基于Superpave和馬歇爾法的最佳油石比對比分析

徐慶峰，王夢浩

（1.山西省交通科學研究院，山西 太原 030006；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064）

0 引言

目前，在進行瀝青混合料配合比設計時，我國主要采用馬歇爾設計方法[1]，而美國則根據Superpave設計方法進行配合比設計[2]。對于兩種設計方法的異同，相關研究人員已開展了部分研究[3-6]，王昌衡等主要從瀝青混合料成型方法、體積計算方法和短期老化等方面，對比評價了Superpave和馬歇爾設計方法之間的區別[7]。宋效江根據我國現行瀝青路面施工技術規范的規定，將其他瀝青混合料設計方法設計的混合料采用馬歇爾方法進行驗證，對不同設計方法的體積指標進行了對比分析[8]。鄭鑫系統研究了Superpave和馬歇爾兩種設計方法關于膠結料含量預估、最大理論密度確定等方面的差異，優化完善了混合料設計方法[9]。但上述研究僅是針對最佳油石比和配合比設計過程中技術指標的分析評價，而未建立起最佳油石比和路用性能的直接對應關系。

因此，為進一步確定科學合理的最佳油石比，在級配確定前提下，分別采用馬歇爾設計方法和Superpave設計方法確定相應的油石比，對比分析不同油石比條件下瀝青混合料路用性能，包括高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性等，進一步探討瀝青混合料最佳油石比的確定方法，以期為完善我國瀝青混合料配合比設計體系提供一定參考。

1 試驗

1.1 原材料

瀝青混合料所用原材料主要包括瀝青、集料和礦粉。瀝青采用70號基質瀝青摻加一定比例40目膠粉制備而成，其技術指標測試結果分別見表1和表2。集料為河北贊皇產的玄武巖，礦粉為河北石家莊產的石灰巖，均滿足相關規范要求。同時，根據《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005），分別測定粗集料、細集料和礦粉的密度，見表3。

表1 70號基質瀝青技術指標

表2 40目膠粉技術指標

表3 不同粒徑集料和礦粉密度測試結果

1.2 混合料組成

1.2.1 級配

為測試并評價基于Superpave和馬歇爾設計方法，不同最佳油石比條件下瀝青混合料的路用性能，根據相關規范要求與現有級配理論研究成果[10]，確定試驗所用礦料級配采用GAC-13合成級配，見表4。

表4 GAC-13合成級配

1.2.2 膠粉最佳摻量確定

采用70號基質瀝青摻加40目膠粉制備改性瀝青，為保證所制備膠粉改性瀝青的基本性能最佳，采用不同摻量（10%、15%、20%）研究其對膠粉改性瀝青相關性能的影響，試驗結果見圖1～圖3。

圖1 不同膠粉摻量下針入度測試結果

圖2 不同膠粉摻量下軟化點測試結果

圖3 不同膠粉摻量下延度測試結果

分析圖1～圖3可知：

a）與70號基質瀝青相比，膠粉改性瀝青針入度降低了21.6%，延度提高了2.9倍，軟化點提高了55.9%，說明膠粉的摻入有助于改善瀝青的高溫和低溫性能。

b）隨膠粉摻量增加，改性瀝青針入度逐漸降低，軟化點逐漸升高，延度先升高后降低，考慮到膠粉改性瀝青主要用于路面下面層，重點考慮其低溫抗裂性能，而改性瀝青在摻加15%膠粉時延度最大，低溫性能最好，綜合考慮下40目膠粉最佳摻量確定為15%。

2 結果與討論

2.1 基于馬歇爾試驗的最佳油石比確定

根據相關規范要求與現有的級配理論研究成果[11]，膠粉改性瀝青混凝土的最佳油石比定為4.8%，在其兩側按±0.5%級差各取兩個油石比，作為試驗油石比范圍，按照馬歇爾標準擊實試驗方法成型馬歇爾試件，其密度、空隙率等體積指標及穩定度和流值測試結果見圖4，混合料馬歇爾試驗結果見圖5。

圖4 馬歇爾試驗技術指標測試結果

圖5 GAC-13型混合料馬歇爾試驗結果

分析圖5可知：

a）穩定度最大值對應瀝青用量a1=4.76%；毛體積密度最大值對應瀝青用量a2=5.38%；空隙率中值對應瀝青用量a3=4.55%；瀝青飽和度中值對應瀝青用量a4=4.75%；按最佳油石比初始值OAC1=，得OAC1=4.86%。

b）各項指標均符合瀝青混合料技術要求的油石比范圍為4.52%～4.90%，最佳油石比初始值OAC1在此范圍內，故

c）取OAC1與OAC2的平均值OAC作為瀝青混合料最佳瀝青用量，為4.79%。經檢驗，OAC相應各項指標均符合現行規范要求，故基于馬歇爾設計方法的GAC-13膠粉改性瀝青混合料最佳油石比確定為4.79%。

2.2 基于Superpave試驗的最佳油石比確定

Superpave體積設計方法以集料配制瀝青混合料，確定空隙率為4%，利用混合料的體積參數估算初始瀝青用量。主要步驟為：

a）測定集料的密度參數與礦料合成級配設計。

b）計算混合料的毛體積相對密度Gsb，礦質混合料的表觀密度Gsa.

c）計算礦質混合料的有效密度Gse：

d）計算單位質量混合料的體積V：

式中：Pb為單位質量的瀝青混合料中瀝青質量，Pb=0.05；Gb為瀝青密度，g/cm3；VV為壓實后混合料的孔隙率，VV=4%。

e）計算單位體積的瀝青混合料中被吸收的瀝青體積Vba：

f）計算單位瀝青混合料內的有效瀝青體積Vbe：

式中：Sn為集料的公稱最大粒徑，mm.

g）計算初始試驗瀝青用量Pbi.

根據初始瀝青用量計算公式和已測得數據，計算GAC-13初始瀝青用量Pbi，結果見表5。

表5 GAC-13初始瀝青用量計算

所得Superpave試驗初始瀝青用量為4.7%，換算油石比為4.9%，以油石比4.4%、4.9%、5.4%和5.9%分別旋轉壓實成型試件，每個油石比成型兩個試件，試件尺寸為150 mm×115 mm，不同試件高度差為±3 mm，成型試件結果示例見圖6。采用真空法測定不同油石比下瀝青混合料理論最大密度，其試樣如圖7所示，試驗結果見圖8。

圖6 旋轉壓實成型試件

圖7 瀝青混合料理論最大密度的試樣

圖8 不同油石比下Superpave體積參數試驗結果

根據Superpave設計方法，要求空隙率為4%定值[12]，以此確定最佳油石比，并檢驗在該油石比下的礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA。由圖8可知，空隙率4%對應的油石比為4.61，在該油石比下，VMA為14.2%，滿足AASHTO規定的大于等于13%的要求；VFA為71%，在AASHTO規定的范圍65%～75%內。因此，Superpave旋轉壓實確定的瀝青混合料最佳油石比為4.61%。

2.3 路用性能對比分析

分別按照馬歇爾設計方法確定的最佳油石比4.79%和按照Superpave設計方法確定的最佳油石比4.61%制作試驗試件，以評價GAC-13膠粉改性瀝青混合料路用性能。每種方法成型3組試件，采用車轍試驗測出各試件的動穩定度，取其平均值作為瀝青混合料高溫性能的評價指標；采用低溫彎曲試驗測出各試件的破壞應變，取其平均值作為瀝青混合料低溫性能的評價指標；采用浸水馬歇爾試驗測出各試件的殘留穩定度，作為瀝青混合料水穩定性的評價指標，試驗結果見表6。

分析表6可知，根據兩種不同設計方法確定的最佳油石比成型的試件：

表6 不同設計方法下瀝青混合料路用性能對比

a）其動穩定度均滿足規范要求。Superpave最佳油石比成型試件的動穩定度均值為5 218.7次/mm，較馬歇爾最佳油石比成型試件提高了11.5%，這是由于Superpave最佳油石比略小于馬歇爾最佳油石比，而相對較少的瀝青用量有助于提高瀝青混合料高溫穩定性，故采用Superpave最佳油石比的瀝青混合料動穩定度較大，表現出較好高溫穩定性。

b）其破壞應變均滿足規范要求。以Superpave最佳油石比成型的試件，其破壞應變均值為3 507 με，較馬歇爾最佳油石比成型試件分別提高了11.7%。破壞應變越大，表明瀝青混合料在低溫破壞時能夠承受的應變越大，瀝青混合料的低溫抗裂性能就越好。因此Superpave最佳油石比成型試件具有較好的低溫性能。

c）其殘留穩定度均滿足規范要求，且兩者差異較小。因此兩種方法成型的試件水穩定性相差不大。

3 結語

a）采用Superpave設計法和馬歇爾設計法確定瀝青混合料的最佳油石比分別為4.61%和4.79%。

b）綜合對比下，采用Superpave設計法較馬歇爾設計法成型的試件表現出較好的路用性能，其高溫性能與低溫性能均有所提高，且兩者水穩定性相差不大，表明Superpave設計方法確定的最佳油石比，更為科學合理。

c）本試驗僅研究了GAC-13級配下，Superpave和馬歇爾法兩種設計方法所確定油石比的合理性，未研究其他不同級配下兩種方法所確定油石比的優劣，今后該方面仍需進行深入研究。