浅谈Marshall及Superpave设计方法

冀 辉

(衡水市公路勘测设计所)

1 设计方法对比

Marshall设计方法由美国密西西比州工程师Marshall提出，并且在以后由美国陆军工程兵团进行了完善。Marshall设计方法的最初是借用土工试验中击实成型试件，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，基本上属于体积设计方法。Marshall试验方法的最大优点是注意到了沥青混合料的密度、孔隙率、稳定度和流值的特性，通过分析以获得沥青混合料合适的孔隙率与饱和度，求得最佳沥青用量。目前采用的部颁标准(公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004)结合了我国多年的研究成果和生产实践采用三阶段设计，综合考虑沥青混合料的水稳性、抗车辙能力，低温抗裂性能，求得沥青混合料的最佳沥青用量。由于该试验方法操作简单，设备价格便宜，便于携带等特点，目前是世界上绝大多数国家进行沥青混合料配合比设计和施工质量控制的主要方法。

美国SHRP计划的核心成果是两个规范和一个方法，即沥青胶结料性能分级规范、沥青混合料路用性能规范、沥青混合料设计方法。Superpave混合料设计方法是SHRP计划研究成果中最重要的组成部分，Superpave混合料设计根据设计交通量大小，即以80 kN标准轴载交通量106和107为分界点，将设计分为LevelⅠ低交通量水平设计、LevelⅡ中等交通量水平设计和LevelⅢ高交通量水平设计等三个水平。LevelⅠ级设计为混合料体积设计，集料特性和混合料体积特性，如空隙率、矿料间隙率是选择沥青等级和用量的基础;LevelⅡ、LevelⅢ为中、高等路面性能水平的混合料设计，是体积设计基础上进行一套混合料性能试验，从而可以预测路面随时间而产生的永久变形，疲劳开裂和低温开裂的程度，该方法是力图将实验方法与指标同沥青路面野外性能建立起直接的联系，通过控制高温车辙，低温以及疲劳开裂，以全面提高路面的路用性能。然而，至2006年为止，现在我们用的是LevelⅠ，LevelⅡ、LevelⅢ包括美国都还没有实际应用，还处于研究阶段，故Superpave方法仍然是体积设计法。

与Marshall及Superpave(LevelⅠ)设计法相相比，GTM设计法在设计等级划分，级配选择，结合料选择，成型方式，控制指标等多个方面存在差异。

(1)设计等级划分

Marshall:以交通量，即标准轴载累积作用次数进行设计等级划分，该法只是按照交通量将公路分为高速及一级公路和二级及以下公路两个等级;Superpave:适用于80 kN标准轴载交通量小于106的轻交通量;GTM:GTM混合料试验中所使用的是轮胎与路面直接接触压强，设计荷载与车的载重、轮胎接地面积、轮胎硬度有关，因此，这样更接近于沥青路面的实际受力状态。

(2)级配选择

Marshall:根据级配范围以及试验确定;Superpave:对矿料级配提出了“控制点”和“禁区”的概念，级配范围限制性增强;GTM:根据Marshall方法确定，并可根据Superpave方法进行级配优化。

(3)结合料选择

Marshall:符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004要求;Superpave:以Superpave性能分级选取沥青胶结料;GTM:可参照根据Marshall及Superpave方法确定。

(4)成型方式

Marshall:Marshall击实成型，成型方法不能准确模拟车轮对路面的作用情况，并且容易造成粗集料的破碎，从而改变矿料级配;Superpave:Superpave旋转压实机(Gyratory Compactor)压实成型，以旋转压实方式成型试件，且压实功不固定，因交通量水平、气温而变;GTM:旋转压实剪切实验机GTM压实成型，试验受力状态与混合料使用受力状态一致。

(5)油石比选择

Marshall:通过体积参数确定最佳油石比;Superpave:通过体积参数确定最佳油石比;GTM:考虑在设计荷载下的力学指标控制旋转剪切系数GSF以及控制旋转稳定系数GSI确定最佳油石比，从而控制混合料的抗剪切以及抗永久变形能力。

表1 三种混合料设计方法对比

2 试验结果对比

美国学者G.W.Maupin，Jr对上述三种混合料设计方法进行了研究，研究选用了6种级配进行混合料设计，分别用Marshall、Superpave以及GTM设计方法进行混合料设计和性能评价，其中Marshall方法分别采用了50次和75次击实，Superpave采用了Pine和Troxler两种品牌的旋转压实机，根据交通量3×106～10×106以及平均最高温度低于39℃确定Ninitial=8次，Ndesign=96次，and Nmaximum=152次，GTM同时采用了气压轴承和油压轴承加载两种方式，本文引用了他们的部分数据并进行了处理和分析，引用数据见表2及表3，并根据试验结果作图1。

图1 设计参数对比

如图1所示设计沥青用量以及体积参数VMA，VFA与设计方法之间的关系可以说明如下。

(1)Marshall(50次击实)设计的沥青用量高于其他方法，击实次数增多或者旋转压实的方式可以有效的降低沥青设计用量，设计沥青用量的大小排序为Marshall(50次击实)大于Superpave大于Marshall(75次击实)大于GTM。

(2)矿料间隙率VMA的排序为Marshall(50次击实)大于Superpave大于Marshall(75次击实)大于GTM，有效沥青饱和度VMA与之相反。

表2 试验沥青及级配选择

表3 混合料设计结果

续表3

3 总结

(1)GTM设计荷载采用的是轮胎与地面的接触压强，采用旋转压实成型，混合料室内试验设计接近于沥青路面的实际受力状态，并且GTM试验方法是一种力学设计方法，可以设计出具有高抗剪强度的沥青混合料，适用于重载交通路段的混合料设计。

(2)Marshall以及Superpave属于经验设计方法，但GTM设计方法在进行级配优化时可以借鉴Marshall方法的经验油石比和Superpave中禁区，控制点等概念，GTM设计方法Marshall以及Superpave方法有着较好的相容性。

(3)三种混合料设计方法的试验对比说明，GTM混合料设计方法通过对碾压成型以及接地压强等设计原则增大了压实功，因而设计出的混合料具有最小的油石比、矿料间隙率和最大的有效沥青饱和度，具有较好的性能指标。