冀 輝

(衡水市公路勘測設(shè)計所)

1 設(shè)計方法對比

Marshall設(shè)計方法由美國密西西比州工程師Marshall提出，并且在以后由美國陸軍工程兵團進行了完善。Marshall設(shè)計方法的最初是借用土工試驗中擊實成型試件，尋找最大密度、確定最佳含水量的思想來確定瀝青混合料的合理瀝青用量，基本上屬于體積設(shè)計方法。Marshall試驗方法的最大優(yōu)點是注意到了瀝青混合料的密度、孔隙率、穩(wěn)定度和流值的特性，通過分析以獲得瀝青混合料合適的孔隙率與飽和度，求得最佳瀝青用量。目前采用的部頒標(biāo)準(zhǔn)(公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范JTG F40-2004)結(jié)合了我國多年的研究成果和生產(chǎn)實踐采用三階段設(shè)計，綜合考慮瀝青混合料的水穩(wěn)性、抗車轍能力，低溫抗裂性能，求得瀝青混合料的最佳瀝青用量。由于該試驗方法操作簡單，設(shè)備價格便宜，便于攜帶等特點，目前是世界上絕大多數(shù)國家進行瀝青混合料配合比設(shè)計和施工質(zhì)量控制的主要方法。

美國SHRP計劃的核心成果是兩個規(guī)范和一個方法，即瀝青膠結(jié)料性能分級規(guī)范、瀝青混合料路用性能規(guī)范、瀝青混合料設(shè)計方法。Superpave混合料設(shè)計方法是SHRP計劃研究成果中最重要的組成部分，Superpave混合料設(shè)計根據(jù)設(shè)計交通量大小，即以80 kN標(biāo)準(zhǔn)軸載交通量106和107為分界點，將設(shè)計分為LevelⅠ低交通量水平設(shè)計、LevelⅡ中等交通量水平設(shè)計和LevelⅢ高交通量水平設(shè)計等三個水平。LevelⅠ級設(shè)計為混合料體積設(shè)計，集料特性和混合料體積特性，如空隙率、礦料間隙率是選擇瀝青等級和用量的基礎(chǔ);LevelⅡ、LevelⅢ為中、高等路面性能水平的混合料設(shè)計，是體積設(shè)計基礎(chǔ)上進行一套混合料性能試驗，從而可以預(yù)測路面隨時間而產(chǎn)生的永久變形，疲勞開裂和低溫開裂的程度，該方法是力圖將實驗方法與指標(biāo)同瀝青路面野外性能建立起直接的聯(lián)系，通過控制高溫車轍，低溫以及疲勞開裂，以全面提高路面的路用性能。然而，至2006年為止，現(xiàn)在我們用的是LevelⅠ，LevelⅡ、LevelⅢ包括美國都還沒有實際應(yīng)用，還處于研究階段，故Superpave方法仍然是體積設(shè)計法。

與Marshall及Superpave(LevelⅠ)設(shè)計法相相比，GTM設(shè)計法在設(shè)計等級劃分，級配選擇，結(jié)合料選擇，成型方式，控制指標(biāo)等多個方面存在差異。

(1)設(shè)計等級劃分

Marshall:以交通量，即標(biāo)準(zhǔn)軸載累積作用次數(shù)進行設(shè)計等級劃分，該法只是按照交通量將公路分為高速及一級公路和二級及以下公路兩個等級;Superpave:適用于80 kN標(biāo)準(zhǔn)軸載交通量小于106的輕交通量;GTM:GTM混合料試驗中所使用的是輪胎與路面直接接觸壓強，設(shè)計荷載與車的載重、輪胎接地面積、輪胎硬度有關(guān)，因此，這樣更接近于瀝青路面的實際受力狀態(tài)。

(2)級配選擇

Marshall:根據(jù)級配范圍以及試驗確定;Superpave:對礦料級配提出了“控制點”和“禁區(qū)”的概念，級配范圍限制性增強;GTM:根據(jù)Marshall方法確定，并可根據(jù)Superpave方法進行級配優(yōu)化。

(3)結(jié)合料選擇

Marshall:符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004要求;Superpave:以Superpave性能分級選取瀝青膠結(jié)料;GTM:可參照根據(jù)Marshall及Superpave方法確定。

(4)成型方式

Marshall:Marshall擊實成型，成型方法不能準(zhǔn)確模擬車輪對路面的作用情況，并且容易造成粗集料的破碎，從而改變礦料級配;Superpave:Superpave旋轉(zhuǎn)壓實機(Gyratory Compactor)壓實成型，以旋轉(zhuǎn)壓實方式成型試件，且壓實功不固定，因交通量水平、氣溫而變;GTM:旋轉(zhuǎn)壓實剪切實驗機GTM壓實成型，試驗受力狀態(tài)與混合料使用受力狀態(tài)一致。

(5)油石比選擇

Marshall:通過體積參數(shù)確定最佳油石比;Superpave:通過體積參數(shù)確定最佳油石比;GTM:考慮在設(shè)計荷載下的力學(xué)指標(biāo)控制旋轉(zhuǎn)剪切系數(shù)GSF以及控制旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定系數(shù)GSI確定最佳油石比，從而控制混合料的抗剪切以及抗永久變形能力。

表1 三種混合料設(shè)計方法對比

2 試驗結(jié)果對比

美國學(xué)者G.W.Maupin，Jr對上述三種混合料設(shè)計方法進行了研究，研究選用了6種級配進行混合料設(shè)計，分別用Marshall、Superpave以及GTM設(shè)計方法進行混合料設(shè)計和性能評價，其中Marshall方法分別采用了50次和75次擊實，Superpave采用了Pine和Troxler兩種品牌的旋轉(zhuǎn)壓實機，根據(jù)交通量3×106～10×106以及平均最高溫度低于39℃確定Ninitial=8次，Ndesign=96次，and Nmaximum=152次，GTM同時采用了氣壓軸承和油壓軸承加載兩種方式，本文引用了他們的部分數(shù)據(jù)并進行了處理和分析，引用數(shù)據(jù)見表2及表3，并根據(jù)試驗結(jié)果作圖1。

圖1 設(shè)計參數(shù)對比

如圖1所示設(shè)計瀝青用量以及體積參數(shù)VMA，VFA與設(shè)計方法之間的關(guān)系可以說明如下。

(1)Marshall(50次擊實)設(shè)計的瀝青用量高于其他方法，擊實次數(shù)增多或者旋轉(zhuǎn)壓實的方式可以有效的降低瀝青設(shè)計用量，設(shè)計瀝青用量的大小排序為Marshall(50次擊實)大于Superpave大于Marshall(75次擊實)大于GTM。

(2)礦料間隙率VMA的排序為Marshall(50次擊實)大于Superpave大于Marshall(75次擊實)大于GTM，有效瀝青飽和度VMA與之相反。

表2 試驗瀝青及級配選擇

表3 混合料設(shè)計結(jié)果

續(xù)表3

3 總結(jié)

(1)GTM設(shè)計荷載采用的是輪胎與地面的接觸壓強，采用旋轉(zhuǎn)壓實成型，混合料室內(nèi)試驗設(shè)計接近于瀝青路面的實際受力狀態(tài)，并且GTM試驗方法是一種力學(xué)設(shè)計方法，可以設(shè)計出具有高抗剪強度的瀝青混合料，適用于重載交通路段的混合料設(shè)計。

(2)Marshall以及Superpave屬于經(jīng)驗設(shè)計方法，但GTM設(shè)計方法在進行級配優(yōu)化時可以借鑒Marshall方法的經(jīng)驗油石比和Superpave中禁區(qū)，控制點等概念，GTM設(shè)計方法Marshall以及Superpave方法有著較好的相容性。

(3)三種混合料設(shè)計方法的試驗對比說明，GTM混合料設(shè)計方法通過對碾壓成型以及接地壓強等設(shè)計原則增大了壓實功，因而設(shè)計出的混合料具有最小的油石比、礦料間隙率和最大的有效瀝青飽和度，具有較好的性能指標(biāo)。