近三十年来，我国道路交通事业快速发展，但随着交通量、轴载、胎压的增加，沥青混凝土路面早期破坏问题成为我国道路交通发展的制约因素。沥青混凝土路面早期破坏有多方面的原因，包括原材料性能、施工工艺、施工质量、恶劣环境、交通及荷载等，但是，沥青混合料配合比设计方法选择不当也是重要因素之一。

在沥青混合料配合比设计和施工质量验收过程中，主要采用马歇尔设计方法及其相关技术指标。为提高沥青混合料的性能，在不同地区、不同工程上采用了GTM、Superpave等沥青混合料设计方法，对不同设计方法设计的沥青混合料性能进行了研究。但上述不同设计方法设计的沥青混合料有什么特点、设计效果如何等，目前还未见系统地论述。本文针对工程中常用的AC-20沥青混合料，通过室内试验探讨了不同设计方法的设计效果。

不同设计方法原理简述

马歇尔设计方法是通过使用重锤来使沥青混合料获得一定的压实功来成型试件，并用压实试件的体积参数来决定混合料的最佳沥青用量。试样的制作过程与实际路面压实过程存在一定的差异。Superpave和GTM均采用旋转压实仪成型试件，Superpave采用SGC旋转压实仪，GTM试验机采用和施工中压路机作用相类似的揉搓方法压实沥青混合料，并且模拟了现场压实设备与随后交通的作用，GTM成型试验的目的在于模拟路面行车荷载作用下沥青混合料的最终压实状态，并测试分析试样在被压实到平衡状态过程中剪切强度和最终塑性形变的大小，以判断混合料组成是否合理。

马歇尔设计方法和Superpave均属于体积设计方法。Superpave混合料设计体系是SHRP计划研究成果中最重要的组成部分，Superpave混合料设计包括3个水平的设计———水平I、II、III。水平I设计基本为混合料的体积设计，是以沥青胶结料性能、集料特性和混合料体积特性为基础，进行沥青等级和用量选择、确定矿料级配，并进行初步水损害检验的混合料设计方法。水平II、III是关于沥青混合料的力学性能和路用性能的混合料设计，是在进行了水平I设计后才开始的，它们均以混合料体积设计结果为基础，进行混合料的力学性能和路用性能的试验与预估。

试验材料

本研究所用试验原材料采用基质沥青、石灰岩碎石、石灰岩矿粉。材料性能均符合《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求。基质沥青为70号A级沥青，密度(15℃)为1.g/cm3；矿粉表观密度为2.g/cm3。为保证料源的稳定，减小试验材料误差，将所采用的石料原料进行二次筛分，控制筛孔为2.36mm、4.75mm、9.5mm、19mm和26.5mm。

试验结果及分析

配合比设计

矿料级配设计

对于马歇尔设计方法和GTM设计方法，矿料级配均选择一条接近级配范围中值的级配作为研究对象。本文根据《公路沥青路面施工技术规范》中关于AC-20型沥青混合料的矿料级配范围和本课题组采用的控制级配范围的要求。

Superpave设计方法在级配设计过程中，需要选择3条不同满足对应控制点和限制区要求的级配进行优化设计。但考虑本文的目的是得到的试验结果具有可比性，故选择与马歇尔设计方法和GTM设计方法相同的矿料级配作为Superpave设计法的矿料级配。该级配亦可满足Superpave设计方法对级配设计的控制点和限制区的要求。

最佳油石比

3种配合比设计方法均按照其相关试验规程进行试验，确定混合料最佳油石比及体积参数等技术指标。可以看出，不同配合比设计方法设计得到的沥青混合料的最佳油石比和体积参数存在一定的差异。GTM设计方法主要以旋转稳定指数和抗剪强度因子力学指标来控制最佳油石比，在确保满足不出现塑性变形的前提下，保证沥青混合料的最大密实性和最佳油石比。马歇尔和Superpave设计方法虽然都为体积参数设计法，但Superpave严格控制空隙率为4%，且Superpave所采用的压实功大于马歇尔设计方法，所以其在满足空隙率的前提下，能够得到较小的最佳油石比。3种设计方法采用同一种级配得到不同的体积参数，其主要原因是试样成型条件、设计原理等。设计结果的不同，必然对沥青混合料的路用性能产生较大的影响。

路用性能试验结果及分析

高温稳定性

本文根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的试验要求进行动稳定度试验。

由上述结果可看出：马歇尔试验的试样成型方法为击实，压实功相对较小，与路面实际压实方法不同，与车辙试验的试样成型方法也不同，虽然混合料的体积参数满足要求，但在轮载行走作用下，混合料集料排列已发生变动，从而产生错位和移动，表现出较低的动稳定度。另一方面，由马歇尔设计方法得到的最佳油石比较高，较高的沥青用量将会降低沥青混合料的高温稳定性。

GTM试样有较高的密实度和较低的沥青含量，减少了车轮对路面再压实而引起的变形。同时GTM设计法中考虑了抗剪强度等力学指标，所以其抵抗剪切变形的能力较好。

同为体积设计法，但Superpave设计方法严格控制空隙率为4.0%，同时该设计方法采用SGC旋转压实仪成型试件，旋转压实能够较好地模拟路面的施工状况，因而也表现出较好的高温稳定性能。

水稳定性

本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价沥青混合料的水稳定性，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的试验要求，进行不同设计方法AC-20混合料的残留稳定度试验和冻融劈裂残留强度比试验。

对于残留稳定度，GTMSuperpave马歇尔；对于冻融劈裂残留强度比而言，试验结果存在相同的试验规律。由上述试验结果可判定：GTM试样的抗水稳定性能最好，Superpave试样次之，马歇尔试样最差。

可以看出，不论是密度还是空隙率，GTM试样与Superpave试样和马歇尔试样相比，密度最大，空隙率最小。较大的密度和较小的空隙率使得沥青混合料透水性降低，减少了水对沥青混合料内部的渗透和影响，在试验材料完全相同的情况下，GTM设计方法得到的沥青混合料具有更好的抗水损害性能。

抗疲劳性能

疲劳试验是对沥青混合料抗疲劳性能的检验，在一定程度上反映了沥青混合料的使用寿命。在日本、AI等国外的一些半理论、半经验的沥青混凝土路面设计方法中，均将沥青混合料抗疲劳性能作为主要设计指标之一，根据疲劳曲线测算沥青混凝土路面的使用寿命。

本文利用MTS-材料疲劳试验机，进行了不同配合比设计的沥青混合料试样的简易疲劳性能试验，探讨间接设计方法对沥青混合料抗疲劳性能的影响。

简易疲劳试验的试样由轮碾成型的车辙试样切割而成，形状为40mm×40mm×mm的小梁，试验温度为15℃。GTM试样、Superpave试样、马歇尔试样的最大抗弯拉强度分别为7.43MPa、7.07MPa和6.84MPa。采用3分点加载方式，以应力水平控制模式进行简易疲劳试验，采用0.2、0.3、0.4、0.5和0.6等5个应力比，荷载为半正弦波，频率为10Hz，波形谷值荷载为峰值荷载的5%，以小梁试件完全断裂为破坏标准。

S为应力水平，即疲劳试验荷载应力与沥青混合料最大劈裂抗拉破坏强度之比，N为小梁试件发生断裂破坏时的荷载总作用次数。

试验结果看出，由相同材料不同配合比设计方法得到的沥青混合料的抗疲劳性能存在一定的差异。以应力水平0.5为例，GTM试样、Superpave试样、马歇尔试样承受的荷载总作用次数分别为、、次，在上述疲劳曲线的回归方程中，GTM、Superpave和马歇尔的n值分别为3.、3.和3.，疲劳方程中n值越小，表明该沥青混合料的疲劳寿命随着应力比的增加衰减速度越慢，即沥青混合料的抗疲劳性能越强。由试验结果可以看出Superpave试样的抗疲劳性能最好，而马歇尔试样的抗疲劳性能低于其他设计方法的混合料试样。

前面的试验结果表明，Superpave试样和GTM试样的空隙率均较低，而Superpave试样的沥青含量较高。较大的密度和较小的空隙率保证了试样具有较高的强度和抵抗各种破坏的能力，而较大的沥青含量又使沥青混合料具有较高的结合力，提高了疲劳荷载作用下抵抗断裂破坏的能力。

马歇尔试样的空隙率大，虽然沥青用量较高，但沥青饱和度最低，从而导致其抗疲劳性能较其他两种设计方法的试样低。

试验结果分析

上述试验结果表明，虽然使用的原材料相同，环境条件相同，但不同配合比设计方法得到的沥青混合料的性能具有较大差异。具体而言，马歇尔设计方法得到的沥青混合料的沥青用量较大，空隙率较高，高温稳定性、抗水损坏稳定性和抗疲劳性能等路用性能偏差；GTM设计方法得到的沥青混合料的沥青用量低，但空隙率小，抗高温稳定性、抗水损坏稳定性均较高；Superpave设计方法得到的沥青混合料的性能基本介于上述两者之间，但抗疲劳性能优越。

3种设计方法的设计原理不同，试样的制作方法也不相同。马歇尔设计方法采用的是击实成型方法，集料间的结合不紧密，在汽车荷载等外部力量的作用下易发生错位和移动，抗高温稳定性、抗疲劳等性能较差。其他两种方法采用了与路面实际施工的压实方法比较接近的试样成型方法，混合料中集料间的结合更加紧密。除此之外，不同设计方法考虑的设计重点不同，例如，GTM采用了和应力有关的推理方法进行混合料的力学分析和设计，试样成型模拟路面行车荷载作用下沥青混合料的最终压实状态即平衡状态，并测试分析试样在被压实到平衡状态过程中剪切强度和最终塑性形变大小，因而其设计的混合料具有更好的抵抗路面荷载的能力。

当前，马歇尔试验是我国规范规定的标准配合比设计方法和施工质量检测方法，其他配合比设计方法设计的混合料的性能应满足马歇尔试验指标。但从上述结果看出，在本文的研究范围内，其他两种方法的设计效果均优于马歇尔试验结果，因此对于我国沥青混合料配合比设计方法以及沥青混凝土路面施工质量检测指标等，有必要在充分论证的基础上进行重新考虑和修正，使沥青混合料的设计结果更加符合实际情况，提高路面的抗病害能力。

结语

(1)本文在简要分析比较沥青混合料配合比不同设计方法原理的基础上，试验探讨了不同配合比设计方法的设计效果，结果表明，不同配合比设计方法设计的沥青混合料的体积参数和路用性能存在较大的差异，GTM设计方法设计的沥青混合料具有更好的技术性能，而目前普遍采用的马歇尔设计方法得到的沥青混合料的技术性能较差。

(2)分析认为，之所以产生上述差异，主要是试样成型方法、配合比设计







































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