国内外沥青混合料设计方法研究综述

陈心

重庆交通大学工程设计研究院有限公司 重庆市 400000

摘要：目前，沥青路面早期病害频发、耐久性差已成为阻碍我国公路基础设施建设的主要问题。沥青混合料设计不合理是造成我国沥青路面出现早期损坏和耐久性不足的重要原因之一。针对这一问题，本文详细阐述了我国沥青混合料设计存在的主要问题，并对相关的设计方法进行了对比分析，为我国沥青路面设计的发展提供思路和借鉴。

关 键 词：沥青混合料设计；车辙；开裂；性能设计； 发展方向；

0 引 言

近年来我国公路建设发展迅猛，在公路里程不断增加的同时，对路面的使用寿命和承载能力也提出了更高要求^[1]，而良好的配合比设计是沥青混合料使用性能的保证。沥青混合料设计方法经历了试饼法、哈氏法、贝雷法、马歇尔法、 Superpave 法、GTM法到平衡设计法的变化过程，反映了从基于经验设计到试验指标控制再到基于路面使用性能的设计原则与理念的变化。

现阶段，出于绿色减排的需要，大量的沥青路面回收材料（以下简称RAP）经再生处理后被回收利用，RAP料的力学性能及掺杂的改性剂等都使得再生沥青混合料的性能趋于复杂，且易出现脆裂、压实困难、施工和易性及路面耐久性较差等问题而影响其推广。当前主流的沥青混合料设计方法诸如马歇尔设计法及Superpave 法等并不能很好的评估再生沥青混合料的力学性能。针对上述问题，美国得克萨斯州交通运输部联合得州A&M大学交通学院提出了平衡设计法。平衡设计法从控制抗车辙和抗开裂的角度出发，由汉堡车辙实验确定沥青最大含量，通过OT实验确定沥青最小含量，进而最终确定最佳沥青含量^[2-4]。

目前，不同设计思想指导下的沥青混合料设计方法都得到了一定程度的推广和应用，如何以最优化的方法实现最优良的混合料设计，是沥青混合料设计的目标所在。为此，本文综合比较了国内外沥青混合料设计方法的技术性能，总结了各设计方法的应用特点，同时指出了各项设计方法存在的问题，并对其发展趋势进行了探讨，以期为沥青混合料设计提供参考。

1 国内沥青混合料设计方法

1.1 马歇尔设计法

马歇尔设计方法在我国的推广和应用已有近五十年的历史，在我国现行规范中，仍采用马歇尔设计方法来进行沥青混合料设计。马歇尔设计法主要通过空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、沥青有效饱和度（VFA）、毛体积密度、稳定度和流值等指标来进行沥青混合料设计。当前规范是结合马歇尔设计法在我国推广的实际工程经验的基础上完善后提出的。针对国内路面易出现车辙、开裂等早期病害问题，规范对设计指标，特别是最佳沥青用量确定方法进行了修正，统一了空隙率等体积指标的计算方法，针对路面的水损害问题，增加了渗水性检验指标，使得马歇尔设计方法更符合我国道路建设的实际情况，对我国公路建设贡献巨大。结合当前研究和工程实例来看，我国沥青混合料设计主要存在以下问题：

（1）级配设计

我国现行规范采用的是经典的集料连续级配理论。依据该理论，各档集料的比例和用量的确定是为了使集料获得最大密度，在设计过程中易造成相邻档的集料数量过于接近，不能形成区分度，无法发挥集料内部的嵌挤作用，同时粗骨料含量少，不利于骨架结构的形成，造成沥青混合料力学性能不足，在实际的应用过程中易产生车辙等早期病害。

此外，在确定级配时，主要以级配中值线为标准进行级配的调整，级配中值线的确定带有经验性，没有明确的理论指导。工程实践表明，这种级配确定方法是不准确的。国内外相关研究证实，在拌和过程中，沥青会部分浸入集料且经历短暂的老化反应，实测混合料的理论密度，并对级配采用0.45次方图上的禁区和控制点加以限制是有必要的。

（2）成型方法

马歇尔设计法通过定量的锤击压实功成型试件，通过对试件体积参数和稳定度等指标的测量来确定最佳沥青用量。在实际施工过程中，振动压路机等大型压实机具的压实方式与马歇尔法所采用的冲击压实成型方法差别巨大。工程实践表明，此法制得的试件密度偏小、空隙率过高，由此确定的压实度标准偏低，施工现场实测的路面压实度一般会超过实验室确定的标准，偶尔会出现超过100%的现象。

图
1 不同成型方法的沥青混合料动稳定度的关系

如图1所示，马歇尔成型试件的方式无法准确地反映路面施工过程中压实机具对路面的揉搓、碾压作用，以及路面实际使用过程中车辆荷载对路面的作用，且相关研究表明成型方式对沥青混和料动稳定度和低温性能有显著影响。

1.2 粗骨料真实空隙填充法（CAVF法）

CAVF法是由哈尔滨工业大学张肖宁教授提出的，近年来多用于排水沥青混合料设计。该方法需要测得作为骨架的粗集料的空隙体积，使细集料体积、沥青体积、矿粉体积及空隙体积之和等于粗集料的空隙体积，从而确定细集料用量与沥青用量。关系式可以表达为：

（1）

式中: 、 、 分别代表粗集料、细集料、矿粉重量百分数； 为沥青用量重量百分数； 为粗集料的空隙率； 为沥青混合料设计空隙率; 为细料和矿粉的表观密度； 为沥青密度。

CAVF方法的特点:（1）应用骨架-嵌挤理论，充分发挥粗集料的骨架作用，混合料的强度更高。（2）可以根据工程需要，灵活调整细集料的比例，可用于设计连续型或间断型沥青混合料。（3）通过建立方程式定量地确定各档集料的掺配比例，使得沥青混合料设计一定程度上摆脱了依据经验设计，提高了设计结果的准确性和可重复性。

参考文献：

1. 中华人民共和国交通运输部. 交通运输“十三五”发展规划. www.moc.gov.cn, 2019-05-26.

2. F. Zhou, H. Li, S. Hu, R. Lee, T. Scullion, G. Claros, J. Epps, J. Button, Evaluation of use of recycled asphalt shingles in HMA, J. Assoc. Asphalt Paving Technol. 82 (2013) 367–402.

3. F. Zhou, S. Hu, T. Scullion, R. Lee, Balanced RAP/RAS mix design for project specific conditions, J. Assoc. Asphalt Paving Technol. 83 (2014) 171–196.

4. 陈泽宏. 沥青混合料不同配合比设计方法对比研究[D]. 湖南大学, 2013.