廖福安(廣東省惠州市博羅公路管理局，廣東 惠州516000)

瀝青混合料的設(shè)計(jì)對(duì)混合料質(zhì)量具有關(guān)鍵影響。目前國(guó)內(nèi)具有代表性的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法有馬歇爾法(Marshall) 、美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP) Superpave 設(shè)計(jì)法、美國(guó)工程兵團(tuán)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀GTM( Gyratory Testing Machine) 設(shè)計(jì)法。其中，馬歇爾設(shè)計(jì)法是我國(guó)應(yīng)用最多的一種設(shè)計(jì)方法。Superpave 設(shè)計(jì)法與GTM 設(shè)計(jì)法在國(guó)內(nèi)也有大量應(yīng)用。根據(jù)目前的應(yīng)用情況，這三種方法都可以設(shè)計(jì)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的瀝青混合料。正確掌握不同方法的特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)優(yōu)良瀝青混合料的前提。筆者結(jié)合有關(guān)資料與自己的工程實(shí)踐，從設(shè)備與成型方法、體積指標(biāo)的作用等方面綜合分析比較了這三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 三種設(shè)計(jì)方法的一般步驟

1.1 馬歇爾設(shè)計(jì)法[1]

馬歇爾設(shè)計(jì)法是我國(guó)的規(guī)范設(shè)計(jì)方法，也是世界各國(guó)使用最多的設(shè)計(jì)方法。我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中有比較詳細(xì)的規(guī)定。其一般步驟是：

選擇材料→設(shè)計(jì)級(jí)配→成型試件→測(cè)試體積指標(biāo)與馬歇爾穩(wěn)定度、流值→選擇最佳瀝青用量→驗(yàn)證性能→設(shè)計(jì)生產(chǎn)配比→生產(chǎn)配合比驗(yàn)證→提出標(biāo)準(zhǔn)配合比

馬歇爾設(shè)計(jì)法的基本點(diǎn)是采用擊實(shí)法成型試件并進(jìn)行體積指標(biāo)測(cè)試。設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種性能驗(yàn)證試驗(yàn)可以一定程度上區(qū)分不同質(zhì)量的混合料，但并不是確認(rèn)路面是否產(chǎn)生破壞的指標(biāo)，不能濫用。

1.2 Superpave 設(shè)計(jì)法[2][3]

Superpave 主要包括三個(gè)方面內(nèi)容：瀝青膠結(jié)料性能規(guī)范、瀝青混合料體積設(shè)計(jì)方法、瀝青混合料性能預(yù)測(cè)。目前Superpave 設(shè)計(jì)法已經(jīng)成為美國(guó)主要的瀝青混合料設(shè)計(jì)法。

Superpave 體積設(shè)計(jì)法的主要步驟是：

1）準(zhǔn)備階段：選擇合適的材料；

2）測(cè)定集料的密度參數(shù)與級(jí)配，并設(shè)計(jì)礦料合成級(jí)配，一般選三條級(jí)配線；

3）將設(shè)計(jì)空隙率定為4%，確定初試瀝青用量，依據(jù)交通量與路面結(jié)構(gòu)確定旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)；

4）確定合適的級(jí)配。按初試瀝青用量與選定的設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)成型試件，測(cè)試各級(jí)配試件體積參數(shù)，將具有合適的體積特性以及壓實(shí)性能的級(jí)配定為設(shè)計(jì)級(jí)配。壓實(shí)次數(shù)由交通量決定；

5）確定設(shè)計(jì)級(jí)配的最佳瀝青用量；

6）設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)。確定設(shè)計(jì)級(jí)配與最佳瀝青用量在最大、最小壓實(shí)次數(shù)時(shí)的壓實(shí)度以及水敏感性是否符合Superpave 要求。

Superpave 提出了三個(gè)水平設(shè)計(jì)混合料的思想。根據(jù)交通量的不同，試驗(yàn)內(nèi)容有所不同。

表1 與交通量對(duì)應(yīng)的混合料設(shè)計(jì)水平

但是，Superpave 提出的性能預(yù)測(cè)方法并不成熟。

1.3 GTM 設(shè)計(jì)法[4]

GTM 是美國(guó)工程兵于上世紀(jì)60 年代為解決空軍重型轟炸機(jī)機(jī)場(chǎng)跑道的設(shè)計(jì)而研究發(fā)明的。目前國(guó)內(nèi)部分高速公路瀝青混合料已經(jīng)采用GTM法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

GTM 設(shè)計(jì)法確定瀝青混合料瀝青用量的步驟如下:

1) 確定設(shè)計(jì)壓強(qiáng)。根據(jù)相似交通調(diào)查預(yù)測(cè)擬建公路汽車輪胎對(duì)路面的最大接觸壓強(qiáng)，根據(jù)路面力學(xué)公式計(jì)算出路面不同深度的壓應(yīng)力與剪應(yīng)力,據(jù)此確定相應(yīng)層位混合料的設(shè)計(jì)壓力；

2）選擇材料，確定級(jí)配；

3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取數(shù)個(gè)不同的油石比成型試件（用平衡狀態(tài)法）；

4)繪制不同油石比與GSI、GSF、毛體積相對(duì)密度的關(guān)系曲線，確定初步用油量范圍（GSI ≤1.05,且GSF ≮1.3)及相應(yīng)的毛體積密度,計(jì)算混合料體積指標(biāo);

5)綜合考慮氣候特征、渠化交通情況及其他因素確定油石比范圍,并取其中值為最佳油石比,對(duì)應(yīng)的毛體積相對(duì)密度為施工控制的標(biāo)準(zhǔn)密度。

6)對(duì)設(shè)計(jì)的瀝青混合料進(jìn)行高低溫性能及水穩(wěn)定性能等檢驗(yàn)。試驗(yàn)方法與馬歇爾設(shè)計(jì)法相同，但具體指標(biāo)可能會(huì)有所變化。

2 .三種設(shè)計(jì)方法的比較分析

2.1 成型方式比較

1）馬歇爾設(shè)計(jì)法的擊實(shí)成型法是基于一定的擊實(shí)功條件下，對(duì)試件垂直擊實(shí)成型。這種方式的優(yōu)點(diǎn)之一是試驗(yàn)設(shè)備非常簡(jiǎn)單。但是擊實(shí)成型的方式與路面壓路機(jī)對(duì)混合料的碾壓機(jī)理，以及車輛輪胎對(duì)路面的作用機(jī)理是不同的。因此，擊實(shí)成型試件的密度往往偏低，在采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)混合料時(shí)這一缺點(diǎn)尤為突出。盡管我們可以通過(guò)增加擊實(shí)次數(shù)一定程度上彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，但因?yàn)閾魧?shí)易導(dǎo)致試件骨料破碎，無(wú)法消除這一先天缺陷。

根據(jù)目前有關(guān)規(guī)范，擊實(shí)成型的次數(shù)與路面等級(jí)有關(guān)[1]，其關(guān)系是經(jīng)驗(yàn)性的。

2）Superpave 設(shè)計(jì)法采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SGC）成型試件。與擊實(shí)法相比，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法能更好模擬路面壓路機(jī)和車輛輪胎對(duì)瀝青混合料的作用，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型的試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)與路面實(shí)際更加一致[5]。

Superpave 設(shè)計(jì)法在選擇壓實(shí)機(jī)的時(shí)候有一潛在前提，即材料特性參數(shù)不是來(lái)源于壓實(shí)機(jī)械，這樣Superpave 的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SGC）就成了一款純?cè)嚰尚蜋C(jī)械，沒(méi)有考慮測(cè)試諸如材料抗剪強(qiáng)度等參數(shù)，SGC 不能提供判定路面是否穩(wěn)定的所必需的應(yīng)力應(yīng)變特征。

一般，SGC 成型試件時(shí)都采用0.6MP 垂直壓強(qiáng)，機(jī)器角固定為1.25 度，成型過(guò)程中不變化。SGC 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)根據(jù)交通量大小分檔[2][3]，需要在設(shè)計(jì)前確定，具有相當(dāng)大的經(jīng)驗(yàn)成分。

3）GTM 設(shè)計(jì)法與Superpave 設(shè)計(jì)法具有重大的差別，兩者的差異也反映了這二種方法的設(shè)計(jì)理念是不同的。

GTM 設(shè)計(jì)時(shí)采用的垂直壓強(qiáng)為根據(jù)路面車輛接觸壓強(qiáng)測(cè)試并結(jié)合路面力學(xué)計(jì)算得到的一個(gè)值?；旌狭鲜褂脤游徊煌?，設(shè)計(jì)壓力也可以不同。GTM 在工作中的機(jī)器角是不固定的，采用油壓滾軸時(shí)，初始機(jī)器角一般設(shè)定為0.8°，這一角度仍為經(jīng)驗(yàn)值，在試件壓實(shí)過(guò)程中，機(jī)器角會(huì)不斷變化，這一變化與混合料在壓實(shí)過(guò)程中的變化相關(guān)。

GTM 設(shè)計(jì)混合料時(shí)，通常采用平衡狀態(tài)法成型試件。即成型時(shí)，不管對(duì)任何材料、任何級(jí)配、任何溫度，一直要壓實(shí)到平衡狀態(tài)密度，亦即不能再被壓實(shí)的狀態(tài)。

GTM 試件成型過(guò)程中，可以測(cè)試出材料在壓實(shí)過(guò)程中不同階段的力學(xué)性質(zhì)（如抗剪強(qiáng)度），提供判定路面是否穩(wěn)定所必需的應(yīng)力應(yīng)變特征。

4）上述三種設(shè)計(jì)方法在成型試件時(shí)，成型功都與路面狀況建立了某種聯(lián)系，馬歇爾法與Superpave 設(shè)計(jì)法的這種關(guān)系是純經(jīng)驗(yàn)性。而GTM 通過(guò)測(cè)試路面車輛的接觸壓強(qiáng)確定成型壓力，且各層瀝青混合料可根據(jù)計(jì)算的壓力成型，是推理性的，顯得更為科學(xué)、精準(zhǔn)。

GTM 與另二種成型方式還有一個(gè)重大區(qū)別。在公路等級(jí)確定的情況下，馬歇爾的擊實(shí)成型法與Superpave 的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法都是一種確定擊實(shí)功的成型法，這是它們的一個(gè)重要缺陷。馬歇爾設(shè)計(jì)與Superpave 設(shè)計(jì)中，原理上成型功的變化只與交通量聯(lián)系，與材料和級(jí)配無(wú)關(guān)。而GTM 設(shè)計(jì)時(shí)，是以試件是否達(dá)到平衡狀態(tài)來(lái)確定是否結(jié)束壓實(shí)的，壓實(shí)功的大小不僅與垂直壓力有關(guān)，也與材料種類、級(jí)配、瀝青含量等有關(guān)。GTM 這一特點(diǎn)與不同材料（級(jí)配、溫度、瀝青含量的變化等）有不同壓實(shí)特性相吻合。

GTM 成型試件時(shí)可以測(cè)出混合料的剪切強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)，且由于成型過(guò)程模擬性較好，使GTM 設(shè)計(jì)法成為一種力學(xué)的、推理的設(shè)計(jì)方法，利用它有可能真正實(shí)現(xiàn)混合料的性能設(shè)計(jì)。

2.2 三種設(shè)計(jì)法中的體積指標(biāo)

馬歇爾設(shè)計(jì)法的一個(gè)重要貢獻(xiàn)是向人們揭示了混合料的體積組成與性能的某種關(guān)系。由于馬歇爾穩(wěn)定度、流值在一般的瀝青用量范圍內(nèi)都是符合要求的，導(dǎo)致馬歇爾設(shè)計(jì)法確定最佳瀝青用量依據(jù)的主要就是體積指標(biāo)。Superpave 設(shè)計(jì)法作為一種體積設(shè)計(jì)法，體積指標(biāo)有著重要作用。依據(jù)交通狀況的不同，這二種方法的體積指標(biāo)要求也會(huì)有所不同。例如，對(duì)重載交通路面密級(jí)配瀝青混凝土，馬歇爾設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取較大的空隙率（4%～6%），而Superpave 設(shè)計(jì)法中，設(shè)計(jì)空隙率定為4%，但依交通量不同，要求的瀝青飽和度也不同。

體積指標(biāo)是一種衍生指標(biāo)，它與混合料成型方式、成型條件都有密切關(guān)系。但在體積設(shè)計(jì)中，空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度有時(shí)候是很難協(xié)調(diào)的，導(dǎo)致設(shè)計(jì)看似容易，其實(shí)有相當(dāng)難度。

GTM 設(shè)計(jì)法依據(jù)GSI、GSF 確定最佳瀝青用量，故在確定最佳瀝青用量時(shí)，體積指標(biāo)已退至次要地位，但是這并不意味著體積指標(biāo)在整個(gè)混合料設(shè)計(jì)中不重要了。由于瀝青混合料水穩(wěn)定性、耐久性與體積指標(biāo)有關(guān)，因此體積指標(biāo)可以在GTM 設(shè)計(jì)的瀝青混合料的水穩(wěn)定性、抗疲勞性能、低溫性能方面起到控制作用。

2.3 設(shè)計(jì)體系的完整性

馬歇爾設(shè)計(jì)法由于應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，故積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)規(guī)范將馬歇爾設(shè)計(jì)法作為標(biāo)準(zhǔn)的混合料設(shè)計(jì)法。在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中，規(guī)定了該體系從選擇材料（集料、填料、膠結(jié)料）、級(jí)配設(shè)計(jì)、試件成型、指標(biāo)測(cè)試、最佳瀝青用量選定、性能驗(yàn)證、質(zhì)量驗(yàn)收的整個(gè)過(guò)程與方法，該方法相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)方法都比較成熟，工程技術(shù)人員使用相當(dāng)方便。

其他設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，也促進(jìn)了馬歇爾設(shè)計(jì)法的完善。例如，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中級(jí)配設(shè)計(jì)、體積指標(biāo)測(cè)試與計(jì)算就吸收了Superpave 設(shè)計(jì)法的相關(guān)成果。在重載路面混合料設(shè)計(jì)方面，馬歇爾法也吸收了GTM 設(shè)計(jì)法的成果。

Superpave 體積設(shè)計(jì)法作為SHRP 的主要成果，在材料評(píng)價(jià)與選擇、級(jí)配設(shè)計(jì)與控制、混合料體積指標(biāo)測(cè)試都建立一套相對(duì)先進(jìn)的方法，但混合料性能的驗(yàn)證方法則不成熟。另一方面，該設(shè)計(jì)方法試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備昂貴，限制了其應(yīng)用。

GTM 設(shè)計(jì)法早期主要用于飛機(jī)跑道的設(shè)計(jì)，用于公路路面混合料設(shè)計(jì)則較晚。在國(guó)內(nèi)它雖然已經(jīng)應(yīng)用于多條高速公路，且效果不錯(cuò)，但其材料選擇、路用性能評(píng)價(jià)仍舊借助于馬歇爾設(shè)計(jì)體系內(nèi)的方法，給大家的印象是該法僅為一種抗車轍設(shè)計(jì)方法。實(shí)際上由于其設(shè)計(jì)的混合料非常密實(shí)，在水穩(wěn)定性與耐久性方面也可能具有非常好的性能，這當(dāng)然需要更深入的研究，特別是不同地區(qū)工程實(shí)體的驗(yàn)證。該種方法的推廣應(yīng)用還有賴于其設(shè)計(jì)體系的完善，值得研究的課題還很多。例如，級(jí)配設(shè)計(jì)的方法，混合料抗疲勞性能、耐久性方面的研究，GTM 在不同類型混合料（如SMA、SAC、ATB 混合料）上的應(yīng)用技術(shù)等等。

3 結(jié)語(yǔ)

馬歇爾設(shè)計(jì)法作為一種相對(duì)成熟、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在國(guó)內(nèi)得到大量應(yīng)用。但其固有的缺點(diǎn)使之不能很好的適應(yīng)不同類型路面、不同交通量等級(jí)、不同級(jí)配混合料的設(shè)計(jì)。Superpave 設(shè)計(jì)法具有較為合理的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方式，以及系統(tǒng)的原材料與性能評(píng)價(jià)方法，會(huì)在國(guó)內(nèi)得到更多的應(yīng)用。GTM 法雖然設(shè)備昂貴，但設(shè)計(jì)過(guò)程卻相對(duì)簡(jiǎn)單。該種方法的成型方式最為合理，指標(biāo)先進(jìn)，相信對(duì)不同車輛軸載、不同層位、不同級(jí)配瀝青混合料的設(shè)計(jì)具有最好的適應(yīng)性，是一種頗具生命力的設(shè)計(jì)方法。

[1]JTG F40－2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S]北京：人民交通出版社,2004.26-32，70-86

[2]吳曠懷，張肖寧.瀝青混合料設(shè)計(jì)綜述[J]，廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005(5)456-458

[3]賈渝等.高性能瀝青路面(Superpave)基礎(chǔ)參考手冊(cè)[Z]，人民交通出版社,2005.12-135

[4]周衛(wèi)峰．基于GTM 的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006.7-65

[5]李智.不同壓實(shí)成型瀝青混合料的數(shù)字圖像分析[J],2003,(36)12.68-73