淺談Marshall及Superpave設(shè)計(jì)方法

冀 輝

(衡水市公路勘測(cè)設(shè)計(jì)所)

1 設(shè)計(jì)方法對(duì)比

Marshall設(shè)計(jì)方法由美國(guó)密西西比州工程師Marshall提出，并且在以后由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)進(jìn)行了完善。Marshall設(shè)計(jì)方法的最初是借用土工試驗(yàn)中擊實(shí)成型試件，尋找最大密度、確定最佳含水量的思想來(lái)確定瀝青混合料的合理瀝青用量，基本上屬于體積設(shè)計(jì)方法。Marshall試驗(yàn)方法的最大優(yōu)點(diǎn)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(guò)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(guó)多年的研究成果和生產(chǎn)實(shí)踐采用三階段設(shè)計(jì)，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(yàn)方法操作簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格便宜，便于攜帶等特點(diǎn)，目前是世界上絕大多數(shù)國(guó)家進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制的主要方法。

美國(guó)SHRP計(jì)劃的核心成果是兩個(gè)規(guī)范和一個(gè)方法，即瀝青膠結(jié)料性能分級(jí)規(guī)范、瀝青混合料路用性能規(guī)范、瀝青混合料設(shè)計(jì)方法。Superpave混合料設(shè)計(jì)方法是SHRP計(jì)劃研究成果中最重要的組成部分，Superpave混合料設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)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(diǎn)，將設(shè)計(jì)分為L(zhǎng)evelⅠ低交通量水平設(shè)計(jì)、LevelⅡ中等交通量水平設(shè)計(jì)和LevelⅢ高交通量水平設(shè)計(jì)等三個(gè)水平。LevelⅠ級(jí)設(shè)計(jì)為混合料體積設(shè)計(jì)，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(jí)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(jì)，是體積設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行一套混合料性能試驗(yàn)，從而可以預(yù)測(cè)路面隨時(shí)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(shí)驗(yàn)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(guò)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(guó)都還沒有實(shí)際應(yīng)用，還處于研究階段，故Superpave方法仍然是體積設(shè)計(jì)法。

與Marshall及Superpave(LevelⅠ)設(shè)計(jì)法相相比，GTM設(shè)計(jì)法在設(shè)計(jì)等級(jí)劃分，級(jí)配選擇，結(jié)合料選擇，成型方式，控制指標(biāo)等多個(gè)方面存在差異。

(1)設(shè)計(jì)等級(jí)劃分

Marshall:以交通量，即標(biāo)準(zhǔn)軸載累積作用次數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)等級(jí)劃分，該法只是按照交通量將公路分為高速及一級(jí)公路和二級(jí)及以下公路兩個(gè)等級(jí);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(yàn)中所使用的是輪胎與路面直接接觸壓強(qiáng)，設(shè)計(jì)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(shí)際受力狀態(tài)。

(2)級(jí)配選擇

Marshall:根據(jù)級(jí)配范圍以及試驗(yàn)確定;Superpave:對(duì)礦料級(jí)配提出了“控制點(diǎn)”和“禁區(qū)”的概念，級(jí)配范圍限制性增強(qiáng);GTM:根據(jù)Marshall方法確定，并可根據(jù)Superpave方法進(jìn)行級(jí)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(jí)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(shí)成型，成型方法不能準(zhǔn)確模擬車輪對(duì)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(jí)配;Superpave:Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)(Gyratory Compactor)壓實(shí)成型，以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方式成型試件，且壓實(shí)功不固定，因交通量水平、氣溫而變;GTM:旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切實(shí)驗(yàn)機(jī)GTM壓實(shí)成型，試驗(yàn)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(guò)體積參數(shù)確定最佳油石比;Superpave:通過(guò)體積參數(shù)確定最佳油石比;GTM:考慮在設(shè)計(jì)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(jì)方法對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

美國(guó)學(xué)者G.W.Maupin，Jr對(duì)上述三種混合料設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，研究選用了6種級(jí)配進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，分別用Marshall、Superpave以及GTM設(shè)計(jì)方法進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)，其中Marshall方法分別采用了50次和75次擊實(shí)，Superpave采用了Pine和Troxler兩種品牌的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)，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(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)并進(jìn)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(yàn)結(jié)果作圖1。

圖1 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

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

(1)Marshall(50次擊實(shí))設(shè)計(jì)的瀝青用量高于其他方法，擊實(shí)次數(shù)增多或者旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的方式可以有效的降低瀝青設(shè)計(jì)用量，設(shè)計(jì)瀝青用量的大小排序?yàn)镸arshall(50次擊實(shí))大于Superpave大于Marshall(75次擊實(shí))大于GTM。

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

表2 試驗(yàn)瀝青及級(jí)配選擇

表3 混合料設(shè)計(jì)結(jié)果

續(xù)表3

3 總結(jié)

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

(2)Marshall以及Superpave屬于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，但GTM設(shè)計(jì)方法在進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化時(shí)可以借鑒Marshall方法的經(jīng)驗(yàn)油石比和Superpave中禁區(qū)，控制點(diǎn)等概念，GTM設(shè)計(jì)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(jì)方法的試驗(yàn)對(duì)比說(shuō)明，GTM混合料設(shè)計(jì)方法通過(guò)對(duì)碾壓成型以及接地壓強(qiáng)等設(shè)計(jì)原則增大了壓實(shí)功，因而設(shè)計(jì)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)。