国内外沥青混合料设计方法对比研究

柏燕肖

（贵州省花溪公路管理段,贵州 贵阳 550001）

0 引言

当前，随着我国社会经济的发展，交通量迅速增加，车辆荷载也在不断增加，使得沥青路面早期破坏日益严重。究其原因，传统的混合料设计方法设计出的沥青混合料已经不适应当前的道路使用环境，对混合料设计方法进行改进创新已经迫在眉睫。目前，国内外现行沥青混合料设计方法有马歇尔法、Superpave法以及GTM法等，其中马歇尔设计方法因其设备简单、成本较低，应用最为广泛。美国Superpave混合料设计方法问世以来，受到各国道路工作者的青睐，我国对此项技术也十分关注。我国把Superpave译为高性能沥青路面，并不是这种路面不会发生病害，而是采用Superpave方法设计出的沥青路面相比马歇尔法设计出的沥青路面在抵抗车辙、低温开裂以及水稳定性方面都具有较大优势。GTM法完全利用力学的应力应变原理，最大限度地模拟了汽车对路面的实际作用情况，并以推理的方法，通过汽车对路面实际作用的压强来设计沥青混凝土，使设计的沥青混合料抗剪强度大于其所受的剪应力，同时能使其所产生的应变控制在适当的范围内。这为目前汽车触地压强不断上升的问题提供了解决方案，减少了沥青路面在重载交通下出现车辙、推移、拥包等剪切破坏。下述，将通过介绍马歇尔法、Superpave法以及GTM法的设计原理、设计过程，并进行比较分析后提出改进混合料设计方法的建议。

1 马歇尔沥青混合料设计方法

1.1 马歇尔法的简介

马歇尔法是由密西西比公路局的Bruce Marshall在1939年左右提出的。在二战期间开始使用，后来美国陆军工程兵团（USCOE）开始评价不同的热拌沥青混合料（HMA）设计方法，以用于军用机场道面设计，进一步完善了该方法。我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）规定国内沥青混合料配合比设计方法采用马歇尔设计方法[1]。

1.2 马歇尔法的设计流程

马歇尔设计方法通过马歇尔击实仪锤击沥青混合料成型试件，测算密度、空隙率等体积参数来确定沥青混合料的最佳沥青用量，是一种体积设计方法。马歇尔设计方法的主要步骤：一是原材料的选择。集料和沥青需进行性能试验，各项指标满足规范要求。二是级配选择。确定路面各层位沥青混合料类型，再根据规范结合对大体相当的工程使用情况进行的调查研究确定级配范围，再根据气候条件进行调整。三是最佳沥青用量确定。通过经验预估混合料的最佳油石比，再以预估的最佳油石比、预估的最佳油石比±0.5%、预估的最佳油石比±1.0%成型五组马歇尔试件，测算各项设计指标，绘出各个指标与油石比的关系曲线图，由图确定最佳油石比。四是对最佳油石比进行检验。检验最佳油石比时混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及渗水系数是否满足要求。

1.3 马歇尔法的优缺点

1.3.1 马歇尔混合料设计方法的优点

一是设计方法理论相对简便易于掌握，施工操作人员较为熟悉。二是试验设备简单，低成本，不易损坏，且试验结果具有一定可信性。

1.3.2 马歇尔混合料设计方法的缺点

一是混合料成型压实度不够。马歇尔法试件制作采用击实法，然而这种压实方式与实际道路的碾压方式相差较大，压实功有限试模小使得混合料密度偏小，空隙率偏大，以至于设计出的方案所需沥青量较大，在资源上造成了浪费，增加了成本[2]。二是设计指标与路用性能关联度不高。马歇尔稳定度与流值与沥青混合料的路用性能也没有太好的相关性。三是矿料级配无法优选。马歇尔设计方法级配选择要求在设计级配范围内，满足一定技术指标即可，不能确定级配范围内的最优级配。四是未分层设计。路面不同层位需要考虑的路用性能不尽相同，下面层考虑高温稳定性与低温抗裂性，中面层考虑高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害能力以及抗渗，上面层考虑高温稳定性、低温抗裂，抗滑、抗渗、抗水损害能力，对于承担不同功能的层位采用同样的设计指标是不合理的[3]。

2 Superpave沥青混合料设计方法

2.1 Superpave法简介

美国1987年批准建立公路战略研究计划（SHRP），历时5年，耗资1.5亿美元，其中沥青和沥青混合料的研究经费占全部研究经费三分之一，最终成果是Superpave沥青混合料设计和分析体系。Superpave表示Superior Performing Asphalt Pavements，即高性能沥青路面。Superpave路面表现出了较为优异的抗车辙性能，近年来，我国已经修筑了7 000 km多的Superpave沥青路面，与传统沥青路面相比，耐久性有了显著性提高[4]。

2.2 Superpave法的设计流程

Superpave设计方法是通过SGC旋转压实仪成型试件，通过空隙率来确定最佳沥青用量。Superpave混合料设计步骤分四步走：一是原材料的选择。Superpave有自己的胶结料规范，沥青胶结料的选用根据路面服务地区最高设计温度与最低设计温度确定，并根据交通量进行高温等级的调整。Superpave对集料要求有认同特性和料源特性，对棱角性、扁平细长颗粒的含量、黏土含量、坚固性、安定性以及有害物质含量均有要求。二是级配的选择。Superpave采用0.45次方图来规定容许级配[5]，通过最大密度线、控制点和限制区来进行级配选择。Superpave对级配有一个优选过程，至少选择三种级配，一般为粗、中、细三种级配，再确定一个预估沥青用量进行沥青混合料的试拌，测算预估沥青含量下试拌级配混合料各个指标，依据规范确定所选级配是否符合要求，选出最适合的级配作为设计级配。三是最佳沥青用量的确定。Superpave法在确定设计级配后，以预估沥青用量、预估沥青用量±0.5%和预估沥青用量+1.0%旋转压实成型四组试件，分别计算四个沥青用量下混合料的压实特性和体积参数，绘出这些指标与沥青用量的关系曲线图。在空隙率和沥青用量的关系曲线上用插值法确定空隙率为4%时的沥青用量，此沥青用量即为设计沥青用量，再检验在设计沥青用量下其他指标是否满足要求，若满足要求即为最佳沥青用量。四是水稳定性检验。测定冻融劈裂抗拉强度与常温下间接抗拉强度，二者的比值应符合规范要求，不小于80%。

2.3 Superpave法的优缺点

2.3.1 Superpave法的优点

一是采用旋转压实仪成型试件与实际路面施工的揉搓碾压作用相似。二是设计出的级配粗集料和细集料较少，中间集料较多，其骨料结构更趋于嵌挤密实，均匀性较好，具有良好的高温稳定性和抗水损害性。

2.3.2 Superpave法的缺点

一是试验设备较为昂贵，设计过程较复杂。二是设计的沥青用量偏低，现场压实较困难。三是限制区设置有争议，没有合理的依据。四是只以4%空隙率控制沥青用量，沥青用量设计指标与路用性能联系不高。

3 GTM沥青混合料设计方法

3.1 GTM法的简介

GTM（Gyratory Testing Machine）旋转压实剪切试验机是美国工程兵团60年代首先以推理的方法发明路面材料试验机，后为解决重型轰炸机跑道容易破损问题而专门研究开发形成如今的GTM路面设计方法。GTM设计方法最适合于重载交通条件下的沥青混合料设计，GTM沥青混合料拥有极好的高温稳定性。

3.2 GTM法设计流程

GTM设计方法是不同于体积设计方法的力学设计方法，使用GTM试验机以与实际路面施工的压实方式相近的揉压法压实成型试件，依据旋转稳定值/应变比（GSI）、抗剪强度系数（GSF）、平衡状态密度确定沥青用量[6]。

GTM法的设计步骤：原材料选择→级配选择→沥青用量确定。原材料选择以及级配选择可以参照马歇尔设计方法。沥青用量确定是根据经验，选择5个沥青用量进行GTM试验，沥青用量间隔为0.3%，测算密度、稳定值GSI和旋转剪切系数GSF，然后绘制这些指标与沥青用量的关系曲线图，选择GSI≤1.05且GSF≥1.3时的沥青用量作为设计沥青用量，将密度曲线中设计沥青用量对应的密度作为目标配合比标准密度。GTM在我国应用时还应进行最佳沥青用量时混合料的各项路用性能检验。

3.3 GTM法的优缺点

3.3.1 GTM法的优点

一是优异的高温性能。采用GTM法制作的沥青混合料高温性能非常优秀，在设计周期内几乎不会出现车辙、推移、拥包等病害。二是设计方法更为科学。GTM是力学设计法，摒弃了不能反映路用性能的各种强度指标，而是依据力学分析方法进行材料配合比设计，设计方法更加科学、合理。三是设计周期短、设计成本较低。GTM不用进行另外的强度试验即可得到混合料的设计密度和沥青用量，且试验设备相较于Superpave等体系相对较低，因此具有设计周期短、设计成本较低的特点。

3.3.2 GTM法的缺点

一是低温性能和耐久性能较差。GTM法实质上提供的是一个不会产生车辙的柔性路面设计方法，完全只注重高温性能，因此设计过程并未考虑混合料的低温性能和耐久性能。二是GTM并未建立起各项指标与路用性能之间的关系。

4 三种设计方法的比较

4.1 压实方式

马歇尔击实成型方式与实际路面施工时轮胎振动碾压压实关联度不高，无法达到现场施工能达到的压实度，在进行沥青用量计算时得到的空隙率偏大，使得沥青用量偏大，导致资源浪费。相比较而言，旋转压实成型方式更为合理，与现场碾压相符，可以更好地指导现场施工。Superpave设计方法还能根据设计交通量的不同选择相应的压实次数。GTM试验机考虑实际行车荷载选择不同的设计压强，不固定压实功，在达到极限平衡状态时停止压实，不仅最大限度地模拟实际沥青路面碾压成型过程，也有效模拟路面实际承受的交通荷载作用。

4.2 原材料选择

Superpave法拥有完整的沥青胶结料规范，使用最高设计温度和最低设计温度对沥青胶结料进行分级，并将沥青的各项性能指标与路面使用性能联系起来，对沥青胶结料各项性能指标都进行了规定，包括对短期老化和长期老化后的胶结料性能指标都有规定。我国采用的沥青针入度分级方法属于经验法，针入度本身并不能直接体现沥青的稠度。我国的沥青规范并没有考虑沥青的长期老化。对于集料，我国规范和Superpave规范都有一定合理性，Superpave对于集料棱角性要求更高，但二者都只对形状棱角进行了规定，对表面纹理并没有明确规定。

4.3 级配选择

目前对于Superpave法中限制区的存在是否合理有不同看法，在实践中避开限制区反而在重载车作用下出现了严重的渗水或车辙。研究发现，严格控制原材料的质量，尤其是细集料只要满足了细集料棱角性指标的要求，就不会出现驼峰级配造成的危害，级配也就没必要避开限制区。Superpave法对于级配的优选设计是值得借鉴学习的，马歇尔法与GTM法只是要求所选级配在级配范围内即可，并不清楚所选级配优劣如何，对级配如何选择没有明确标准。

4.4 设计指标

三种设计方法对于沥青用量的选择有类似之处，都选择几个不同沥青用量成型试件，然后绘图确定最佳沥青用量，所不同的是确定最佳沥青用量的指标不同。马歇尔最佳油石比确定比较复杂，需要通过多个设计指标联合确定，结合密度、空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率、马歇尔稳定度以及流值来确定最佳油石比。Superpave法规定4%空隙率对应的沥青含量为设计沥青含量，该设计沥青含量需要满足其他指标的要求。4%空隙率接近实际路面施工完成后的空隙率，这个空隙率不仅保证路面具有良好的水稳定性，还提供足够的空间得以形成足够厚度的沥青膜来保证路面结构的耐久性。GTM的设计指标是旋转稳定值GSI、旋转剪切系数GSF以及平衡状态密度。旋转稳定值GSI用来判断沥青混合料在压实到平衡状态时是否失去弹性，旋转剪切系数GSF用于判断沥青混合料被压实到平衡状态时的抗剪强度是否达到在行车荷载作用下需要承受的剪应力。GTM的设计指标与道路使用时的力学响应联系紧密，最终目的是设计出不会产生车辙破坏的路面。三者各有各的优点，但是拥有共同的缺陷，不管哪种设计方法的设计指标都没有与路用性能联系起来，混合料设计的最终目的是希望路面拥有良好使用性能，因此，在设计阶段选择与路用性能联系紧密的设计指标非常有必要。

5 结语

不同混合料设计方法都有各自的优缺点，需要考虑多方面因素选用合适的设计方法。通过三种混合料设计方法的对比，笔者也对混合料设计提出了一些建议：一是试件成型方式应与实际行车压实相符，使沥青混合料的压实度与路面在实际交通情况下的最终压实度一致，能够更好地指导路面施工。二是应对矿料级配进行优选，对集料级配制定一个技术标准，从而能够选出最优级配进行配合比设计。三是设计指标应与路用性能联系紧密。在沥青用量选择阶段，设计指标的选择要根据沥青混合料应满足的路用性能要求确定。四是路面不同层位需要考虑的路用性能不尽相同，应分层定位设计，针对不同的设计层位选择不同的设计指标。