三種瀝青混合料設計方法的比較

廖福安(廣東省惠州市博羅公路管理局，廣東 惠州516000)

瀝青混合料的設計對混合料質(zhì)量具有關(guān)鍵影響。目前國內(nèi)具有代表性的瀝青混合料設計方法有馬歇爾法(Marshall) 、美國公路戰(zhàn)略研究計劃(SHRP) Superpave 設計法、美國工程兵團旋轉(zhuǎn)壓實儀GTM( Gyratory Testing Machine) 設計法。其中，馬歇爾設計法是我國應用最多的一種設計方法。Superpave 設計法與GTM 設計法在國內(nèi)也有大量應用。根據(jù)目前的應用情況，這三種方法都可以設計出質(zhì)量優(yōu)良的瀝青混合料。正確掌握不同方法的特點，是設計優(yōu)良瀝青混合料的前提。筆者結(jié)合有關(guān)資料與自己的工程實踐，從設備與成型方法、體積指標的作用等方面綜合分析比較了這三種方法的優(yōu)缺點。

1 三種設計方法的一般步驟

1.1 馬歇爾設計法[1]

馬歇爾設計法是我國的規(guī)范設計方法，也是世界各國使用最多的設計方法。我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中有比較詳細的規(guī)定。其一般步驟是：

選擇材料→設計級配→成型試件→測試體積指標與馬歇爾穩(wěn)定度、流值→選擇最佳瀝青用量→驗證性能→設計生產(chǎn)配比→生產(chǎn)配合比驗證→提出標準配合比

馬歇爾設計法的基本點是采用擊實法成型試件并進行體積指標測試。設計過程中的各種性能驗證試驗可以一定程度上區(qū)分不同質(zhì)量的混合料，但并不是確認路面是否產(chǎn)生破壞的指標，不能濫用。

1.2 Superpave 設計法[2][3]

Superpave 主要包括三個方面內(nèi)容：瀝青膠結(jié)料性能規(guī)范、瀝青混合料體積設計方法、瀝青混合料性能預測。目前Superpave 設計法已經(jīng)成為美國主要的瀝青混合料設計法。

Superpave 體積設計法的主要步驟是：

1）準備階段：選擇合適的材料；

2）測定集料的密度參數(shù)與級配，并設計礦料合成級配，一般選三條級配線；

3）將設計空隙率定為4%，確定初試瀝青用量，依據(jù)交通量與路面結(jié)構(gòu)確定旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)；

4）確定合適的級配。按初試瀝青用量與選定的設計壓實次數(shù)成型試件，測試各級配試件體積參數(shù)，將具有合適的體積特性以及壓實性能的級配定為設計級配。壓實次數(shù)由交通量決定；

5）確定設計級配的最佳瀝青用量；

6）設計驗證試驗。確定設計級配與最佳瀝青用量在最大、最小壓實次數(shù)時的壓實度以及水敏感性是否符合Superpave 要求。

Superpave 提出了三個水平設計混合料的思想。根據(jù)交通量的不同，試驗內(nèi)容有所不同。

表1 與交通量對應的混合料設計水平

但是，Superpave 提出的性能預測方法并不成熟。

1.3 GTM 設計法[4]

GTM 是美國工程兵于上世紀60 年代為解決空軍重型轟炸機機場跑道的設計而研究發(fā)明的。目前國內(nèi)部分高速公路瀝青混合料已經(jīng)采用GTM法進行設計。

GTM 設計法確定瀝青混合料瀝青用量的步驟如下:

1) 確定設計壓強。根據(jù)相似交通調(diào)查預測擬建公路汽車輪胎對路面的最大接觸壓強，根據(jù)路面力學公式計算出路面不同深度的壓應力與剪應力,據(jù)此確定相應層位混合料的設計壓力；

2）選擇材料，確定級配；

3）根據(jù)經(jīng)驗選取數(shù)個不同的油石比成型試件（用平衡狀態(tài)法）；

4)繪制不同油石比與GSI、GSF、毛體積相對密度的關(guān)系曲線，確定初步用油量范圍（GSI ≤1.05,且GSF ≮1.3)及相應的毛體積密度,計算混合料體積指標;

5)綜合考慮氣候特征、渠化交通情況及其他因素確定油石比范圍,并取其中值為最佳油石比,對應的毛體積相對密度為施工控制的標準密度。

6)對設計的瀝青混合料進行高低溫性能及水穩(wěn)定性能等檢驗。試驗方法與馬歇爾設計法相同，但具體指標可能會有所變化。

2 .三種設計方法的比較分析

2.1 成型方式比較

1）馬歇爾設計法的擊實成型法是基于一定的擊實功條件下，對試件垂直擊實成型。這種方式的優(yōu)點之一是試驗設備非常簡單。但是擊實成型的方式與路面壓路機對混合料的碾壓機理，以及車輛輪胎對路面的作用機理是不同的。因此，擊實成型試件的密度往往偏低，在采用骨架密實結(jié)構(gòu)混合料時這一缺點尤為突出。盡管我們可以通過增加擊實次數(shù)一定程度上彌補這一缺點，但因為擊實易導致試件骨料破碎，無法消除這一先天缺陷。

根據(jù)目前有關(guān)規(guī)范，擊實成型的次數(shù)與路面等級有關(guān)[1]，其關(guān)系是經(jīng)驗性的。

2）Superpave 設計法采用旋轉(zhuǎn)壓實儀（SGC）成型試件。與擊實法相比，旋轉(zhuǎn)壓實法能更好模擬路面壓路機和車輛輪胎對瀝青混合料的作用，旋轉(zhuǎn)壓實法成型的試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)與路面實際更加一致[5]。

Superpave 設計法在選擇壓實機的時候有一潛在前提，即材料特性參數(shù)不是來源于壓實機械，這樣Superpave 的旋轉(zhuǎn)壓實儀（SGC）就成了一款純試件成型機械，沒有考慮測試諸如材料抗剪強度等參數(shù)，SGC 不能提供判定路面是否穩(wěn)定的所必需的應力應變特征。

一般，SGC 成型試件時都采用0.6MP 垂直壓強，機器角固定為1.25 度，成型過程中不變化。SGC 旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)根據(jù)交通量大小分檔[2][3]，需要在設計前確定，具有相當大的經(jīng)驗成分。

3）GTM 設計法與Superpave 設計法具有重大的差別，兩者的差異也反映了這二種方法的設計理念是不同的。

GTM 設計時采用的垂直壓強為根據(jù)路面車輛接觸壓強測試并結(jié)合路面力學計算得到的一個值?；旌狭鲜褂脤游徊煌?，設計壓力也可以不同。GTM 在工作中的機器角是不固定的，采用油壓滾軸時，初始機器角一般設定為0.8°，這一角度仍為經(jīng)驗值，在試件壓實過程中，機器角會不斷變化，這一變化與混合料在壓實過程中的變化相關(guān)。

GTM 設計混合料時，通常采用平衡狀態(tài)法成型試件。即成型時，不管對任何材料、任何級配、任何溫度，一直要壓實到平衡狀態(tài)密度，亦即不能再被壓實的狀態(tài)。

GTM 試件成型過程中，可以測試出材料在壓實過程中不同階段的力學性質(zhì)（如抗剪強度），提供判定路面是否穩(wěn)定所必需的應力應變特征。

4）上述三種設計方法在成型試件時，成型功都與路面狀況建立了某種聯(lián)系，馬歇爾法與Superpave 設計法的這種關(guān)系是純經(jīng)驗性。而GTM 通過測試路面車輛的接觸壓強確定成型壓力，且各層瀝青混合料可根據(jù)計算的壓力成型，是推理性的，顯得更為科學、精準。

GTM 與另二種成型方式還有一個重大區(qū)別。在公路等級確定的情況下，馬歇爾的擊實成型法與Superpave 的旋轉(zhuǎn)壓實法都是一種確定擊實功的成型法，這是它們的一個重要缺陷。馬歇爾設計與Superpave 設計中，原理上成型功的變化只與交通量聯(lián)系，與材料和級配無關(guān)。而GTM 設計時，是以試件是否達到平衡狀態(tài)來確定是否結(jié)束壓實的，壓實功的大小不僅與垂直壓力有關(guān)，也與材料種類、級配、瀝青含量等有關(guān)。GTM 這一特點與不同材料（級配、溫度、瀝青含量的變化等）有不同壓實特性相吻合。

GTM 成型試件時可以測出混合料的剪切強度等力學性質(zhì)，且由于成型過程模擬性較好，使GTM 設計法成為一種力學的、推理的設計方法，利用它有可能真正實現(xiàn)混合料的性能設計。

2.2 三種設計法中的體積指標

馬歇爾設計法的一個重要貢獻是向人們揭示了混合料的體積組成與性能的某種關(guān)系。由于馬歇爾穩(wěn)定度、流值在一般的瀝青用量范圍內(nèi)都是符合要求的，導致馬歇爾設計法確定最佳瀝青用量依據(jù)的主要就是體積指標。Superpave 設計法作為一種體積設計法，體積指標有著重要作用。依據(jù)交通狀況的不同，這二種方法的體積指標要求也會有所不同。例如，對重載交通路面密級配瀝青混凝土，馬歇爾設計時應取較大的空隙率（4%～6%），而Superpave 設計法中，設計空隙率定為4%，但依交通量不同，要求的瀝青飽和度也不同。

體積指標是一種衍生指標，它與混合料成型方式、成型條件都有密切關(guān)系。但在體積設計中，空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度有時候是很難協(xié)調(diào)的，導致設計看似容易，其實有相當難度。

GTM 設計法依據(jù)GSI、GSF 確定最佳瀝青用量，故在確定最佳瀝青用量時，體積指標已退至次要地位，但是這并不意味著體積指標在整個混合料設計中不重要了。由于瀝青混合料水穩(wěn)定性、耐久性與體積指標有關(guān)，因此體積指標可以在GTM 設計的瀝青混合料的水穩(wěn)定性、抗疲勞性能、低溫性能方面起到控制作用。

2.3 設計體系的完整性

馬歇爾設計法由于應用時間較長，故積累了豐富的應用經(jīng)驗，我國規(guī)范將馬歇爾設計法作為標準的混合料設計法。在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中，規(guī)定了該體系從選擇材料（集料、填料、膠結(jié)料）、級配設計、試件成型、指標測試、最佳瀝青用量選定、性能驗證、質(zhì)量驗收的整個過程與方法，該方法相應的檢測設備、檢測方法都比較成熟，工程技術(shù)人員使用相當方便。

其他設計方法的發(fā)展，也促進了馬歇爾設計法的完善。例如，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中級配設計、體積指標測試與計算就吸收了Superpave 設計法的相關(guān)成果。在重載路面混合料設計方面，馬歇爾法也吸收了GTM 設計法的成果。

Superpave 體積設計法作為SHRP 的主要成果，在材料評價與選擇、級配設計與控制、混合料體積指標測試都建立一套相對先進的方法，但混合料性能的驗證方法則不成熟。另一方面，該設計方法試驗檢測設備昂貴，限制了其應用。

GTM 設計法早期主要用于飛機跑道的設計，用于公路路面混合料設計則較晚。在國內(nèi)它雖然已經(jīng)應用于多條高速公路，且效果不錯，但其材料選擇、路用性能評價仍舊借助于馬歇爾設計體系內(nèi)的方法，給大家的印象是該法僅為一種抗車轍設計方法。實際上由于其設計的混合料非常密實，在水穩(wěn)定性與耐久性方面也可能具有非常好的性能，這當然需要更深入的研究，特別是不同地區(qū)工程實體的驗證。該種方法的推廣應用還有賴于其設計體系的完善，值得研究的課題還很多。例如，級配設計的方法，混合料抗疲勞性能、耐久性方面的研究，GTM 在不同類型混合料（如SMA、SAC、ATB 混合料）上的應用技術(shù)等等。

3 結(jié)語

馬歇爾設計法作為一種相對成熟、系統(tǒng)的設計方法在國內(nèi)得到大量應用。但其固有的缺點使之不能很好的適應不同類型路面、不同交通量等級、不同級配混合料的設計。Superpave 設計法具有較為合理的旋轉(zhuǎn)壓實方式，以及系統(tǒng)的原材料與性能評價方法，會在國內(nèi)得到更多的應用。GTM 法雖然設備昂貴，但設計過程卻相對簡單。該種方法的成型方式最為合理，指標先進，相信對不同車輛軸載、不同層位、不同級配瀝青混合料的設計具有最好的適應性，是一種頗具生命力的設計方法。

[1]JTG F40－2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S]北京：人民交通出版社,2004.26-32，70-86

[2]吳曠懷，張肖寧.瀝青混合料設計綜述[J]，廣州大學學報(自然科學版)，2005(5)456-458

[3]賈渝等.高性能瀝青路面(Superpave)基礎(chǔ)參考手冊[Z]，人民交通出版社,2005.12-135

[4]周衛(wèi)峰．基于GTM 的瀝青混合料配合比設計方法研究[D].西安：長安大學，2006.7-65

[5]李智.不同壓實成型瀝青混合料的數(shù)字圖像分析[J],2003,(36)12.68-73