不同設計方法下瀝青混合料配合比試驗研究

摘要：為了對比分析不同設計方法下瀝青混合料配比的差異，文章分別采用馬歇爾法、Superpave（高性能瀝青路面）法和GTM法（旋轉壓實剪切實驗法）設計了AC-13、AC-20和AC-25 3種瀝青混合料，并進行了室內試驗研究。試驗結果顯示，這3種設計方法制備的瀝青混合料存在一定的差異。采用馬歇爾法設計的瀝青混合料的但整體性能相對較差；采用GTM法設計的瀝青混合料的空隙率較低，在水穩定性和高溫性能方面具有一定的優勢；采用Superpave法設計的瀝青混合料具有較高的疲勞壽命。綜合來看，采用Superpave法和GTM法設計的瀝青混合料的性能表現均優于馬歇爾法，因此建議在工程實踐中優先考慮采用這兩種方法進行瀝青混合料的配合比設計。

關鍵詞：瀝青路面；瀝青混合料；設計方法；配合比設計；性能研究

中圖分類號：U414.75 " " " 文獻標識碼：A " " "文章編號：1674-0688（2024）10-0095-05

0 引言

近30年來，隨著道路交通的快速發展，瀝青路面里程顯著增長，有力推動了我國經濟社會的發展。然而，交通量的激增及車輛軸重的不斷提升，特別是超載現象頻發，給瀝青路面帶來了極大挑戰。為了滿足對當前道路交通運輸荷載的需求，迫切需要提升瀝青路面性能。提升瀝青路面性能可以從材料性能、施工方法、施工質量等多個方面入手，但最經濟且可靠的方式是優化瀝青混合料設計方法，通過前期的優化設計，可有效降低瀝青路面早期損壞的風險。馬歇爾法是我國瀝青混合料的標準設計方法，在工程驗收中常常被用作檢驗指標。為了提高瀝青路面的耐久性，部分路面工程開始采用旋轉壓實剪切實驗法（GTM法）和高性能瀝青路面設計方法（Superpave法）進行瀝青混合料的目標配合比和生產配合比設計，并深入探究了這兩種方法下瀝青混合料的性能表現。紀偉等[1]通過對比試驗，詳細分析了采用Superpave法和馬歇爾法設計的瀝青混合料在體積參數、高溫性能、低溫性能等方面的差異；徐慶峰等[2]采用Superpave法和馬歇爾法設計并制備了瀝青混合料試件，并通過車轍試驗、低溫彎曲試驗以及浸水馬歇爾試驗等手段，對比分析了兩種方法下試件的高溫性能、溫性能和水穩定性；仝剛[3]通過實例探討了GTM法與Superpave法在瀝青砼配合比設計中的應用，并分析了這兩種方法的相同與差異之處。然而，以往的研究者多關注3種設計方法下瀝青混合料的體積參數，較少關注其性能差異。馬歇爾法的核心是通過標準馬歇爾試件的體積參數確定最佳級配與油石比，但其缺點是試件成型方式與實際的現場壓實工藝不匹配。Superpave法作為國外廣泛使用的設計方法，同樣基于體積設計，但在設計理念的深度上相較于馬歇爾法有較大提升［4］，并且采用的旋轉壓實方法更貼近實際碾壓工藝。GTM法更加關注現場施工中的問題，主要通過檢測瀝青混合料的抗剪強度和塑性變形確定最佳級配和油石比，其設計思路與Superpave法存在較大差異［5］。由于采用Superpave法和GTM法所需的設備成本昂貴，導致它們在我國尚未得到普及應用。目前，針對馬歇爾法、GTM法、Superpave法的對比研究相對較少。基于此，本研究采用馬歇爾法、GTM法和Superpave法，分別對AC-13、AC-20和AC-25 3種瀝青混合料進行設計，并對不同方法下瀝青混合料的性能進行試驗和分析，旨在為我國瀝青混合料配合比設計方法提供基礎數據和參考。

1 試驗材料

本研究選用了3種瀝青混合料級配，分別為AC-13、AC-20、AC-25。其中，AC-13采用的是SBS改性瀝青作為膠結料，粗集料采用玄武巖，細集料和礦粉則采用石灰巖。AC-20和AC-25均使用70#A級瀝青作為膠結料，粗細集料及礦粉基材同樣為石灰巖。所選用的原材料均符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的相關性能指標要求。瀝青檢測指標見表1，玄武巖粗集料、石灰巖粗集料、石灰巖細集料、石灰巖礦粉的檢測結果見表1至表5。

2 試驗設計

2.1 級配設計

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）對瀝青混合料集料級配范圍的要求，本研究為AC-13、AC-20、AC-25礦料合成級配設計分別見圖1、圖2、圖3。Superpave法的設計體系規定，礦物骨料級配需通過Superpave法的控制點和限制區確定，并要求選取3種不同的級配進行優化。然而，為保持研究結果的可比性，本文采用Superpave法進行級配設計時，采用了與馬歇爾法和GTM法完全相同的礦物骨料級配，并且該級配同樣滿足Superpave法的控制點和限制區要求。

2.2 最佳瀝青含量確定

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）、《 旋轉壓實剪切實驗法（GTM）瀝青混合料設計與施工技術規范》（DB13/T 978-2008）和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中規定的試驗程序，確定了AC-13、AC-20、AC-25 3種瀝青混合料的最佳瀝青含量。使用不同設計方法在最佳瀝青含量下瀝青混合料的油石比和體積參數見表6。

表6中的數據顯示，馬歇爾法、GTM法、Superpave法在最佳瀝青含量和體積等參數方面存在差異。具體而言，采用GTM法設計的瀝青混合料具有最大的毛體積密度和瀝青飽和度（VFA），Superpave法的這兩項指標值居中，而馬歇爾法的這兩項指標值最小。對于油石比、空隙率和礦料間隙率（VMA），3種方法的結果排序為GTM法＜Superpave法＜馬歇爾法。這些體積參數的顯著差異有可能會對瀝青混合料的路面性能產生一定的影響。

3 試驗驗證

3.1 車轍試驗

高溫性能通過室內車轍試驗進行評價，該試驗遵循《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）的規定進行，不同設計方法下瀝青混合料的動穩定度結果見圖4。馬歇爾法采用重錘壓實成型試件，其壓實功相對較小，與現場實際路面的壓實工藝存在差異，因此導致瀝青混合料空隙率偏高，雖然其體積參數符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中的要求，但是在車輪荷載的作用下，骨料排列發生變化，引發錯位和變形，因此馬歇爾法設計的瀝青混合料動穩定度值相對較低。此外，較高的油石比也是影響馬歇爾設計的瀝青混合料高溫穩定性的主要原因之一。相比之下，GTM法通過提高毛體積密度和降低瀝青含量，有效減少了瀝青與集料之間的潤滑作用以及車輪壓實引起的混合料變形，從而表現出更優的高溫性能。Superpave法作為一種體積設計方法，它能嚴格地將孔隙率控制在4.0%的水平，并采用旋轉壓實方法模擬路面碾壓的實際情況，因此其所設計的瀝青混合料同樣表現出良好的高溫穩定性。

3.2 水穩定性試驗

水穩定性能采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗進行評價，試驗過程嚴格遵循《公路工程瀝青及瀝青混合料標準方法》（JTG E20—2011）中的規定。瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度（MSR）和凍融劈裂強度比（TSR）的測試結果分別見圖5和圖6。圖5顯示，GTM法設計的瀝青混合料的MSR高于Superpave法，而馬歇爾法設計的瀝青混合料的MSR最低。圖6中的TSR結果與MSR結果相似，不同設計方法下的瀝青混合料TSR與MSR呈現出相同的變化規律。因此可以得出結論，采用GTM法設計的瀝青混合料的水穩定性能最佳，而采用馬歇爾法設計的水穩定性能最差。根據表6中的瀝青混合料體積指標可知，GTM法的毛體積密度和空隙率優于Superpave法和馬歇爾法。較大的毛體積密度和較小的空隙率能有效降低瀝青混合料的透水性，從而減少水對瀝青混合料內部結構的滲透和破壞，這使得GTM法設計的瀝青混合料具有更好的抗水損害性能。

3.3 疲勞性能試驗

疲勞性能通過三點彎曲疲勞性能試驗進行評價。在瀝青路面設計過程中，瀝青混合料的抗疲勞性能被視為一項關鍵指標，它能夠通過疲勞曲線估算瀝青路面的使用壽命。為探究不同設計方法對抗疲勞性能的影響，利用MTS-810液壓伺服萬能試驗機對瀝青混合料試件進行了三點彎曲疲勞性能試驗。試件均取自車轍試樣，其尺寸為40 mm×40 mm×250 mm（寬×高×長）。測試在15 ℃的環境溫度下，以10 Hz的頻率進行，并采用半正弦波負載，應力比分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。采用三點加載方式和應力水平控制模式進行試驗。

采用不同設計方法的瀝青混合料的疲勞性能試驗結果見圖7至圖9。圖7顯示，隨著應力比的增大，不同設計方法下的AC-13、AC-20、AC-25瀝青混合料的疲勞壽命均呈現下降趨勢，并且各方法之間的疲勞壽命差異較小，這一結論與前人的研究［6-7］結論一致。不同方法設計的瀝青混合料疲勞壽命的排序為馬歇爾法＜GTM法＜Superpave法。采用Superpave法和GTM法設計的瀝青混合料空隙率、油石比較低，空隙率和油石比是影響瀝青混合料強度和疲勞壽命的重要參數，它們均存在最優值。由于Superpave法的空隙率和油石比介于馬歇爾法和GTM法之間，因此表現出最優的疲勞性能。

3.4 3種設計方法的對比分析

試驗結果顯示，在原材料和試驗條件相同的情況下，不同設計方法得到的瀝青混合料在性能上存在差異。馬歇爾法因高瀝青含量和高空隙率，導致其設計的瀝青混合料的路用性能在3種設計方法中表現最差。采用GTM法設計的AC-13、AC-20、AC-25瀝青混合料的油石比最低，使得其高溫性能顯著優于其他兩種方法，然而，較低的油石比也對其疲勞壽命產生了不利影響。采用Superpave法設計的瀝青混合料的油石比介于馬歇爾法和GTM法，因此其高溫性能和水穩定性能也介于兩者，但疲勞性能表現最優。這一現象表明，油石比并非越高或越低就越好，而是存在一個最佳值。同時，采用Superpave法設計的瀝青混合料的路用性能同樣介于另外兩種方法。考慮到瀝青路面需承受荷載作用和環境因素的綜合影響，瀝青混合料的設計方法應綜合考慮各種性能要求。因此，Superpave法作為一種折中的方案，具有較好的應用前景。從成本角度看，GTM法油石比較低且路用性能優于馬歇爾法，因此在工程實踐中同樣具有一定的應用價值。

4 結論

本文對比分析了3種瀝青混合料設計方法的原則，并通過實驗深入探索了馬歇爾法、GTM法和Superpave法的應用效果。試驗得出以下結論。

（1）采用3種設計方法得到的瀝青混合料的體積參數和路用性能存在顯著差異。具體而言，采用馬歇爾法設計的瀝青混合料的油石比最高，Superpave法次之，GTM法最低。

（2）采用Superpave法和GTM法設計的瀝青混合料具有較好的技術性能，優于當前廣泛使用的馬歇爾方法。這兩種方法不僅符合實際施工工藝，而且還充分考慮了路面的真實受力狀態，因此在我國工程實踐中具有進一步推廣應用的價值。

5 參考文獻

［1］紀偉，魏建軍，郭曉冬.Superpave方法與馬歇爾方法對瀝青混合料性能影響對比試驗研究［J］.公路，2023，68（3）：353-357.

［2］徐慶峰，王夢浩.基于Superpave和馬歇爾法的最佳油石比對比分析［J］.山西交通科技，2018（2）：1-5.

［3］仝剛.GTM與Superpave瀝青砼配合比設計的比較［J］.交通標準化，2012（11）：70-73.

［4］樊永革，樊鴻.美國SHRP瀝青混合料設計及主要試驗方法簡介［J］.黑龍江交通科技，2003（10）：25-26.

［5］何兵，陳李峰. Superpave瀝青混合料設計體系介紹［J］.公路交通技術，2008（S1）：23-27.

［6］岳燁.不同級配下的高模量瀝青混合料試驗及應用研究［J］.工程技術研究，2022，7（9）：98-102.

［7］趙曉鵬，王雅蘭.中、下面層瀝青混合料疲勞性能研究［J］. 內蒙古公路與運輸，2020（6）：34-38.