劉宏晉

（江蘇中路工程技術研究院有限公司，南京　211806）

AC-25S瀝青混合料馬歇爾設計方法研究

劉宏晉

（江蘇中路工程技術研究院有限公司，南京211806）

對AC-25S瀝青混合料進行大、小馬歇爾試驗對比，指出小馬歇爾設計法用于AC-25S瀝青混合料的不足，并闡述大馬歇爾設計法對于AC-25S瀝青混合料設計的適用性，以對AC-25S瀝青混合料大馬歇爾設計法的技術標準進行優(yōu)化。

AC-25S瀝青混合料；小馬歇爾法；大馬歇爾法；瀝青混合料設計

瀝青混合料良好的性能取決于合理的配合比，而混合料配合比設計方法就成為決定瀝青路面質量的重要因素。長期以來，國內外學者對瀝青混合料的設計方法不斷進行研究，從試餅法、哈博爾-費爾德法、維姆法、馬歇爾法到Superpave法不斷演變，致使瀝青混合料設計方法不斷得到改進與完善［1］。其中，馬歇爾法，即小馬歇爾設計法，自上世紀80年代出現(xiàn)以來一直沿用至今，是目前國內最常見的瀝青混合料設計方法之一，是JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中規(guī)定的方法。

隨著高等級公路及汽車運輸業(yè)的不斷發(fā)展，對瀝青路面質量和其瀝青混合料的性能也提出了更高要求。因此，原有小馬歇爾設計法逐漸表現(xiàn)出了局限性，如對于一些大粒徑瀝青混合料，小馬歇爾設計法已經無法滿足設計要求。國外研究表明，采用152.4 mm試模進行的馬歇爾試驗其各項數(shù)據(jù)重復性好、離散性小，為此，在參照國外有關資料后，國內也逐漸采用大馬歇爾設計法進行大粒徑瀝青混合料的設計［2-5］。經過多年的試驗研究，目前大馬歇爾設計法也逐漸應用于工程實踐。本文將以大、小馬歇爾設計方法為基礎，對大、小馬歇爾擊實試驗的結果進行對比，分析適用于AC-25S瀝青混合料的設計方法。

1　AC-25S瀝青混合料現(xiàn)有設計方法分析

我國規(guī)范要求，在進行AC-25S瀝青混合料設計時，須進行室內試驗，即采用小馬歇爾擊實儀成型試件，并對試件的體積指標進行試驗與計算，以滿足JTG F40—2004的要求。現(xiàn)在國際上開始研究使用大馬歇爾擊實成型試件，并提出了一系列大馬歇爾試件的體積指標要求。我國試驗規(guī)程對大馬歇爾擊實成型試件也已經有了類似的規(guī)定，即進行大型馬歇爾試驗時，將擊實錘重改為10.2 kg，直徑149.4 mm，擊實時落高457 mm；試件直徑152.4 mm，高95.2 mm；擊實次數(shù)增加為小馬歇爾設計法的1.5倍，即原試件擊實50次、75次時，現(xiàn)改為擊實75次和112次［6-7］。大小馬歇爾設計法試件成型各項參數(shù)的比較如表1所示。

表1　大、小馬歇爾設計法試件成型各項參數(shù)的比較

從表1數(shù)據(jù)可以看出，采用小馬歇爾設計法進行瀝青混合料設計有以下不足：

1）規(guī)范規(guī)定：“瀝青混合料配合比設計及實驗室人工配制瀝青混合料制作試件時，試件尺寸應符合試件直徑不小于集料公稱最大粒徑的4倍，厚度不小于集料最大公稱粒徑的1～1.5倍的規(guī)定。對直徑Φ101.6 mm的試件，集料公稱最大粒徑應不大于26.5 mm。對于粒徑大于26.5 mm的粗粒式瀝青混合料，其大于26.5 mm的集料應用等量的13.2～26.5 mm集料代替（替代法），也可采用Φ152.6 mm的大圓柱體試件（大馬歇爾試件）?！保?］從規(guī)范條文看，對于AC-25S瀝青混合料而言，采用小馬歇爾設計法是不合適的。

2）從試件高度看，小馬歇爾設計法試件成型所用試模高為（63.5±1.3）mm，而AC-25S瀝青混合料最大公稱粒徑都≥26.5 mm，若按瀝青面層厚度與集料最大公稱的關系看，對于AC-25S瀝青混合料，小馬歇爾設計法成型試件所用試模高度偏小，而高度偏小容易造成瀝青混合料擊實難度加大和集料擊碎現(xiàn)象，不利于反映瀝青混合料的實際體積特性。

3）瀝青路面實際鋪筑過程中，下面層AC-25S瀝青混合料實際壓實厚度一般為80 mm，甚至更厚，而小馬歇爾設計法的試件高度僅為（63.5±1.3）mm，也就是說，AC-25S瀝青混合料實際鋪筑厚度與室內試件成型高度偏差較大，不能正確反映路面實際鋪筑厚度，而實際鋪筑厚度與室內試件成型高度的差異容易使得瀝青混合料體積性能相差較大。

為了提高路面施工質量，在江蘇省，高速公路瀝青路面施工要求壓實度采用雙控，即分別按馬歇爾試驗密度和理論密度進行壓實度控制，但實際施工過程中，經常出現(xiàn)按馬歇爾密度評價的壓實度“超過百分百”，而按理論密度評價的壓實度則能滿足要求的現(xiàn)象。對于這種現(xiàn)象，很多現(xiàn)場技術人員認為可能是混合料級配偏細、粉膠比偏大、碾壓時溫度過高或理論密度壓實度測試有誤等原因所致。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，現(xiàn)場技術人員有時隨意更改瀝青混合料的生產級配、油石比，而忽視了現(xiàn)場壓實方式及其壓實功與室內試驗時壓實方式及其壓實功不匹配的問題。因此，瀝青混合料設計方法須解決室內試驗擊實壓實功與現(xiàn)場碾壓壓實功不匹配的問題。

2　大小馬歇爾試驗結果比較

從上述分析可以看出，AC-25S型瀝青混合料采用小馬歇爾設計法存在較多不足，而大馬歇爾設計法卻能夠彌補小馬歇爾設計法的不足。下面通過實際工程試驗，對大、小馬歇爾設計法進行對比。

依據(jù)AC-25S瀝青混合料的要求對某高速公路原材料進行了密度試驗，試驗結果如表2所示。同時連續(xù)6 d對施工段落使用的AC-25S瀝青混合料分別進行了大、小馬歇爾擊實成型，通過對不同成型方法的試件進行體積指標、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性等進行試驗，其試驗結果如表3～11所示。表3～11中，AC-25S瀝青混合料簡稱AC-25S，試驗方法按照JTG E42—2005和JTG E20—2011的要求進行。

表2　集料、礦粉相對密度試驗結果

根據(jù)表3～11數(shù)據(jù)分別對AC-25S瀝青混合料的試件密度、空隙率、間隙率、瀝青飽和度、水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性進行了對比分析，分析結果如下。

2.1密度、空隙率

對大小馬歇爾試驗試件密度、空隙率指標進行了比較，結果如圖1所示。

從圖1可以看出：

1）對于礦料級配相同的瀝青混合料，大馬歇爾設計法成型的試件密度值較大，采用大馬歇爾設計法成型試件可以提高試件密度約0.03 g/cm3，經驗表明，當達到相同的壓實度要求時，密度大的混合料具有更好的穩(wěn)定性，其抵抗重交通荷載作用的能力更強。也就是說，若采用大馬歇爾設計法進行AC-25S瀝青混合料設計，其所得到的瀝青混合料密度將增加，這對重交通道路和抗車轍能力要求較高的路面很有必要。

表3　AC-25S瀝青混合料礦料合成級配通過率

表4　AC-25S瀝青混合料小馬歇爾設計法擊實試驗結果匯總

表5　AC-25S瀝青混合料大馬歇爾設計法擊實試驗結果匯總

表6　AC-25S瀝青混合料小馬歇爾設計法水穩(wěn)定性試驗結果匯總

表7　AC-25S瀝青混合料大馬歇爾設計法水穩(wěn)定性試驗結果匯總

表9　AC-25S瀝青混合料大馬歇爾設計法高溫穩(wěn)定性試驗結果匯總（試件厚50 mm）

表10　AC-25S瀝青混合料小馬歇爾設計法高溫穩(wěn)定性試驗結果匯總（試件厚100 mm）

表11　AC-25S瀝青混合料大馬歇爾設計法高溫穩(wěn)定性試驗結果匯總（試件厚100 mm）

2）大馬歇爾設計法成型試件的空隙率均要小于小馬歇爾設計法成型試件的空隙率，空隙率值相差約1%。與小馬歇爾設計法成型試件的空隙率相比，采用大馬歇爾設計法成型試件后，瀝青混合料空隙率會降低約30%。這與試件尺寸增加后，擊實過程中更有利于集料、瀝青的重新分布有關。

目前瀝青路面施工過程中，普遍采用了大噸位雙鋼輪振動壓路機和膠輪壓路機，現(xiàn)場壓實功較大。同時，從我國現(xiàn)有交通量情況及交通組成看，高速公路普遍存在重車比例高、超載嚴重等現(xiàn)象。國內大量研究也指出，現(xiàn)有馬歇爾設計法的室內試驗擊實功與路面施工、實際的壓實功不匹配。

因此，采用大馬歇爾設計法來提高室內擊實功以滿足現(xiàn)有路面壓實和使用過程中交通荷載的需要也是有必要的。

2.2礦料間隙率、瀝青飽和度

對大小馬歇爾試驗試件礦料間隙率、瀝青飽和度進行了比較，結果如圖2所示。

圖1　大、小馬歇爾試驗試件密度、空隙率比較

圖2　大、小馬歇爾試驗試件礦料間隙率、瀝青飽和度比較

從圖2可以看出：大馬歇爾設計法成型試件的礦料間隙率均要小于小馬歇爾設計法成型試件的礦料間隙率。與小馬歇爾設計法成型試件相比，采用大馬歇爾設計法成型的試件，瀝青混合料的礦料間隙率會降低約10%；而瀝青混合料的瀝青飽和度則提高了約10%。

從2.1節(jié)中對現(xiàn)場壓實功和后期交通組成的分析看，小馬歇爾設計法成型的瀝青混合料試件雖然其礦料間隙率值滿足要求，但在后期施工和運營過程中，由于壓實功增加，壓實后的瀝青混合料很可能礦料間隙率偏小甚至不合格，而礦料間隙率值偏小的混合料易發(fā)生車轍病害，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不利。

同時，因室內擊實功與現(xiàn)場鋪筑擊實功的差異，采用小馬歇爾設計法成型的瀝青混合料試件其瀝青飽和度偏小，從而容易導致設計者加大瀝青用量或進一步減小礦料間隙率以獲得合適的瀝青飽和度值，而這種調整對路面抗車轍性能卻有負面影響。

2.3穩(wěn)定度、流值

對大小馬歇爾試驗試件的穩(wěn)定度、流值進行了比較，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，大馬歇爾設計法成型試件的穩(wěn)定度、流值均要大于小馬歇爾法成型試件。從現(xiàn)有研究結果看，大、小馬歇爾設計法成型試件的穩(wěn)定度、流值與瀝青混合料路用性能相關性較差，穩(wěn)定度、流值不是關鍵技術指標。但從試驗結果看，若采用大馬歇爾設計法進行AC-25S瀝青混合料設計，其穩(wěn)定度、流值的技術標準應在現(xiàn)有規(guī)范基礎上適當進行調整。

圖3　大、小馬歇爾試驗試件穩(wěn)定度、流值比較

圖4　大、小馬歇爾試驗試件殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂比較

圖5　大、小馬歇爾試驗試件不同厚度動穩(wěn)定度比較

2.4水穩(wěn)定性

對大小馬歇爾試驗試件的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂進行比較，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，小馬歇爾設計法成型試件的水穩(wěn)定性殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂指標均要小于大馬歇爾設計法成型試件的參數(shù)指標。當然，由于小馬歇爾設計法成型試件體積尺寸小于大馬歇爾設計法成型試件，故其設計指標也會比大馬歇爾設計法成型試件要小得多。但當?shù)V料最大公稱粒徑達到25 mm時，骨料所占體積較大，選用小馬歇爾設計法時會出現(xiàn)級配離析，在狹小空間內很難實現(xiàn)級配均勻性。從試驗結果看，采用大馬歇爾設計法成型試件時，所得到的瀝青混合料其試件結構剖面較為均勻，呈現(xiàn)出骨架密實型瀝青混合料的特征，且試件離散較小，指標趨于穩(wěn)定，更適用于施工。

2.5高溫穩(wěn)定性分析

對大小馬歇爾試驗試件高溫穩(wěn)定性進行了比較，結果如圖5所示。

通常，對于集料公稱最大粒徑≥26.5 mm的瀝青混合料，宜采用100 mm厚的模板成型。所以，為了更好地研究AC-25S瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，本次車轍試驗通過大小馬歇爾設計法確定的油石比、毛體積密度、最大理論密度為依據(jù)，采用300 mm 長×300 mm寬×50 mm厚與300 mm長×300 mm 寬×100 mm厚的板塊試模成型試件，并對其進行高溫穩(wěn)定性對比。

從圖5可以看出，采用50 mm厚的試模成型試件時，小馬歇爾設計法成型試件的高溫穩(wěn)定性指標要略高于大馬歇爾設計法成型試件的結果，由3.1節(jié)可知大馬歇爾設計法成型試件的毛體積密度較大，所需瀝青混合料質量較多，且由于成型空間有限，粗骨料最大粒徑所占體積比較大，不利于瀝青混合料空間排布成型。另外粗骨料碎石存在碾碎的現(xiàn)象致使成型的試件缺乏進一步壓實，從而表現(xiàn)出高溫穩(wěn)定性偏低現(xiàn)象。而當采用100 mm厚試模成型試件時，大馬歇爾設計法成型試件其級配容易壓實，從而有利于瀝青混合料的移動和嵌擠，可提高瀝青混合料的密實度并改善其高溫穩(wěn)定性。

從以上分析可以看出，當采用大馬歇爾設計法時，可在原來小馬歇爾設計法設計級配的基礎上重新設計級配，使級配呈現(xiàn)更好的密實型，更好地模擬施工現(xiàn)場的壓實情況。采用大馬歇爾設計法后，由于試件尺寸放大，有利于瀝青混合料的移動和嵌擠，使其密實度得到提高，其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性也得到改善，其預期路用性能也會更好。另外，采用大馬歇爾設計法設計瀝青混合料可以進一步優(yōu)化瀝青混合料的礦料級配，提高骨架嵌擠能力，從而改善瀝青混合料的性能。

綜上所述，對于AC-25S瀝青混合料而言，有必要采用大馬歇爾設計方法進行設計。

3　AC-25S瀝青混合料大馬歇爾設計標準的提出

一些國家研究成果表明，對于同種材料，大馬歇爾設計法成型試件的穩(wěn)定度為小馬歇爾成型試件的1.5～2.25倍，美國MCAT認為大馬歇爾設計法成型試件的穩(wěn)定度是小馬歇爾成型試件的2.25倍，流值則提高1.5倍，其他體積指標基本上不變。從本次室內試驗結果來看，大馬歇爾設計法成型試件穩(wěn)定度平均值為小馬歇爾的1.3倍，而流值為小馬歇爾的2.1倍，結合AC-25S瀝青混合料的技術指標要求及本次試驗結果，并參考以往研究成果，提出如下設計標準：

1）采用大馬歇爾設計法設計AC-25S瀝青混合料時，瀝青混合料穩(wěn)定度標準調整為不小于15 kN，流值則放寬至40～80（0.1 cm）。

2）對于空隙率、間隙率等其他體積指標，不同成型方法所得結果有差異，但就指標本身而言，其主要由路面使用條件決定。結合江蘇省下面層瀝青路面使用性能要求，本文建議體積指標仍采用原有技術指標要求，即空隙率控制在3.5%～5.0%之間，礦料間隙率按設計空隙率確定，瀝青飽和度為65%～75%。

基于以上分析，本文推薦AC-25S瀝青混合料大馬歇爾設計法的設計標準要求如表12所示。

表12　AC-25S瀝青混合料大馬歇爾試驗設計標準

4　結束語

從JTG F40—2004看，小馬歇爾設計法所設計的瀝青混合料的性能參數(shù)不能完全滿足規(guī)范的技術要求，因此提出了大馬歇爾設計法的優(yōu)化設計方法。通過對AC-25S瀝青混合料進行大、小馬歇爾試驗對比，從試件密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性等方面對試驗結果進行了分析。從試驗結果看，小馬歇爾設計法成型試件的空隙率雖然滿足規(guī)范要求，但其高溫穩(wěn)定性欠佳；從礦料間隙率和瀝青飽和度看，小馬歇爾設計法成型試件其瀝青混合料瀝青飽和度偏小。從穩(wěn)定度和流值看，大馬歇爾設計法成型試件的穩(wěn)定度、流值均大于小馬歇爾設計法成型試件；從水穩(wěn)定性來看，小馬歇爾設計法成型試件的混合料水穩(wěn)定性較差。從高溫穩(wěn)定性來看，采用大馬歇爾設計法成型的瀝青混合料試件按照100 mm厚標準進行試驗，其高溫穩(wěn)定性較好?；诖?，本文結合AC-25S瀝青混合料的技術指標要求及試驗結果，并參照相關資料提出并優(yōu)化了AC-25S瀝青混合料的設計標準，供同類研究作參考。

［1］陳澤宏.瀝青混合料不同配合比設計方法對比研究［D］.長沙：湖南大學，2013.

［2］劉朝輝，黃云涌，李宇峙.瀝青混合料大型馬歇爾擊實試驗方法與技術標準探討［C］//2004年道路工程學術交流會論文集.廣州：中國公路學會，2004.

［3］王旭東.大型馬歇爾擊實試驗研究［J］.公路交通科技，2002，19（1）：16-19.

［4］陸長兵，黃曉明.大型馬歇爾試驗擊實次數(shù)［J］.長安大學學報（自然科學版），2004，24（1）：21-24.

［5］潘曉君.大粒徑瀝青混合料馬歇爾試驗研究［J］.中國新技術新產品，2010（15）：122-123.

［6］交通部公路科學研究所.JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［7］陳興偉，許志鴻.馬氏擊實次數(shù)與體積特性的關系［J］.上海公路，2005（1）：6-10.

［8］ 呂偉民.瀝青混合料設計原理與方法［J］.上海：同濟大學出版社，2000.

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

劉宏晉（1985-），男，江蘇省泰州市人，碩士，工程師。