沥青混合料设计方法评述

【摘要】本文针对沥青混合料配合比设计方法，选择马歇尔设计法、Superpave旋转压实设计法和GTM旋转压实设计法三种国际上主流的沥青混合料设计方法进行比较研究，对每种设计方法的优缺点，存在的问题及改进措施进行了分析。

【关键词】道路工程；沥青路面；沥青混合料；配合比设计；马歇尔 ；GTM

1. 引言

沥青混合料设计包括选择矿料种类、矿料级配、沥青类型等级、确定沥青用量和确定混合料密度以及达到期望的路用性能要求等，设计方法中最为重要的是试验方法、评价指标和标准。有代表性的混合料配比设计方法有马歇尔法、Superpave沥青混合料设计方法、GTM旋转压实设计法等，其中，又以马歇尔设计方法影响最为深远，应用最为广泛。

2. 马歇尔试验方法

（1）马歇尔方法是影响最为深远，应用最为广泛的沥青混合料设计方法，几乎已经成为了世界各国的通用设计方法。它的最初发明是借用土工试验中通过击实方法寻找最大密度、确定最佳含水量的思想来确定沥青混合料的合理沥青用量的，基本上属于一种体积设计方法。该方法对混合料的密度、空隙率、矿料间隙率等指标有明确的要求。可是，国内外的研究成果均表明，这些指标与实际路用性能指标有较大差距。首先，在试件成型方面，马歇尔方法锤击次数与路面成型时的压实功能和交通量大小都没有内在联系，马歇尔击锤的冲击力与车辆车轮接地压强存在巨大差异，马歇尔试模对沥青混合料的约束条件也与实际路面材料的受力条件不同，马歇尔的冲击压实方法不利于集料的定向重排，造成混合料的密度较低，用它控制施工常常导致路面的密度偏小，空隙率过高（对沥青路面的调查检验表明，大多数路面使用一段时期后，混合料的密度会大于原标准密度，即压实度超过100%）。沥青混合料密度低的直接后果是材料强度低、在行车荷载作用下会产生一定的变形，从而容易使路面产生车辙、剥落。其次，在进行马歇尔试验时，试件的受力方式、约束条件与路面结构材料实际受力特点相差较大（试验加载装置的钳口夹住了试件的大部分，但试件周围并没有全部被约束，圆柱体试件的两端也没有受限制，所以试验过程中试件内部的应力分布状态极为复杂。加载方向也并未沿着试件的压实方向，试验指标（马歇尔稳定度、流值）与路用性能指标之间一般无相关性，结果造成用马歇尔试验进行沥青混合料设计时，相对混合料的实际路用性能而言有很大的盲目性。另一方面，配合比设计中并没有进行矿料级配的优化，基本上按规范的级配中值进行配制。

（2）诺丁汉大学的学者对各种沥青混合料的力学性质用马歇尔试验与重复荷载三轴试验、三轴蠕变试验、单轴无侧限蠕变试验进行了研究比较。结果证实，在评估路面抗永久变形能力方面，马歇尔试验并不是个好的测定方法，它不能分辨出混合料抵抗变形性能的优劣（重复荷载三轴试验是模拟沥青路面状态的最有效的方法）。因此，用马歇尔试验方法设计出的沥青混合料即使满足了所有规定指标，仍不能保证混合料有较好的路用性能。故而，世界各国都对最初的传统马歇尔设计方法进行了不同程度的改进，最明显的趋势是增加了混合料的路用性能检验，如高温稳定度、低温抗裂性、水稳定性等项试验，可是，如果某项路用性能指标不满足要求，一般很难通过调整配比使之合格。我国的马歇尔设计方法的具体步骤详见《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004。

3. Superpave混合料设计方法

3.1美国SHRP计划中的沥青与沥青混合料项目历经多年研究提出了一套沥青混合料设计方法――Superpave混合料设计体系（至今仍在改进中），它是SHRP计划研究成果中最重要的组成部分，Superpave混合料设计包括3个水平的设计――水平I、II、III，它们是在沥青混合料设计过程中相互联系的有先后之分的3大部分，分别适用于不同的交通量水平。水平I设计基本为混合料的体积设计，是以沥青胶结料性能、集料特性和混合料体积特性（空隙率、矿料间隙率等）为基础，进行沥青等级和用量选择、确定矿料级配，并进行初步水损害检验的混合料设计方法。水平II、III是关于沥青混合料的力学性能和路用性能的混合料设计，水平II、III是在进行了水平I设计后才开始的，它们均以混合料体积设计结果为基础，进行混合料的力学性能和路用性能试验与预估。水平II、III均包括永久变形、疲劳、低温开裂等路用性能试验。本报告中不再对其具体步骤复述。

3.2总体而论，Superpave方法仍然是体积设计法，与其它方法的主要不同之处在于：考虑了交通量水平。以旋转压实方式成型试件，且压实功能不固定，因交通量水平、气温而变。以性能指标选取沥青胶结料。把空隙率作为试件乃至混合料设计的控制指标。对矿料级配提出了“控制点”和“”的概念。

3.3依据本课题的成果及天津市市政工程研究院在沥青混合料技术领域的成果和经验就以下方面作评述。

（1）Superpave对级配曲线“控制点”和“”的规定，并没有完善的理论依据和经验依据，落在级配设计范围内的级配并不一定就是路用性能最好的，也不能排除超出级配规定范围的级配就一定是路用性能不合格的。

（2）与GTM的成型方法相比，它在成型试件时，只进行了体积指标参数的计算，并未进行力学指标的测量与推算，Superpave成型方法的前提是试件的空隙率与路用性能密切相关，此前提是否完全正确现在下结论还为时尚早。Superpave方法认为成型试件至材料的使用末期时空隙率应该大于2%，从GTM的成型实践来看，很有可能混合料的空隙率在达到2%之前就已经发生了塑性破坏，当沥青用量较大时尤其如此。因此用Superpave方法设计的沥青混合料有较大可能发生早期车辙病害（美国西部环道[WESTRACK]实验场按Superpave方法设计的沥青混合料路面发生的早期车辙也证实了这种担心不是多余的）。另外从沥青混合料的强度机理分析可知，空隙率小于2%并不是混合料破坏的内因，而真正的原因是混合料综合强度过小（沥青胶浆的劲度小，θ和C（η，s）值过低）。从我院用GTM进行的沥青混合料设计实践来看，有为数不少的沥青混合料目标配比压实空隙率小于2%，仍具有优良的路用性能。

（3）Superpave方法中混合料性能试验的模型能否真实反映路用状况仍需研究和考察。

（4）虽对试件的设计空隙率（4%）和最小空隙率作了严格规定，但未考虑基础性试验参数的精度或可信度对空隙率的影响。

3.4另外，Superpave设计方法需要大量的基础数据库――完善的气象资料数据库和详细的沥青路面材料温度梯度场资料（用于选择沥青胶结料的PG等级，计算各种路用性能试验的有效温度，如Teff（PD）Teff（FC）等），以及较准确的交通量统计数据（用于确定沥青胶结料的PG等级、混合料设计水平和预测路面性能等）。如果缺少这些必要的设计资料，将很难全面推广应用SHRP的研究成果。

4. GTM设计方法

（1）GTM（Gyratory Testing Machine）旋转试验机是美国工程兵团（U.S. Army Corps of Engineers）在60年代首先以推理的方法发明的路面材料试验机，后来美国空军为解决重型轰炸机跑道容易破损的问题，又专门组织人员对GTM进行了研究开发，形成了如今的路面材料GTM设计方法。

（2）GTM是柔性路面在荷载作用下的机械模拟。该试验机采用类似于施工中压路机作用的搓揉方法压实沥青混合料，并且模拟了现场压实设备与随后交通的作用，具有改变垂直压力的灵活性。

（3）GTM把混合料成型压实实验机、力学剪切实验机和车辆模拟机合并成为了一台实验机，一旦试件成型完毕，根本不用进行另外的强度试验即可得到混合料的设计密度和沥青用量，所以GTM具有设计周期短、设计成本较低的特点。GTM采用了和应力有关的推理方法进行混合料的力学分析和设计，克服了马歇尔等经验方法的不足。GTM方法可较真实地模拟实际路面材料的受力状况以及预测材料到服务期限末的应力应变力学性质，从而避免了路面材料的早期破坏。GTM成型试件的原理与Superpave的旋转压实机（SGC）基本相同，可模拟路面碾压成型阶段，混合料所受到的碾压、揉搓作用，还可根据路面所承受的轮胎接地压强设定垂直压力，也可变化对试件的揉搓旋转角度。GTM除了能设计沥青混合料外，还可用于基层、土基的材料组成设计。

（4）GTM是通过搓揉、旋转来压实制作试件，工程技术人员已经证实通过这种方法制作的试件的应力――应变特性对于实际柔性路面结构具有很好的代表性。GTM一个重要的特性是能够直接反映出颗粒状塑性材料中可能出现的塑性过大的现象。这时材料会呈现过饱和状态，或许是因为过度压实，也或许是因为孔隙中填充了过多的介质――如土中的水或沥青混合料中的沥青。当沥青含量或含水量一定时，这种现象可以通过GTM滚轮压力的下降和旋转角度的增加显示出来，依据这一原理可以预测在设定的垂直应力下所设计的沥青混合料的最大允许沥青含量。同时GTM还可对路面的取样进行试验，以此来确定未来某时在已知轮胎与路面接触压力的交通量作用下，是否会造成由于混合料的不断密实而使塑性过大，是否会对路面造成破坏。

（5）GTM成型试验的目的还在于模拟路面行车荷载作用下沥青混合料的最终压实状态即平衡状态，并测试分析试样在被压实到平衡状态过程中剪切强度SG和最终塑性形变大小，以判断混合料组成是否合理。在混合料被压实到平衡状态过程中，若机器角上升，滚轮压力下降，说明混合料的抗剪强度在降低，变形在增加，呈现出了塑性状态，即表明沥青混合料的沥青用量已经过大。压实试件的最终塑性形变大小是用旋转稳定系数GSI（Gyratory Stability Index）来表示的。GSI是试验结束时的机器角与压实过程中的最小机器角的比值，是表征试件受剪应力作用的变形稳定程度参数。GSI接近于1.0时所对应的沥青用量为混合料的最大沥青用量。

（6）试验中需变化沥青用量分别进行GTM压实试验，然后绘制GSI与沥青用量的关系曲线，以确定混合料的最大沥青用量。另外GTM还可提供试件的最大密度――试件处于平衡状态时的密度，安全系数GSF――抗剪强度与最大剪应力之比值，静态剪切模量，抗压模量等。

5. GTM设计法的优缺点分析

GTM实验机最大限度地模拟汽车在公路上行驶时轮胎与路面的相互作用，通过旋转压实，使模拟中沥青混合料密度达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的密实度，在进行沥青混合料合比设计时GTM有以下几方面优越性：

（1）GTM试验应用科学推理的方法，采用应力应变原理进行设计，试验时在一定的压力下对试件揉搓旋转成型，使其对试件的作用和汽车轮胎与路面的作用力十分相似，并且在旋转成型过程中减少骨料的破碎。

（2）GTM拥有试模型号为10.5×15.2cm，15.2×25.4cm，20.3×30.5cm三种，在进行沥青混凝土配合比设计时，可根据沥青混凝土的类型选择试模，尤其对于粒径大于26.5cm的粗粒式沥青混凝土更显出其优越性。

（3）GTM与公路实际情况联系更紧密。利用GTM设计沥青混凝土时，充分考虑公路行车荷载的实际情况，根据每条公路的情况在设计沥青混凝土时选择不同的设计压强，因而设计的沥青混凝土更合理。

（4）GTM设计的沥青混凝土考虑了车辙产生的因素。从理论分析讲，产生车辙的因素主要有两个，一是由于沥青路面在行车荷载的反复碾压下进一步压密而产生的；二是因沥青混合料在高温时的强度不足以抵抗车轮荷载的反复作用，轮下部分沥青混凝土产生剪切变形逐渐被挤压到两侧，使两侧的沥青混凝土面层鼓起，形成侧向流变而产生车辙。而GTM在设计时充分考虑了这些问题。采用的垂直压强是该公路汽车轮胎对路面的实际压强，并且试件在该压强下被压实到平衡状态，因此不会产生第一种变形。同时，GTM设计的沥青混合料满足了行车荷载作用下需要的抗剪强度，因此也不会因抗剪强度不足而产生侧向推移。

（5）马歇尔法在设计沥青混合料时考虑孔隙率、饱和度等体积指标，GTM法在设计沥青混凝土时没有将这些体积指标作为确定用油量的指标，但是从GTM法确定用油量的指标中可以看出，旋转稳定系数GSI与体积指标有一定的关系。当沥青混合料过度压实或者填充较多的沥青时，旋转稳定系数值变大，开始出现塑性变形。GTM是依据力学分析原理进行材料配比设计，较之经验式的体积分析方法将更为准确合理。GTM实质上提供了一个不会产生车辙的柔性路面设计方法，而不是去规范车辙的允许深度。GTM摈弃了不能反映实际路用性能的各种强度指标（如马歇尔稳定度、维姆稳定度、无侧限抗压强度等），而用推理方法直接测量计算混合料试件在压实过程中的力学指标，而且设计方法合理科学，还使设计周期大大缩短。但是，GTM设计方法并未特别关注路面结构的耐久性、抗老化能力、施工和易性和抗疲劳开裂能力等，GTM方法对集料级配的设计筛选也没有提出专门的程序，而只是沿用了传统的级配规范与确定方法。这些缺点也是今后须重点研究的方面。

6. 当前沥青混合料设计中存在的问题及建议

其实沥青混合料的设计就是选择材料、确定级配、确定沥青用量、确定混合料成型密度，而这些又是相互影响相互制约的。材料的性质决定了集料的级配组成，即对某一种特定的材料和已确定的使用环境，其最优配比只有一个。可遗憾的是，往往在工程实践中对集料的级配组成重视不够，很少对级配进行细致研究，而是采用规范规定的级配范围中值进行配制。对于确定的矿质集料级配，不同的试验方法（压实方法、压实功能）、试验评价指标（体积参数，性能指标等）又决定了混合料的密度和沥青用量大小。因此，对沥青混合料的设计应该是对多方面的影响因素给予统筹兼顾后得到的条件最优配比。合理的沥青混合料设计方法至少要考虑以下几个方面：

（1）沥青混合料的成型方式要最大限度的模拟路面实际成型过程 当配合比一定时，试件成型方式决定了混合料的结构，而结构又决定了试件的物理、力学性质，进而决定了优化配比的取舍。

（2）沥青混合料设计指标应与沥青路面的工作特性有一定的联系 鉴于沥青混合料材料性质的复杂性，用简单的静力学指标无法准确描述它的粘弹塑性；再由于沥青路面所受的外力作用和环境影响更为复杂，就目前的技术水平，尚无法建立材料性能指标与路面设计指标之间的准确关系。但是，以性能指标作为混合料设计的判据至少是一个进步。

（3）合理利用体积参数以减小配合比设计的工作量和盲目性如果利用经验方法――体积参数分析方法作为沥青混合料配合比设计的辅助手段，那么，这类方法成立的前提条件是，用于计算以孔隙率为代表的诸体积参数的相关试验方法必须科学、合理，并且，体积参数与路用性能之间存在良好的相关性。

（4）某种方法设计出的混合料应便于施工、易于压实 在施工过程中，或多或少会发生材料离析，因此希望级配和沥青含量的波动不至于显著影响混合料的路用性能。另一方面，在正常情况下，采用现有的施工机具应能把混合料压实至规定的密度，即室内试验方法（成型方式、功能大小）应该与施工的压实效果匹配。

[文章编号]1006-7619（2013）03-07-148

[作者简介] 贾圣东（1982-），男，学历：硕士研究生，学位：工学学位，职称：工程师，工作单位：贵州高速公路开发总公司。