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各种沥青混合料设计方法的比较 【字号：大 中 小】发布时间：2008-07-10 目前，国内外路面设计者对沥青混合料配合比设计方法的研究很多，纵观世界各国，现行用于沥青混合料配合比设计的方法主要有：马歇尔方法、维姆方法、Superpave方法、GTM方法以及贝雷法等，但其中又以马歇尔法运用得最为广泛。我国公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）规定，沥青混合料配合比设计采用马歇尔方法；同时规定，当采用其他方法设计沥青混合料配合比时，应按规范规定进行马歇尔试验及各项配合比检验，并报告不同设计方法的试验结果。不同混合料设计方法都有各自的特点，本文主要介绍几种主要设计方法的原理，并和马歇尔设计方法进行比较分析。1 马歇尔设计方法原理与设计步骤1.1设计原理马歇尔法是由美国密西西比州公路局的Bruce Marshell提出，在第二次世界大战期间开始使用，后来美国陆军工程兵团对其进行了改进和完善。马歇尔设计法的基本原理是体积设计法，即在分析研究沥青混合料性能时，以沥青结合料与集料成分的体积比例作为计算依据，最终要达到的主要指标也是体积指标，如空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA等。通过沥青混合料组成材料的不同体积比例的组合，经过沥青混合料的拌和、试件的击实成型，最后测定试件的体积参数，从而确定沥青混合料各组成材料的比例。1.2设计步骤沥青混合料配合比马歇尔设计方法分为目标配合比设计、生产配合比设计、生产配合比验证三个阶段。三个阶段的设计原理是一致的，即按照体积法进行设计。其最完整的设计步骤是在目标配合比设计阶段，设计过程如下。原材料试验。即所有组成材料的物理、化学、力学性能试验，以确定其是否满足使用要求，从而确定其是否合格。确定混合料的组成级配。按照要求的级配与所提供的各级集料的筛分，选好各级集料的比例，使混合料矿料的级配满足要求。成型试件。根据经验估算沥青的最佳用量，以估算的最佳沥青用量为中值，以0.5%为步长，分别成型5个不同油石比：（估算最佳沥青用量-1.0%）、（估算最佳沥青用量-0.5%）、估算最佳沥青用量、（估算最佳沥青用量+0.5%）、（估算最佳沥青用量+1.0%）试件。测定和计算试件的力学与体积指标，并绘制不同指标和沥青用量的关系曲线。确定最佳油石比。对最佳油石比进行检验。马歇尔设计方法操作简单，因此仍然是目前用的最多的设计方法，可以适用各种场合。2 Superpave方法与马歇尔设计方法的比较2.1 Superpave方法简介Superpave沥青混合料配合比设计体系按照交通量的大小，分成3个不同的水平，由于水平2和3还不成熟，目前实施的是水平1，即属于体积设计方法。其主要内容包括材料选择、矿料级配设计、沥青用量设计、沥青混合料性能检验（仅限于水稳定性）四大步骤。2.2材料选择和矿料级配Superpave体系配合比设计的很重要的一步是集料的选择，尽可能就地取材，注重于加工特性，包括粗、细集料的棱角性、扁平及针片状颗料含量、含泥量（砂当量）。对沥青结合料的选择是Superpave的核心，它要求PG分析选择沥青标号，在气候指标上考虑保证率，对重交通量路段、慢速交通路段等需要提高12个高温等级，以使得混合料具有充分的高温抗车辙性能。新的矿料级配范围是根据实践经验提出的，级配范围设计料控制点和限制区。Superpave要求矿料级配应该避开限制区，否则容易造成驼峰曲线或者VMA不足。矿料级配曲线允许在限制区的上方通过，但最好在限制区的下方通过。不过，现在对限制区是否合理有不同的看法，认为设置限制区并没有理论根据，实践中避开了限制区的反而在重载车作用下出现了严重的渗水或车辙。所以，现在的趋势是逐渐否定限制区。2.3集料结构选择选择好集料后，可以根据级配的控制点和实践经验，确定3种不同粒径含量的试验集料，即细颗粒含量大于并接近规定的低限的I型、细颗料含量小于并接近于规定的高限的型、中间颗粒含量大的型。三种试验集料的级配选定后，通过旋转压实仪SGC来确定各自的体积特性，SGC的旋转压实次数根据交通水平确定，然后再利用有效密度确定沥青结合料的有效含量。在试验集料中加入沥青结合料制作不同有效沥青含量的试验混合料。沥青混合料的VMA的判断标准由设计孔隙率4%确定，VFA的标注与交通量有关。2.4沥青结合料含量设计当混合料的VMA、VFA符合规定要求时，按照（有效沥青含量-1.0%）、（有效沥青含量-0.5%）、有效沥青含量、（有效沥青含量+0.5%）、（有效沥青含量+1.0%）成型试件，以设计压实次数时孔隙率为4%的沥青结合料作为最佳沥青含量，如果VMA、VFA满足规范要求，则设计即告成功。通过上面对Superpave设计方法的介绍，我们可以发现，Superpave和马歇尔设计方法的差别，主要是成型方法以及体积指标的计算不一样。Superpave采用旋转压实，而马歇尔采用的击实法，前者更能模拟实际路面压实情况，但是后者的设备简单、廉价、方法简单、易于掌握。在进行体积分析时，Superpave考虑了集料表面的孔隙吸收沥青的影响，从而产生了有效沥青用量的概念。而我国以前的计算方法并没有将这部分吸收沥青从总沥青用量中扣除，但在新的规范公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）中，开始考虑这一部分的影响。3 贝雷法设计方法与马歇尔设计方法的比较3.1贝雷法简介贝雷设计法是由美国伊利诺伊州交通部的Robert D.Bailey先生发展，它不完全是一种沥青混合料配合比设计方法，它主要是一种矿产级配的设计方法。通过贝雷法设计混合料以后，可以采用马歇尔方法或者Superpave方法确定最佳沥青用量。其主要思想是以形成的集料骨架作为混合料的承重主体，高的抗车辙性能，同时通过调整粗细集料的比例，获得合适的VMA，以保证设计混合料具有较好的耐久性。贝雷法中提出了用于评价矿料性质的一系列参数，这些参数直接和VMA、孔隙率和压实性能相关，有助于更好地理解集料级配与混合料中空隙体积的关系，也为评价合成级配提供了一套工具。3.2不同之处由于贝雷法并不是一种完整的沥青混合料设计方法，其主要用来检验级配，还需借助其他方法才能进行完整的配合比设计，因此，贝雷法和马歇尔法的主要不同是，贝雷法可以检验级配的骨架密实性，而马歇尔法却不能。4 GTM方法与马歇尔设计方法的比较4.1 GTM方法简介GTM（gyratory testing machine）旋转压实剪切试验机，是美国工程兵于20世纪60年代为解决空军重型轰炸机机场跑道的设计而研究发明的。90年代后又将这一理论和方法应用于现代高速公路车辆荷载剧增下的车辙、泛油、破坏形变等病害的防治与设计。是一种可用于土基、基层、柔性路面材料，特别是沥青面层混合料组成设计新技术的精密试验机。美国ASTM规范已将该法作为沥青混凝土的试验标准和内容之一。4.2 GTM方法主要根据3个指标来确定最佳沥青用量4.2.1 应变比GSIGSI是沥青混合料稳定性的度量，由最终旋转角除以中间稳定阶段的旋转角得到，即GSI=最终应变/混合料稳定状态时的应变，GSI接近1.0时一般表明为稳定的混合料，不稳定的混合料旋转角在压实过程中增大，多数时候当该值超过1.1时表明混合料不稳定。4.2.2抗剪安全系数GSFGSF是指沥青混合料被压实到平衡状态时的抗剪强度与行车荷载作用下需要承受的剪应力的比值。GTM设计沥青混合料时，可以通过控制旋转次数、试件的高度使混合料压实到平衡状态需要达到的密度。当混合料压实到平衡状态时，与实际路面在设计荷载作用下的最终密度相当。平衡状态是指GTM每转100转时，试件密度的变化不大于0.016g/cm3。4.2.3不同之处与现行规范材准的马歇尔双面击实75次，采用一般交通控制指标确定的最佳油石比相比，GTM采用0.7MPa设计的最佳油石比要低0.4%0.5%；GTM设计的沥青混合料在不增加沥青用量的基础上，其密度大于马歇尔法设计的密度；GTM设计的也隙率基本在2.0%2.4%，与实际路面的最终孔隙率较接近，而马歇尔设计孔隙率一般为4%；GTM法设计的沥青混合料VFA低于马歇尔法；GTM法设计的沥青混合料VFA要高于马歇尔法设计的；GTM法设计的混合料稳定度比马歇尔法设计的大很多，而流值则稍低于马歇尔方法。由于GTM法考虑了抗剪强度，减小了沥青混凝土的侧向流动，密实度较高，且沥青用量比马歇尔方法设计的低，因此具有较高的抗车辙能力，适用于对抗高温变形要求较高的重载道路。5 结语不同的设计方法都有其各自的优缺点，它们的适用情况也不一样，只有清楚了解其设计原理，才可能有助于我们在配合比设计时，针对不同要求，选择不同的设计方法，设计出符合路用要求的沥青混合料。通过对几种主要的沥青混合料配合比设计方法比较，我们可以得出这样的结论：马歇尔设计方法虽然和路用性能关系不大，但是由于其设备简单、廉价、方法简单等特点，而且其实践经验积累较丰富，因而容易调整，自今仍然被广泛使用。Superpave设计方法尝试和路用性能建立关系，这是其最重要的特点，也值得我们学习，但是许多成果仍处于试验阶段或者和实际路用性能有差异，仍然处于完善和改进中。贝雷法不完全是沥青混合料设计方法，但是其粗细集料划分，以及多级嵌挤思想值得我们学习，可以用来检验沥青沥青混合料的级配，尤其是检验矿料是否形成骨架结构。GTM设计方法更适用于重载交通道路设计，采用GTM设计方法，可以使沥青路面具有较强的抗车辙性能，但是其低温性能值得担忧。总的来说，各种设计方法都有各自的优缺点，我们在进行配合比研究时，应该注意吸取各种方法优点，克服缺点，只有这样，才可能设计出满足要求的高质量沥青路面。参考文献1William R V,William J P,Samuel H C.Bailey method for gradation selection in HMA mixture designR.Transportation Research Circu-lar,Number EC044,2002.2William R V,William J P,Samuel H C.