國內外瀝青混合料設計方法對比研究

柏燕肖

（貴州省花溪公路管理段,貴州 貴陽 550001）

0 引言

當前，隨著我國社會經濟的發展，交通量迅速增加，車輛荷載也在不斷增加，使得瀝青路面早期破壞日益嚴重。究其原因，傳統的混合料設計方法設計出的瀝青混合料已經不適應當前的道路使用環境，對混合料設計方法進行改進創新已經迫在眉睫。目前，國內外現行瀝青混合料設計方法有馬歇爾法、Superpave法以及GTM法等，其中馬歇爾設計方法因其設備簡單、成本較低，應用最為廣泛。美國Superpave混合料設計方法問世以來，受到各國道路工作者的青睞，我國對此項技術也十分關注。我國把Superpave譯為高性能瀝青路面，并不是這種路面不會發生病害，而是采用Superpave方法設計出的瀝青路面相比馬歇爾法設計出的瀝青路面在抵抗車轍、低溫開裂以及水穩定性方面都具有較大優勢。GTM法完全利用力學的應力應變原理，最大限度地模擬了汽車對路面的實際作用情況，并以推理的方法，通過汽車對路面實際作用的壓強來設計瀝青混凝土，使設計的瀝青混合料抗剪強度大于其所受的剪應力，同時能使其所產生的應變控制在適當的范圍內。這為目前汽車觸地壓強不斷上升的問題提供了解決方案，減少了瀝青路面在重載交通下出現車轍、推移、擁包等剪切破壞。下述，將通過介紹馬歇爾法、Superpave法以及GTM法的設計原理、設計過程，并進行比較分析后提出改進混合料設計方法的建議。

1 馬歇爾瀝青混合料設計方法

1.1 馬歇爾法的簡介

馬歇爾法是由密西西比公路局的Bruce Marshall在1939年左右提出的。在二戰期間開始使用，后來美國陸軍工程兵團（USCOE）開始評價不同的熱拌瀝青混合料（HMA）設計方法，以用于軍用機場道面設計，進一步完善了該方法。我國《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）規定國內瀝青混合料配合比設計方法采用馬歇爾設計方法[1]。

1.2 馬歇爾法的設計流程

馬歇爾設計方法通過馬歇爾擊實儀錘擊瀝青混合料成型試件，測算密度、空隙率等體積參數來確定瀝青混合料的最佳瀝青用量，是一種體積設計方法。馬歇爾設計方法的主要步驟：一是原材料的選擇。集料和瀝青需進行性能試驗，各項指標滿足規范要求。二是級配選擇。確定路面各層位瀝青混合料類型，再根據規范結合對大體相當的工程使用情況進行的調查研究確定級配范圍，再根據氣候條件進行調整。三是最佳瀝青用量確定。通過經驗預估混合料的最佳油石比，再以預估的最佳油石比、預估的最佳油石比±0.5%、預估的最佳油石比±1.0%成型五組馬歇爾試件，測算各項設計指標，繪出各個指標與油石比的關系曲線圖，由圖確定最佳油石比。四是對最佳油石比進行檢驗。檢驗最佳油石比時混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性以及滲水系數是否滿足要求。

1.3 馬歇爾法的優缺點

1.3.1 馬歇爾混合料設計方法的優點

一是設計方法理論相對簡便易于掌握，施工操作人員較為熟悉。二是試驗設備簡單，低成本，不易損壞，且試驗結果具有一定可信性。

1.3.2 馬歇爾混合料設計方法的缺點

一是混合料成型壓實度不夠。馬歇爾法試件制作采用擊實法，然而這種壓實方式與實際道路的碾壓方式相差較大，壓實功有限試模小使得混合料密度偏小，空隙率偏大，以至于設計出的方案所需瀝青量較大，在資源上造成了浪費，增加了成本[2]。二是設計指標與路用性能關聯度不高。馬歇爾穩定度與流值與瀝青混合料的路用性能也沒有太好的相關性。三是礦料級配無法優選。馬歇爾設計方法級配選擇要求在設計級配范圍內，滿足一定技術指標即可，不能確定級配范圍內的最優級配。四是未分層設計。路面不同層位需要考慮的路用性能不盡相同，下面層考慮高溫穩定性與低溫抗裂性，中面層考慮高溫穩定性、低溫抗裂性、抗水損害能力以及抗滲，上面層考慮高溫穩定性、低溫抗裂，抗滑、抗滲、抗水損害能力，對于承擔不同功能的層位采用同樣的設計指標是不合理的[3]。

2 Superpave瀝青混合料設計方法

2.1 Superpave法簡介

美國1987年批準建立公路戰略研究計劃（SHRP），歷時5年，耗資1.5億美元，其中瀝青和瀝青混合料的研究經費占全部研究經費三分之一，最終成果是Superpave瀝青混合料設計和分析體系。Superpave表示Superior Performing Asphalt Pavements，即高性能瀝青路面。Superpave路面表現出了較為優異的抗車轍性能，近年來，我國已經修筑了7 000 km多的Superpave瀝青路面，與傳統瀝青路面相比，耐久性有了顯著性提高[4]。

2.2 Superpave法的設計流程

Superpave設計方法是通過SGC旋轉壓實儀成型試件，通過空隙率來確定最佳瀝青用量。Superpave混合料設計步驟分四步走：一是原材料的選擇。Superpave有自己的膠結料規范，瀝青膠結料的選用根據路面服務地區最高設計溫度與最低設計溫度確定，并根據交通量進行高溫等級的調整。Superpave對集料要求有認同特性和料源特性，對棱角性、扁平細長顆粒的含量、黏土含量、堅固性、安定性以及有害物質含量均有要求。二是級配的選擇。Superpave采用0.45次方圖來規定容許級配[5]，通過最大密度線、控制點和限制區來進行級配選擇。Superpave對級配有一個優選過程，至少選擇三種級配，一般為粗、中、細三種級配，再確定一個預估瀝青用量進行瀝青混合料的試拌，測算預估瀝青含量下試拌級配混合料各個指標，依據規范確定所選級配是否符合要求，選出最適合的級配作為設計級配。三是最佳瀝青用量的確定。Superpave法在確定設計級配后，以預估瀝青用量、預估瀝青用量±0.5%和預估瀝青用量+1.0%旋轉壓實成型四組試件，分別計算四個瀝青用量下混合料的壓實特性和體積參數，繪出這些指標與瀝青用量的關系曲線圖。在空隙率和瀝青用量的關系曲線上用插值法確定空隙率為4%時的瀝青用量，此瀝青用量即為設計瀝青用量，再檢驗在設計瀝青用量下其他指標是否滿足要求，若滿足要求即為最佳瀝青用量。四是水穩定性檢驗。測定凍融劈裂抗拉強度與常溫下間接抗拉強度，二者的比值應符合規范要求，不小于80%。

2.3 Superpave法的優缺點

2.3.1 Superpave法的優點

一是采用旋轉壓實儀成型試件與實際路面施工的揉搓碾壓作用相似。二是設計出的級配粗集料和細集料較少，中間集料較多，其骨料結構更趨于嵌擠密實，均勻性較好，具有良好的高溫穩定性和抗水損害性。

2.3.2 Superpave法的缺點

一是試驗設備較為昂貴，設計過程較復雜。二是設計的瀝青用量偏低，現場壓實較困難。三是限制區設置有爭議，沒有合理的依據。四是只以4%空隙率控制瀝青用量，瀝青用量設計指標與路用性能聯系不高。

3 GTM瀝青混合料設計方法

3.1 GTM法的簡介

GTM（Gyratory Testing Machine）旋轉壓實剪切試驗機是美國工程兵團60年代首先以推理的方法發明路面材料試驗機，后為解決重型轟炸機跑道容易破損問題而專門研究開發形成如今的GTM路面設計方法。GTM設計方法最適合于重載交通條件下的瀝青混合料設計，GTM瀝青混合料擁有極好的高溫穩定性。

3.2 GTM法設計流程

GTM設計方法是不同于體積設計方法的力學設計方法，使用GTM試驗機以與實際路面施工的壓實方式相近的揉壓法壓實成型試件，依據旋轉穩定值/應變比（GSI）、抗剪強度系數（GSF）、平衡狀態密度確定瀝青用量[6]。

GTM法的設計步驟：原材料選擇→級配選擇→瀝青用量確定。原材料選擇以及級配選擇可以參照馬歇爾設計方法。瀝青用量確定是根據經驗，選擇5個瀝青用量進行GTM試驗，瀝青用量間隔為0.3%，測算密度、穩定值GSI和旋轉剪切系數GSF，然后繪制這些指標與瀝青用量的關系曲線圖，選擇GSI≤1.05且GSF≥1.3時的瀝青用量作為設計瀝青用量，將密度曲線中設計瀝青用量對應的密度作為目標配合比標準密度。GTM在我國應用時還應進行最佳瀝青用量時混合料的各項路用性能檢驗。

3.3 GTM法的優缺點

3.3.1 GTM法的優點

一是優異的高溫性能。采用GTM法制作的瀝青混合料高溫性能非常優秀，在設計周期內幾乎不會出現車轍、推移、擁包等病害。二是設計方法更為科學。GTM是力學設計法，摒棄了不能反映路用性能的各種強度指標，而是依據力學分析方法進行材料配合比設計，設計方法更加科學、合理。三是設計周期短、設計成本較低。GTM不用進行另外的強度試驗即可得到混合料的設計密度和瀝青用量，且試驗設備相較于Superpave等體系相對較低，因此具有設計周期短、設計成本較低的特點。

3.3.2 GTM法的缺點

一是低溫性能和耐久性能較差。GTM法實質上提供的是一個不會產生車轍的柔性路面設計方法，完全只注重高溫性能，因此設計過程并未考慮混合料的低溫性能和耐久性能。二是GTM并未建立起各項指標與路用性能之間的關系。

4 三種設計方法的比較

4.1 壓實方式

馬歇爾擊實成型方式與實際路面施工時輪胎振動碾壓壓實關聯度不高，無法達到現場施工能達到的壓實度，在進行瀝青用量計算時得到的空隙率偏大，使得瀝青用量偏大，導致資源浪費。相比較而言，旋轉壓實成型方式更為合理，與現場碾壓相符，可以更好地指導現場施工。Superpave設計方法還能根據設計交通量的不同選擇相應的壓實次數。GTM試驗機考慮實際行車荷載選擇不同的設計壓強，不固定壓實功，在達到極限平衡狀態時停止壓實，不僅最大限度地模擬實際瀝青路面碾壓成型過程，也有效模擬路面實際承受的交通荷載作用。

4.2 原材料選擇

Superpave法擁有完整的瀝青膠結料規范，使用最高設計溫度和最低設計溫度對瀝青膠結料進行分級，并將瀝青的各項性能指標與路面使用性能聯系起來，對瀝青膠結料各項性能指標都進行了規定，包括對短期老化和長期老化后的膠結料性能指標都有規定。我國采用的瀝青針入度分級方法屬于經驗法，針入度本身并不能直接體現瀝青的稠度。我國的瀝青規范并沒有考慮瀝青的長期老化。對于集料，我國規范和Superpave規范都有一定合理性，Superpave對于集料棱角性要求更高，但二者都只對形狀棱角進行了規定，對表面紋理并沒有明確規定。

4.3 級配選擇

目前對于Superpave法中限制區的存在是否合理有不同看法，在實踐中避開限制區反而在重載車作用下出現了嚴重的滲水或車轍。研究發現，嚴格控制原材料的質量，尤其是細集料只要滿足了細集料棱角性指標的要求，就不會出現駝峰級配造成的危害，級配也就沒必要避開限制區。Superpave法對于級配的優選設計是值得借鑒學習的，馬歇爾法與GTM法只是要求所選級配在級配范圍內即可，并不清楚所選級配優劣如何，對級配如何選擇沒有明確標準。

4.4 設計指標

三種設計方法對于瀝青用量的選擇有類似之處，都選擇幾個不同瀝青用量成型試件，然后繪圖確定最佳瀝青用量，所不同的是確定最佳瀝青用量的指標不同。馬歇爾最佳油石比確定比較復雜，需要通過多個設計指標聯合確定，結合密度、空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率、馬歇爾穩定度以及流值來確定最佳油石比。Superpave法規定4%空隙率對應的瀝青含量為設計瀝青含量，該設計瀝青含量需要滿足其他指標的要求。4%空隙率接近實際路面施工完成后的空隙率，這個空隙率不僅保證路面具有良好的水穩定性，還提供足夠的空間得以形成足夠厚度的瀝青膜來保證路面結構的耐久性。GTM的設計指標是旋轉穩定值GSI、旋轉剪切系數GSF以及平衡狀態密度。旋轉穩定值GSI用來判斷瀝青混合料在壓實到平衡狀態時是否失去彈性，旋轉剪切系數GSF用于判斷瀝青混合料被壓實到平衡狀態時的抗剪強度是否達到在行車荷載作用下需要承受的剪應力。GTM的設計指標與道路使用時的力學響應聯系緊密，最終目的是設計出不會產生車轍破壞的路面。三者各有各的優點，但是擁有共同的缺陷，不管哪種設計方法的設計指標都沒有與路用性能聯系起來，混合料設計的最終目的是希望路面擁有良好使用性能，因此，在設計階段選擇與路用性能聯系緊密的設計指標非常有必要。

5 結語

不同混合料設計方法都有各自的優缺點，需要考慮多方面因素選用合適的設計方法。通過三種混合料設計方法的對比，筆者也對混合料設計提出了一些建議：一是試件成型方式應與實際行車壓實相符，使瀝青混合料的壓實度與路面在實際交通情況下的最終壓實度一致，能夠更好地指導路面施工。二是應對礦料級配進行優選，對集料級配制定一個技術標準，從而能夠選出最優級配進行配合比設計。三是設計指標應與路用性能聯系緊密。在瀝青用量選擇階段，設計指標的選擇要根據瀝青混合料應滿足的路用性能要求確定。四是路面不同層位需要考慮的路用性能不盡相同，應分層定位設計，針對不同的設計層位選擇不同的設計指標。