馬歇爾、Superpave、高模量瀝青混凝土設(shè)計(jì)方法對(duì)比研究

□文/周艷軍 王 崢 李正中

我國(guó)道路交通正朝著重交通的方向發(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(chē)轍與水損害[1]。瀝青路面在達(dá)到使用壽命前就出現(xiàn)了大量的車(chē)轍、壅包、裂縫、坑槽等病害，極大影響了行車(chē)的安全性和舒適性，這就對(duì)瀝青路面的結(jié)構(gòu)、材料及路用性能提出了更高要求，如何提出更加科學(xué)可靠的混合料設(shè)計(jì)方法、采用高性能的路面材料、選擇更加合理的路面結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外瀝青混凝土設(shè)計(jì)方法有很多，國(guó)際上較為常用的是馬歇爾法和Superpave設(shè)計(jì)方法。近幾年，法國(guó)高模量瀝青混合料因其高性能受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，其設(shè)計(jì)理念與性能評(píng)價(jià)體系則完全獨(dú)立于以上兩種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法因其獨(dú)創(chuàng)性和先進(jìn)性一直受到歐盟其他國(guó)家的借鑒，英美等國(guó)更是將高模量的概念應(yīng)用到長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)之中[2]。

1 三種設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀比較

1.1 馬歇爾設(shè)計(jì)方法

目前，我國(guó)規(guī)范仍采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)。實(shí)際上，馬歇爾設(shè)計(jì)方法也是目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)最成熟、應(yīng)用最普遍的設(shè)計(jì)方法，選擇瀝青時(shí)采用針入度級(jí)規(guī)范，設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及氣候條件選用合適的瀝青；礦料級(jí)配一般采用中值法，其技術(shù)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(biāo)組成。

馬歇爾法的優(yōu)點(diǎn)：

1）考慮了瀝青混合料的體積特性，通過(guò)合理的體積特性設(shè)計(jì)出符合耐久性要求的混合料；

2）所需試驗(yàn)設(shè)備價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單且便于攜帶，因此得到世界上多數(shù)國(guó)家推廣應(yīng)用。

馬歇爾法也存在明顯的缺點(diǎn)，指標(biāo)體系既不能反映瀝青混合料的力學(xué)性能，也不能反映瀝青路面的技術(shù)性能，原因有以下三個(gè)方面：

1）試件的成型方法與路面受輪胎搓揉碾壓的實(shí)際情況相差較大，野外路面與試件的內(nèi)部礦料、膠漿油膜和空隙率排布也有差別；

2）試件的穩(wěn)定度和流值兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)與實(shí)際路用性能間沒(méi)有明確的相關(guān)性；

3）通常不適用于開(kāi)級(jí)配和大粒徑混合料。

1.2 Superpave設(shè)計(jì)方法

Superpave（Superior PerformingAsphalt Pavements）設(shè)計(jì)方法是美國(guó)SHRP的主要研究成果。Superpave體系包括性能基礎(chǔ)上的瀝青材料特性與設(shè)計(jì)環(huán)境條件，通過(guò)控制車(chē)轍、低溫開(kāi)裂和疲勞裂縫來(lái)提高材料性能。依據(jù)氣候條件和設(shè)計(jì)交通量，Superpave法將材料選擇和混合料設(shè)計(jì)合為一體。

Superpave提出了混合料三水平設(shè)計(jì)思想，將瀝青混合料設(shè)計(jì)方法分為三個(gè)等級(jí)，I級(jí)設(shè)計(jì)稱(chēng)為混合料體積設(shè)計(jì)法，II級(jí)設(shè)計(jì)是中等路面性能水平的混合料設(shè)計(jì)，III級(jí)設(shè)計(jì)是最高路面性能水平的混合料設(shè)計(jì)。見(jiàn)表1和圖1。

表1 Superpave三個(gè)設(shè)計(jì)等級(jí)比較 次

圖1 I級(jí)設(shè)計(jì)方法

目前，I級(jí)設(shè)計(jì)由于概念清晰、方法實(shí)用而被普遍接受，而II級(jí)和III級(jí)設(shè)計(jì)由于較為復(fù)雜尚未到實(shí)用階段。Superpave設(shè)計(jì)方法中提出的建立在流變學(xué)基礎(chǔ)上的瀝青膠結(jié)料PG（Performance-based Gradation）分級(jí)，通過(guò)限制空隙率、礦料間隙率和瀝青飽和度來(lái)實(shí)現(xiàn)集料、膠結(jié)料和混合料空隙之間的體積比例、級(jí)配控制點(diǎn)、“S”型級(jí)配曲線和禁區(qū)的概念，集料的有效密度和有效瀝青用量、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法和混合料的體積參數(shù)等概念，推動(dòng)并影響了混合料設(shè)計(jì)的發(fā)展。

但是，Superpave法也存在一些不足之處：

1）按體積設(shè)計(jì)與按質(zhì)量檢驗(yàn)之間存在矛盾；

2）集料與混合料各種密度（如毛體積密度、填裝密度、最大密度）的測(cè)定精度對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果有重要影響；

3）對(duì)礦料級(jí)配的確定完全依賴經(jīng)驗(yàn)；

4）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)與交通量之間的關(guān)系主要靠經(jīng)驗(yàn)。

這些不足使歐洲對(duì)其并不感興趣；我國(guó)對(duì)該方法應(yīng)用效果評(píng)價(jià)不一，也有人認(rèn)為前景不好[3]。

1.3 高模量設(shè)計(jì)方法

法國(guó)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法主要考慮了三種因素：

1）組成集料的多樣性；

2）氣候條件的多變性（特別是溫度的變化）；

3）汽車(chē)荷載作用的破壞性。

法國(guó)高模量設(shè)計(jì)方法是一套基于性能的設(shè)計(jì)規(guī)范體系，見(jiàn)表2。

表2 法國(guó)瀝青混合料設(shè)計(jì)方法

法國(guó)高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，高模量瀝青混合料設(shè)計(jì)關(guān)鍵的問(wèn)題是處理好模量、疲勞和高溫穩(wěn)定性三者之間的關(guān)系，因此在高模量設(shè)計(jì)方法中，將復(fù)數(shù)模量、百萬(wàn)次荷載作用周期下的疲勞應(yīng)變作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。目前法國(guó)已形成了以水穩(wěn)性、熱穩(wěn)定性、復(fù)數(shù)模量和抗疲勞四種性能試驗(yàn)為基礎(chǔ)的四水平設(shè)計(jì)法，見(jiàn)圖2。

圖2 高模量設(shè)計(jì)方法四水平設(shè)計(jì)

這種方法得到的模量和疲勞的試驗(yàn)結(jié)果直接作為計(jì)算參數(shù)應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，材料應(yīng)用于不同的路面層位相應(yīng)的技術(shù)要求也不同。這就有效地將材料的性能與路面功能要求結(jié)合了起來(lái)；與我國(guó)的瀝青路面配合比試驗(yàn)和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相脫節(jié)的現(xiàn)象形成了非常鮮明的對(duì)比。

2 三種設(shè)計(jì)方法級(jí)配及瀝青用量確定方法比較

2.1 馬歇爾設(shè)計(jì)方法

在級(jí)配設(shè)計(jì)方面，首先確定擬采用的混合料類(lèi)型，依據(jù)規(guī)范中級(jí)配范圍，選擇粗、中、細(xì)三組級(jí)配，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)擬定3～5組油石比，分別制作試件并計(jì)算出各種體積指標(biāo)，包括空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等，最后根據(jù)選出一組接近或滿足設(shè)計(jì)要求的級(jí)配。

在最佳瀝青用量確定方面，先確定瀝青用量范圍，再在此范圍內(nèi)選擇五種瀝青用量，制作五組試件并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，繪制油石比與毛體積密度、穩(wěn)定度、流值、空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率之間的關(guān)系曲線，從六組曲線上找到相應(yīng)的最大密度、最大穩(wěn)定度、目標(biāo)空隙率（或中值）、瀝青飽和度所對(duì)應(yīng)的四個(gè)油石比，求出四者的平均值作為最佳油石比初始值OAC1，如果對(duì)選擇的瀝青用量范圍未能涵蓋瀝青飽和度的要求范圍，取前三者的平均油石比。對(duì)所選試驗(yàn)的瀝青用量范圍，密度或穩(wěn)定度沒(méi)有出現(xiàn)峰值（最大值經(jīng)常出現(xiàn)在曲線的兩端）時(shí)，可直接以目標(biāo)空隙率所對(duì)應(yīng)的油石比作為OAC1；作圖求出能滿足瀝青混凝土各項(xiàng)指標(biāo)要求的油石比范圍（OACmax，OACmin）,該范圍的中值為OAC2，如果最佳油石比的初始值OAC1在OACmax與OACmin之間，則認(rèn)為設(shè)計(jì)結(jié)果是可行的，可取OAC1與OAC2的中值作為目標(biāo)配合比的最佳油石比OAC并結(jié)合當(dāng)?shù)毓返燃?jí)、氣候特點(diǎn)、交通狀況，確定最終最佳油石比。

2.2 Superpave設(shè)計(jì)方法

Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)中首先根據(jù)交通量的大小選擇混合料的壓實(shí)次數(shù)，其次根據(jù)控制點(diǎn)和禁區(qū)來(lái)初選粗、中、細(xì)三種級(jí)配，依據(jù)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)選擇級(jí)配，然后以4.0%作為混合料的設(shè)計(jì)空隙率確定瀝青用量。根據(jù)不同交通量來(lái)確定混合料設(shè)計(jì)時(shí)的室內(nèi)壓實(shí)功及相應(yīng)的瀝青混合料體積性質(zhì)，體積指標(biāo)有礦料間隙率、瀝青飽和度、粉膠比、初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)、壓實(shí)度等。

根據(jù)各個(gè)級(jí)配的估算瀝青用量結(jié)果及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定瀝青用量。采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀設(shè)定的單位壓力為0.6 MPa；壓實(shí)次數(shù)N最初=8次，N設(shè)計(jì)=100次，N最大=160次。根據(jù)Superpave設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選取滿足混合料體積指標(biāo)的級(jí)配作為選擇級(jí)配。

設(shè)計(jì)級(jí)配確定后，根據(jù)預(yù)估的瀝青用量和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇從小到大四個(gè)瀝青用量，成型旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件，根據(jù)四個(gè)瀝青用量的體積性質(zhì)，通過(guò)圖表插值法得到空隙率4.0%時(shí)對(duì)應(yīng)的瀝青用量作為設(shè)計(jì)瀝青用量，驗(yàn)證設(shè)計(jì)瀝青用量在壓實(shí)次數(shù)設(shè)定在N最大時(shí)對(duì)應(yīng)的體積性質(zhì)指標(biāo)，滿足Superpave標(biāo)準(zhǔn)即可。

2.3 高模量設(shè)計(jì)方法

高模量設(shè)計(jì)方法級(jí)配的選擇與馬歇爾和Superpave相比有很大區(qū)別。首先，篩分粒徑不同，主要孔徑有0.063、0.08、0.2、0.315、1、2、4、6.3、8、10、12.5、14、16、20、25、31.5、40、50、63、80 mm。其中 0.063、2、4、6.3 mm是關(guān)鍵篩孔。標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定集料顆粒分布曲線。然而對(duì)于關(guān)鍵篩孔規(guī)定了目標(biāo)組成的總范圍（級(jí)配范圍），其他篩孔無(wú)明確要求，關(guān)鍵篩孔根據(jù)不同的混合料有不同范圍和目標(biāo)值，在選擇級(jí)配時(shí)要使合成的級(jí)配曲線盡量的靠近關(guān)鍵篩孔的目標(biāo)值。由此可見(jiàn)，高模量設(shè)計(jì)方法在級(jí)配設(shè)計(jì)方面是一種控制關(guān)鍵篩孔的方法，因此對(duì)級(jí)配曲線的要求不高。

高模量設(shè)計(jì)方法中，沒(méi)有明確的確定最佳瀝青用量的方法，實(shí)際上法國(guó)高模量設(shè)計(jì)方法是一套追求最佳瀝青混凝土性能的設(shè)計(jì)方法。為保證裹附在集料表明的瀝青膜厚度，該方法僅對(duì)瀝青最小用量做出規(guī)定，瀝青最小用量通過(guò)豐度系數(shù)K來(lái)控制，豐度系數(shù)接近于瀝青膜厚度的概念，可以看作當(dāng)量瀝青膜厚度，不同混合料K值有一個(gè)最小值。通過(guò)式（1）與油石比有下列關(guān)系。

式中：TLext為油石比，%；ρG為集料的有效密度，g/cm3。

式中：G為粒徑＞6.3 mm的集料比例，%；S為粒徑在0.315～6.3mm間的集料比例，%；s為粒徑在0.08～0.315 mm間的集料比例，%；f為粒徑＜0.08 mm的集料比例，%。

式中：G為粒徑＞6.3 mm的集料比例，%；S為粒徑在 0.25～6.3 mm間的集料比例，%；s為粒徑在0.063～0.25 mm間的集料比例，%；f為粒徑＜0.063 mm的集料比例，%。

由上式可見(jiàn)，混合料的油石比與礦料級(jí)配和有效密度有關(guān)，確定了級(jí)配，即可根據(jù)規(guī)范中規(guī)定的最小K值確定相應(yīng)的最小瀝青用量。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，根據(jù)不同混合料的類(lèi)型，壓實(shí)次數(shù)和空隙率要求不同。高模量設(shè)計(jì)方法中沒(méi)有規(guī)定最佳油石比，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，高模量的油石比范圍一般在5.5～6.5之間，因此可以按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，確定兩組以上K值，以確定出性能最好的混合料，從而得到最佳油石比。

3 三種設(shè)計(jì)方法性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)比較

3.1 馬歇爾設(shè)計(jì)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)的級(jí)配和油石比，需要進(jìn)行性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，包括水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。水穩(wěn)定性通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)測(cè)試，高溫穩(wěn)定性通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試，低溫抗裂性由小梁彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 Superpave設(shè)計(jì)方法

Superpave設(shè)計(jì)方法的試驗(yàn)驗(yàn)證包括水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性，水穩(wěn)定性采用AASHTO T283試驗(yàn)，高溫穩(wěn)定性與馬歇爾試驗(yàn)相同，采用車(chē)轍試驗(yàn)[4]。

3.3 高模量設(shè)計(jì)方法

評(píng)價(jià)自成體系，評(píng)價(jià)方法與試驗(yàn)設(shè)備與馬歇爾法和Superpave法均有不同之初。高模量設(shè)計(jì)方法性能試驗(yàn)要比馬歇爾和Superpave復(fù)雜的多，要求達(dá)到四個(gè)等級(jí)水平，第一級(jí)水平是旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和水損害，第二級(jí)水平是高溫性能，第三級(jí)水平是模量，第四級(jí)水平是疲勞：只有滿足上一級(jí)設(shè)計(jì)要求后才能進(jìn)行下一級(jí)試驗(yàn)[5]。

3.4 小結(jié)

三種方法的試驗(yàn)評(píng)價(jià)比較見(jiàn)表4。

表4 三種設(shè)計(jì)方法性能試驗(yàn)比較

高模量設(shè)計(jì)方法性能評(píng)價(jià)體系與馬歇爾設(shè)計(jì)法一個(gè)顯著的不同是沒(méi)有對(duì)瀝青混凝土的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，這與法國(guó)的地理位置有關(guān)，法國(guó)西部屬海洋性溫帶闊葉林氣候，南部屬亞熱帶地中海氣候（夏季溫暖干燥，冬季溫和多雨），中部和東部屬大陸性氣候。月平均氣溫：1月西部及南部4～7℃，東部及北部1～3℃；7月北部及西部16～18℃，南部及東部21～24℃。溫暖濕潤(rùn)的氣候?qū)r青混凝土低溫性能要求不高，因此法國(guó)設(shè)計(jì)方法中沒(méi)有對(duì)低溫性能的評(píng)價(jià)。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)馬歇爾設(shè)計(jì)方法和Superpave設(shè)計(jì)方法性能驗(yàn)證試驗(yàn)較為相似，都是以水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性為主，由于試件成型方式不同，馬歇爾設(shè)計(jì)方法水穩(wěn)定性采用的馬歇爾試件進(jìn)行浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)，Superpave采用的是旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型進(jìn)行AASHTOT283試驗(yàn)。馬歇爾試驗(yàn)還有低溫性能驗(yàn)證，這個(gè)試驗(yàn)Superpave和高模量設(shè)計(jì)方法都沒(méi)有。高模量設(shè)計(jì)方法性能試驗(yàn)較為復(fù)雜，首先驗(yàn)證水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)與馬歇爾和Superpave也不相同；之后還要進(jìn)行模量和疲勞的驗(yàn)證，整個(gè)配合比設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)周期要45～60 d。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)目前應(yīng)用較為廣泛的馬歇爾和Superpave以及法國(guó)的高模量設(shè)計(jì)方法進(jìn)行全面比較，從級(jí)配選擇到瀝青用量確定，最后到性能驗(yàn)證試驗(yàn)，比較了各自的差異性。馬歇爾是最早的設(shè)計(jì)方法，由于試驗(yàn)設(shè)備價(jià)格適中且便于攜帶應(yīng)用范圍最為廣泛，但是因?yàn)闊o(wú)法模擬現(xiàn)場(chǎng)路面實(shí)際情況，導(dǎo)致路面病害過(guò)早出現(xiàn)。因此后來(lái)美國(guó)研究出了Superpave設(shè)計(jì)方法，推廣很快，由于其優(yōu)良的路面性能，解決了早期路面病害。法國(guó)高模量設(shè)計(jì)方法近年來(lái)得到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的重視，原因在于其獨(dú)創(chuàng)性和先進(jìn)性，其基于控制關(guān)鍵篩孔的級(jí)配設(shè)計(jì)理念、利用豐度系數(shù)（最小瀝青膜厚度的思想）求最小油石比的方法和基于性能的混合料設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系是一套完整先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)混合料設(shè)計(jì)方法是一種推進(jìn)和完善。