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

李文橋

江蘇省寧連高速公路北段管理處

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

李文橋

江蘇省寧連高速公路北段管理處

馬歇爾和Superpave混合料設(shè)計(jì)法是目前常用的兩種配合比設(shè)計(jì)方法，但法國(guó)并沒(méi)有采用，而是針對(duì)高模量的材料特性，專門制定了高模量瀝青混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法。本文針對(duì)馬歇爾、Superpave和法國(guó)高模量設(shè)計(jì)方法的差異性進(jìn)行了比較。

馬歇爾Superpave高模量混合料設(shè)計(jì)方法

1 引言

目前，我國(guó)道路交通正向著重交通方向發(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轍與水損害。大多瀝青路面在中早期就出現(xiàn)了大量坑槽、裂縫、擁包、車轍等病害，對(duì)行車安全和舒適性影響較大。如何提出更科學(xué)可靠的混合料設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)高性能的路面材料、選擇更合理的路面結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。國(guó)際上常用的瀝青混凝土設(shè)計(jì)方法是馬歇爾法和Superpave法，近幾年，法國(guó)高模量瀝青混合料受到了國(guó)內(nèi)外關(guān)注，其設(shè)計(jì)理念與性能評(píng)價(jià)體系完全獨(dú)立于以上兩種傳統(tǒng)方法。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 馬歇爾法

馬歇爾法是當(dāng)前技術(shù)最為成熟應(yīng)用最為普遍的混合料設(shè)計(jì)方法，其選擇瀝青時(shí)采用針入度級(jí)規(guī)范，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。其優(yōu)點(diǎn)是①根據(jù)體積特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了瀝青混合料的耐久性；②所需試驗(yàn)設(shè)備價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單且便于攜帶。缺點(diǎn)主要是未能體現(xiàn)瀝青路面的技術(shù)性能及混合料的力學(xué)性能。

2.2 Superpave設(shè)計(jì)法

Superpave設(shè)計(jì)法是美國(guó)SHRP的主要研究成果，其材料性能的提高主要是通過(guò)控制低溫開裂、車轍和疲勞裂縫來(lái)實(shí)現(xiàn)。本方法提出了“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)級(jí)，I級(jí)是混合料體積設(shè)計(jì)法，II級(jí)是中等路面性能水平的混合料設(shè)計(jì)，III級(jí)是高等路面性能水平的混合料設(shè)計(jì)。目前I級(jí)由于概念清晰，方法實(shí)用而被普遍接受，而II、III級(jí)較為復(fù)雜尚未到實(shí)用階段。不足之處是①按體積設(shè)計(jì)與按重量檢驗(yàn)相互矛盾；②設(shè)計(jì)結(jié)果受密度的測(cè)定精度影響比較大；③僅憑經(jīng)驗(yàn)確定礦料的級(jí)配；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)。

2.3 高模量設(shè)計(jì)法

法國(guó)高模量設(shè)計(jì)法是一套基于性能的設(shè)計(jì)規(guī)范體系，其關(guān)鍵是處理好模量、疲勞和高溫穩(wěn)定性間的關(guān)系，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)。當(dāng)今法國(guó)形成的四水平設(shè)計(jì)法是以熱穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗疲勞和復(fù)數(shù)模量四種性能實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，將由試驗(yàn)得到的疲勞和模量數(shù)據(jù)作為計(jì)算參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同路面層所用材料的技術(shù)要求也不同，這就有效地將材料性能與路面功能要求緊密結(jié)合起來(lái)了，避免了路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與配合比試驗(yàn)脫節(jié)現(xiàn)象。

3 級(jí)配及瀝青用量的確定方法比較

3.1 馬歇爾設(shè)計(jì)法

在級(jí)配設(shè)計(jì)方面，馬歇爾法首先確定擬采用的混合料類型，然后依照規(guī)范選出粗、中、細(xì)三組級(jí)配，根據(jù)已往經(jīng)驗(yàn)選出三至五組油石比制作馬歇爾試件，分別計(jì)算每組試件的所有體積指標(biāo)，根據(jù)所得指標(biāo)選定一組滿足要求的級(jí)配。

在最佳瀝青用量確定方面，先確定瀝青用量范圍，在此范圍內(nèi)制作五組試件分別進(jìn)行馬歇爾實(shí)驗(yàn)，依據(jù)所得實(shí)的驗(yàn)結(jié)果，作出油石比與空隙率、毛體積密度、流值、瀝青飽和度、礦料孔隙率及穩(wěn)定度六者的關(guān)系曲線，據(jù)此找出與目標(biāo)空隙率、最大密度、瀝青飽和度、最大穩(wěn)定度相對(duì)應(yīng)的四組油石比，其平均值即為最佳油石比的初始值OAC初，如果所選用瀝青用量的范圍未能涵蓋要求的瀝青飽和度的范圍，則取最大穩(wěn)定度、最大密度、目標(biāo)空隙率所對(duì)應(yīng)油石比的平均值作為最佳油石比的初始值，如果所做曲線上沒(méi)有出現(xiàn)穩(wěn)定度或密度的最大值時(shí)，則直接以目標(biāo)空隙率相對(duì)應(yīng)的油石比數(shù)值作為最佳油石比的初始值；根據(jù)瀝青混凝土的各類數(shù)據(jù)指標(biāo)作圖求得最大的油石比OACmax和最小的油石比OACmin，其中值設(shè)為OAC中，當(dāng)最佳油石比的初始值在最大值和最小值之間時(shí)，說(shuō)明設(shè)計(jì)可行，則OAC初與OAC中的中值即為所求目標(biāo)配合比的最佳油石比，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、交通量狀況、公路設(shè)計(jì)等級(jí)等因素最終確定設(shè)計(jì)最佳油石比。

3.2 Superpave設(shè)計(jì)法

首先根據(jù)交通量的大小選擇混合料的壓實(shí)遍數(shù)，然后通過(guò)壓實(shí)試驗(yàn)所得結(jié)果選取混合料級(jí)配，瀝青用量一般由混合料的設(shè)計(jì)空隙率來(lái)確定，依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，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)配作為設(shè)計(jì)級(jí)配，憑經(jīng)驗(yàn)從低到高預(yù)估四組瀝青用量數(shù)值，制做壓實(shí)試件，采用插值法求得設(shè)計(jì)空隙率對(duì)應(yīng)的瀝青量值作為瀝青用量的設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)瀝青用量在最大壓實(shí)次數(shù)時(shí)對(duì)應(yīng)的體積指標(biāo)滿足Superpave相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)即可。

3.3 高模量設(shè)計(jì)法

在級(jí)配的選擇方面，高模量設(shè)計(jì)方法不同于以上兩種方法，①篩分粒徑不同，其孔徑主要有0.063mm、0.08mm、0.25mm、0.315mm、1mm、2mm、4mm、6.3mm、8mm、10mm、12.5mm、14mm、16mm、20mm、25mm、31.5mm、40mm、50mm、63mm、80mm，其中0.063mm、2mm、4mm、6.3mm是關(guān)鍵篩孔；②法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定集料顆粒的分布曲線，僅對(duì)關(guān)鍵篩規(guī)定了目標(biāo)組成總的級(jí)配范圍，高模量設(shè)計(jì)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)配曲線要求不高。高模量設(shè)計(jì)中沒(méi)有明確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)法是一套追求最佳瀝青混凝土性能的設(shè)計(jì)方法。

4 性能試驗(yàn)的評(píng)價(jià)比較

4.1 馬歇爾設(shè)計(jì)法

馬歇爾設(shè)計(jì)法的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)包括水穩(wěn)定性、低溫抗裂性和高溫穩(wěn)定性。其中水穩(wěn)定性的測(cè)試方法采用凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，低溫抗裂性能采用小梁彎曲試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，高溫穩(wěn)定性由車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)檢驗(yàn)。

4.2 Superpave設(shè)計(jì)法

通常利用高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性來(lái)測(cè)試Superpave設(shè)計(jì)法的性能，水穩(wěn)定性測(cè)試通常用AASHTO T283試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，高溫穩(wěn)定性的測(cè)試方法同馬歇爾試驗(yàn)，均通過(guò)車轍試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

4.3 高模量設(shè)計(jì)法

與以上兩種設(shè)計(jì)方法相比，高模量設(shè)計(jì)法的性能試驗(yàn)是最復(fù)雜的，其試驗(yàn)要求必須依次達(dá)到四個(gè)等級(jí)，一是旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和水損害性能試驗(yàn)，二是高溫時(shí)的性能試驗(yàn)，三是相應(yīng)模量性能試驗(yàn)，四是疲勞性能試驗(yàn)，如果上一級(jí)試驗(yàn)結(jié)果不能滿足相關(guān)要求，則不得進(jìn)行下一級(jí)試驗(yàn)。其性能評(píng)價(jià)體系與我國(guó)馬歇爾設(shè)計(jì)法顯著不同是沒(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)溫暖濕潤(rùn)的氣候有關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

本篇文章從瀝青混合料級(jí)配的選擇、瀝青用量的確定、性能試驗(yàn)的驗(yàn)證三方面，分別對(duì)馬歇爾、Superpave和高模量設(shè)計(jì)的差異性進(jìn)行了比較。馬歇爾設(shè)計(jì)法應(yīng)用較早，因其試驗(yàn)所用設(shè)備價(jià)格不高且攜帶方便應(yīng)用最廣，但因其不能模擬路面實(shí)況，致使路面較早的出現(xiàn)病害。因此，美國(guó)研究出了Superpave設(shè)計(jì)法，其優(yōu)良的路面性能，抑制了早期路面病害的產(chǎn)生。而法國(guó)的高模量設(shè)計(jì)因其獨(dú)創(chuàng)性和先進(jìn)性得到了國(guó)內(nèi)外專家的重視，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)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)是一種推進(jìn)和完善。

[1]鄭健龍.重交通條件下高模量瀝青混凝土路面材料設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究[R].長(zhǎng)沙理工大學(xué),2008.

[2]Laboratoire Central des Ponts et Chaussées.LPC Bitumi?nous Mixtures Design Guide[M],2007(11).

[3]高性能瀝青路面（Superpave）基礎(chǔ)參考手冊(cè)[M],北京:人民交通出版社,2005(5).

[4]孫忠寧,柴福斌等.法國(guó)熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法[J],中外公路,2009(3):357～361

10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.12.044