瀝青混合料配合比各種設(shè)計(jì)方法比較

習(xí)磊

摘要：瀝青混合料配合比是在進(jìn)行路面設(shè)計(jì)時(shí)一項(xiàng)重要的指標(biāo)，直接關(guān)系到路面的路用性能和力學(xué)性能。本文通過對(duì)馬歇爾試驗(yàn)法、Superpave法、GTM法以及貝雷法等設(shè)計(jì)方法的原理、設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)方法、材料的選擇和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較，得出了各種試驗(yàn)方法的適用范圍，從而為路面設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；馬歇爾；Superpave

一、概述

目前，國(guó)內(nèi)外路面設(shè)計(jì)者對(duì)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法的研究很多，縱觀世界各國(guó)，現(xiàn)行用于瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的方法主要有：馬歇爾方法、維姆方法、Superpave方法、GTM方法以及貝雷法等，但其中又以馬歇爾法運(yùn)用得最為廣泛。我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）規(guī)定，瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)采用馬歇爾方法；同時(shí)規(guī)定，當(dāng)采用其他方法設(shè)計(jì)瀝青混合料配合比時(shí)，應(yīng)按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)及各項(xiàng)配合比檢驗(yàn)，并報(bào)告不同設(shè)計(jì)方法的試驗(yàn)結(jié)果。不同混合料設(shè)計(jì)方法都有各自的特點(diǎn)，

二、瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法

1 馬歇爾設(shè)計(jì)方法

馬歇爾法是由美國(guó)密西西比州公路局的Bruce Marshell提出，在第二次世界大戰(zhàn)期間開始使用，后來美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和完善。馬歇爾設(shè)計(jì)法的基本原理是體積設(shè)計(jì)法，即在分析研究瀝青混合料性能時(shí)，以瀝青結(jié)合料與集料成分的體積比例作為計(jì)算依據(jù)，最終要達(dá)到的主要指標(biāo)也是體積指標(biāo)。通過瀝青混合料組成材料的不同體積比例的組合，經(jīng)過瀝青混合料的拌和、試件的擊實(shí)成型，最后測(cè)定試件的體積參數(shù)，從而確定瀝青混合料各組成材料的比例。馬歇爾設(shè)計(jì)方法操作簡(jiǎn)單，因此仍然是目前用的最多的設(shè)計(jì)方法，可以適用各種場(chǎng)合。

2 Superpave方法

2.1材料選擇和礦料級(jí)配

新的礦料級(jí)配范圍是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出的，級(jí)配范圍設(shè)計(jì)料控制點(diǎn)和限制區(qū)。Superpave要求礦料級(jí)配應(yīng)該避開限制區(qū)，否則容易造成駝峰曲線或者VMA不足。礦料級(jí)配曲線允許在限制區(qū)的上方通過，但最好在限制區(qū)的下方通過。不過，現(xiàn)在對(duì)限制區(qū)是否合理有不同的看法，認(rèn)為設(shè)置限制區(qū)并沒有理論根據(jù)，實(shí)踐中避開了限制區(qū)的反而在重載車作用下出現(xiàn)了嚴(yán)重的滲水或車轍。所以，現(xiàn)在的趨勢(shì)是逐漸否定限制區(qū)。

2.2集料結(jié)構(gòu)選擇

選擇好集料后，可以根據(jù)級(jí)配的控制點(diǎn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定3種不同粒徑含量的試驗(yàn)集料，即細(xì)顆粒含量大于并接近規(guī)定的低限的I型、細(xì)顆料含量小于并接近于規(guī)定的高限的Ⅱ型、中間顆粒含量大的Ⅲ型。

三種試驗(yàn)集料的級(jí)配選定后，通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀SGC來確定各自的體積特性，SGC的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)根據(jù)交通水平確定，然后再利用有效密度確定瀝青結(jié)合料的有效含量。在試驗(yàn)集料中加入瀝青結(jié)合料制作不同有效瀝青含量的試驗(yàn)混合料。瀝青混合料的VMA的判斷標(biāo)準(zhǔn)由設(shè)計(jì)孔隙率4%確定，VFA的標(biāo)注與交通量有關(guān)。

2.3瀝青結(jié)合料含量設(shè)計(jì)

Superpave和馬歇爾設(shè)計(jì)方法的差別，主要是成型方法以及體積指標(biāo)的計(jì)算不一樣。Superpave采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)，而馬歇爾采用的擊實(shí)法，前者更能模擬實(shí)際路面壓實(shí)情況，但是后者的設(shè)備簡(jiǎn)單、廉價(jià)、方法簡(jiǎn)單、易于掌握。

在進(jìn)行體積分析時(shí)，Superpave考慮了集料表面的孔隙吸收瀝青的影響，從而產(chǎn)生了有效瀝青用量的概念。而我國(guó)以前的計(jì)算方法并沒有將這部分吸收瀝青從總瀝青用量中扣除，但在新的規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中，開始考慮這一部分的影響。

3 貝雷法設(shè)計(jì)方法與馬歇爾設(shè)計(jì)方法的比較

3.1貝雷法簡(jiǎn)介

貝雷設(shè)計(jì)法是由美國(guó)伊利諾伊州交通部的Robert D.Bailey先生發(fā)展，它不完全是一種瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法，它主要是一種礦產(chǎn)級(jí)配的設(shè)計(jì)方法。其主要思想是以形成的集料骨架作為混合料的承重主體，高的抗車轍性能，同時(shí)通過調(diào)整粗細(xì)集料的比例，獲得合適的[VMA]，以保證設(shè)計(jì)混合料具有較好的耐久性。貝雷法中提出了用于評(píng)價(jià)礦料性質(zhì)的一系列參數(shù)，這些參數(shù)直接和[VMA]、孔隙率和壓實(shí)性能相關(guān)，有助于更好地理解集料級(jí)配與混合料中空隙體積的關(guān)系，也為評(píng)價(jià)合成級(jí)配提供了一套工具。

3.2不同之處

由于貝雷法并不是一種完整的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，其主要用來檢驗(yàn)級(jí)配，還需借助其他方法才能進(jìn)行完整的配合比設(shè)計(jì)，因此，貝雷法和馬歇爾法的主要不同是，貝雷法可以檢驗(yàn)級(jí)配的骨架密實(shí)性，而馬歇爾法卻不能。

4 GTM方法

GTM（gyratory testing machine）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切試驗(yàn)機(jī)，是美國(guó)工程兵于20世紀(jì)60年代為解決空軍重型轟炸機(jī)機(jī)場(chǎng)跑道的設(shè)計(jì)而研究發(fā)明的。90年代后又將這一理論和方法應(yīng)用于現(xiàn)代高速公路車輛荷載劇增下的車轍、泛油、破壞形變等病害的防治與設(shè)計(jì)。美國(guó)ASTM規(guī)范已將該法作為瀝青混凝土的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容之一。GTM方法主要根據(jù)如下3個(gè)指標(biāo)來確定最佳瀝青用量：

（1）應(yīng)變比GSI

GSI是瀝青混合料穩(wěn)定性的度量，由最終旋轉(zhuǎn)角除以中間穩(wěn)定階段的旋轉(zhuǎn)角得到，即GSI=最終應(yīng)變/混合料穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變，GSI接近1.0時(shí)一般表明為穩(wěn)定的混合料，不穩(wěn)定的混合料旋轉(zhuǎn)角在壓實(shí)過程中增大，多數(shù)時(shí)候當(dāng)該值超過1.1時(shí)表明混合料不穩(wěn)定。

（2）抗剪安全系數(shù)GSF

GSF是指瀝青混合料被壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度與行車荷載作用下需要承受的剪應(yīng)力的比值。

GTM設(shè)計(jì)瀝青混合料時(shí)，可以通過控制旋轉(zhuǎn)次數(shù)、試件的高度使混合料壓實(shí)到平衡狀態(tài)需要達(dá)到的密度。當(dāng)混合料壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)，與實(shí)際路面在設(shè)計(jì)荷載作用下的最終密度相當(dāng)。平衡狀態(tài)是指GTM每轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)時(shí)，試件密度的變化不大于0.016g/cm3。

與現(xiàn)行規(guī)范材準(zhǔn)的馬歇爾雙面擊實(shí)75次，采用一般交通控制指標(biāo)確定的最佳油石比相比，GTM采用0.7MPa設(shè)計(jì)的最佳油石比要低0.4%～0.5%；GTM設(shè)計(jì)的瀝青混合料在不增加瀝青用量的基礎(chǔ)上，其密度大于馬歇爾法設(shè)計(jì)的密度；GTM設(shè)計(jì)的也隙率基本在2.0%～2.4%，與實(shí)際路面的最終孔隙率較接近， GTM法設(shè)計(jì)的瀝青混合料VFA要高于馬歇爾法設(shè)計(jì)的；GTM法設(shè)計(jì)的混合料穩(wěn)定度比馬歇爾法設(shè)計(jì)的大很多，而流值則稍低于馬歇爾方法。

由于GTM法考慮了抗剪強(qiáng)度，減小了瀝青混凝土的側(cè)向流動(dòng)，密實(shí)度較高，且瀝青用量比馬歇爾方法設(shè)計(jì)的低，因此具有較高的抗車轍能力，適用于對(duì)抗高溫變形要求較高的重載道路。

三、各種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

①不同的設(shè)計(jì)方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，它們的適用情況也不一樣，只有清楚了解其設(shè)計(jì)原理，才可能有助于我們?cè)谂浜媳仍O(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)不同要求，選擇不同的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出符合路用要求的瀝青混合料。

通過對(duì)幾種主要的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法比較，我們可以得出這樣的結(jié)論：馬歇爾設(shè)計(jì)方法雖然和路用性能關(guān)系不大，但是由于其設(shè)備簡(jiǎn)單、廉價(jià)、方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且其實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累較豐富，因而容易調(diào)整，自今仍然被廣泛使用。

②Superpave設(shè)計(jì)方法嘗試和路用性能建立關(guān)系，這是其最重要的特點(diǎn)，也值得我們學(xué)習(xí)，但是許多成果仍處于試驗(yàn)階段或者和實(shí)際路用性能有差異，仍然處于完善和改進(jìn)中。

③貝雷法不完全是瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，但是其粗細(xì)集料劃分，以及多級(jí)嵌擠思想值得我們學(xué)習(xí)，可以用來檢驗(yàn)瀝青瀝青混合料的級(jí)配，尤其是檢驗(yàn)礦料是否形成骨架結(jié)構(gòu)。

④GTM設(shè)計(jì)方法更適用于重載交通道路設(shè)計(jì)，采用GTM設(shè)計(jì)方法，可以使瀝青路面具有較強(qiáng)的抗車轍性能，但是其低溫性能值得擔(dān)憂。

⑤總的來說，各種設(shè)計(jì)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，我們?cè)谶M(jìn)行配合比研究時(shí)，應(yīng)該注意吸取各種方法優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，只有這樣，才可能設(shè)計(jì)出滿足要求的高質(zhì)量瀝青路面。

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