馬歇爾、Superpave、高模量瀝青混凝土設(shè)計方法對比研究

□文/周艷軍 王 崢 李正中

我國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轍與水損害[1]。瀝青路面在達到使用壽命前就出現(xiàn)了大量的車轍、壅包、裂縫、坑槽等病害，極大影響了行車的安全性和舒適性，這就對瀝青路面的結(jié)構(gòu)、材料及路用性能提出了更高要求，如何提出更加科學可靠的混合料設(shè)計方法、采用高性能的路面材料、選擇更加合理的路面結(jié)構(gòu)成為當前研究的熱點。

國內(nèi)外瀝青混凝土設(shè)計方法有很多，國際上較為常用的是馬歇爾法和Superpave設(shè)計方法。近幾年，法國高模量瀝青混合料因其高性能受到國內(nèi)學者的關(guān)注，其設(shè)計理念與性能評價體系則完全獨立于以上兩種傳統(tǒng)設(shè)計方法。該設(shè)計方法因其獨創(chuàng)性和先進性一直受到歐盟其他國家的借鑒，英美等國更是將高模量的概念應(yīng)用到長壽命路面設(shè)計之中[2]。

1 三種設(shè)計方法研究現(xiàn)狀比較

1.1 馬歇爾設(shè)計方法

目前，我國規(guī)范仍采用馬歇爾設(shè)計方法進行瀝青混合料設(shè)計。實際上，馬歇爾設(shè)計方法也是目前國內(nèi)外技術(shù)最成熟、應(yīng)用最普遍的設(shè)計方法，選擇瀝青時采用針入度級規(guī)范，設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗及氣候條件選用合適的瀝青；礦料級配一般采用中值法，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組成。

馬歇爾法的優(yōu)點：

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

2）所需試驗設(shè)備價格低廉、操作簡單且便于攜帶，因此得到世界上多數(shù)國家推廣應(yīng)用。

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

1）試件的成型方法與路面受輪胎搓揉碾壓的實際情況相差較大，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)定度和流值兩個經(jīng)驗性指標與實際路用性能間沒有明確的相關(guān)性；

3）通常不適用于開級配和大粒徑混合料。

1.2 Superpave設(shè)計方法

Superpave（Superior PerformingAsphalt Pavements）設(shè)計方法是美國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)計環(huán)境條件，通過控制車轍、低溫開裂和疲勞裂縫來提高材料性能。依據(jù)氣候條件和設(shè)計交通量，Superpave法將材料選擇和混合料設(shè)計合為一體。

Superpave提出了混合料三水平設(shè)計思想，將瀝青混合料設(shè)計方法分為三個等級，I級設(shè)計稱為混合料體積設(shè)計法，II級設(shè)計是中等路面性能水平的混合料設(shè)計，III級設(shè)計是最高路面性能水平的混合料設(shè)計。見表1和圖1。

表1 Superpave三個設(shè)計等級比較 次

圖1 I級設(shè)計方法

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

但是，Superpave法也存在一些不足之處：

1）按體積設(shè)計與按質(zhì)量檢驗之間存在矛盾；

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）的測定精度對設(shè)計結(jié)果有重要影響；

3）對礦料級配的確定完全依賴經(jīng)驗；

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

這些不足使歐洲對其并不感興趣；我國對該方法應(yīng)用效果評價不一，也有人認為前景不好[3]。

1.3 高模量設(shè)計方法

法國瀝青混合料配合比設(shè)計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）汽車荷載作用的破壞性。

法國高模量設(shè)計方法是一套基于性能的設(shè)計規(guī)范體系，見表2。

表2 法國瀝青混合料設(shè)計方法

法國高模量瀝青混合料設(shè)計經(jīng)驗表明，高模量瀝青混合料設(shè)計關(guān)鍵的問題是處理好模量、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)計方法中，將復數(shù)模量、百萬次荷載作用周期下的疲勞應(yīng)變作為主要設(shè)計指標。目前法國已形成了以水穩(wěn)性、熱穩(wěn)定性、復數(shù)模量和抗疲勞四種性能試驗為基礎(chǔ)的四水平設(shè)計法，見圖2。

圖2 高模量設(shè)計方法四水平設(shè)計

這種方法得到的模量和疲勞的試驗結(jié)果直接作為計算參數(shù)應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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；與我國的瀝青路面配合比試驗和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計相脫節(jié)的現(xiàn)象形成了非常鮮明的對比。

2 三種設(shè)計方法級配及瀝青用量確定方法比較

2.1 馬歇爾設(shè)計方法

在級配設(shè)計方面，首先確定擬采用的混合料類型，依據(jù)規(guī)范中級配范圍，選擇粗、中、細三組級配，根據(jù)工程經(jīng)驗擬定3～5組油石比，分別制作試件并計算出各種體積指標，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)計要求的級配。

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，制作五組試件并進行馬歇爾試驗。根據(jù)馬歇爾試驗結(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、目標空隙率（或中值）、瀝青飽和度所對應(yīng)的四個油石比，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。對所選試驗的瀝青用量范圍，密度或穩(wěn)定度沒有出現(xiàn)峰值（最大值經(jīng)常出現(xiàn)在曲線的兩端）時，可直接以目標空隙率所對應(yīng)的油石比作為OAC1；作圖求出能滿足瀝青混凝土各項指標要求的油石比范圍（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，則認為設(shè)計結(jié)果是可行的，可取OAC1與OAC2的中值作為目標配合比的最佳油石比OAC并結(jié)合當?shù)毓返燃?、氣候特點、交通狀況，確定最終最佳油石比。

2.2 Superpave設(shè)計方法

Superpave瀝青混合料設(shè)計中首先根據(jù)交通量的大小選擇混合料的壓實次數(shù)，其次根據(jù)控制點和禁區(qū)來初選粗、中、細三種級配，依據(jù)旋轉(zhuǎn)壓實試驗結(jié)果來選擇級配，然后以4.0%作為混合料的設(shè)計空隙率確定瀝青用量。根據(jù)不同交通量來確定混合料設(shè)計時的室內(nèi)壓實功及相應(yīng)的瀝青混合料體積性質(zhì)，體積指標有礦料間隙率、瀝青飽和度、粉膠比、初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)、壓實度等。

根據(jù)各個級配的估算瀝青用量結(jié)果及設(shè)計經(jīng)驗，確定瀝青用量。采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件，旋轉(zhuǎn)壓實儀設(shè)定的單位壓力為0.6 MPa；壓實次數(shù)N最初=8次，N設(shè)計=100次，N最大=160次。根據(jù)Superpave設(shè)計標準，選取滿足混合料體積指標的級配作為選擇級配。

設(shè)計級配確定后，根據(jù)預(yù)估的瀝青用量和設(shè)計經(jīng)驗，選擇從小到大四個瀝青用量，成型旋轉(zhuǎn)壓實試件，根據(jù)四個瀝青用量的體積性質(zhì)，通過圖表插值法得到空隙率4.0%時對應(yīng)的瀝青用量作為設(shè)計瀝青用量，驗證設(shè)計瀝青用量在壓實次數(shù)設(shè)定在N最大時對應(yīng)的體積性質(zhì)指標，滿足Superpave標準即可。

2.3 高模量設(shè)計方法

高模量設(shè)計方法級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。標準中沒有規(guī)定集料顆粒分布曲線。然而對于關(guān)鍵篩孔規(guī)定了目標組成的總范圍（級配范圍），其他篩孔無明確要求，關(guān)鍵篩孔根據(jù)不同的混合料有不同范圍和目標值，在選擇級配時要使合成的級配曲線盡量的靠近關(guān)鍵篩孔的目標值。由此可見，高模量設(shè)計方法在級配設(shè)計方面是一種控制關(guān)鍵篩孔的方法，因此對級配曲線的要求不高。

高模量設(shè)計方法中，沒有明確的確定最佳瀝青用量的方法，實際上法國高模量設(shè)計方法是一套追求最佳瀝青混凝土性能的設(shè)計方法。為保證裹附在集料表明的瀝青膜厚度，該方法僅對瀝青最小用量做出規(guī)定，瀝青最小用量通過豐度系數(shù)K來控制，豐度系數(shù)接近于瀝青膜厚度的概念，可以看作當量瀝青膜厚度，不同混合料K值有一個最小值。通過式（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，混合料的油石比與礦料級配和有效密度有關(guān)，確定了級配，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)壓實成型試件，根據(jù)不同混合料的類型，壓實次數(shù)和空隙率要求不同。高模量設(shè)計方法中沒有規(guī)定最佳油石比，但根據(jù)經(jīng)驗，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)一的標準，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)計方法性能試驗評價比較

3.1 馬歇爾設(shè)計方法

根據(jù)設(shè)計的級配和油石比，需要進行性能評價試驗，包括水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。水穩(wěn)定性通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗測試，高溫穩(wěn)定性通過車轍試驗的動穩(wěn)定度測試，低溫抗裂性由小梁彎曲試驗驗證。

3.2 Superpave設(shè)計方法

Superpave設(shè)計方法的試驗驗證包括水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性，水穩(wěn)定性采用AASHTO T283試驗，高溫穩(wěn)定性與馬歇爾試驗相同，采用車轍試驗[4]。

3.3 高模量設(shè)計方法

評價自成體系，評價方法與試驗設(shè)備與馬歇爾法和Superpave法均有不同之初。高模量設(shè)計方法性能試驗要比馬歇爾和Superpave復雜的多，要求達到四個等級水平，第一級水平是旋轉(zhuǎn)壓實和水損害，第二級水平是高溫性能，第三級水平是模量，第四級水平是疲勞：只有滿足上一級設(shè)計要求后才能進行下一級試驗[5]。

3.4 小結(jié)

三種方法的試驗評價比較見表4。

表4 三種設(shè)計方法性能試驗比較

高模量設(shè)計方法性能評價體系與馬歇爾設(shè)計法一個顯著的不同是沒有對瀝青混凝土的低溫性能進行評價，這與法國的地理位置有關(guān)，法國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℃。溫暖濕潤的氣候?qū)r青混凝土低溫性能要求不高，因此法國設(shè)計方法中沒有對低溫性能的評價。

通過比較發(fā)現(xiàn)馬歇爾設(shè)計方法和Superpave設(shè)計方法性能驗證試驗較為相似，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)計方法水穩(wěn)定性采用的馬歇爾試件進行浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗，Superpave采用的是旋轉(zhuǎn)壓實成型進行AASHTOT283試驗。馬歇爾試驗還有低溫性能驗證，這個試驗Superpave和高模量設(shè)計方法都沒有。高模量設(shè)計方法性能試驗較為復雜，首先驗證水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性，試驗與馬歇爾和Superpave也不相同；之后還要進行模量和疲勞的驗證，整個配合比設(shè)計的設(shè)計周期要45～60 d。

4 結(jié)語

本文對目前應(yīng)用較為廣泛的馬歇爾和Superpave以及法國的高模量設(shè)計方法進行全面比較，從級配選擇到瀝青用量確定，最后到性能驗證試驗，比較了各自的差異性。馬歇爾是最早的設(shè)計方法，由于試驗設(shè)備價格適中且便于攜帶應(yīng)用范圍最為廣泛，但是因為無法模擬現(xiàn)場路面實際情況，導致路面病害過早出現(xiàn)。因此后來美國研究出了Superpave設(shè)計方法，推廣很快，由于其優(yōu)良的路面性能，解決了早期路面病害。法國高模量設(shè)計方法近年來得到國內(nèi)外專家的重視，原因在于其獨創(chuàng)性和先進性，其基于控制關(guān)鍵篩孔的級配設(shè)計理念、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)計評價體系是一套完整先進的設(shè)計方法，對混合料設(shè)計方法是一種推進和完善。