沥青路面配合比设计思路浅析

沥青路面配合比设计思路浅析
时间：2006-1-18 14:51:15 来自：中国公路作者：彭鹏
张文慧，王福生11-22-2004
目前，大量实践证明马歇尔稳定度和流值与沥青路面的长期使用性能关系不显著，多亏路面结构可能出现的损坏也并未真正地利用到混合料组成设计中去，说明该法存在着片面性和孤立性。

为此作者结合沥青路面经常出现的破坏形式进行综合分析。

作者指出，沥青混合料的综合设计就是综合考虑其抗疲劳能力、高温稳定性、低温抗裂性及水稳性等路用性能，通过确定沥青混合料的结构参数如沥青用量与级配类型性观的空隙率等，使混合料具有良好的结构特点，从而获得较理想的受力变形特性，达到要求的性能指标。

沥青路面在使用期限内就可具有抵抗各种可能破坏形式的能力，所以混合料组成设计应该遵循这样一个设计思路：沥青混合料路用性能/混合料受力变形特性/混合料结构特点/混合料结构参数。

通过这一思路的逆过程，使混合料逐步从试验室走想工作实际中。

沥青混合料气候分区：中国幅员辽阔，气候变化大，对沥青与沥青混合料使用性能要求亦有差别。

此分区按7月平均最高气温将全国分为3个大区，在每个大区基础上，又按年极端最低气温分成各个小区。

另外，还根据年降雨量大小将全国分成4个区，这与路面设计考虑道路总体承载能力的气候分区不同。

考虑路用性能的沥青混合料的特性要求：
1、高温稳定性。

沥青混合料的高温稳定性是指混合料在高温情况下随外力不断作用抵抗永久比变形的能力。

常规上采用马歇尔试验和车辙试验来评定。

2、低温抗裂性。

沥青混合料变形能力随着温度的降低而下降。

路面由于低温收缩和行车荷载的作用，在薄弱部位产生裂缝，从而影响道路的正常使用。

3、耐久性。

沥青混和料的耐久性是指其在外界多种因素（阳光、空气、水、车辆荷
载等）的长期作用下，仍能基本保持原有的性能内。

它采用马歇尔试验，通过测定试件中的空隙率、饱和度、残留稳定度等来评价。

4、抗滑性。

随着车辆行驶速度的增加，尤其要提高路面的抗滑性能，因此必须加强路面的粗糙度，通常选用质地坚硬、具有棱角的碎石等。

一般采用路面摩擦系统和构造深度来评价。

5、施工和易性。

合理的矿料级配使沥青混合料之间拌和均匀。

不致产生离析现象，适量的沥青数量可以避免混和料疏松和结团现象。

马歇尔设计方法：马歇尔试验方法的最大优点是注意到了沥青混合料的密度/孔隙率和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和饱和度，并求得最佳沥青用量。

目前采用的部颁标准（JTJ032-94）结合我国多年的研究成果和生产实际，采用3阶段设计，综合考虑沥青混合料的水稳性、抗车辙能力和低温抗裂性能，求得沥青混合料的最佳沥青用量。

随着国民经济的发展，当前干线公路上的交通状况发生了显著的变化，货车的轴载与充气压力不断增大，马歇尔设计方法逐渐显现出一些局限性：交通量划分简单；成型方法不能准确模拟车轮对路面的作用情况、不能很好地适用于改性沥青混合料；在进行改性沥青混合料试验时常出现荷载稍微增加，变形却持续增加的现象；路面的相关性较差。

虽然马歇尔设计方法在某些方面存在一些问题，但由于其设备简单，试验方法便于掌握，并且经过近半个世纪的应用，积累了大量试验数据和实践经验，同时在设计一般交通量的沥青混凝土公路也获得良好的实用效果，因此，在解决重载交通沥青混凝土设计方面，应十分注重如何借鉴新的设计思路，并将其合理地融入到马歇尔试验方法中去。

GTM设计方法：美国工程兵旋转压实剪切试验即（GYRATORY TETING MACHINE，简称GTM）作为一种理论研究和工程兵实际应用的工具，是由美国工程兵为解决轰炸机跑道容易破损的问题专门研究发明的。

GTM是柔性路面在荷载作用下的机械模拟。

该试验机采用类似于施工中压路机作用的搓揉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，具有改变垂直压力的灵活性。

GTM实验机最大限度地模
拟汽车在公路上行驶时轮胎与路面的相互作用，通过旋转压实，使模拟中沥青混合料密度达到汽车轮胎实际作用于路面时路面时所产生的密实度，即对试件施加垂直压力（还压力通过测试汽车轮胎对路面的实际压强确定），试件在该压力作用下，被旋转压实到平衡状态，（所谓平衡状态，是指没旋转每旋转100次试件密度变化率为0.016g/cm3）。

GTM 在确定最佳沥青用量时，根据不同用油量的试验结果，画出用油量与试验结果的关系曲线，来决定沥青混和料的设计密度及最佳沥青用量。

GTM确定最佳沥青用量有3个指标：稳定值、抗剪安全系数、密度。

在进行沥青混凝土配合比GTM有以下几方面优越性：
1、GTM试验应用科学推理的方法，采用应力应变原理进行设计，试验时在一定的压力下对试件揉搓旋转成型，使其对试件的作用和汽车轮胎与路面的作用力十分相似，并且在旋转成型过程中减少骨料的破碎。

2、GTM拥有试模型号为10.5×15.2cm,15.2×25.4cm,20.3×30.5cm三种，在进行沥青混凝土配合比设计时，可根据沥青混凝土的类型选择试模，尤其对于粒径大于26.5cm的粗粒式沥青混凝土更显出其优越性。

3、GTM与公路实际情况联系更紧密。

利用GTM设计沥青混凝土时，充分考虑公路行车荷载的实际情况，根据每条公路的情况在设计沥青混凝土时选择不同的设计压强，因而设计的沥青混凝土更合理。

4、GTM设计的沥青混凝土考虑了车辙产生的因素。

从理论分析讲，产生车辙的因素汉族要有两个，一是由于沥青路面在行车荷载的反复碾压下进一步压密而产生的；二是因沥青混合料在高温时的强度不足以抵抗车轮荷载的反复作用，轮下部分沥青混凝土产生剪切变形逐渐被挤压到两侧，使两侧的沥青混凝土面层鼓起，形成侧向流变而产生车辙。

而GTM在设计时充分考虑了这些问题。

采用的垂直压强是该公路汽车轮胎对路面的实际压强，并且试件在该压强下被压实到平衡状态，因此不会产生第一种变形。

同时，GTM 设计的沥青混合料满足了行车荷载作用下需要的抗剪强度，因此也不会因抗剪强度不足而产生侧向推移。

5、马歇尔法在设计沥青混合料时考虑孔隙率、饱和度等体积指标，GTM法在设计沥青混凝土时没有将这些体积指标作为确定用油量的指标，但是从GTM法确定用油量的指标中可以看出，压实稳定值与体积指标有一定的关系。

当沥青混合料过度压实或者填充较多的沥青时，压实稳定值变大，开始出现塑性变形。

6、TGM设计方法运用碾压揉搓成型的方法，在河特别是抗车辙性能，更是以往的马歇尔设计方法所无法比拟的。

可见，在沥青混合料设计中，充分考虑实际路用性能，采用科学的设计方法，不仅可以大大提高路面的使用性能，还可以为国家节省大量的建设、养护经费，这也是今后进行沥青路面混合料设计的指导思想。