0 概述
国内外对热拌沥青混合料的设计多采用马歇尔设计方法， 即采用击实成型的方法对各种体积参数，诸如沥青用量、空隙率、矿料间隙率、有效沥青饱和度等相关参数进行控制的体积设计方法。该方法最早由密西西比州公路局的Brue.Marshall提出。1948年美国陆军工程兵部队对马歇尔方法加以改进，于1949年正式为美国陆军所采用，并添加了一些测试性能和严格的体积参数等技术标准。最终发展成为混合料设计标准。马歇尔方法经过半个多世纪的应用，对沥青路面设计做出了应有的贡献。但随着现代沥青路面的发展、交通量的增大、轮胎压力和轴载的迅速增长，这种带有经验性的方法逐渐显示出一定的局限性：随着交通量的增加.高压轮胎的增多，会使沥青混合料的最终密度超过建立马歇尔试验方法时的水平：马歇尔试件成型过程与道路实际压实有较大的差异，只通过增加击实次数来提高密实程度，结果不但没有明显地增加密实程度，反而会造成集料的破碎，从而改变矿料的级配;在现代施工工艺条件下，马歇尔设计的沥青用量普遍偏大，致使沥青路面产生过早的车辙、推移、壅包等。众所周知，沥青路面设计最重要的技术指标莫过于沥青用量和空隙率，当沥青混合料矿料间隙率(VMA)确定后，空隙率就完全取决于沥青用量的大小了。现行《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》(JTJ 052—2000)(以下简称规程)规定，当采用较大粒径的沥青混合料时，应用等量代替方法，将不可避免地导致矿料级配的改变 随之我国试验规程给出了大粒径沥青混合料的大马歇尔(ф152.4x95.3mm)方法，较普通或标准、小马歇尔(ф101.6~63.5mm)方法有了改进，但对最佳沥青用量的影响程度又如何呢?为了模拟行车荷载碾压的实际情况，世界各国对此成型方式进行了研究.主要有法国的LCPC旋转压实、美国SHRP旋转压实仪SGC (Shear Gyratory Compaction)、美国工程兵旋转压实仪GTM(Gyratory Test Machine)三种。其中美国SHRP曾对旋转压实、轮碾压实、马歇尔压实的试件和现场钻芯试件进行了工程性质的相关分析，结果表明：马歇尔成型试件的工程性质与现场钻芯试件的工程性质的相关性最差.只有7%的相似性，而SGC与现场钻 取样的相关性达到了45%。
安徽省沿江高速公路沥青路面东西两段(YJ1、YJ3)全长110.3km，：划分为5个路面标段， 目前各施工单位已进场，正在进行临建和备料的准备工作。之前省高指组织了对沿线石料、水泥等材料的调查和两次沥青路面施工图审查专家论证会，详细地对沥青混合料的类型、材料的技术标准、路面结构设计方案等进行了评估和论证.最终敲定上面层采用4cmAC-13C改进型、SMA-13.中面层采用6cmAC-20C改进型.下面层采用8cmAC-25C改进型。接下来的前期工作就是如何设计一个路用性能良好的沥青路面。国际上有各式各样的配合比设计方法，我国现行的《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)(以下简称规范)明确了以马歇尔方法为标准的设计方法，同时也允许采用其他的设计方法，因而我们不应该、更不能拘泥于技术规范，在有条件的地方和工程中，应学习国际上或省内外的先进经验，使配合比设计水平得到提高 应该明白，尽管对材料的质量规格、沥青混合料的设计标准在规范中都有明确的规定，规范也提出了推荐的集料级配范围，但并不是说，满足规范要求的设计就一定是合理的设计，更不等于是一个好的设计，规范的要求往往只是最起码的要求，且规范的指标并不一定与沥青路面的使用性能有直接的关联。本项目采用SHRP旋转压实方式设计沥青路面，并采用标准马歇尔方法作为检验的双控设计方法，确地确定两者最佳的沥青用量的关系，期指导沿江高速公路沥青路面用油量的准确控制。研究认为，对重交通路段可以通过适当提高设计空隙率和减少沥青用量的方法来解决，因为增加压实功最直接的影响是使最佳沥青用量减少;对下面层AC-5大粒径沥青混合料采用大型马歇尔设计方法。所采用的沥青混合料公称最大粒径为26.5mm～31.5mm规范规定，26.5mm筛孔的通过率为90%～100%。就是说，大于26.5mm筛孔的矿料用量有10%左右，试验规程还规定，将大于26.5mm的颗粒筛除后用等量的13.2mm～26.5mm颗粒代替.然后用标准马歇尔或普通马歇尔试验仪进行试验。这种替代方法必将破坏原定沥青混合料的矿料级配，且替代量越大，级配被破坏的越严重。众所周知，矿料级配对用同样试验方法得到的沥青混合料的密度和空隙率有显著影响，因此，用替代方法得到的沥青混合料的密度和相应的空隙率，不能代替这种混合料在所定的击实功下的最大密度和相应的空隙率。用此结果来控制施工，容易产生误导.按此结果来制备室内试件并做混合料的力学性质试验。也会得出错误的结果，这就是我们对下面层沥青混合料为什么要使用大型马歇尔设计的原因。现笔者将前期工作中对SGC、大Marshall、小Marshall三种成型方式对沥青用量影响的研究成果整理出来，与广大公路科技工作者、公路界同行交流，希望能得到有益的启示
1 三种成型方法及参数
沿江高速公路沥青路面下面层的混合料粒径较大，也称大粒径沥青混合料(LSM)，设计上应采用150mm试件，目前可以采用两种设计方法，即大马歇尔法和旋转压实成型法，三种试件的成型仪器参数见表1。其中大型马歇尔击实试验试件的尺寸比标准马歇尔试件尺寸放大了50%.在保证落锤高度不变的前提下，落锤重量为10.2kg.每面击实次数为112次。本质上是从小马歇尔按能量等效换算所得的试件尺寸，主要是由于小马歇尔体积过小，造成大粒径混合料边际效应影响较大的缘故而采用。大量的研究结果表明，采用大Marshall和小Marshall成型相同类型的沥青混合料.有如下结论：
a)大Marshall稳定度/小Marshall稳定度=1.42～3.04(倍)，平均为2.2倍;
b)大Marshall流值/小Marshall流值=1.1 1-2.05(倍)：
表1 大型马歇尔、标准马歇尔击实以及旋转压实仪参数
击实参数 标准马歇尔 大型马歇尔 SHRP旋转压实仪
试件直径(mm) 101.6 152.4 直径(mm) 150
试件标准高度(mm) 63.5 95.3 高度(nln1) 115
落锤质量 (kg) 4.53 10.2 压力(kPa) 6oO
落锤高度(mm) 457 457 压实角(℃) 1.25
击实次数 75 l12 转速(rpm) 30
每次单位表面功 0.002 503 7 0.002 505 5.
(N .m/mm2)
体击实功 0.002 957 0.002 946
(N.m/mm3)
C)大Marshall表干密度/小Marshall表干密度=1.009 4—1.209 7(倍)。
从试验结果可以看出：a)当空隙率为4.0%时.大马歇尔、小马歇尔和SGC试件对应的最佳沥青含量分别为5.7% 、6.2% 、5.5% ， 即大马歇尔最佳沥青含量比小马歇尔低0.5%，比SGC高0.2%：b)大马歇尔试件空隙率和矿料间隙率随沥青含量的增加，
其线位介于小马歇尔试件和SGC试件之间，并且曲线斜率变化比小马歇尔和SGC快;c)大马歇尔试件的粗集料间隙率(VCAmix)和沥青饱和度(VFA)的曲线线位比小马歇尔试件和SGC试件都高，说明大马歇尔试件粗集料间隙率(VCAmix)随沥青用量的微弱增加.粗集料之间磨阻力的降低更快.有利于粗骨料的分布和沥青胶浆充分地填充于粗集料之间。
2 结语
2.1 可以看出，对同一级配的沥青混合料，不同成型方式确定的最佳沥青用量相差较大.远超出最佳沥青用量±0.3%的范围，标准马歇尔确定的沥青用量最大，大型马歇尔次之，SGC最小。如果沿江沥青路面仅按标准马歇尔方法设计，可能会导致沥青用量偏大，因此本项目应采用旋转压实和马歇尔双控设计方法。笔者认为，评价沥青混合料配合比设计是否合理、是否优秀的标准应该是：必须符合规范规定的质量要求。一个好的设计应使沥青路面具有良好的路用性能;所设计的混合料必须有利于施工;所设计的混合料应具有良好的成本经济效益。
2.2 由于大型马歇尔试件尺寸的增大.试件内部的大粒径碎石在击实过程中可以更加充分地移动、嵌挤，使试件更加密实，这样可有效地降低用油量，改善沥青混合料的高温抗车辙性能，同时试件密度的增大，还对现场施工具有一定的指导意义。因为我们经常遇到标准马歇尔压实度超出100%的情况，往往产生沥青路面“过碾”的假象，导致沥青路面渗水，实际上这是标准马歇尔击实功过小和试件尺寸效应的缘故。