李闖民，李詩琦，肖 玲，閆華文

(長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114)

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影響粗集料密度及吸水率試驗的因子分析

李闖民，李詩琦，肖 玲，閆華文

(長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114)

基于我國T0304—2005粗集料試驗方法中存在的問題，通過運用Plackett-Burman設(shè)計法，針對可能影響粗集料密度及吸水率實測值的試驗因子，采用兩種不同吸水率水平的(大于2%和小于2%)粗集料，分別研究了粗集料粒徑、水分狀況、待測樣品冷卻時間、浸泡時間、擦干狀況、水浴溫度及測試試樣冷卻時間等7個因子對粗集料密度及吸水率的影響。統(tǒng)計學方差分析表明，在不同吸水率水平下，這7個因子對粗集料的毛體積密度、表干密度、表觀密度及吸水率的實測值有不同程度的影響。在此基礎(chǔ)上對我國T0304—2005粗集料密度及吸水率試驗方法提出了相應(yīng)建議。

道路工程；粗集料密度和吸水率試驗；Plackett-Burman設(shè)計法；影響因子；方差分析

0 引言

在熱拌瀝青混合料(HMA)和波特蘭水泥混凝土(PCC)的路面設(shè)計和施工中，粗集料的密度(Gs)和吸水率(Wa%)是兩個重要的參數(shù)[1-3]。在瀝青混合料中，集料的密度被用來計算瀝青混合料礦料間隙率(VMA)、改性瀝青混合料最大理論密度與有效瀝青含量(Pbe)等關(guān)鍵的參數(shù)。集料密度的不準確性，將會導致混合料配合比設(shè)計中體積參數(shù)的錯誤，從而導致整個瀝青路面出現(xiàn)各種性能問題[4-6]。同時，粗集料吸水率的變異性也會對瀝青混合料的性能產(chǎn)生不利影響[7]。因此，對于瀝青混合料的配合比設(shè)計和質(zhì)量控制，集料的密度和吸水率也是一個至關(guān)重要的因素[8]。在水泥混凝土的配比生產(chǎn)中，若使用一個不精確的密度值，將會導致在產(chǎn)值估算和體積計算上產(chǎn)生嚴重的誤差。而集料的吸水率則被用于調(diào)整混合料中水的質(zhì)量，從而達到目標水灰比或者水膠比。吸水率和密度的準確測定對于水泥混凝土的工作性和耐久性十分重要[9]。因此，為了得出令人滿意的配合比設(shè)計，本文針對可能影響我國現(xiàn)行規(guī)程《粗集料的密度和吸水率的測定方法(T0304—2005)》試驗結(jié)果的試驗因子，特設(shè)定了7因子Plackett-Burman設(shè)計方案，研究各因子對粗集料密度及吸水率實測值影響規(guī)律，并對現(xiàn)行試驗方法的改進提出了建議。

1 粗集料密度和吸水率試驗方法

1.1 T0304—2005試驗方法[1]

現(xiàn)行規(guī)范對粗集料的密度和吸水率的測定方法是T0304—2005，其適用于測定各種粗集料的表現(xiàn)相對密度、表干相對密度、毛體積相對密度、表觀密度、表干密度、毛體積密度以及粗集料的吸水率。

1.2 T0304—2005中存在的問題

(1)使用網(wǎng)籃法測定粗集料密度時，原規(guī)程(JTJ058—2000)僅適用于4.75 mm以上的粗集料的密度測定。但是為瀝青混合料測定2.36～4.75 mm粗集料各種密度的需要，T0304—2005將其修訂擴大至2.36 mm以上。因此有必要驗證T0304—2005中2.36～4.75 mm粗集料對其密度和吸水率是否會產(chǎn)生顯著性影響。

(2)對比美國粗集料密度試驗方法(AASHTO T85)，該方法是將過篩后清洗干凈的粗集料置于(110±5)℃烘箱中烘干，待其自然冷卻1～3 h后浸泡于室溫的水中，而我國T0304—2005中則是直接將其浸泡于室溫的水中。因此有必要探討粗集料的水分狀況和冷卻時間是否會對其密度和吸水率產(chǎn)生顯著性影響。

(3)按照T0304—2005的規(guī)定，使用網(wǎng)籃法測定粗集料密度時，浸水時間需要24 h，再加上試驗準備時間和測量時間，嚴格按照規(guī)程操作時則至少需要2 d時間，從而導致試驗周期過長[10-11]。因此有必要研究浸水時間是否會對其密度和吸水率產(chǎn)生顯著性影響。

(4)按照T0304—2005的規(guī)定，使用網(wǎng)籃法測定粗集料密度時，毛體積相對密度的測定受人為因素的影響較大，當使用擰干的濕毛巾將每一顆集料都擦至飽和面較干狀態(tài)時，每個人在實際操作中對集料的擦干狀態(tài)都是不一樣的，同時還容易造成集料附著在毛巾表面，導致集料損失[12]。因此有必要確定使用干濕毛巾擦干集料至飽和面較干狀態(tài)是否會對其密度和吸水率產(chǎn)生顯著性影響。

(5)按照T0304—2005的規(guī)定，使用網(wǎng)籃法測定粗集料密度時，水浴溫度為(20±5)℃。而瀝青混合料試驗規(guī)程中使用表干法測定密度時其溫度范圍為(20±0.5)℃，同時對比美國粗集料密度測定試驗方法(AASHTO T85)中溫度范圍為(20±1.7)℃。因此有必要研究環(huán)境溫度是否會對粗集料的密度和吸水率產(chǎn)生顯著性影響。

(6)按照T0304—2005的規(guī)定，使用網(wǎng)籃法測定粗集料密度時，需要冷卻至室溫后再稱量其烘干質(zhì)量。因此有必要確定一個時間范圍，研究在該范圍內(nèi)冷卻時間是否會對粗集料的密度和吸水率產(chǎn)生顯著性影響。

2 試驗設(shè)計和試驗結(jié)果

2.1 Plackett-Burman設(shè)計法

Plackett-Burman設(shè)計法(后面簡稱PB設(shè)計法)是一種兩水平的部分因子試驗(即析因試驗)設(shè)計方法，能有效確定各試驗因素對響應(yīng)變量的顯著性影響。影響試驗結(jié)果的因素在PB設(shè)計法中成為因子，PB設(shè)計法能夠在N(N為4的倍數(shù))次數(shù)試驗中研究K=N-1個因子。當影響因素較多時，如果逐一對各影響因素進行對比試驗，往往試驗量大、不經(jīng)濟，而PB設(shè)計法能在很大程度上減少試驗次數(shù)并快速、有效地確定有顯著性影響的因子，能夠避免在后期的優(yōu)化試驗中由于因子數(shù)過多或部分因子不顯著而浪費試驗資源[13]。

2.2 原材料及試驗因子的選取

為消除或減少 T0304—2005試驗規(guī)程的變異來源，同時確保測試結(jié)果的精度，針對該試驗方法存在的問題，提出了7因子PB設(shè)計方案，用來評估T0304—2005中在變化的操作水平和環(huán)境因素共同作用下的敏感性，并為該規(guī)程試驗方法建立適當?shù)牟僮鲄?shù)范圍[14]。

針對T0304—2005中的不確定性或缺陷，試驗制定了包括粗集料粒徑、水分狀況、樣品冷卻時間、浸泡時間、擦干狀態(tài)、水浴溫度及試樣冷卻時間等7個可變因子，同時對每個因子都分配了高低值，這代表了變量因子在試驗過程中可以承受的極限范圍。由于試驗中需要確定兩種吸水率水平下的7個可變因子對密度的影響，因而使用PB設(shè)計法，T0304—2005重現(xiàn)性試驗研究包括以下步驟:

(1)對每個測試方法分別鑒別7個變量因子；

(2)確定每個因子的高低水平；

(3)對14個因子水平(7個因子×2個水平)建立8個組合，并對每個組合進行2組平行試驗；

(4)確定3～5種材料，這些材料必須適用于這項試驗方法并且包含了所應(yīng)有的性能。

根據(jù)集料的吸水率，我們確定了兩個吸水率水平(大于2%和小于2%)和4種粗集料，如表1所示。同時還確定了7個可變因子，見表2，該表提供了7個可變因子的最小和最大水平，分別用來測量在大于2%或小于2%吸水率條件下對T0304—2005試驗的影響。

表1 重現(xiàn)性試驗的粗集料Tab.1 Coarse aggregates for repetitive test

表2 粗集料的重現(xiàn)性試驗的7個因子Tab.2 Seven factors for repetitive test of coarse aggregate

2.3 PB矩陣設(shè)計

表3提供了對7個可變因子和它們的兩個吸水率水平的試驗設(shè)計，這種設(shè)計對T0304—2005中所示的7個因子能產(chǎn)生最有效的結(jié)果。7個因子分別被編號為A-G，兩個吸水率水平分別標識為高值和低值。通過每個變量因子在兩個吸水率水平之間的變化，來評價因子的變化對測試結(jié)果的影響。

表3 7個因子和兩個吸水率水平下的PB設(shè)計矩陣Tab.3 PB design matrix with 7 factors and 2 water absorption

基于表3的PB設(shè)計，運用表2中提供的7個因子和兩個吸水率水平，制定了T0304—2005(表4)的重現(xiàn)性試驗方案。對8種組合進行兩個平行試驗，因此對每種材料共有16組決定因素。其中小寫字母為“低”水平，大寫字母為“高”水平。

2.4 方差分析方法

由于T0304—2005包含了有關(guān)計算的詳細信息，這對確定每個可變因子的試驗方法來說十分有必要，故本文根據(jù)T0304—2005標準試驗，對試驗結(jié)果進行了分析。這種分析涉及了7個因子中每個因子的方差測定。相應(yīng)變量中的變異(密度和吸水率)導致7種變量因子具有高低兩種水平，并且我們可以通過F檢驗來評價它們。F統(tǒng)計量用式(1)計算：

(1)

式中，F(xiàn)A為因子A影響的F統(tǒng)計量；σA為由試驗因子A引起的測試屬性中的誤差方差；σTotal為由所有試驗因子(A到G)引起的測試屬性中的誤差方差。

表4 吸水率分別大于或小于2%的粗集料的重現(xiàn)性試驗設(shè)計Tab.4 Experimental design for repetitive test of coarse aggregate with absorption less than 2% or greater than 2%

對于一個給定的變量因子(A到G)，把計算所得的F統(tǒng)計量與臨界F值進行比較。如果計算出的F統(tǒng)計量大于臨界F值，則表示隨著主要因素在高值和低值之間的變化，它對實測試驗具有顯著的影響。試驗在5%的概率下考慮因素在高低值之間變化的影響[15]，確定的F臨界值是5.59。因此，如果因子的F統(tǒng)計量大于等于5.59，那么就應(yīng)該考慮因子在高低值之間變化的顯著影響。

2.5 試驗結(jié)果

利用上面的試驗設(shè)計方法，對4種粗集料(高爐礦渣、礫石、石灰石、花崗巖)進行了試驗。由于試驗數(shù)據(jù)較多，限于篇幅在此只給出對試驗數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果，詳細試驗數(shù)據(jù)可參照參考文獻[14],[16]。表5～表8分別顯示了表觀密度、毛體積密度、表干密度和吸水率統(tǒng)計分析結(jié)果。其中NS表示不顯著，單元格數(shù)字表示F值超過了5.59這一臨界值。

3 試驗結(jié)果分析

表9和表10綜合了表5～表8中每個重現(xiàn)性因子出現(xiàn)顯著影響的次數(shù)百分比的結(jié)果。T0304—2005中并沒有提供一種用于選擇顯著性檢驗參數(shù)的定量方法，本文根據(jù)表5～表8中的統(tǒng)計分析對它進行檢驗。如果重現(xiàn)性因子的顯著次數(shù)在33.4%以上(2次)，則被認為在統(tǒng)計學上具有顯著性。

基于表9和表10所示的結(jié)果，分別對重現(xiàn)性試驗中的7個因子進行分析：

(1)集料粒徑

表9和表10中的結(jié)果表明，在其集料粒徑(即試驗A)中，對大于4.75 mm和大于2.36 mm粒徑的集料有不同的測試結(jié)果。粗集料在低吸水率水平(即小于2%)下集料的粒徑對毛體積密度和吸水率

表5 粗集料毛體積密度的F統(tǒng)計量Tab.5 F-statistics for bulk volume density of coarse aggregates

表6 粗集料表干密度的F統(tǒng)計量Tab.6 F-statistics for skin drying density of coarse aggregates

表7 粗集料表觀密度的F統(tǒng)計量Tab.7 F-statistics for apparent density of coarse aggregates

表8 粗集料吸水率的F統(tǒng)計量Tab.8 F-statistics for water absorption of coarse aggregates

表9 T0304—2005試驗中低吸水率(<2%)粗集料(花崗巖和礫石)的每個重現(xiàn)性因子的顯著性次數(shù)百分率

Tab.9 Percentages of significance time of each repetitive factor for testing low absorption (<2%) coarse aggregates(granite and gravel) in T0304—2005

編號變量毛體積密度/%表干密度/%表觀密度/%吸水率/%A集料粒徑(2．36mm/4．75mm)33．416．716．750B水分狀況(烘干/隨即浸泡)16．705050C樣品冷卻時間(0/3h)00033．4D浸泡時間(15h/24h)16．716．7016．7E擦干試樣(干毛巾/擰干的濕毛巾)00016．7F水溫(15～19℃/21～25℃)505016．733．4G樣品冷卻時間(1h/3h)005050

注：變量括號中，/前為低值，/后為高值，下同。

表10 T0304—2005試驗中高吸水率(>2%)粗集料(石灰石和高爐礦渣)的每個重現(xiàn)性因子的顯著性次數(shù)百分率

Tab.10 Percentages of significance time of each repetitive factor for testing low absorption (>2%) coarse aggregates(granite and gravel) in T0304—2005

編號變量毛體積密度/%表干密度/%表觀密度/%吸水率/%A集料粒徑(2．36mm/4．75mm)00016．7B水分狀況(烘干/隨即浸泡)016．75050C樣品冷卻時間(0/3h)0335033．4D浸泡時間(15h/24h)00016．7E擦干試樣(干毛巾/擰干的濕毛巾)33．4016．733．4F水溫(15～19℃/21～25℃)16．733．45050G樣品冷卻時間(1h/3h)0033．450

有顯著性影響。這是由于兩個試驗試樣有不同的集料粒徑下限，從而導致表面孔隙結(jié)構(gòu)不同，最終影響了吸水率和毛體積密度。而在高吸水率水平(即大于2%)下，集料的粒徑對毛體積密度、表觀密度、表干密度及吸水率無顯著性影響。因此，在T0304—2005方法中，對于高吸水率水平的粗集料，將適用于4.75 mm以上的粗集料統(tǒng)一擴大至適用于2.36 mm以上的粗集料是必要的，試驗結(jié)果才具有可比性。

(2)水分條件

表9和表10中的結(jié)果表明，在其水分狀況(即試驗B)中，使用烘干的粗集料試樣或在隨即浸泡條件下其測試結(jié)果基本上不相同。這表明粗集料在高低不同的吸水率水平下，烘干的粗集料或自然風干的粗集料對表觀密度和吸水率均有顯著性影響。因此，在T0304—2005方法中，建議將清洗干凈后的粗集料置于(105±5)℃的烘箱中烘干后再進行后面的試驗。

(3)樣品冷卻時間

在樣品冷卻時間(即試驗C)中，先將烘箱干燥后的集料樣品自然冷卻至室溫，然后再將其浸泡在室溫的水中。這是為了避免熱沖擊，這種熱沖擊可能會導致熱集料顆粒的微分收縮，這種不同程度的收縮可能會導致集料形成裂縫，改變集料的空隙結(jié)構(gòu)、吸水能力和密度。同時，表9和表10中的結(jié)果表明，粗集料在低吸水率水平(即小于2%)下冷卻時間對吸水率有顯著性影響，而在高吸水率水平(即>2%)下，對表觀密度、表干密度及吸水率有顯著性影響。因此，在T0304—2005方法中，建議在烘箱中干燥后的粗集料，需要自然冷卻規(guī)定時間至室溫后再繼續(xù)進行后面的試驗。

(4)浸泡時間

在浸泡時間(即試驗D)中，根據(jù)表9和表10中的結(jié)果，在不同浸泡時間條件下其測試結(jié)果基本上相同，粗集料在高低不同吸水率水平下，浸泡時間對粗集料的毛體積密度、表觀密度、表干密度及吸水率均無顯著性影響。因此，浸泡時間不是影響粗集料密度和吸水率的顯著性因子。T0304—2005方法中規(guī)定浸泡時間為24 h，而試驗數(shù)據(jù)表明，浸泡時間對試驗的密度和吸水率沒有顯著性影響，故建議試驗中可以縮短其浸泡時間至15 h，從而縮短試驗的時間，提高效率。

(5)擦干試樣

在擦干試樣(即試驗E)中，使用干毛巾或者擰干的濕毛巾來擦干濕潤集料的表面從而達到飽和面干狀態(tài)(SSD)可能嚴重影響試驗的結(jié)果。根據(jù)吸水數(shù)量，濕布的吸水能力可能比一塊完全干燥的毛巾更好，這是因為水分子的表面被極化，從而對于其他水分子來說就像一塊磁鐵，這一過程是基于水分子的毛細作用所致。而根據(jù)表9和表10中的結(jié)果，在高吸水率水平下，使用干毛巾和使用濕毛巾擦干試樣對粗集料的毛體積密度和吸水率有顯著性影響，在低吸水率水平下，使用干毛巾和使用濕毛巾擦干試樣對粗集料的毛體積密度、表觀密度、表干密度及吸水率無顯著性影響。T0304—2005方法中規(guī)定使用擰干的濕毛巾擦干集料濕潤的表面達到SSD狀態(tài)。因此，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可知，對于高吸水率水平的粗集料，使用擰干的濕毛巾擦干集料濕潤的表面達到SSD狀態(tài)是合理的。

(6)水浴溫度

在水浴溫度(即試驗F)中，水浴溫度是一個十分重要的試驗參數(shù)，這是因為熱效應(yīng)對集料和水的密度都有影響。同時，根據(jù)表9和表10中的結(jié)果，在低吸水率條件下，水溫對粗集料的毛體積密度、表干密度和吸水率有顯著性影響，在高吸水率條件下，水溫對粗集料的表干密度、表觀密度和吸水率也有顯著性影響。而T0304—2005方法中規(guī)定水浴溫度為(20±5)℃。因此，我們建議水浴溫度從(20±5)℃ 改為(20±1)℃。之所以提出±1 ℃波動范圍是因為我們在實驗室中可以合理地控制這一溫度范圍。

(7)試樣冷卻時間

在冷卻時間(即試驗G)中，當樣品安全的從烘箱中拿出之后或者在它自然降溫冷卻到適合處理的溫度(大約20 ℃)后，我們可以確定烘干的集料試樣的最終質(zhì)量。根據(jù)表9和表10中的結(jié)果，在高低不同的吸水率條件下，冷卻時間對粗集料的表觀密度和吸水率均有顯著性影響，而T0304—2005方法中規(guī)定集料冷卻至室溫。根據(jù)試驗結(jié)果，建議將烘干后的集料自然冷卻一個規(guī)定的時間。

4 結(jié)論

目前，測定粗集料密度和吸水率的標準測試方法是T0304—2005。基于上面重現(xiàn)性試驗研究結(jié)果的分析，可以對T0304—2005得出如下的結(jié)論和建議：

(1)集料粒徑對粗集料的密度和吸水率有顯著性影響，特別是毛體積密度和吸水率。因此，在T0304—2005方法中，對于粗集料，統(tǒng)一采用2.36 mm以上的粗集料進行試驗，試驗結(jié)果才具有可比性。

(2)集料的水分狀況對粗集料的密度和吸水率也是有顯著性的影響，特別是表觀密度和吸水率。因此，在T0304—2005方法中，建議將清洗干凈后的粗集料置于(105±5)℃的烘箱中烘干。

(3)集料樣品的冷卻時間被認為是十分顯著的因子，特別是表觀密度、表干密度及吸水率。因此，在T0304—2005方法中，建議在烘箱中干燥后的粗集料，需要自然冷卻3 h至室溫再繼續(xù)進行后面的試驗。

(4)浸泡時間對粗集料的密度和吸水率不是一個顯著性因子。因此，建議在試驗中，縮短其浸泡時間至15 h，從而縮短試驗的時間，提高效率。

(5)浸泡過的集料試樣干燥方法(無論是干或擰干的濕毛巾)對粗集料的密度和吸水率也是一種十分顯著的因子。因此，在試驗中，對于粗集料，使用擰干的濕毛巾擦干集料濕潤的表面來達到飽和面干狀態(tài)是合理的。

(6)水浴溫度也是一個非常顯著的因子。因此，建議在試驗中，水浴溫度從(20±5)℃更改為(20±1)℃，從而降低試驗變異性。

(7)集料的試樣冷卻時間對粗集料的密度和吸水率也是十分顯著的因子，特別是表觀密度和吸水率。因此，建議在試驗中，統(tǒng)一將烘干后的粗集料自然冷卻3 h。

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Analysis of Influencing Factors for Testing Density and Water Absorption of Coarse Aggregates

LI Chuang-min，LI Shi-qi, XIAO Ling, YAN Hua-wen

(School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha Hunan 410114，China)

To cope with the problems of method of testing coarse aggregates specified in T0304—2005, by using Plackett-Burman design method, aiming at the experimental factors which may have effect on the measured values of density and water absorption of coarse aggregates, applying to aggregates with 2 levels of water absorption (less than 2% or greater than 2%), the influence of the factors include coarse aggregates size, moisture condition, cooling time of the sample before test, soak time, drying condition, water temperature, and cooling time of the tested sample on density and water absorption of coarse aggregates are studied respectively. Statistical analysis of variance shows that these factors have different degrees of impact on the measured values of bulk volume density, skin drying density, apparent density and water absorption of coarse aggregates. On this basis, the suggest for revising the method for testing density and water absorption of coarse aggregates specified in T0304—2005 is put forward.

road engineering; test of density and water absorption of coarse aggregate; Plackett-Burman design method; influencing factor; analysis of variance

2016-02-01

交通運輸部公路工程行業(yè)標準規(guī)范制修訂計劃項目(2013-23);江西省宜春市科技研究計劃項目(20160001)

李闖民(1965-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，博士，教授.(lichuangmin@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.11.001

U416.03

A

1002-0268(2016)11-0001-07