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配合比设计技术对沥青路面车辙特性的影响

G·A·休伯、W·派恩，Heritage研究小组，美国印第安纳州印第安纳波利斯

J·F·科尔特、F·蒂尔，法国路桥实验中心，法国南特

P·朗格卢瓦，魁北克交通运输部，加拿大魁北克

摘要：自20世纪初期以来，沥青路面的永久变形一直是混合设计系统的重点。如今，混合设计的主要目标之一仍然是防止车辙。世界上使用了几种主要类型的混合设计。每种方法都使用一组不同的标准来解决车辙的问题，其中包括压实的类型和强度以及对体积标准和沥青含量的选择。1950年后，马歇尔混合设计方法在世界范围内广泛使用。在1960和70年代，LCPC开发了一种混合设计方法，与马歇尔方法大不相同。在1990年代，Superpave混合设计方法得以开发，并在美国得到实施。魁北克州使用Superpave设备但采用LCPC设计原则开发了混合混合设计系统。在2000年，使用四种设计方法在同一套材料上独立进行混合设计，并在法国南特的LCPC试验场上进行了建造。这些断面在2000年夏季加载，并监测车辙。本文概述了混合设计方法，并对独立执行的设计进行了总结。

1 背景

热拌沥青混合料的设计可以追溯到1800年代后期。在世界上不同的地方开发了几种不同的方法。每种方法都包含了压实混合物的方法，压实的设计量，评估体积特性（空气空隙，VMA等）的方法以及机械性能测试。在1900年代的后半期，全世界采用了混合设计的马歇尔方法。一个重大例外是LCPC在法国开发的一种方法。这种方法可生产出抗车辙且性能优异的路面。在1900年代后期，开发了体积混合设计的Superpave方法，该方法没有进行机械性能测试。由于压实类型等的差异，无法定量比较这些方法。

本文的目的是考虑四种混合设计方法的详细信息：马歇尔，LCPC（法国蓬特布法尔中央实验室实验室），Superpave和MTQ（魁北克省运输公司）。对于每种方法，使用相同的集合体进行独立的混合物设计。将对混合物设计的结果进行比较，并将获得关于每种方法使用的方法的见解。

2 体积混合设计的历史

自1900年代初期以来，一直在研究热混合沥青（HMA）混合物的设计。从一开始，人们就希望了解骨料，沥青结合料和压实过程中产生的空隙之间的相互作用。在开发正式的混合物设计方法之前的几天，通过评估灰阶来确定沥青结合料的含量。将配方应用于该级配，并计算出对沥青粘合剂的要求，认识到需要最小量的沥青粘合剂以提供令人满意的耐久性，以及在不使混合物变得不稳定的情况下可以使用的最大数量。^[1]

到1920年代，在哈伯德-菲尔德混合气设计方法的开发过程中，空气空隙的重要性已被视为控制混合物场性能的关键参数。最少量的沥青粘合剂。总混合物中的空隙和骨料中的空隙是指定的两个体积特性。^[2][3]

与哈伯德和菲尔德的工作不同，密歇根州公路局在1930年代初开发了一种混合设计方法，该方法评估了渐变曲线的形状并将其表示为“渐变模量”，从中确定“骨料的固有容量”。^[4]

所有早期混合物设计方法均基于以下信念：存在控制HMA混合物性能的“等级定律”，并且沥青粘合剂的需求与等级相关。为了发现灰度定律，人们花费了大量的研究精力与等级定律相关的信念是，存在一个“理想的”等级，它将为最小量的沥青粘合剂和空气空隙提供足够的空间，并在交通中提供足够的稳定性。

混合设计的马歇尔方法是在哈伯德-菲尔德方法的基础上发展而来的。在哈伯德-菲尔德方法中，Proctor锤（与土壤中使用的锤子相同）用于压实样品。 在马歇尔方法中，锤面的直径增加到102毫米（4英寸）以匹配样品的直径。哈伯德-菲尔德稳定性测试（一种挤压型测试）已替换为马歇尔稳定性测试。

Superpave是马歇尔混合设计的扩展。马歇尔方法的重要组成部分被转交给Superpave ^[5]。 混合物的体积特性，即空气空隙（Va），矿物骨料中的空隙（VMA）和填充有沥青的空隙（VFA）是控制混合物行为的经验特性。这些是从马歇尔方法继承而来的。但是，旋转压实机取代了马歇尔锤。马歇尔稳定性测试将被更基本的工程特性所取代，但有关性能模型和混合物特性测试的工作仍在继续，这些测试将在将来使用。简单性能测试的研究即将完成，应在未来一到两年内添加到Superpave中。同时，控制混合物的体积特性可控制Superpave HMA的特性。

从概念上讲，HMA是一种简单的材料。它仅仅是骨料和沥青粘合剂的组合。 HMA混合物设计的目的是在稳定性，耐用性，柔韧性，抗疲劳性，防滑性，渗透性和可加工性方面优化其性能。这通常通过评估混合物的体积特性来完成。体积性质控制混合物的工程性质。

从历史上看，HMA混合设计方法使用根据观察到的现场性能确定的经验设计属性。这就是首先确定体积性能与性能相关的的方式。通常，当体积特性正确时，性能会很好。

在美国，随着Superpave体积混合物设计方法的出现以及马歇尔和Hveem设计方法的逐步淘汰，HMA混合物设计处于不断变化的状态。自1994年开始实施以来，Superpave混合料已在全国几乎所有地区普及。在未来几年中，预计美国的大多数HMA混合物将使用Superpave概念进行设计。

3 HMA混合设计中的“最新技术”

自从1940年代采用马歇尔混合料设计方法以来，它就一直主导着HMA混合料的全球市场。它几乎已在全世界范围内使用。于1930年代在加利福尼亚开发的Hveem混合物设计获得了认可，主要是在美国西部，但并未在美国以外使用。在美国以外，除了马歇尔之外，唯一使用混合物设计的其他方法是由桥梁和道路中央实验室（法）开发的。（LCPC）。

如今，Superpave是要开发的最新混合物设计方法。它正在美国实施并且正在被世界上许多国家评估。 Superpave包含马歇尔和LCPC方法的元素。魁北克交通运输部（MTQ）对Superpave方法进行了评估，采用了LCPC方法的各个部分并对其进行了整合。重要的是要考虑四种混合设计方法（马歇尔，LCPC，MTQ和Superpave）之间的关系和差异。

4 马歇尔混合物设计

马歇尔混合料设计理念涉及选择骨料等级和压实等级。将骨料与不同百分比的沥青粘合剂混合，然后使用落锤压实。然后确定压实样品中的气孔，并将其与规格值进行比较。通常，VMA要求基于骨料共混物的标称最大尺寸，需要有4％的空隙。如果仅通过改变沥青含量不能达到规定的空隙，则必须检查新的骨料等级，甚至新的骨料。当等级在指定范围内并且气隙和VMA符合指定标准时，选择设计。^[6]

马歇尔设计压实的原理是模具中样品的密度应与混合物投入使用后所获得的极限密度相匹配。通常，马歇尔模具中的气孔设计为3％至5％。^[7][8]将混合物压实至道路上8％至10％的空隙。被贩运后，有些人相信两到四年，而另一些人则认为使用寿命将结束（15年），密度会增加，在人行道上只留下3-5％的空隙。

该方法的早期开发研究试图将现场测试部分的密度与马歇尔锤的打击次数关联起来。结果，设计压缩级别与预期的通信量有关。建议进行三个级别的压实，分别在轻，中和重型车辆上对试样的每一侧分别进行35、50和75次打击。

5 LCPC混合物设计

LCPC在1960和70年代开发了一种新的混合物设计方法。设计方法基于以下原则：应设计HMA，并在施工期间将其压实至最终密度。因此，预计不会出现后期施工致密化。混合物使用寿命结束时的密度与施工后立即的密度相同。

LCPC方法的开发研究试图建立一种设计压实效果，以匹配施工期间发生的压实。 LCPC将标准滚动列定义为一个16圈的充气轮胎，其轮胎承载3吨（6,600磅），胎压为6 bar（87 psi）。

为了确定道路上的大型压实机和LCPC旋转压实机之间的压实效率之间的相关性，建立了一个大型实验室压实台。单个充气轮胎大约宽2米，长4米。在压实台上压实了一系列不同的混合物。对于每种混合物，发现在标准轧制机列下达到的密度与升力厚度有关。当举升机厚度太薄时，密度会降低^[9]。结果，升降机厚度根据最大骨料尺寸标准化。他们选择的提升厚度是最大骨料尺寸的五倍。结果是Superpave定义的最大标称最大聚合大小的六倍。因此，对于0/14的混合物，最大骨料尺寸为14毫米，举升厚度为80毫米，约为标称最大骨料尺寸12.5毫米的六倍。该方法导致在法国使用较厚的升降机。

对于实验室压实，LCPC选择了旋转压实机。他们在使用马歇尔锤和静态压实方面有一些经验。 （在LCPC方法之前使用的Duriez混合设计方法使用静态压实）。 1959年，一个法国代表团访问了德克萨斯州，亲眼目睹了德克萨斯州的旋转压实机。进行了研究以完善该方法，并于1968年在法国制定了旋转压实规程。

德州压实机使用接近六度的角度，并在三个回转的爆发中以每秒一的速率施加回转。在每组旋转之后，检查样本对进一步压紧的抵抗力。如果样品还没有足够的抵抗力，则再施加一组回转。压缩完成时样品具有足够的抗压强度。^[10]

LCPC设计并建造了一种旋转压实机，该压实机连续施加回转而不是突然施加旋涡。研究了回转角和垂直压力对不同类型混合物的影响。还进行了研究以选择样本尺寸。这些研究的结果是，LCPC在600 kPa的垂直压力下将旋转角度标准化为1度。LCPC还监视密度的增加速率，并发现密度和回转数的对数之间几乎呈线性关系^[11]。

在将回转压实曲线与实验室压实台的密实度曲线关联起来之后，LCPC将回转的设计数量设置为等于以毫米为单位的提升厚度。因此，将构造一个最大尺寸为14毫米的混合物（名义最大尺寸为12.5毫米），厚度为80毫米（最大尺寸的五倍），设计压实度为80回转。

在LCPC方法中，对于每种混合物类型，沥青粘合剂含量的最小值根据梯度（相对于表面积）而固定，以确保骨料的正确涂覆并因此确保良好的耐久性。 沥青粘合剂的百分比由下式确定：

（1）

其中

K-每种混合物的丰度模量均设置为最小值；

—骨料比重的校正因子；

—计算的骨料表面积,且

（2）

其中

G是通过6.3毫米筛的百分比；

S是通过0.6毫米并保留在0.315毫米筛子上的百分比；

s是通过0.315毫米并保留在0.08毫米上的百分比；

f是通过0.08毫米筛的百分比。

设计方法是一种选择集料结构以在设计压实时提供正确范围的空隙的系统。 允许的空隙范围为4％至8％。大多数设计师的目标是5％的空隙。在混合料设计开始时，浓度模量保持恒定，并且根据要提出的等级计算最小沥青含量。如果无法制成合适的混合物，则富集模量会增加。在这种情况下，最终混合物设计将在LCPC车辙测试仪中进行评估。

在现场，所需的密度是最大理论重力的95％。 LCPC记录了在路面使用寿命期间，交通密度几乎没有或没有增加。

6 Superpave混合料设计

Superpave混合料设计程序是战略公路研究计划（SHRP）的一部分，已开发成为HMA材料设计和建模的综合系统。进行了沥青粘合剂测试，以根据气候和交通水平调整粘合剂的性能。建立了总体质量规格，以提高所得HMA混合物的性能。旋转压实机是作为实验室工具开发的，可以更紧密地模拟HMA混合物的现场压实。

在SHRP期间，发展研究的重点是将回旋压实作用与使用寿命结束时的路面密度相关联。 SHRP中将设计压实与现场压实相关的基本原理是从马歇尔方法继承而来的。设计气隙应选择较低的水平。在Superpave中，设计气隙被选择为4％，而不是马歇尔方法中使用的3％到5％的范围。施工后立即在路上的施工空洞预计为8％。 SHRP期间的N设计实验确定了至少12年龄且承受等效交通量（按等效单轴载荷（ESAL）衡量）的路面的就地密度所需的回转次数^[12]。由于与VMA有关的问题，决定将设计气隙固定为4％而不是使用3％到5％的范围。

7 MTQ混合设计

魁北克省交通运输部（MTQ）正在研究SHPC开发Superpave时在魁北克实施的LCPC混合料设计方法。 MTQ希望在魁北克实施LCPC方法，但主要障碍是LCPC压实机的成本和可用性。经过LCPC和在Superpave方法中，决定使用Superpave旋转压实机代替LCPC旋转压实机。 ^[13]

设计压实效果取决于标称最大尺寸。对于10 mm的标称最大尺寸，Ndesign为80回转。对于14mm的名义最大尺寸，Ndesign为100回转，这些设计压实工作与Superpave中使用的类似。

设计气隙含量选择为4％至7％。类似于LCPC方法^[14]，每种混合物类型的沥青有效体积都是固定的。使用ASTM和AASHTO测试方法对骨料特性（例如，体积比重）进行测试，但与LCPC设计方法一样，通过直接在压实模具中确定混合物的体积来进行混合物特性（例如，空隙，VMA）的测试。与Superpave相同的方法考虑了沥青吸收。

道路上的压实要求为Gmm的92％，与Superpave相同，这是因为魁北克使用的举升机厚度与美国使用的举升机厚度相似。魁北克不使用法国的举升机。

指定了两种不同类型的混合物，“ grenu”（粗纹理，在限制区域以下具有渐变）和“ semi-grenu”（更精细的纹理，具有接近或穿过限制区域的渐变）。对于两种混合物的沥青粘合剂的有效体积有不同的要求。

总之，在魁北克使用的混合料设计方法与LCPC方法类似，不同之处在于使用了Superpave回转仪，道路上的预期密度为最大理论密度的

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