馬歇爾、Superpave、高模量瀝青混凝土設計方法對比研究

□文/周艷軍 王 崢 李正中

我國道路交通正朝著重交通的方向發展，重交通、重載、超載現象普遍，重交通下瀝青路面典型的損壞為高溫車轍與水損害[1]。瀝青路面在達到使用壽命前就出現了大量的車轍、壅包、裂縫、坑槽等病害，極大影響了行車的安全性和舒適性，這就對瀝青路面的結構、材料及路用性能提出了更高要求，如何提出更加科學可靠的混合料設計方法、采用高性能的路面材料、選擇更加合理的路面結構成為當前研究的熱點。

國內外瀝青混凝土設計方法有很多，國際上較為常用的是馬歇爾法和Superpave設計方法。近幾年，法國高模量瀝青混合料因其高性能受到國內學者的關注，其設計理念與性能評價體系則完全獨立于以上兩種傳統設計方法。該設計方法因其獨創性和先進性一直受到歐盟其他國家的借鑒，英美等國更是將高模量的概念應用到長壽命路面設計之中[2]。

1 三種設計方法研究現狀比較

1.1 馬歇爾設計方法

目前，我國規范仍采用馬歇爾設計方法進行瀝青混合料設計。實際上，馬歇爾設計方法也是目前國內外技術最成熟、應用最普遍的設計方法，選擇瀝青時采用針入度級規范，設計者根據經驗及氣候條件選用合適的瀝青；礦料級配一般采用中值法，其技術要求主要由穩定度、流值、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度和混合料密度等指標組成。

馬歇爾法的優點：

1）考慮了瀝青混合料的體積特性，通過合理的體積特性設計出符合耐久性要求的混合料；

2）所需試驗設備價格低廉、操作簡單且便于攜帶，因此得到世界上多數國家推廣應用。

馬歇爾法也存在明顯的缺點，指標體系既不能反映瀝青混合料的力學性能，也不能反映瀝青路面的技術性能，原因有以下三個方面：

1）試件的成型方法與路面受輪胎搓揉碾壓的實際情況相差較大，野外路面與試件的內部礦料、膠漿油膜和空隙率排布也有差別；

2）試件的穩定度和流值兩個經驗性指標與實際路用性能間沒有明確的相關性；

3）通常不適用于開級配和大粒徑混合料。

1.2 Superpave設計方法

Superpave（Superior PerformingAsphalt Pavements）設計方法是美國SHRP的主要研究成果。Superpave體系包括性能基礎上的瀝青材料特性與設計環境條件，通過控制車轍、低溫開裂和疲勞裂縫來提高材料性能。依據氣候條件和設計交通量，Superpave法將材料選擇和混合料設計合為一體。

Superpave提出了混合料三水平設計思想，將瀝青混合料設計方法分為三個等級，I級設計稱為混合料體積設計法，II級設計是中等路面性能水平的混合料設計，III級設計是最高路面性能水平的混合料設計。見表1和圖1。

表1 Superpave三個設計等級比較 次

圖1 I級設計方法

目前，I級設計由于概念清晰、方法實用而被普遍接受，而II級和III級設計由于較為復雜尚未到實用階段。Superpave設計方法中提出的建立在流變學基礎上的瀝青膠結料PG（Performance-based Gradation）分級，通過限制空隙率、礦料間隙率和瀝青飽和度來實現集料、膠結料和混合料空隙之間的體積比例、級配控制點、“S”型級配曲線和禁區的概念，集料的有效密度和有效瀝青用量、旋轉壓實成型方法和混合料的體積參數等概念，推動并影響了混合料設計的發展。

但是，Superpave法也存在一些不足之處：

1）按體積設計與按質量檢驗之間存在矛盾；

2）集料與混合料各種密度（如毛體積密度、填裝密度、最大密度）的測定精度對設計結果有重要影響；

3）對礦料級配的確定完全依賴經驗；

4）旋轉壓實次數與交通量之間的關系主要靠經驗。

這些不足使歐洲對其并不感興趣；我國對該方法應用效果評價不一，也有人認為前景不好[3]。

1.3 高模量設計方法

法國瀝青混合料配合比設計方法主要考慮了三種因素：

1）組成集料的多樣性；

2）氣候條件的多變性（特別是溫度的變化）；

3）汽車荷載作用的破壞性。

法國高模量設計方法是一套基于性能的設計規范體系，見表2。

表2 法國瀝青混合料設計方法

法國高模量瀝青混合料設計經驗表明，高模量瀝青混合料設計關鍵的問題是處理好模量、疲勞和高溫穩定性三者之間的關系，因此在高模量設計方法中，將復數模量、百萬次荷載作用周期下的疲勞應變作為主要設計指標。目前法國已形成了以水穩性、熱穩定性、復數模量和抗疲勞四種性能試驗為基礎的四水平設計法，見圖2。

圖2 高模量設計方法四水平設計

這種方法得到的模量和疲勞的試驗結果直接作為計算參數應用于路面結構設計中，材料應用于不同的路面層位相應的技術要求也不同。這就有效地將材料的性能與路面功能要求結合了起來；與我國的瀝青路面配合比試驗和路面結構設計相脫節的現象形成了非常鮮明的對比。

2 三種設計方法級配及瀝青用量確定方法比較

2.1 馬歇爾設計方法

在級配設計方面，首先確定擬采用的混合料類型，依據規范中級配范圍，選擇粗、中、細三組級配，根據工程經驗擬定3～5組油石比，分別制作試件并計算出各種體積指標，包括空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等，最后根據選出一組接近或滿足設計要求的級配。

在最佳瀝青用量確定方面，先確定瀝青用量范圍，再在此范圍內選擇五種瀝青用量，制作五組試件并進行馬歇爾試驗。根據馬歇爾試驗結果，繪制油石比與毛體積密度、穩定度、流值、空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率之間的關系曲線，從六組曲線上找到相應的最大密度、最大穩定度、目標空隙率（或中值）、瀝青飽和度所對應的四個油石比，求出四者的平均值作為最佳油石比初始值OAC1，如果對選擇的瀝青用量范圍未能涵蓋瀝青飽和度的要求范圍，取前三者的平均油石比。對所選試驗的瀝青用量范圍，密度或穩定度沒有出現峰值（最大值經常出現在曲線的兩端）時，可直接以目標空隙率所對應的油石比作為OAC1；作圖求出能滿足瀝青混凝土各項指標要求的油石比范圍（OACmax，OACmin）,該范圍的中值為OAC2，如果最佳油石比的初始值OAC1在OACmax與OACmin之間，則認為設計結果是可行的，可取OAC1與OAC2的中值作為目標配合比的最佳油石比OAC并結合當地公路等級、氣候特點、交通狀況，確定最終最佳油石比。

2.2 Superpave設計方法

Superpave瀝青混合料設計中首先根據交通量的大小選擇混合料的壓實次數，其次根據控制點和禁區來初選粗、中、細三種級配，依據旋轉壓實試驗結果來選擇級配，然后以4.0%作為混合料的設計空隙率確定瀝青用量。根據不同交通量來確定混合料設計時的室內壓實功及相應的瀝青混合料體積性質，體積指標有礦料間隙率、瀝青飽和度、粉膠比、初始旋轉次數、壓實度等。

根據各個級配的估算瀝青用量結果及設計經驗，確定瀝青用量。采用旋轉壓實儀成型試件，旋轉壓實儀設定的單位壓力為0.6 MPa；壓實次數N最初=8次，N設計=100次，N最大=160次。根據Superpave設計標準，選取滿足混合料體積指標的級配作為選擇級配。

設計級配確定后，根據預估的瀝青用量和設計經驗，選擇從小到大四個瀝青用量，成型旋轉壓實試件，根據四個瀝青用量的體積性質，通過圖表插值法得到空隙率4.0%時對應的瀝青用量作為設計瀝青用量，驗證設計瀝青用量在壓實次數設定在N最大時對應的體積性質指標，滿足Superpave標準即可。

2.3 高模量設計方法

高模量設計方法級配的選擇與馬歇爾和Superpave相比有很大區別。首先，篩分粒徑不同，主要孔徑有0.063、0.08、0.2、0.315、1、2、4、6.3、8、10、12.5、14、16、20、25、31.5、40、50、63、80 mm。其中 0.063、2、4、6.3 mm是關鍵篩孔。標準中沒有規定集料顆粒分布曲線。然而對于關鍵篩孔規定了目標組成的總范圍（級配范圍），其他篩孔無明確要求，關鍵篩孔根據不同的混合料有不同范圍和目標值，在選擇級配時要使合成的級配曲線盡量的靠近關鍵篩孔的目標值。由此可見，高模量設計方法在級配設計方面是一種控制關鍵篩孔的方法，因此對級配曲線的要求不高。

高模量設計方法中，沒有明確的確定最佳瀝青用量的方法，實際上法國高模量設計方法是一套追求最佳瀝青混凝土性能的設計方法。為保證裹附在集料表明的瀝青膜厚度，該方法僅對瀝青最小用量做出規定，瀝青最小用量通過豐度系數K來控制，豐度系數接近于瀝青膜厚度的概念，可以看作當量瀝青膜厚度，不同混合料K值有一個最小值。通過式（1）與油石比有下列關系。

式中：TLext為油石比，%；ρG為集料的有效密度，g/cm3。

式中：G為粒徑＞6.3 mm的集料比例，%；S為粒徑在0.315～6.3mm間的集料比例，%；s為粒徑在0.08～0.315 mm間的集料比例，%；f為粒徑＜0.08 mm的集料比例，%。

式中：G為粒徑＞6.3 mm的集料比例，%；S為粒徑在 0.25～6.3 mm間的集料比例，%；s為粒徑在0.063～0.25 mm間的集料比例，%；f為粒徑＜0.063 mm的集料比例，%。

由上式可見，混合料的油石比與礦料級配和有效密度有關，確定了級配，即可根據規范中規定的最小K值確定相應的最小瀝青用量。旋轉壓實成型試件，根據不同混合料的類型，壓實次數和空隙率要求不同。高模量設計方法中沒有規定最佳油石比，但根據經驗，高模量的油石比范圍一般在5.5～6.5之間，因此可以按照統一的標準，確定兩組以上K值，以確定出性能最好的混合料，從而得到最佳油石比。

3 三種設計方法性能試驗評價比較

3.1 馬歇爾設計方法

根據設計的級配和油石比，需要進行性能評價試驗，包括水穩定性、高溫穩定性和低溫抗裂性。水穩定性通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗測試，高溫穩定性通過車轍試驗的動穩定度測試，低溫抗裂性由小梁彎曲試驗驗證。

3.2 Superpave設計方法

Superpave設計方法的試驗驗證包括水穩定性和高溫穩定性，水穩定性采用AASHTO T283試驗，高溫穩定性與馬歇爾試驗相同，采用車轍試驗[4]。

3.3 高模量設計方法

評價自成體系，評價方法與試驗設備與馬歇爾法和Superpave法均有不同之初。高模量設計方法性能試驗要比馬歇爾和Superpave復雜的多，要求達到四個等級水平，第一級水平是旋轉壓實和水損害，第二級水平是高溫性能，第三級水平是模量，第四級水平是疲勞：只有滿足上一級設計要求后才能進行下一級試驗[5]。

3.4 小結

三種方法的試驗評價比較見表4。

表4 三種設計方法性能試驗比較

高模量設計方法性能評價體系與馬歇爾設計法一個顯著的不同是沒有對瀝青混凝土的低溫性能進行評價，這與法國的地理位置有關，法國西部屬海洋性溫帶闊葉林氣候，南部屬亞熱帶地中海氣候（夏季溫暖干燥，冬季溫和多雨），中部和東部屬大陸性氣候。月平均氣溫：1月西部及南部4～7℃，東部及北部1～3℃；7月北部及西部16～18℃，南部及東部21～24℃。溫暖濕潤的氣候對瀝青混凝土低溫性能要求不高，因此法國設計方法中沒有對低溫性能的評價。

通過比較發現馬歇爾設計方法和Superpave設計方法性能驗證試驗較為相似，都是以水穩定性和高溫穩定性為主，由于試件成型方式不同，馬歇爾設計方法水穩定性采用的馬歇爾試件進行浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗，Superpave采用的是旋轉壓實成型進行AASHTOT283試驗。馬歇爾試驗還有低溫性能驗證，這個試驗Superpave和高模量設計方法都沒有。高模量設計方法性能試驗較為復雜，首先驗證水穩定性和高溫穩定性，試驗與馬歇爾和Superpave也不相同；之后還要進行模量和疲勞的驗證，整個配合比設計的設計周期要45～60 d。

4 結語

本文對目前應用較為廣泛的馬歇爾和Superpave以及法國的高模量設計方法進行全面比較，從級配選擇到瀝青用量確定，最后到性能驗證試驗，比較了各自的差異性。馬歇爾是最早的設計方法，由于試驗設備價格適中且便于攜帶應用范圍最為廣泛，但是因為無法模擬現場路面實際情況，導致路面病害過早出現。因此后來美國研究出了Superpave設計方法，推廣很快，由于其優良的路面性能，解決了早期路面病害。法國高模量設計方法近年來得到國內外專家的重視，原因在于其獨創性和先進性，其基于控制關鍵篩孔的級配設計理念、利用豐度系數（最小瀝青膜厚度的思想）求最小油石比的方法和基于性能的混合料設計評價體系是一套完整先進的設計方法，對混合料設計方法是一種推進和完善。