0.1634 P4.75 第二步 0.7574 0.7711 0.8584 0.7571 P9.5 第三步 0.8588 0.8638 0.8640 P0.075 第四步 0.8596 0.8647 P13.2 第五步 0.8657 P26.5 考虑因素 联合变量与空隙率y之间的相关系数R2 选出自 变量P31.5 P13.2 P9.5 P4.75 P0.075 第一步 0.0480 0.6968 0.7529 0.8437 0.2079 P4.75 第二步 0.8490 0.9412 0.8891 0.8711 P13.2 第三步 0.9425 0.9506 0.9510 P0.075 第四步 0.9516 0.9591 P9.5 第五步 0.9623 P31.5 表7公称最大粒径20mm时的ATPB合理级配范围 当 y=25%时,可以依次求得 P4.75=12.3%,P9.5= 28.9%,P0.075=3.6%,P13.2=50.0%,P26.5=93.3%。 计算得出空隙率为15%和25%时的各主要孔径筛孔 的通过率后,采用内插法计算其他孔径筛孔的通过率。 因为公称最大粒径为 25mm,故根据回归方程计算结果 将其通过率范围调整为 90%～100%,9.5mm和 13.2mm 筛孔通过率计算结果偏大应适当调整。参照国外和我国 最新版《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)关 于公称最大粒径 25mm时的 ATPB级配范围,将 0.075mm通过率范围调整为 0%～6%。取整后可得公称 表8公称最大粒径25mm时的ATPB合理级配范围 科技成果推广 本栏目由山东省公路桥梁检测中心协办 32 GONGLUJIAOTONGKEJIYINGYONGJISHUBAN 公路交通科技 应用技术版 通过下列筛孔(mm)的质量百分率/% 37.5 31.5 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 100 90～100 79～94 63～84 57～80 51～77 28～63 13～28 6～20 3～14 2～12 1～10 0～9 0～6 最大粒径 25mm时的 ATPB矿料合理级配范围,如表 8 所示。 4.3 公称最大粒径30mm时的合理级配范围 当 y=15%时,可以依次求得 P4.75=27.5%,P13.2= 87.3%,P0.075=5.9%,P9.5=63.0%,P31.5=98.4%。 当 y=25%时,可以依次求得 P4.75=12.6%,P13.2= 50.9%,P0.075=3.7%,P9.5=27.8%,P31.5=93.5%。 计算得出空隙率为15%和25%时的各主要孔径筛孔 的通过率后,采用内插法计算其他孔径筛孔的通过率, 因为公称最大粒径为 30mm,故根据回归方程计算结果 将其通过率范围调整为 90%～100%,13.2mm筛孔通过 率计算结果偏大应适当调整。参照国外和我国最新版 《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)关于公称 最大粒径30mm时的ATPB级配范围,将0.075mm筛孔 的通过率范围调整为 0%～6%。取整后可得公称最大粒 径30mm时的ATPB矿料合理级配范围,如表9所示。 5 结语 (1) 采用均匀与正交试验设计和多元回归分析方 法,建立了公称最大粒径为 20mm、25mm和 30mm的 ATPB混合料空隙率与各主要孔径筛孔通过率之间的回 归方程。 (2) 前进法筛选变量表明,影响ATPB混合料空隙 率的第一关键因素是 4.75mm筛孔的通过率,这与罗伯 特·贝雷 (RobertBailey) 提出的级配设计方法中以最接 近0.22倍公称最大粒径作为第一控制筛孔是相一致的。 (3) 影响ATPB混合料空隙率的第二、三关键因素 与公称最大粒径有关,公称最大粒径越大,影响 ATPB 混合料空隙率的第二关键因素粒径越大,而影响 ATPB 混合料空隙率的第三关键因素粒径反而越小。 (4) 根据回归方程和内插法得出的ATPB合理级配 范围,可用于ATPB混合料配合比设计和工程应用。在 进行 ATPB混合料级配设计时,首先确定目标空隙率, 根据 ATPB混合料空隙率与 4.75mm筛孔的通过率之间 的回归方程,确定 4.75mm筛孔的通过率,再根据回归 方程确定其他主要孔径筛孔的通过率,采用内插法计算 其他孔径筛孔的通过率,进行 ATPB混合料性能试验, 以确定满足ATPB混合料使用性能要求的矿料级配。 参考文献： [1] JTGF40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S]. 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