大空隙沥青混合料空隙率的测量方法研究

大空隙沥青混合料空隙率的测量方法研究

孙逸宏

扬州润扬路面工程有限公司    江苏扬州    225000

摘 要: 对设计空隙率15%～25%的大空隙沥青混合料试件，用体积法和真空密封法分别测量和计算了试件的连续空隙率和总空隙率。最后测量了各试件的渗透系数。利用数据统计软件SPSS建立了两种方法测量的4种空隙率与渗水系数之间的回归模型，并将4种空隙率预测渗水系数的模型进行了实际效果的检验。得出了如下结论：¹用4个回归模型预测的渗水系数与实测渗透系数的检验结果表明，预测效果最好的是真空密封法连续空隙率，其次是真空密封法空隙率, 最差的是体积法空隙率和体积法连续空隙率；④综合测量方法的变异性和预测模型的显著性和预测模型的实用效果, 对于大空隙沥青混合料试件的空隙率，建议采用真空密封法测量。

关键词: 大空隙沥青混合料；渗水试验；空隙率；试验统计模型；真空密封法

1 前言

由于大空隙沥青混合料试件具有空隙率大、连通空隙多的特点, 采用一般的表干法、蜡封法不能测量其毛体积相对密度。现在美国、日本、中国、韩国均采用体积法测量毛体积相对密度。排水沥青混凝土混合料路面在许多国家正日益受到重视, 并在应用与研究方面取得了许多成果与经验。大空隙沥青混合料的排水

性能、耐久性均与混合料的空隙率密切相关。因此, 准确测量出大空隙沥青混合料试件的空隙率显得非常关键。为了减小误差, 一种新的测量沥青混合料试件毛

体积相对密度的方法--真空密封法得到了道路研究者的重视。最新真空密封装置的研究表明, 对于大空隙沥青混合料试件, 真空密封法比体积法更能准确测量大空隙沥青混合料试件的空隙率。但哪种方法的实际效果更好些, 必须采用渗水试验进行验证。本文通过对设计空隙率为15%～25%的大空隙沥青混合料试件,用体积法和真空密封法分别测量和计算其空隙率和连续空隙率。最后测量了各试件的渗透系数。

SPSS的英文全称为Statistical Product and Service Solutions，中文名为“统计产品与服务解决方案”软件。IBM SPSS Statistics 是一个集成的产品系列，可以帮助应对分析过程的每个阶段，包括规划、数据收集、分析、报告和部署。在科研人群中，数据统计分析使用最多的软件，也是最容易学习的。1）数据分析全面且强大：在数据分析上拥有近乎全面的功能，能将整个数据分析的过程完美的呈现出来，能够比较快捷分析结果。2）多元整理数据分析：可以同时打开多个数据集，可以在数据分析过程中对不同的数据集进行比较，并且还可以兼容excel，SAS等，甚至文本。3）丰富的统计分析功能：软件中有丰富的数据统计分析方法，可以用来做各种类型的数据分析，得到更完美的分析结果。

利用数据统计软件SPSS建立了两种方法测量的空隙率、连续空隙率以及各种空隙率与渗透系数之间的回归模型, 检验了各模型回归效果的显著性, 并将4种空隙率预测渗透系数的模型进行了实际效果的检验, 对各种方法测量的空隙率进行了评价。

2 大空隙沥青混合料试件空隙率和渗透系数测量方法

本文称可储水、通水的空隙为连通空隙, 无法通水但可储水的空隙称半连通空隙; 无法储水、通水的空隙为无效空隙。本文的空隙率包括连通空隙率、半连通空隙率和无效空隙率。本次设计的试验方案测量的连通空隙率和半连通空隙率, 本文统称连续空隙率。

2.1 空隙率和连续空隙率测量和计算方法

体积法适用于不能用表干法和蜡封法测定的空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙率开级配沥青混合料。

体积法测量的空隙率VVDim计算公式如下:

VVDim=(1-Gmb/Gmm)×100%                 (1)

式中: Gmb为用体积法测定的试件的毛体积相对密度；Gmm为测量沥青混合料的理论最大相对密度。

真空密封法测量试件毛体积相对密度的步骤参见文献[1]，其空隙率VVVac计算公式如下:

GVac=ma/VVac                     (2)

VVVac= (1-GVac/ Gmm)×100%        (3)

式中: ma为干燥试件的空气中质量(g)；VVac为用真空密封法测定的试件的毛体积(cm3)；GVac为用真空密封法测定的试件的毛体积相对密度；VVVac为用真空密封法测量的试件空隙率(%)；其他参数意义同前。

体积法测量的连续空隙率VVDimeff按式(4)计算、真空密封法测量的连续空隙率VVVaceff按式(5)式计算。

VVDimeff=(VDim -B)/VDim×100%      (4)

VVVaceff=(VVac-B)/ VVac×100%      (5)

式中: B为粒料和闭口空隙的体积(cm3)，B=(ma-mw)/ρw ；ρw为常温水的密度, 取 1.0；ma为室温中干燥的试件重量(g)；VDim

、VVac分别为体积法和真空密封法测量的试件的毛体积(cm3)。

2.2 大空隙沥青混合料试件透水试验

大空隙沥青混合料的主要性能是排除路表降水, 因此透水性能是最为关键的指标。其透水性能主要与空隙率有关。透水性常用渗透系数表示, 本文设计的

试验方法是: 大空隙沥青混合料的标准击实试件制成后不脱模, 去掉试件两面的滤纸, 待试件冷却后, 连同试模浸入水中1h 以上, 使试件吸水饱和。试验时将试模支放在容器内, 试模底部脱空。量取100mL水, 倒入试模内, 同时启动秒表计时, 水从试件的孔隙中渗出, 当试件表面水全部深入试件内, 停止秒表并记录时间, 计算试件渗透系数K：

K=Qh/6.35At                   (6)

式中: Q为注放的水量(100mL)；A为试件面积(81cm2)；t为渗透时间(s)； h为试件高(cm)。

3 试验结果和分析

根据上述试验和计算方法, 建立了62个大空隙沥青混合料试件的空隙率与渗透系数的关系, 如图 1、2、3、4所示。

从4种空隙率与渗透系数的散点图可以发现, 4种空隙率与渗透系数均呈线性关系。表 1是4种空隙率与渗透系数的线性拟合模型拟合优度情况。

从表1中可以看出, 4种空隙率与渗透系数相关系数最大的是真空密封法的连续空隙率, 相关系数为0.901，R2= 0.815, 说明它能解释渗透系数的81.5% 的变异量。Durbin-Watson统计量的取值为1.743, 其他3种空隙率的Durbin-Watson 统计量更接近2, 可见它是4 种空隙率中的残差空隙率的相关性最小的。表 2 是模型的方差分析检验结果。

回归模型中, F值越大, P值越小, 残差越小表示回归模型效果越显著。4种方法的P值均为0,说明4种方法的回归模型都具有统计学意义。其中真空密封法连续空隙率的统计量F为258.943，是4个空隙率与渗透系数模型中最大的, 残差2.553，是4个模型中最小的。因此，真空密封法连续空隙率与渗透系数的回归效果最显著。表3是4个模型回归系数的T检验结果。

由表 3可知，4种空隙率的回归系数的P值均为0，所以4种空隙率与渗透系数建立的线性模型均具有统计学意义。T值的大小可以反映模型回归系数的优

劣。T值越大，回归系数的统计学意义更大。4种空隙率回归系数中, 真空密封法连续空隙率的T值为16.092，是4个空隙率模型中最大的。所以，真空密封法连续空隙率模型最具有统计学意义。4个空隙率与渗透系数建立的线性模型如下：

体积法空隙率模型:

K=1.002+0.106VVDim，R2=0.577          (7)

真空密封法空隙率模型:

K=0.286+0.162VVVac, R2=0.763          (8)

体积法连续空隙率模型:

K=0.615+0.161VVDimeff，R2=0.538         (9)

真空密封法连续空隙率模型:

K=-1.084+0.325VVVaceff ，R2= 0.815      (10)

式中:K为渗透系数(10-2cm/s)；其余符号意义同前。

对于4种空隙率预测模型的应用价值，本文从3个方面进行了评价:

(1)计算了4种方法的相对误差的平均值。

(2)统计了大于规定相对误差10%的各种方法的百分比。

(3)统计了大于规定相对误差15%的各种方法的百分比。

按照本文建立的模型预测的渗透系数相对误差大于10%统计, 体积法空隙率和连续空隙率预测点数很接近, 分别为14、15。占试验试件总数的22.6%、24.2%。真空密封法空隙率和连续空隙率预测的点数分别为7、4，占试验试件总数的11.3%、6.5%。约为体积法空隙率的1/2和1/4。按照最大相对误差15%统计, 体积法空隙率和体积法连续空隙率预测点均占14.5%，而真空密封法空隙率预测的点数仅占3.2%,真空密封法连续空隙率预测的点数为0。

因此，从预测的渗透系数的相对误差的大小和超过规定相对误差的百分比综合考虑, 可以得出结论, 真空密封法连续空隙率最具有实际应用效果；其次是真

空密封法空隙率；体积法空隙率和体积法连续空隙率预测模型实际应用效果相对较差。

4 结论

(1)对于大空隙沥青混合料, 建立了真空密封法测量的空隙率、体积法测量的空隙率与试件渗透系数的模型, 方差分析表明, 真空密封法连续空隙率模型最具有统计学意义。

(2)预测渗透系数与实测渗透系数的检验结果表明, 预测效果最好的是真空密封法连续空隙率；其次是真空密封法空隙率；最差的是体积法空隙率和体积法连续空隙率。综合测量方法的变异性、预测模型的显著性和预测模型的实用效果，对于大空隙沥青混合料试件的空隙率，建议采用真空密封法测量连续空隙率。