李文橋

江蘇省寧連高速公路北段管理處

馬歇爾、Superpave、高模量瀝青混凝土設計方法對比研究

李文橋

江蘇省寧連高速公路北段管理處

馬歇爾和Superpave混合料設計法是目前常用的兩種配合比設計方法，但法國并沒有采用，而是針對高模量的材料特性，專門制定了高模量瀝青混凝土的配合比設計方法。本文針對馬歇爾、Superpave和法國高模量設計方法的差異性進行了比較。

馬歇爾Superpave高模量混合料設計方法

1 引言

目前，我國道路交通正向著重交通方向發(fā)展，重交通、重載、超載現(xiàn)象普遍，重交通下瀝青路面典型的損壞為高溫車轍與水損害。大多瀝青路面在中早期就出現(xiàn)了大量坑槽、裂縫、擁包、車轍等病害，對行車安全和舒適性影響較大。如何提出更科學可靠的混合料設計方法、設計高性能的路面材料、選擇更合理的路面結(jié)構(gòu)成為當前研究的熱點。國際上常用的瀝青混凝土設計方法是馬歇爾法和Superpave法，近幾年，法國高模量瀝青混合料受到了國內(nèi)外關注，其設計理念與性能評價體系完全獨立于以上兩種傳統(tǒng)方法。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 馬歇爾法

馬歇爾法是當前技術最為成熟應用最為普遍的混合料設計方法，其選擇瀝青時采用針入度級規(guī)范，根據(jù)經(jīng)驗及氣候條件，選用合適的瀝青。礦料級配一般采用中值法，其技術要求主要由穩(wěn)定度、流值、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度和混合料密度等指標組成。其優(yōu)點是①根據(jù)體積特性進行設計，提高了瀝青混合料的耐久性；②所需試驗設備價格低廉、操作簡單且便于攜帶。缺點主要是未能體現(xiàn)瀝青路面的技術性能及混合料的力學性能。

2.2 Superpave設計法

Superpave設計法是美國SHRP的主要研究成果，其材料性能的提高主要是通過控制低溫開裂、車轍和疲勞裂縫來實現(xiàn)。本方法提出了“三水平”設計思想，將瀝青混合料設計方法分為三個級，I級是混合料體積設計法，II級是中等路面性能水平的混合料設計，III級是高等路面性能水平的混合料設計。目前I級由于概念清晰，方法實用而被普遍接受，而II、III級較為復雜尚未到實用階段。不足之處是①按體積設計與按重量檢驗相互矛盾；②設計結(jié)果受密度的測定精度影響比較大；③僅憑經(jīng)驗確定礦料的級配；④旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)與交通量之間的關系主要靠經(jīng)驗。

2.3 高模量設計法

法國高模量設計法是一套基于性能的設計規(guī)范體系，其關鍵是處理好模量、疲勞和高溫穩(wěn)定性間的關系，將復數(shù)模量、百萬次荷載作用周期下的疲勞應變作為主要設計指標。當今法國形成的四水平設計法是以熱穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗疲勞和復數(shù)模量四種性能實驗為設計基礎，將由試驗得到的疲勞和模量數(shù)據(jù)作為計算參數(shù)進行結(jié)構(gòu)設計，不同路面層所用材料的技術要求也不同，這就有效地將材料性能與路面功能要求緊密結(jié)合起來了，避免了路面結(jié)構(gòu)設計與配合比試驗脫節(jié)現(xiàn)象。

3 級配及瀝青用量的確定方法比較

3.1 馬歇爾設計法

在級配設計方面，馬歇爾法首先確定擬采用的混合料類型，然后依照規(guī)范選出粗、中、細三組級配，根據(jù)已往經(jīng)驗選出三至五組油石比制作馬歇爾試件，分別計算每組試件的所有體積指標，根據(jù)所得指標選定一組滿足要求的級配。

在最佳瀝青用量確定方面，先確定瀝青用量范圍，在此范圍內(nèi)制作五組試件分別進行馬歇爾實驗，依據(jù)所得實的驗結(jié)果，作出油石比與空隙率、毛體積密度、流值、瀝青飽和度、礦料孔隙率及穩(wěn)定度六者的關系曲線，據(jù)此找出與目標空隙率、最大密度、瀝青飽和度、最大穩(wěn)定度相對應的四組油石比，其平均值即為最佳油石比的初始值OAC初，如果所選用瀝青用量的范圍未能涵蓋要求的瀝青飽和度的范圍，則取最大穩(wěn)定度、最大密度、目標空隙率所對應油石比的平均值作為最佳油石比的初始值，如果所做曲線上沒有出現(xiàn)穩(wěn)定度或密度的最大值時，則直接以目標空隙率相對應的油石比數(shù)值作為最佳油石比的初始值；根據(jù)瀝青混凝土的各類數(shù)據(jù)指標作圖求得最大的油石比OACmax和最小的油石比OACmin，其中值設為OAC中，當最佳油石比的初始值在最大值和最小值之間時，說明設計可行，則OAC初與OAC中的中值即為所求目標配合比的最佳油石比，根據(jù)當?shù)貧夂驐l件、交通量狀況、公路設計等級等因素最終確定設計最佳油石比。

3.2 Superpave設計法

首先根據(jù)交通量的大小選擇混合料的壓實遍數(shù)，然后通過壓實試驗所得結(jié)果選取混合料級配，瀝青用量一般由混合料的設計空隙率來確定，依據(jù)設計經(jīng)驗，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件，根據(jù)Superpave設計標準，選取滿足混合料體積指標的級配作為設計級配，憑經(jīng)驗從低到高預估四組瀝青用量數(shù)值，制做壓實試件，采用插值法求得設計空隙率對應的瀝青量值作為瀝青用量的設計值，設計瀝青用量在最大壓實次數(shù)時對應的體積指標滿足Superpave相關標準即可。

3.3 高模量設計法

在級配的選擇方面，高模量設計方法不同于以上兩種方法，①篩分粒徑不同，其孔徑主要有0.063mm、0.08mm、0.25mm、0.315mm、1mm、2mm、4mm、6.3mm、8mm、10mm、12.5mm、14mm、16mm、20mm、25mm、31.5mm、40mm、50mm、63mm、80mm，其中0.063mm、2mm、4mm、6.3mm是關鍵篩孔；②法國標準中沒有規(guī)定集料顆粒的分布曲線，僅對關鍵篩規(guī)定了目標組成總的級配范圍，高模量設計法在級配設計方面是一種控制關鍵篩孔的方法，因此對級配曲線要求不高。高模量設計中沒有明確確定最佳瀝青用量的方法，實際上法國高模量設計法是一套追求最佳瀝青混凝土性能的設計方法。

4 性能試驗的評價比較

4.1 馬歇爾設計法

馬歇爾設計法的性能評價試驗包括水穩(wěn)定性、低溫抗裂性和高溫穩(wěn)定性。其中水穩(wěn)定性的測試方法采用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，低溫抗裂性能采用小梁彎曲試驗來驗證，高溫穩(wěn)定性由車轍試驗的動穩(wěn)定度來檢驗。

4.2 Superpave設計法

通常利用高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性來測試Superpave設計法的性能，水穩(wěn)定性測試通常用AASHTO T283試驗來驗證，高溫穩(wěn)定性的測試方法同馬歇爾試驗，均通過車轍試驗來驗證。

4.3 高模量設計法

與以上兩種設計方法相比，高模量設計法的性能試驗是最復雜的，其試驗要求必須依次達到四個等級，一是旋轉(zhuǎn)壓實和水損害性能試驗，二是高溫時的性能試驗，三是相應模量性能試驗，四是疲勞性能試驗，如果上一級試驗結(jié)果不能滿足相關要求，則不得進行下一級試驗。其性能評價體系與我國馬歇爾設計法顯著不同是沒有對瀝青混凝土的低溫性能進行評價，這與法國溫暖濕潤的氣候有關。

5 結(jié)語

本篇文章從瀝青混合料級配的選擇、瀝青用量的確定、性能試驗的驗證三方面，分別對馬歇爾、Superpave和高模量設計的差異性進行了比較。馬歇爾設計法應用較早，因其試驗所用設備價格不高且攜帶方便應用最廣，但因其不能模擬路面實況，致使路面較早的出現(xiàn)病害。因此，美國研究出了Superpave設計法，其優(yōu)良的路面性能，抑制了早期路面病害的產(chǎn)生。而法國的高模量設計因其獨創(chuàng)性和先進性得到了國內(nèi)外專家的重視，其基于控制關鍵篩孔的級配設計理念、利用豐度系數(shù)求最小油石比的方法和基于性能的混合料設計評價體系是一套完整先進的設計方法，對混合料設計是一種推進和完善。

[1]鄭健龍.重交通條件下高模量瀝青混凝土路面材料設計與施工技術研究[R].長沙理工大學,2008.

[2]Laboratoire Central des Ponts et Chaussées.LPC Bitumi?nous Mixtures Design Guide[M],2007(11).

[3]高性能瀝青路面（Superpave）基礎參考手冊[M],北京:人民交通出版社,2005(5).

[4]孫忠寧,柴福斌等.法國熱拌瀝青混合料配合比設計方法[J],中外公路,2009(3):357～361

10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.12.044