Superpave与马歇尔设计方法对AC-20沥青混合料性能影响试验研究

唐洪堃 袁文 边疆 王建威 孙海洋 李硕 封志虎 李家伟

【摘    要】：为了对比Superpave和马歇尔方法所设计的沥青混合料在体积参数、高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性等方面的差异，以AC-20沥青混合料为研究对象，以高模量橡胶沥青为胶结料，设计满足工程级配范围和避开Superpave限制区的粗、中、细三个级配。结果发现：Superpave设计方法比马歇尔设计方法可减少0.3%左右的沥青用量；Superpave方法设计的沥青混合料毛体积相对密度比马歇尔方法设计的沥青混合料略大；Superpave方法设计的沥青混合料在高温稳定性和低温抗裂性方面优于马歇尔方法设计的沥青混合料，级配越粗，高温稳定性优异性越大、低温抗裂性优异性越小；Superpave方法和马歇尔方法设计的沥青混合料在水稳定性方面差别不大。

【关键词】：道路工程；AC-20；Superpave；马歇尔；沥青混合料

【中图分类号】：U414【文献标志码】：A【文章编号】：1008-3197（2024）01-25-04

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.008

收稿日期：2023-10-07

基金名称：连云港市重点研发计划（SF2239）;江苏海洋大学研究生科研与实践创新计划项目（KYCX2022-76）

作者简介：唐洪堃（1989 - ）， 男， 硕士， 江苏徐州人， 工程师， 从事公路工程建设、养护、管理工作。

通讯作者：李家伟（1975 - ）， 男， 硕士， 四川兴文县人， 研究员级高级工程师， 研究方向为道路桥梁工程。

Comparative Experimental Study on the Effects of Superpave and Marshall

Design Methods on the Performance of AC-20Asphalt Mixture

TANG Hongkun 1， YUAN Wen 1， BIAN jiang1， WANG Jianwei 1， SUN Haiyang 1， LI Shuo 2，3， FENG Zhihu 2， LI Jiawei 2*

（1. Lianyungang Highway Development Center， Lianyungang 222299， China;2. School of Civil Engineering and Harbor Engineering，

Jiangsu Ocean University， Lianyungang 222005， China;3. Lianyungang Science and Technology Innovation Engineering Quality Testing Co Ltd. ， Lianyungang 222000， China）

【Abstract】：In order to compare the differences in volume parameters， high-temperature stability， low-temperature cracking resistance， and water stability of asphalt mixtures designed by Superpave and Marshall methods. Using AC-20 asphalt mixture as the research object and high modulus rubber asphalt as the binder， design coarse， medium， and fine grading that meets the engineering grading range and avoids the restricted areas in Superpave. The results showed that the Superpave design method can reduce asphalt usage by about 0.3% compared to the Marshall design method. The Superpave method is used to design a mixture with a slightly higher gross volume relative density than Marshall&apos's. The asphalt mixture designed by Superpave has better high-temperature stability and low-temperature crack resistance than Marshall&apos's. The coarser the grading， the greater the excellent high-temperature stability， and the smaller the excellent low-temperature crack resistance. The asphalt mixture designed by the Superpave method and Marshall method has little difference in water stability.

【Key words】：road engineering; AC-20; superpave; marshall;asphalt mixture

由于良好的行車舒适性和优异的路用性能，沥青路面在我国高等级公路建设中得到了广泛应用[1]。目前，沥青混合料配合比设计仍以马歇尔设计方法为主，但随着技术的不断发展，Superpave、GTM等设计方法开始在高等级公路工程中应用[2～4]。Superpave方法设计的沥青混合料因高温稳定性好、抗车辙能力强等优点，在江苏、山东等地区得到了广泛应用[5]。相较于马歇尔方法设计的沥青混合料，Superpave方法设计的混合料沥青用量有所减少，可能会导致沥青路面低温性能下降。

本文以AC-20沥青混合料为研究对象，以高模量橡胶沥青为胶结料，设计满足工程级配范围和避开Superpave设计中限制区的粗、中、细三个级配。将Superpave和马歇尔方法设计的沥青混合料在体积参数、高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性等方面进行对比研究。

1 材料试验

1.1 矿料

粗集料为辽宁葫芦岛的10～20、10～15、5～10 mm石灰岩矿料，细集料为山东日照的0～3 mm石灰岩矿料，填料为江苏连云港市赣榆区强达石粉厂生产的石灰岩矿粉。按照JTGE 42—2005《公路工程集料试验规程》检测矿料相关性质，见表1和见表2。

1.2 沥青

沥青为江苏天诺沥青科技有限公司生产的高模量橡胶沥青，按照JTGE 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》检测基本性能指标，见表3。

2 级配设计

Superpave设计方法在进行混合料级配设计时，提出了控制点和限制区的概念[6]。选择集料结构时，首先调试选出满足工程级配范围和避开Superpave设计中限制区的粗、中、细3个级配。见表4和表5。

3 两种方法设计的沥青混合料对比分析

3.1 体积参数

采用旋转压实仪（SGC）对Superpave方法设计的沥青混合料进行旋转压实，测试其体积参数[7]。设定旋转压实仪的单位压力为0.6 MPa；选择压实次数N：初始为8次、设计为100次、为160次。计算出3个级配的沥青混合料在空隙率为4.0%时最佳油石比及相应的沥青混合料性质，与马歇尔方法设计得到的最佳油石比和沥青混合料性质进行对比。见表6。

将表6數据以马歇尔试验数据为基准，按式（1）计算体积参数变化量。

体积参数变化量＝马歇尔设计方法体积参数-Superpave设计方法体积参数

Superpave设计方法比马歇尔设计方法使用沥青更少，减少量在0.3%左右；Superpave方法设计混合料矿料间隙率比马歇尔方法设计的小，接近规范指标下限要求；Superpave方法设计的沥青混合料毛体积密度比马歇尔方法设计的有所增加，增加量约为0.02%。见表7。

3.2 路用性能

AC-20沥青混合料因优异的抗车辙性，常被用于高等级公路的下面层[8]。为保证AC-20沥青混合料具有良好的力学性能，需要进行高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性试验，以马歇尔试验路用性能数据为基准，按式（2）计算路用性能变化率。

路用性能变化率=（马歇尔设计方法路用性能结果-Superpave设计方法路用性能结果/马歇尔设计方法路用性能结果×100%

3.2.1 高温稳定性

根据JTGE 20—2011，采用车辙试验评价沥青混合料高温稳定性，以动稳定度为检测指标；其中Superpave方法设计的沥青混合料以24次往返作为碾压遍数，比马歇尔方法设计的沥青混合料碾压遍数增加1倍[3]。

Superpave方法和马歇尔方法设计的沥青混合料高温稳定性皆满足规范要求。Superpave方法设计的沥青混合料动稳定度普遍比马歇尔方法设计的高10%左右；级配越粗，动稳定度变化率越大。这主要是由于Superpave设计方法中最佳油石比相较于马歇尔设计方法有所减少，同时密度略有增加，导致沥青混合料抗车辙性能提高[9]；矿料级配越粗，同级配情况下Superpave方法比马歇尔方法设计的沥青混合料密实性越好，从而动稳定度变化率越大。见表8。

3.2.2 低温抗裂性

根据JTGE 20—2011，采用两点小梁弯曲试验评价沥青混合料低温抗裂性，计算试件破坏时梁底的最大弯拉应变。

Superpave方法和马歇尔方法设计的沥青混合料低温抗裂性皆满足规范要求。Superpave方法设计的沥青混合料最大弯拉应变比马歇尔方法设计的增加5%～10%；级配越细，最大弯拉应变增加比例越大。这主要是由于Superpave设计方法中压实功相较于马歇尔设计方法有所增加，使得试件毛体积相对密度有所增加，弥补了因油石比下降而降低的低温性能[10]；矿料级配越细，混合料中细料越多，矿料更容易压实，从而最大弯拉应变变化率越大。见表9。

3.2.3 水稳定性

根据JTGE 20—2011，检测水稳定性的主要方法有浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，以残留稳定度和冻融劈裂残留强度比为检测指标。

Superpave方法和马歇尔方法设计的沥青混合料水稳定性皆满足规范要求。Superpave方法设计的沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂残留强度比与马歇尔方法设计的相差不大，说明设计方法的改变对沥青混合料的水稳定性影响不大。见表10和表11。

4 结论

1）Superpave设计方法比马歇尔设计方法可减少0.3%左右的沥青用量，Superpave方法设计的沥青混合料毛体积相对密度略大。

2）Superpave方法设计的沥青混合料动稳定度普遍比马歇尔方法设计的高10%左右；级配越粗，动稳定度变化率越大。

3）Superpave方法设计的沥青混合料最大弯拉应变比马歇尔方法设计的增加5%～10%；级配越细，最大弯拉应变增加比例越大。

4）Superpave方法设计的沥青混合料在水稳定性方面与马歇尔方法设计的差别不大。

参考文献：

[1] 刘    锋，吴传海，许新权，等.静态模量和动态模量条件下的沥青路面结构力学性能差异性分析[J].公路，2023，68（8）：68-74.

[2]柴金玲，栗    威.基于GTM的沥青混合料配合比设计方法试验研究[J].材料导报，2020，34（S2）：1283-1287.

[3]阮    文.沥青路面设计方法与应用研究——评《沥青路面结构设计》[J].建筑结构，2020，50（20）：141.

[4]任天琦，张海涛，张雪芹，等.不同成型方法对沥青混合料路用性能和细观结构的影响[J].森林工程，2022，38（4）：172-180.

[5]纪    伟，魏建军，郭晓冬.Superpave方法与马歇尔方法对沥青混合料性能影响对比试验研究[J].公路，2023，68（3）：353-357.

[6]刘兴茂，龙文海.基于空隙率和压实次数的Superpave混合料优化设计研究[J].公路，2019，64（9）：188-193.

[7]吕大春，曾梦澜，刘斌清，等.TPS高黏改性沥青Superpave使用性能研究[J].公路工程，2019，44（6）：191-195+265.

[8]武文斌，金成，贾小龙，等.基于AC-20C沥青路面离析程度的数字图像分析研究[J].公路，2019，64（10）：63-67.

[9]张    恒. 平衡设计法在厂拌热再生沥青混合料中的应用技术研究[D].天津：河北工业大学，2021.

[10]冯新军，康    起.试验室压实方法对热拌沥青混合料空隙率及力学性能的影响[J].中外公路，2020，40（3）：291-297.