AC-25S沥青混合料马歇尔设计方法研究

刘宏晋

（江苏中路工程技术研究院有限公司，南京　211806）

AC-25S沥青混合料马歇尔设计方法研究

刘宏晋

（江苏中路工程技术研究院有限公司，南京211806）

对AC-25S沥青混合料进行大、小马歇尔试验对比，指出小马歇尔设计法用于AC-25S沥青混合料的不足，并阐述大马歇尔设计法对于AC-25S沥青混合料设计的适用性，以对AC-25S沥青混合料大马歇尔设计法的技术标准进行优化。

AC-25S沥青混合料；小马歇尔法；大马歇尔法；沥青混合料设计

沥青混合料良好的性能取决于合理的配合比，而混合料配合比设计方法就成为决定沥青路面质量的重要因素。长期以来，国内外学者对沥青混合料的设计方法不断进行研究，从试饼法、哈博尔-费尔德法、维姆法、马歇尔法到Superpave法不断演变，致使沥青混合料设计方法不断得到改进与完善［1］。其中，马歇尔法，即小马歇尔设计法，自上世纪80年代出现以来一直沿用至今，是目前国内最常见的沥青混合料设计方法之一，是JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中规定的方法。

随着高等级公路及汽车运输业的不断发展，对沥青路面质量和其沥青混合料的性能也提出了更高要求。因此，原有小马歇尔设计法逐渐表现出了局限性，如对于一些大粒径沥青混合料，小马歇尔设计法已经无法满足设计要求。国外研究表明，采用152.4 mm试模进行的马歇尔试验其各项数据重复性好、离散性小，为此，在参照国外有关资料后，国内也逐渐采用大马歇尔设计法进行大粒径沥青混合料的设计［2-5］。经过多年的试验研究，目前大马歇尔设计法也逐渐应用于工程实践。本文将以大、小马歇尔设计方法为基础，对大、小马歇尔击实试验的结果进行对比，分析适用于AC-25S沥青混合料的设计方法。

1　AC-25S沥青混合料现有设计方法分析

我国规范要求，在进行AC-25S沥青混合料设计时，须进行室内试验，即采用小马歇尔击实仪成型试件，并对试件的体积指标进行试验与计算，以满足JTG F40—2004的要求。现在国际上开始研究使用大马歇尔击实成型试件，并提出了一系列大马歇尔试件的体积指标要求。我国试验规程对大马歇尔击实成型试件也已经有了类似的规定，即进行大型马歇尔试验时，将击实锤重改为10.2 kg，直径149.4 mm，击实时落高457 mm；试件直径152.4 mm，高95.2 mm；击实次数增加为小马歇尔设计法的1.5倍，即原试件击实50次、75次时，现改为击实75次和112次［6-7］。大小马歇尔设计法试件成型各项参数的比较如表1所示。

表1　大、小马歇尔设计法试件成型各项参数的比较

从表1数据可以看出，采用小马歇尔设计法进行沥青混合料设计有以下不足：

1）规范规定：“沥青混合料配合比设计及实验室人工配制沥青混合料制作试件时，试件尺寸应符合试件直径不小于集料公称最大粒径的4倍，厚度不小于集料最大公称粒径的1～1.5倍的规定。对直径Φ101.6 mm的试件，集料公称最大粒径应不大于26.5 mm。对于粒径大于26.5 mm的粗粒式沥青混合料，其大于26.5 mm的集料应用等量的13.2～26.5 mm集料代替（替代法），也可采用Φ152.6 mm的大圆柱体试件（大马歇尔试件）。”［8］从规范条文看，对于AC-25S沥青混合料而言，采用小马歇尔设计法是不合适的。

2）从试件高度看，小马歇尔设计法试件成型所用试模高为（63.5±1.3）mm，而AC-25S沥青混合料最大公称粒径都≥26.5 mm，若按沥青面层厚度与集料最大公称的关系看，对于AC-25S沥青混合料，小马歇尔设计法成型试件所用试模高度偏小，而高度偏小容易造成沥青混合料击实难度加大和集料击碎现象，不利于反映沥青混合料的实际体积特性。

3）沥青路面实际铺筑过程中，下面层AC-25S沥青混合料实际压实厚度一般为80 mm，甚至更厚，而小马歇尔设计法的试件高度仅为（63.5±1.3）mm，也就是说，AC-25S沥青混合料实际铺筑厚度与室内试件成型高度偏差较大，不能正确反映路面实际铺筑厚度，而实际铺筑厚度与室内试件成型高度的差异容易使得沥青混合料体积性能相差较大。

为了提高路面施工质量，在江苏省，高速公路沥青路面施工要求压实度采用双控，即分别按马歇尔试验密度和理论密度进行压实度控制，但实际施工过程中，经常出现按马歇尔密度评价的压实度“超过百分百”，而按理论密度评价的压实度则能满足要求的现象。对于这种现象，很多现场技术人员认为可能是混合料级配偏细、粉胶比偏大、碾压时温度过高或理论密度压实度测试有误等原因所致。为避免这种现象的出现，现场技术人员有时随意更改沥青混合料的生产级配、油石比，而忽视了现场压实方式及其压实功与室内试验时压实方式及其压实功不匹配的问题。因此，沥青混合料设计方法须解决室内试验击实压实功与现场碾压压实功不匹配的问题。

2　大小马歇尔试验结果比较

从上述分析可以看出，AC-25S型沥青混合料采用小马歇尔设计法存在较多不足，而大马歇尔设计法却能够弥补小马歇尔设计法的不足。下面通过实际工程试验，对大、小马歇尔设计法进行对比。

依据AC-25S沥青混合料的要求对某高速公路原材料进行了密度试验，试验结果如表2所示。同时连续6 d对施工段落使用的AC-25S沥青混合料分别进行了大、小马歇尔击实成型，通过对不同成型方法的试件进行体积指标、水稳定性、高温稳定性等进行试验，其试验结果如表3～11所示。表3～11中，AC-25S沥青混合料简称AC-25S，试验方法按照JTG E42—2005和JTG E20—2011的要求进行。

表2　集料、矿粉相对密度试验结果

根据表3～11数据分别对AC-25S沥青混合料的试件密度、空隙率、间隙率、沥青饱和度、水稳定性及高温稳定性进行了对比分析，分析结果如下。

2.1密度、空隙率

对大小马歇尔试验试件密度、空隙率指标进行了比较，结果如图1所示。

从图1可以看出：

1）对于矿料级配相同的沥青混合料，大马歇尔设计法成型的试件密度值较大，采用大马歇尔设计法成型试件可以提高试件密度约0.03 g/cm3，经验表明，当达到相同的压实度要求时，密度大的混合料具有更好的稳定性，其抵抗重交通荷载作用的能力更强。也就是说，若采用大马歇尔设计法进行AC-25S沥青混合料设计，其所得到的沥青混合料密度将增加，这对重交通道路和抗车辙能力要求较高的路面很有必要。

表3　AC-25S沥青混合料矿料合成级配通过率

表4　AC-25S沥青混合料小马歇尔设计法击实试验结果汇总

表5　AC-25S沥青混合料大马歇尔设计法击实试验结果汇总

表6　AC-25S沥青混合料小马歇尔设计法水稳定性试验结果汇总

表7　AC-25S沥青混合料大马歇尔设计法水稳定性试验结果汇总

表9　AC-25S沥青混合料大马歇尔设计法高温稳定性试验结果汇总（试件厚50 mm）

表10　AC-25S沥青混合料小马歇尔设计法高温稳定性试验结果汇总（试件厚100 mm）

表11　AC-25S沥青混合料大马歇尔设计法高温稳定性试验结果汇总（试件厚100 mm）

2）大马歇尔设计法成型试件的空隙率均要小于小马歇尔设计法成型试件的空隙率，空隙率值相差约1%。与小马歇尔设计法成型试件的空隙率相比，采用大马歇尔设计法成型试件后，沥青混合料空隙率会降低约30%。这与试件尺寸增加后，击实过程中更有利于集料、沥青的重新分布有关。

目前沥青路面施工过程中，普遍采用了大吨位双钢轮振动压路机和胶轮压路机，现场压实功较大。同时，从我国现有交通量情况及交通组成看，高速公路普遍存在重车比例高、超载严重等现象。国内大量研究也指出，现有马歇尔设计法的室内试验击实功与路面施工、实际的压实功不匹配。

因此，采用大马歇尔设计法来提高室内击实功以满足现有路面压实和使用过程中交通荷载的需要也是有必要的。

2.2矿料间隙率、沥青饱和度

对大小马歇尔试验试件矿料间隙率、沥青饱和度进行了比较，结果如图2所示。

图1　大、小马歇尔试验试件密度、空隙率比较

图2　大、小马歇尔试验试件矿料间隙率、沥青饱和度比较

从图2可以看出：大马歇尔设计法成型试件的矿料间隙率均要小于小马歇尔设计法成型试件的矿料间隙率。与小马歇尔设计法成型试件相比，采用大马歇尔设计法成型的试件，沥青混合料的矿料间隙率会降低约10%；而沥青混合料的沥青饱和度则提高了约10%。

从2.1节中对现场压实功和后期交通组成的分析看，小马歇尔设计法成型的沥青混合料试件虽然其矿料间隙率值满足要求，但在后期施工和运营过程中，由于压实功增加，压实后的沥青混合料很可能矿料间隙率偏小甚至不合格，而矿料间隙率值偏小的混合料易发生车辙病害，对沥青混合料的高温稳定性不利。

同时，因室内击实功与现场铺筑击实功的差异，采用小马歇尔设计法成型的沥青混合料试件其沥青饱和度偏小，从而容易导致设计者加大沥青用量或进一步减小矿料间隙率以获得合适的沥青饱和度值，而这种调整对路面抗车辙性能却有负面影响。

2.3稳定度、流值

对大小马歇尔试验试件的稳定度、流值进行了比较，结果如图3所示。

从图3可以看出，大马歇尔设计法成型试件的稳定度、流值均要大于小马歇尔法成型试件。从现有研究结果看，大、小马歇尔设计法成型试件的稳定度、流值与沥青混合料路用性能相关性较差，稳定度、流值不是关键技术指标。但从试验结果看，若采用大马歇尔设计法进行AC-25S沥青混合料设计，其稳定度、流值的技术标准应在现有规范基础上适当进行调整。

图3　大、小马歇尔试验试件稳定度、流值比较

图4　大、小马歇尔试验试件残留稳定度、冻融劈裂比较

图5　大、小马歇尔试验试件不同厚度动稳定度比较

2.4水稳定性

对大小马歇尔试验试件的残留稳定度、冻融劈裂进行比较，结果如图4所示。

从图4可以看出，小马歇尔设计法成型试件的水稳定性残留稳定度、冻融劈裂指标均要小于大马歇尔设计法成型试件的参数指标。当然，由于小马歇尔设计法成型试件体积尺寸小于大马歇尔设计法成型试件，故其设计指标也会比大马歇尔设计法成型试件要小得多。但当矿料最大公称粒径达到25 mm时，骨料所占体积较大，选用小马歇尔设计法时会出现级配离析，在狭小空间内很难实现级配均匀性。从试验结果看，采用大马歇尔设计法成型试件时，所得到的沥青混合料其试件结构剖面较为均匀，呈现出骨架密实型沥青混合料的特征，且试件离散较小，指标趋于稳定，更适用于施工。

2.5高温稳定性分析

对大小马歇尔试验试件高温稳定性进行了比较，结果如图5所示。

通常，对于集料公称最大粒径≥26.5 mm的沥青混合料，宜采用100 mm厚的模板成型。所以，为了更好地研究AC-25S沥青混合料的高温稳定性，本次车辙试验通过大小马歇尔设计法确定的油石比、毛体积密度、最大理论密度为依据，采用300 mm 长×300 mm宽×50 mm厚与300 mm长×300 mm 宽×100 mm厚的板块试模成型试件，并对其进行高温稳定性对比。

从图5可以看出，采用50 mm厚的试模成型试件时，小马歇尔设计法成型试件的高温稳定性指标要略高于大马歇尔设计法成型试件的结果，由3.1节可知大马歇尔设计法成型试件的毛体积密度较大，所需沥青混合料质量较多，且由于成型空间有限，粗骨料最大粒径所占体积比较大，不利于沥青混合料空间排布成型。另外粗骨料碎石存在碾碎的现象致使成型的试件缺乏进一步压实，从而表现出高温稳定性偏低现象。而当采用100 mm厚试模成型试件时，大马歇尔设计法成型试件其级配容易压实，从而有利于沥青混合料的移动和嵌挤，可提高沥青混合料的密实度并改善其高温稳定性。

从以上分析可以看出，当采用大马歇尔设计法时，可在原来小马歇尔设计法设计级配的基础上重新设计级配，使级配呈现更好的密实型，更好地模拟施工现场的压实情况。采用大马歇尔设计法后，由于试件尺寸放大，有利于沥青混合料的移动和嵌挤，使其密实度得到提高，其高温稳定性和水稳定性也得到改善，其预期路用性能也会更好。另外，采用大马歇尔设计法设计沥青混合料可以进一步优化沥青混合料的矿料级配，提高骨架嵌挤能力，从而改善沥青混合料的性能。

综上所述，对于AC-25S沥青混合料而言，有必要采用大马歇尔设计方法进行设计。

3　AC-25S沥青混合料大马歇尔设计标准的提出

一些国家研究成果表明，对于同种材料，大马歇尔设计法成型试件的稳定度为小马歇尔成型试件的1.5～2.25倍，美国MCAT认为大马歇尔设计法成型试件的稳定度是小马歇尔成型试件的2.25倍，流值则提高1.5倍，其他体积指标基本上不变。从本次室内试验结果来看，大马歇尔设计法成型试件稳定度平均值为小马歇尔的1.3倍，而流值为小马歇尔的2.1倍，结合AC-25S沥青混合料的技术指标要求及本次试验结果，并参考以往研究成果，提出如下设计标准：

1）采用大马歇尔设计法设计AC-25S沥青混合料时，沥青混合料稳定度标准调整为不小于15 kN，流值则放宽至40～80（0.1 cm）。

2）对于空隙率、间隙率等其他体积指标，不同成型方法所得结果有差异，但就指标本身而言，其主要由路面使用条件决定。结合江苏省下面层沥青路面使用性能要求，本文建议体积指标仍采用原有技术指标要求，即空隙率控制在3.5%～5.0%之间，矿料间隙率按设计空隙率确定，沥青饱和度为65%～75%。

基于以上分析，本文推荐AC-25S沥青混合料大马歇尔设计法的设计标准要求如表12所示。

表12　AC-25S沥青混合料大马歇尔试验设计标准

4　结束语

从JTG F40—2004看，小马歇尔设计法所设计的沥青混合料的性能参数不能完全满足规范的技术要求，因此提出了大马歇尔设计法的优化设计方法。通过对AC-25S沥青混合料进行大、小马歇尔试验对比，从试件密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度、流值、水稳定性、高温稳定性等方面对试验结果进行了分析。从试验结果看，小马歇尔设计法成型试件的空隙率虽然满足规范要求，但其高温稳定性欠佳；从矿料间隙率和沥青饱和度看，小马歇尔设计法成型试件其沥青混合料沥青饱和度偏小。从稳定度和流值看，大马歇尔设计法成型试件的稳定度、流值均大于小马歇尔设计法成型试件；从水稳定性来看，小马歇尔设计法成型试件的混合料水稳定性较差。从高温稳定性来看，采用大马歇尔设计法成型的沥青混合料试件按照100 mm厚标准进行试验，其高温稳定性较好。基于此，本文结合AC-25S沥青混合料的技术指标要求及试验结果，并参照相关资料提出并优化了AC-25S沥青混合料的设计标准，供同类研究作参考。

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Study on Marshall Design Method for AC-25S Asphalt Mixture

LIU Hongjin

This paper carries out large/little Marshall test to AC-25S asphalt mixture for comparison，tests show disadvantages of little Marshall design for AC-25S asphalt mixture，and the adoptability of large Marshall design for AC-25S asphalt mixture，so to optimize large Marshall design for AC-25S asphalt mixture.

AC-25S asphalt mixture；little Marshall method；large Marshall method；asphalt mixture design

1009-6477（2016）04-0015-08

U416.217

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.004

2016-03-18

刘宏晋（1985-），男，江苏省泰州市人，硕士，工程师。