浅析马歇尔设计方法

张军帅

摘要：马歇尔设计方法作为热拌沥青混合料配合比设计的一种传统方法，具有一系列优点，但也存在一些缺点与局限性。笔者分别介绍了马歇尔设计方法的优点与不足，并针对主要不足，提出了自己的一些改进思路。

关键词：马歇尔设计方法，沥青混合料，级配设计

马歇尔设计方法是我国当前热拌沥青混合料配合比设计的主要方法，基于美国工程兵设计机场沥青路面方法，经过不断完善而成的一种方法。马歇尔设计方法是一种典型的体积设计法，是基于VMA、VFA、孔隙率等体积指标而来。沥青混合料配合比设计的本质就是把粗集料、细集料、矿粉和沥青结合料混合在一起，找到其满足沥青混合料一系列技术指标及符合经济性的最佳组合比例[1]。马歇尔设计方法作为一种经典的设计方法，有很多优点，但随着经济和交通的快速发展，人们对沥青路面的性能要求也在不断提高。马歇尔设计方法由于方法本身存在一些不足，导致所得混合料试件密度偏小，孔隙率、VMA（矿料间隙率）等指标偏大，所以设计出的沥青混合料所需沥青用量偏大。

1马歇尔设计方法优点

（1）马歇尔设计方法理论相对简单易懂，操作人员只需要按照规范要求，按部就班操作即可。且需要试验设备简单，成本低，不易损坏，适应性强，测试需要时间较短，试验结果有一定可信性，便于大范围推广使用。

（2）考虑了沥青混合料在高温条件下主要发生剪切变形，强调了混合料空隙率和密度。瀝青混合料抗剪机理用摩尔-库仑定律表征，即其抗剪强度由矿料颗粒之间的内摩阻力和沥青与集料间的粘聚力以及沥青之间的内聚力构成[1]。一般认为沥青混合料抗剪强度中矿料颗粒之间的内摩阻力贡献为60%，而矿料颗粒之间内摩阻力大小的一个重要因素就是空隙率，马歇尔设计方法是一种体积设计法，对空隙率控制比较严格，强调混合料的密度。并且一般混合料的密实度越大，其力学性能越好。

（3）马歇尔设计方法设计的级配对中、轻交通条件下的低等级道路的沥青路面比较合适[2]。对连续密级配沥青混合料，马歇尔设计方法按照富勒最大密度设计其级配，这些混合料大多是全悬浮型结构，在中、轻交通条件下，有较好的适用性。

2马歇尔设计方法缺点

（1）锤击的方式与道路的实际碾压方式相差很大，得出的沥青用量偏大，沥青马歇尔试验条件无法完全模拟沥青混合料的生产和铺筑过程。马歇尔试验采用锤击的方式，而道路实际上受车轮碾压作用，击实功与碾压功差别巨大，两者之间难以建立明确的关系，因此锤击的方式难以准确模拟路面实际的碾压。另外，击实法压实功有限，沥青马歇尔试验试模小，易受到试模边界影响而难以充分压实，最终得到的混合料密度偏小，孔隙率和沥青间隙率均偏大，所以设计出的混合料所需沥青量较大[2]。在实际工程中，往往在马歇尔试验得出的沥青用量的基础上，结合高温稳定性、低温抗裂性和耐久性性，减少一定沥青用量，而这个减少量是由经验确定的，没有严格的理论依据。路面受到的实际荷载作用很复杂，包括交通荷载组成、车辆速度、不同车辆的轴重、不同时段交通流、不同路段作用轴载次数等，而现有的马歇尔室内试验还不能完全模拟这些因素[3]。

（2）马歇尔设计方法强调混合料密度、高强度，但强度低未必综合性能不好，马歇尔试验参数与路用性能之间的关系不明确。马歇尔设计方法确定最佳沥青用量过程中，用到最大密度对应的沥青用量，最大稳定度对应的沥青用量，可见马歇尔设计方法强调混合料密度、高强度。一般来讲，混合料密度大、强度高，沥青混合料的力学性能较好，有一定的合理性。但是，混合料强度低不一定综合性能不好，一直以来我国道路设计理念是强基薄面，基层一般采用刚度大的半刚性基层，但是实际工程中，这样的路面还是会出现很多病害，甚至提前破坏。相反一些采用柔性基层的路面，由于变形性能好，在耐久性、抗裂性方面性能很好。最具有代表性的就是长寿命沥青路面，其基层采用高柔性抗疲劳沥青混凝土，即柔性基层。长寿命沥青路面，使用寿命达50年以上，具有良好的经济效益。虽采用柔性基层，但在道路使用上能够承受更大的交通量和更重的交通荷载，而且其损坏只发生在表层，不存在结构性破坏，使用效果很好。此外，马歇尔试验参数具有很大经验成分，且与路用性能之间的关系不明确，导致马歇尔试验得到的最佳沥青用量比较粗略[4]。

（3）缺少根据集料性状的不同而对级配进行选择，无法优选矿料[2]。马歇尔设计方法是一种体积设计法，沥青用量是由密度、孔隙率、稳定度等因素确定的，并没有考虑集料性状不同对级配做出调整。按照马歇尔设计方法，对一种级配，只要满足一些技术指标即可使用，另外当有多组级配时，经试验得到多组结果，而对不同结果的优劣，没有一个判断标准，从而影响了矿料级配的质量[2]。

（4）不适用于粗粒式沥青混合料和间断级配混合料。最大密度曲线理论和粒子干涉理论是目前沥青混合料常用的两种级配理论，且最大密度曲线理论只能用于计算连续级配，而粒子干涉理论则适用于连续级配和间断级配[5]。由于马歇尔设计方法基于最大密度曲线理论，强调密度与压实度，因此不适用于间断级配混合料。另外因为马歇尔设计方法是一种体积设计法，是基于VMA、VFA、孔隙率等体积指标而来，所以对孔隙率指标有一个较严格的范围，而粗粒式沥青混合料有较大的孔隙率，一般属于一种骨架孔隙结构，而不是连续密级配，因此粗粒式沥青混合料不能用马歇尔设计方法进行级配设计。

3马歇尔设计方法的一些改进思路

总的来说，马歇尔设计方法不足之处在于，第一，它是依靠击实压密，与实际碾压方式存在不同，直接导致得出的沥青用量偏大。笔者认为应改进压实方式，可参考superpave法或GTM法的旋转压实，因为旋转压实与实际路面碾压方式接近，能够得到与现场混合料基本相同的室内试件，模拟效果较好。第二，马歇尔设计方法使用范围有限，只适用于悬浮密集配混合料，对其他级配，笔者建议可采用superpave法或GTM法。第三，马歇尔方法是一种经验法，其试验参数与路用性能之间的关系不明确。现在很多经验积累和试验参数都是基于马歇尔方法，其中不少是道路工作者几十年工程实践的结晶，值得借鉴学习。笔者认为，用马歇尔方法设计出级配后，可用一些反映路用性能的指标进行验证。

参考文献

[1] 黄维蓉.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社. 2011.

[2] 吴超凡，童光明.对马歇尔设计方法于设计标准的几点看法[J].湖南交通科技， 2003，29（3）.

[3] 周杰.沥青混合料Superpave与马歇尔设计方法的比较[J].武汉理工大学学报，2007.

[4] 李俊霞. 沥青混合料马歇尔设计方法适用性分析[J].山西建筑.2009，35（12）.

[5] 郝培文. 沥青与沥青混合料[M].北京：人民交通出版社. 2009.