李文桥

江苏省宁连高速公路北段管理处

马歇尔、Superpave、高模量沥青混凝土设计方法对比研究

李文桥

江苏省宁连高速公路北段管理处

马歇尔和Superpave混合料设计法是目前常用的两种配合比设计方法，但法国并没有采用，而是针对高模量的材料特性，专门制定了高模量沥青混凝土的配合比设计方法。本文针对马歇尔、Superpave和法国高模量设计方法的差异性进行了比较。

马歇尔Superpave高模量混合料设计方法

1 引言

目前，我国道路交通正向着重交通方向发展，重交通、重载、超载现象普遍，重交通下沥青路面典型的损坏为高温车辙与水损害。大多沥青路面在中早期就出现了大量坑槽、裂缝、拥包、车辙等病害，对行车安全和舒适性影响较大。如何提出更科学可靠的混合料设计方法、设计高性能的路面材料、选择更合理的路面结构成为当前研究的热点。国际上常用的沥青混凝土设计方法是马歇尔法和Superpave法，近几年，法国高模量沥青混合料受到了国内外关注，其设计理念与性能评价体系完全独立于以上两种传统方法。

2 现状分析

2.1 马歇尔法

马歇尔法是当前技术最为成熟应用最为普遍的混合料设计方法，其选择沥青时采用针入度级规范，根据经验及气候条件，选用合适的沥青。矿料级配一般采用中值法，其技术要求主要由稳定度、流值、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度和混合料密度等指标组成。其优点是①根据体积特性进行设计，提高了沥青混合料的耐久性；②所需试验设备价格低廉、操作简单且便于携带。缺点主要是未能体现沥青路面的技术性能及混合料的力学性能。

2.2 Superpave设计法

Superpave设计法是美国SHRP的主要研究成果，其材料性能的提高主要是通过控制低温开裂、车辙和疲劳裂缝来实现。本方法提出了“三水平”设计思想，将沥青混合料设计方法分为三个级，I级是混合料体积设计法，II级是中等路面性能水平的混合料设计，III级是高等路面性能水平的混合料设计。目前I级由于概念清晰，方法实用而被普遍接受，而II、III级较为复杂尚未到实用阶段。不足之处是①按体积设计与按重量检验相互矛盾；②设计结果受密度的测定精度影响比较大；③仅凭经验确定矿料的级配；④旋转压实次数与交通量之间的关系主要靠经验。

2.3 高模量设计法

法国高模量设计法是一套基于性能的设计规范体系，其关键是处理好模量、疲劳和高温稳定性间的关系，将复数模量、百万次荷载作用周期下的疲劳应变作为主要设计指标。当今法国形成的四水平设计法是以热稳定性、水稳定性、抗疲劳和复数模量四种性能实验为设计基础，将由试验得到的疲劳和模量数据作为计算参数进行结构设计，不同路面层所用材料的技术要求也不同，这就有效地将材料性能与路面功能要求紧密结合起来了，避免了路面结构设计与配合比试验脱节现象。

3 级配及沥青用量的确定方法比较

3.1 马歇尔设计法

在级配设计方面，马歇尔法首先确定拟采用的混合料类型，然后依照规范选出粗、中、细三组级配，根据已往经验选出三至五组油石比制作马歇尔试件，分别计算每组试件的所有体积指标，根据所得指标选定一组满足要求的级配。

在最佳沥青用量确定方面，先确定沥青用量范围，在此范围内制作五组试件分别进行马歇尔实验，依据所得实的验结果，作出油石比与空隙率、毛体积密度、流值、沥青饱和度、矿料孔隙率及稳定度六者的关系曲线，据此找出与目标空隙率、最大密度、沥青饱和度、最大稳定度相对应的四组油石比，其平均值即为最佳油石比的初始值OAC初，如果所选用沥青用量的范围未能涵盖要求的沥青饱和度的范围，则取最大稳定度、最大密度、目标空隙率所对应油石比的平均值作为最佳油石比的初始值，如果所做曲线上没有出现稳定度或密度的最大值时，则直接以目标空隙率相对应的油石比数值作为最佳油石比的初始值；根据沥青混凝土的各类数据指标作图求得最大的油石比OACmax和最小的油石比OACmin，其中值设为OAC中，当最佳油石比的初始值在最大值和最小值之间时，说明设计可行，则OAC初与OAC中的中值即为所求目标配合比的最佳油石比，根据当地气候条件、交通量状况、公路设计等级等因素最终确定设计最佳油石比。

3.2 Superpave设计法

首先根据交通量的大小选择混合料的压实遍数，然后通过压实试验所得结果选取混合料级配，沥青用量一般由混合料的设计空隙率来确定，依据设计经验，采用旋转压实仪成型试件，根据Superpave设计标准，选取满足混合料体积指标的级配作为设计级配，凭经验从低到高预估四组沥青用量数值，制做压实试件，采用插值法求得设计空隙率对应的沥青量值作为沥青用量的设计值，设计沥青用量在最大压实次数时对应的体积指标满足Superpave相关标准即可。

3.3 高模量设计法

在级配的选择方面，高模量设计方法不同于以上两种方法，①筛分粒径不同，其孔径主要有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是关键筛孔；②法国标准中没有规定集料颗粒的分布曲线，仅对关键筛规定了目标组成总的级配范围，高模量设计法在级配设计方面是一种控制关键筛孔的方法，因此对级配曲线要求不高。高模量设计中没有明确确定最佳沥青用量的方法，实际上法国高模量设计法是一套追求最佳沥青混凝土性能的设计方法。

4 性能试验的评价比较

4.1 马歇尔设计法

马歇尔设计法的性能评价试验包括水稳定性、低温抗裂性和高温稳定性。其中水稳定性的测试方法采用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验，低温抗裂性能采用小梁弯曲试验来验证，高温稳定性由车辙试验的动稳定度来检验。

4.2 Superpave设计法

通常利用高温稳定性和水稳定性来测试Superpave设计法的性能，水稳定性测试通常用AASHTO T283试验来验证，高温稳定性的测试方法同马歇尔试验，均通过车辙试验来验证。

4.3 高模量设计法

与以上两种设计方法相比，高模量设计法的性能试验是最复杂的，其试验要求必须依次达到四个等级，一是旋转压实和水损害性能试验，二是高温时的性能试验，三是相应模量性能试验，四是疲劳性能试验，如果上一级试验结果不能满足相关要求，则不得进行下一级试验。其性能评价体系与我国马歇尔设计法显著不同是没有对沥青混凝土的低温性能进行评价，这与法国温暖湿润的气候有关。

5 结语

本篇文章从沥青混合料级配的选择、沥青用量的确定、性能试验的验证三方面，分别对马歇尔、Superpave和高模量设计的差异性进行了比较。马歇尔设计法应用较早，因其试验所用设备价格不高且携带方便应用最广，但因其不能模拟路面实况，致使路面较早的出现病害。因此，美国研究出了Superpave设计法，其优良的路面性能，抑制了早期路面病害的产生。而法国的高模量设计因其独创性和先进性得到了国内外专家的重视，其基于控制关键筛孔的级配设计理念、利用丰度系数求最小油石比的方法和基于性能的混合料设计评价体系是一套完整先进的设计方法，对混合料设计是一种推进和完善。

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

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