柏燕肖

（貴州省花溪公路管理段,貴州 貴陽 550001）

0 引言

當前，隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，交通量迅速增加，車輛荷載也在不斷增加，使得瀝青路面早期破壞日益嚴重。究其原因，傳統(tǒng)的混合料設(shè)計方法設(shè)計出的瀝青混合料已經(jīng)不適應(yīng)當前的道路使用環(huán)境，對混合料設(shè)計方法進行改進創(chuàng)新已經(jīng)迫在眉睫。目前，國內(nèi)外現(xiàn)行瀝青混合料設(shè)計方法有馬歇爾法、Superpave法以及GTM法等，其中馬歇爾設(shè)計方法因其設(shè)備簡單、成本較低，應(yīng)用最為廣泛。美國Superpave混合料設(shè)計方法問世以來，受到各國道路工作者的青睞，我國對此項技術(shù)也十分關(guān)注。我國把Superpave譯為高性能瀝青路面，并不是這種路面不會發(fā)生病害，而是采用Superpave方法設(shè)計出的瀝青路面相比馬歇爾法設(shè)計出的瀝青路面在抵抗車轍、低溫開裂以及水穩(wěn)定性方面都具有較大優(yōu)勢。GTM法完全利用力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變原理，最大限度地模擬了汽車對路面的實際作用情況，并以推理的方法，通過汽車對路面實際作用的壓強來設(shè)計瀝青混凝土，使設(shè)計的瀝青混合料抗剪強度大于其所受的剪應(yīng)力，同時能使其所產(chǎn)生的應(yīng)變控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。這為目前汽車觸地壓強不斷上升的問題提供了解決方案，減少了瀝青路面在重載交通下出現(xiàn)車轍、推移、擁包等剪切破壞。下述，將通過介紹馬歇爾法、Superpave法以及GTM法的設(shè)計原理、設(shè)計過程，并進行比較分析后提出改進混合料設(shè)計方法的建議。

1 馬歇爾瀝青混合料設(shè)計方法

1.1 馬歇爾法的簡介

馬歇爾法是由密西西比公路局的Bruce Marshall在1939年左右提出的。在二戰(zhàn)期間開始使用，后來美國陸軍工程兵團（USCOE）開始評價不同的熱拌瀝青混合料（HMA）設(shè)計方法，以用于軍用機場道面設(shè)計，進一步完善了該方法。我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）規(guī)定國內(nèi)瀝青混合料配合比設(shè)計方法采用馬歇爾設(shè)計方法[1]。

1.2 馬歇爾法的設(shè)計流程

馬歇爾設(shè)計方法通過馬歇爾擊實儀錘擊瀝青混合料成型試件，測算密度、空隙率等體積參數(shù)來確定瀝青混合料的最佳瀝青用量，是一種體積設(shè)計方法。馬歇爾設(shè)計方法的主要步驟：一是原材料的選擇。集料和瀝青需進行性能試驗，各項指標滿足規(guī)范要求。二是級配選擇。確定路面各層位瀝青混合料類型，再根據(jù)規(guī)范結(jié)合對大體相當?shù)墓こ淌褂们闆r進行的調(diào)查研究確定級配范圍，再根據(jù)氣候條件進行調(diào)整。三是最佳瀝青用量確定。通過經(jīng)驗預(yù)估混合料的最佳油石比，再以預(yù)估的最佳油石比、預(yù)估的最佳油石比±0.5%、預(yù)估的最佳油石比±1.0%成型五組馬歇爾試件，測算各項設(shè)計指標，繪出各個指標與油石比的關(guān)系曲線圖，由圖確定最佳油石比。四是對最佳油石比進行檢驗。檢驗最佳油石比時混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及滲水系數(shù)是否滿足要求。

1.3 馬歇爾法的優(yōu)缺點

1.3.1 馬歇爾混合料設(shè)計方法的優(yōu)點

一是設(shè)計方法理論相對簡便易于掌握，施工操作人員較為熟悉。二是試驗設(shè)備簡單，低成本，不易損壞，且試驗結(jié)果具有一定可信性。

1.3.2 馬歇爾混合料設(shè)計方法的缺點

一是混合料成型壓實度不夠。馬歇爾法試件制作采用擊實法，然而這種壓實方式與實際道路的碾壓方式相差較大，壓實功有限試模小使得混合料密度偏小，空隙率偏大，以至于設(shè)計出的方案所需瀝青量較大，在資源上造成了浪費，增加了成本[2]。二是設(shè)計指標與路用性能關(guān)聯(lián)度不高。馬歇爾穩(wěn)定度與流值與瀝青混合料的路用性能也沒有太好的相關(guān)性。三是礦料級配無法優(yōu)選。馬歇爾設(shè)計方法級配選擇要求在設(shè)計級配范圍內(nèi)，滿足一定技術(shù)指標即可，不能確定級配范圍內(nèi)的最優(yōu)級配。四是未分層設(shè)計。路面不同層位需要考慮的路用性能不盡相同，下面層考慮高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性，中面層考慮高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水損害能力以及抗?jié)B，上面層考慮高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂，抗滑、抗?jié)B、抗水損害能力，對于承擔(dān)不同功能的層位采用同樣的設(shè)計指標是不合理的[3]。

2 Superpave瀝青混合料設(shè)計方法

2.1 Superpave法簡介

美國1987年批準建立公路戰(zhàn)略研究計劃（SHRP），歷時5年，耗資1.5億美元，其中瀝青和瀝青混合料的研究經(jīng)費占全部研究經(jīng)費三分之一，最終成果是Superpave瀝青混合料設(shè)計和分析體系。Superpave表示Superior Performing Asphalt Pavements，即高性能瀝青路面。Superpave路面表現(xiàn)出了較為優(yōu)異的抗車轍性能，近年來，我國已經(jīng)修筑了7 000 km多的Superpave瀝青路面，與傳統(tǒng)瀝青路面相比，耐久性有了顯著性提高[4]。

2.2 Superpave法的設(shè)計流程

Superpave設(shè)計方法是通過SGC旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件，通過空隙率來確定最佳瀝青用量。Superpave混合料設(shè)計步驟分四步走：一是原材料的選擇。Superpave有自己的膠結(jié)料規(guī)范，瀝青膠結(jié)料的選用根據(jù)路面服務(wù)地區(qū)最高設(shè)計溫度與最低設(shè)計溫度確定，并根據(jù)交通量進行高溫等級的調(diào)整。Superpave對集料要求有認同特性和料源特性，對棱角性、扁平細長顆粒的含量、黏土含量、堅固性、安定性以及有害物質(zhì)含量均有要求。二是級配的選擇。Superpave采用0.45次方圖來規(guī)定容許級配[5]，通過最大密度線、控制點和限制區(qū)來進行級配選擇。Superpave對級配有一個優(yōu)選過程，至少選擇三種級配，一般為粗、中、細三種級配，再確定一個預(yù)估瀝青用量進行瀝青混合料的試拌，測算預(yù)估瀝青含量下試拌級配混合料各個指標，依據(jù)規(guī)范確定所選級配是否符合要求，選出最適合的級配作為設(shè)計級配。三是最佳瀝青用量的確定。Superpave法在確定設(shè)計級配后，以預(yù)估瀝青用量、預(yù)估瀝青用量±0.5%和預(yù)估瀝青用量+1.0%旋轉(zhuǎn)壓實成型四組試件，分別計算四個瀝青用量下混合料的壓實特性和體積參數(shù)，繪出這些指標與瀝青用量的關(guān)系曲線圖。在空隙率和瀝青用量的關(guān)系曲線上用插值法確定空隙率為4%時的瀝青用量，此瀝青用量即為設(shè)計瀝青用量，再檢驗在設(shè)計瀝青用量下其他指標是否滿足要求，若滿足要求即為最佳瀝青用量。四是水穩(wěn)定性檢驗。測定凍融劈裂抗拉強度與常溫下間接抗拉強度，二者的比值應(yīng)符合規(guī)范要求，不小于80%。

2.3 Superpave法的優(yōu)缺點

2.3.1 Superpave法的優(yōu)點

一是采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件與實際路面施工的揉搓碾壓作用相似。二是設(shè)計出的級配粗集料和細集料較少，中間集料較多，其骨料結(jié)構(gòu)更趨于嵌擠密實，均勻性較好，具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗水損害性。

2.3.2 Superpave法的缺點

一是試驗設(shè)備較為昂貴，設(shè)計過程較復(fù)雜。二是設(shè)計的瀝青用量偏低，現(xiàn)場壓實較困難。三是限制區(qū)設(shè)置有爭議，沒有合理的依據(jù)。四是只以4%空隙率控制瀝青用量，瀝青用量設(shè)計指標與路用性能聯(lián)系不高。

3 GTM瀝青混合料設(shè)計方法

3.1 GTM法的簡介

GTM（Gyratory Testing Machine）旋轉(zhuǎn)壓實剪切試驗機是美國工程兵團60年代首先以推理的方法發(fā)明路面材料試驗機，后為解決重型轟炸機跑道容易破損問題而專門研究開發(fā)形成如今的GTM路面設(shè)計方法。GTM設(shè)計方法最適合于重載交通條件下的瀝青混合料設(shè)計，GTM瀝青混合料擁有極好的高溫穩(wěn)定性。

3.2 GTM法設(shè)計流程

GTM設(shè)計方法是不同于體積設(shè)計方法的力學(xué)設(shè)計方法，使用GTM試驗機以與實際路面施工的壓實方式相近的揉壓法壓實成型試件，依據(jù)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定值/應(yīng)變比（GSI）、抗剪強度系數(shù)（GSF）、平衡狀態(tài)密度確定瀝青用量[6]。

GTM法的設(shè)計步驟：原材料選擇→級配選擇→瀝青用量確定。原材料選擇以及級配選擇可以參照馬歇爾設(shè)計方法。瀝青用量確定是根據(jù)經(jīng)驗，選擇5個瀝青用量進行GTM試驗，瀝青用量間隔為0.3%，測算密度、穩(wěn)定值GSI和旋轉(zhuǎn)剪切系數(shù)GSF，然后繪制這些指標與瀝青用量的關(guān)系曲線圖，選擇GSI≤1.05且GSF≥1.3時的瀝青用量作為設(shè)計瀝青用量，將密度曲線中設(shè)計瀝青用量對應(yīng)的密度作為目標配合比標準密度。GTM在我國應(yīng)用時還應(yīng)進行最佳瀝青用量時混合料的各項路用性能檢驗。

3.3 GTM法的優(yōu)缺點

3.3.1 GTM法的優(yōu)點

一是優(yōu)異的高溫性能。采用GTM法制作的瀝青混合料高溫性能非常優(yōu)秀，在設(shè)計周期內(nèi)幾乎不會出現(xiàn)車轍、推移、擁包等病害。二是設(shè)計方法更為科學(xué)。GTM是力學(xué)設(shè)計法，摒棄了不能反映路用性能的各種強度指標，而是依據(jù)力學(xué)分析方法進行材料配合比設(shè)計，設(shè)計方法更加科學(xué)、合理。三是設(shè)計周期短、設(shè)計成本較低。GTM不用進行另外的強度試驗即可得到混合料的設(shè)計密度和瀝青用量，且試驗設(shè)備相較于Superpave等體系相對較低，因此具有設(shè)計周期短、設(shè)計成本較低的特點。

3.3.2 GTM法的缺點

一是低溫性能和耐久性能較差。GTM法實質(zhì)上提供的是一個不會產(chǎn)生車轍的柔性路面設(shè)計方法，完全只注重高溫性能，因此設(shè)計過程并未考慮混合料的低溫性能和耐久性能。二是GTM并未建立起各項指標與路用性能之間的關(guān)系。

4 三種設(shè)計方法的比較

4.1 壓實方式

馬歇爾擊實成型方式與實際路面施工時輪胎振動碾壓壓實關(guān)聯(lián)度不高，無法達到現(xiàn)場施工能達到的壓實度，在進行瀝青用量計算時得到的空隙率偏大，使得瀝青用量偏大，導(dǎo)致資源浪費。相比較而言，旋轉(zhuǎn)壓實成型方式更為合理，與現(xiàn)場碾壓相符，可以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。Superpave設(shè)計方法還能根據(jù)設(shè)計交通量的不同選擇相應(yīng)的壓實次數(shù)。GTM試驗機考慮實際行車荷載選擇不同的設(shè)計壓強，不固定壓實功，在達到極限平衡狀態(tài)時停止壓實，不僅最大限度地模擬實際瀝青路面碾壓成型過程，也有效模擬路面實際承受的交通荷載作用。

4.2 原材料選擇

Superpave法擁有完整的瀝青膠結(jié)料規(guī)范，使用最高設(shè)計溫度和最低設(shè)計溫度對瀝青膠結(jié)料進行分級，并將瀝青的各項性能指標與路面使用性能聯(lián)系起來，對瀝青膠結(jié)料各項性能指標都進行了規(guī)定，包括對短期老化和長期老化后的膠結(jié)料性能指標都有規(guī)定。我國采用的瀝青針入度分級方法屬于經(jīng)驗法，針入度本身并不能直接體現(xiàn)瀝青的稠度。我國的瀝青規(guī)范并沒有考慮瀝青的長期老化。對于集料，我國規(guī)范和Superpave規(guī)范都有一定合理性，Superpave對于集料棱角性要求更高，但二者都只對形狀棱角進行了規(guī)定，對表面紋理并沒有明確規(guī)定。

4.3 級配選擇

目前對于Superpave法中限制區(qū)的存在是否合理有不同看法，在實踐中避開限制區(qū)反而在重載車作用下出現(xiàn)了嚴重的滲水或車轍。研究發(fā)現(xiàn)，嚴格控制原材料的質(zhì)量，尤其是細集料只要滿足了細集料棱角性指標的要求，就不會出現(xiàn)駝峰級配造成的危害，級配也就沒必要避開限制區(qū)。Superpave法對于級配的優(yōu)選設(shè)計是值得借鑒學(xué)習(xí)的，馬歇爾法與GTM法只是要求所選級配在級配范圍內(nèi)即可，并不清楚所選級配優(yōu)劣如何，對級配如何選擇沒有明確標準。

4.4 設(shè)計指標

三種設(shè)計方法對于瀝青用量的選擇有類似之處，都選擇幾個不同瀝青用量成型試件，然后繪圖確定最佳瀝青用量，所不同的是確定最佳瀝青用量的指標不同。馬歇爾最佳油石比確定比較復(fù)雜，需要通過多個設(shè)計指標聯(lián)合確定，結(jié)合密度、空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率、馬歇爾穩(wěn)定度以及流值來確定最佳油石比。Superpave法規(guī)定4%空隙率對應(yīng)的瀝青含量為設(shè)計瀝青含量，該設(shè)計瀝青含量需要滿足其他指標的要求。4%空隙率接近實際路面施工完成后的空隙率，這個空隙率不僅保證路面具有良好的水穩(wěn)定性，還提供足夠的空間得以形成足夠厚度的瀝青膜來保證路面結(jié)構(gòu)的耐久性。GTM的設(shè)計指標是旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定值GSI、旋轉(zhuǎn)剪切系數(shù)GSF以及平衡狀態(tài)密度。旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定值GSI用來判斷瀝青混合料在壓實到平衡狀態(tài)時是否失去彈性，旋轉(zhuǎn)剪切系數(shù)GSF用于判斷瀝青混合料被壓實到平衡狀態(tài)時的抗剪強度是否達到在行車荷載作用下需要承受的剪應(yīng)力。GTM的設(shè)計指標與道路使用時的力學(xué)響應(yīng)聯(lián)系緊密，最終目的是設(shè)計出不會產(chǎn)生車轍破壞的路面。三者各有各的優(yōu)點，但是擁有共同的缺陷，不管哪種設(shè)計方法的設(shè)計指標都沒有與路用性能聯(lián)系起來，混合料設(shè)計的最終目的是希望路面擁有良好使用性能，因此，在設(shè)計階段選擇與路用性能聯(lián)系緊密的設(shè)計指標非常有必要。

5 結(jié)語

不同混合料設(shè)計方法都有各自的優(yōu)缺點，需要考慮多方面因素選用合適的設(shè)計方法。通過三種混合料設(shè)計方法的對比，筆者也對混合料設(shè)計提出了一些建議：一是試件成型方式應(yīng)與實際行車壓實相符，使瀝青混合料的壓實度與路面在實際交通情況下的最終壓實度一致，能夠更好地指導(dǎo)路面施工。二是應(yīng)對礦料級配進行優(yōu)選，對集料級配制定一個技術(shù)標準，從而能夠選出最優(yōu)級配進行配合比設(shè)計。三是設(shè)計指標應(yīng)與路用性能聯(lián)系緊密。在瀝青用量選擇階段，設(shè)計指標的選擇要根據(jù)瀝青混合料應(yīng)滿足的路用性能要求確定。四是路面不同層位需要考慮的路用性能不盡相同，應(yīng)分層定位設(shè)計，針對不同的設(shè)計層位選擇不同的設(shè)計指標。