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摘要：排水沥青混合料空隙率较大，在重载沥青混合料设计时，仅单纯地增加马歇尔击实次数容易造成集料破碎导致级配范围变化，影响沥青混合料设计精度。对于一般沥青混合料而言，旋转压实比马歇尔击实能取得更好的路面压实效果。为研究不同成型方法及次数对马歇尔试件物理指标、路用性能的影响，文章选择了旋转压实及马歇尔击实这两种方法，研究不同压实方法及击实次数时对物理指标及路用性能的影响。结果表明：从沥青混合料毛体积相对密度、空隙率的大小来看，马歇尔击实对于PAC-13排水沥青混合料压实效果更好;对于PAC-13排水沥青混合料，在连通空隙率方面，马歇尔击实优于旋转压实;在马歇尔稳定度、残留稳定度、冻融劈裂强度比方面，旋转压实优于马歇尔击实，其中旋转压实成型在80次压实和马歇尔成型在50次击实时可达到PAC-13排水沥青混合料较好的路用性能。
关键词：排水沥青混合料;旋转压实;马歇尔击实;物理指标;路用性能
0 引言
为检测排水沥青混合料的各项路用性能，验证设计结果是否满足规范要求和使用条件，国内大部分采用马歇尔成型法进行试验[1]，从而完成混合料配合比设计。近十年来随着高速公路交通量的持续增加，重载车辆比例也越来越高，路面压实机械吨位的提高使得马歇尔击实仪模拟实际路面压实效果不再准确，仅单纯增加马歇尔击实次数对沥青混合料压实效果的提升并不理想，偶尔还会产生粒径偏大集料的破碎现象[2-3]。
排水沥青混合料空隙比较大，单纯地增加击实次数进行重载沥青混合料设计很容易造成集料的破碎从而使级配变细，影响沥青混合料设计精度，同时对于开级配大空隙的排水沥青混合料采用马歇尔成型方法是否合适也需验证。鉴于此，需要找寻一种更为合理的成型方法来满足排水沥青混合料（尤其重载交通）配合比设计。
在19世纪80年代，美国公路战略研究所（SHRP）计划进行了一项沥青课题研究，总共耗时5年，耗费资金5 000万美元，研究出了Superpave法[4]。张争奇[5]通过分析Superpave旋转压实密度曲线发现其密度与路面施工密度更接近。周杰[6]等研究了旋转压实与现场压实相关性，发现旋转压能真实反映公路交通荷载的实际情况。因此本文采用旋转压实成型法与马歇尔成型法进行对比，研究排水沥青混合料试件的物理性质及路用性能，以期得到一种更能反映路面实际情况的排水沥青混合料成型方法供后续实体工程参考。
1 马歇尔击实与旋转压实成型概述
马歇尔法是布鲁斯·马歇尔（Brue Mar shall）最早提出的方法，在19世纪40年代，美国陆军工程兵部队对马歇尔法进行了改进，并增加了一些标准性的性能测试试验，最后发展成沥青混合料配合比设计标准方法[7]。马歇尔击实成型法操作方式简单，费用较低，是最广泛成熟的成型试件方法，但因其成型方式与实际情况不同也造成其缺點，即对车辆的水平剪切模拟性较差，随着近年来交通量及重载车辆的比例增加，该方法局限性也更加明显。
Superpave旋转压实是沥青混合料通过设定的压力、压实角及转速揉搓作用成型，可以更好地模拟施工压实过程的揉搓、移动、重排、定向作用，成型过程能更进一步模拟还原现场施工过程，同时成型的沥青混合料更符合现场实际施工碾压和后续重复交通荷载下的路面材料。与马歇尔击实成型方法相对比，SGC旋转压实成型更符合沥青混合料的现场施工碾压成型，混合料可以在油石比较小的情况下，密实度更大，并能够保证沥青混合料更真实地体现高低温性等路用性能。此外，旋转压实成型过程可以实时定量输出混合料的高度、密度和空隙率等体积参数，更精确直观地体现材料的性能信息。鉴于以上特点，采用旋转压实仪（SGC）进行重载排水沥青混合料设计。旋转压实仪SGC工作原理及压实过程如图1及图2所示。
2 试验部分
2.1 试验材料
（1）沥青
沥青为壳牌基质沥青，由92%SBS改性沥青掺加8%的高黏改性剂，经高速剪切20 min制备而成的高黏改性沥青。
（2）集料
粗集料选用10～15 mm、5～10 mm两档辉绿岩集料，细集料为0～3 mm石灰岩机制砂，均符合规范的要求。集料指标见表2。
2.2 级配
级配设计方法采用的是贝雷法[8]。集料筛分汇总见表3，集料密度见下页表4。
采用贝雷法作为级配设计方法，最大公称粒径NMPS为13 mm，故第一控制筛孔PCS为2.36 mm，第二控制筛孔SCS为0.6 mm，第三控制筛孔TCS为0.15 mm。根据贝雷法和表3所示集料筛分结果，文中粗细集料划分界限PCS为2.36 mm，有两档粗集料（CA-1粗集料粒径为10～15 mm，CA-2粗集料粒径为5～10 mm），一档细集料FA粒径为0～3 mm，填料[WTB1X]MF[HTXH]为矿粉。设计密度取松装密度的100%，设计0.075 mm筛通过率P0.075设计为5%，CA-1和CA-2按体积比52∶48组成。预留空隙率为34%。级配设计步骤如下所示：
贝雷法计算所得合成矿料级配，初试油石比4.8%，进行排水沥青混合料孔隙率、稳定度等关键指标检测。各项性能参数见表4，均满足设计要求，可进行下一步研究。
（1）初步计算
CA-1和CA-2按52∶48比例混合后，单位体积内粗集料量为：
CA-1∶1.67×100%×52%=0.868 4
CA-2∶1.61×100%×48%=0.772 8
粗集料间隙率为：
设粗集料空隙由细集料和预留空隙组成，所需细集料量及单位体积粗细集料总量为：
（0.453 4-0.34）×1.62=0.183 7 0.868 4-0.772 8+0.183 7=1.824 9
则初步粗细集料组成CA-1为47.58%，CA-2为42.34%，FA为10.08%。
（2）考虑粗集料中含有的细集料和细集料中含有的粗集料进行级配调整，粗集料中含有细集料如下：
CA-1∶47.58%×0.5%=0.24%
CA-2∶42.34%×0.9%=0.38%
总量：0.24%+0.38%=0.62%
细集料中含有粗集料为：
2.3 试验方案
本文为研究成型时不同压实功对同级配、同油石比的PAC-13排水沥青混合料性能影响，分别以不同旋转压实次数为控制指标成型旋转压实试件与不同击实次数为控制指标成型马歇尔击实试件进行对比分析，检测成型试件的体积指标、残留稳定度、飞散损失、浸水飞散损失以及冻融劈裂强度比。通过以上试验指标对比，研究分析两种不同成型方法相互之间的关联以及对混合料性能的影响，试验参数及成型试件检测指标见表6～7。
3 两种压实成型排水沥青混合料对比分析
总结两种成型方式试件体积指标以及不同压实次数成型试件对空隙率及联通空隙率的影响，并分析两种方式从指标上反映的异同点，详细对比数据见表8和图3～4。
由表8和图3～4所示，对比旋转压实成型和马歇尔击实成型试件在体积指标上的差异：
（2）从空隙率和连通空隙率的关系角度分析，成型试件空隙率与其连通空隙率呈正相关，且斜率越大，表明成型试件空隙率对其连通空隙率值影响就越显著。对比分析马歇尔击实成型和旋转压实成型方法，结果表明马歇尔击实成型的连通空隙率受其空隙率的影响就更显著，同时相同空隙率情况下，马歇尔击实成型试件的连通空隙率明显大于旋转压实成型。
（3）从马歇尔稳定度数据分析，马歇尔击实成型的稳定度要高于旋转压实成型。同时随着击实次数增加，两种成型方式稳定度均是先增大后减小，其中马歇尔击实50次时达到稳定度最大，旋转压实80～100次时达到稳定度最大。马歇尔击实75次时，PAC-13排水沥青混合料表面和内部集料都有大面积击碎现象。因此，当马歇尔击实次数为50次时，最能够反映PAC-13排水沥青混合料的性能指标。
综上几点分析：排水沥青路面排水能力优劣的关键在于连通空隙率的大小，相对于马歇尔击实方式，旋转压实方式有利于排水沥青混合料形成较大的空隙率，但不利于连通空隙率的形成。分析原因：旋转压实成型试件过程中模拟了现场胶轮压路机搓揉压实的作用，同时高黏改性沥青黏度大，与细集料混合形成胶结料团粒，由于这些团粒中间易包裹空气形成封闭空隙，且团粒不易均匀附着在粗集料表面，阻碍连通空隙的形成。在稳定度方面，马歇尔击实稳定度要优于旋转压实，其中马歇尔击实50次时达到最大稳定度，旋转压实80～100次时达到稳定度最大。
由表9和图5～6可知，两种成型方法在不同成型次数时试件均符合路用性能规范要求。其中残留稳定度随击实（压实）次数的变化非常小，主要变化范围在94%～98%之间。两种成型方式成型PAC-13试件冻融劈裂强度比随击实（压实）次数增加，先增加到峰值后再降低。总体而言，在相同击实（压实）次数时，旋转压实成型试件冻融劈裂强度比高于马歇尔击实成型试件，且在旋转压实50～80次之间，冻融劈裂强度比始终处于峰值区间，变化不大。
从残留稳定度和冻融劈裂强度数据分析，在相同击实（压实）次数时，旋转压实成型PAC-13排水沥青混合料试件的水稳定性优于马歇尔击实成型的试件，马歇尔击实50次成型试件与旋转压实80次成型试件水稳定性相近。
从飞散及浸水飞散损失数据分析，旋转压实成型的抗飞散效果整体优于马歇尔击实成型，其中旋转压实在50～80次时可达到较好的抗飞散效果，马歇尔击实在50次时可达到较好的抗飞散效果。
4 结语
（1）与马歇尔击实成型试件对比，旋转压实成型排水沥青混合料试件所检测的毛体积相对密度偏小、空隙率偏大，结果表明对于开级配的排水沥青混合料使用旋转压实成型方法不易压实。
（2）排水沥青路面排水能力优劣关键在于连通空隙率的大小，相对于马歇尔击实方式，旋转压实方式有利于排水沥青混合料形成较大的空隙率，但不利于连通空隙率的形成。
（3）在马歇尔稳定度方面，马歇尔击实成型优于旋转压实成型，其中马歇尔击实50次时达到稳定度最大，旋转压实80～100次时达到稳定度最大。
（4）在残留稳定度、冻融劈裂强度以及飞散方面，旋转压实成型的排水沥青混合料性能整体优于马歇尔击实成型，其中旋转压实成型在80次压实和马歇尔击实成型在50次击实时可达到PAC-13排水沥青混合料较好的路用性能。
参考文献：
[1]谭积青，张肖宁.沥青混合料体积设计及其效果评价[J].公路交通科技，2005（6）：1-5.
[2]郁炳生，金 涛，钱喜红，等.沥青混合料旋转压实成型与马氏制件的比较[J].华东公路，2003（1）：78-81.
[3]陈志忠，于 斌，王恒斌.Superpave技术现状及对我国沥青路面技术的启示[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2002（1）：71-75.
[4]EppsJ A，ArdilaCoulsonM.Summary of SHRP research and economic benefits of asphalt office of technology applications[J].Fedral Highway Administration，1997（11）：87-95.
[5]張争奇，袁迎捷，王秉纲.沥青混合料旋转压实密实曲线信息及其应用[J].中国公路学报，2005（3）：1-6.
[6]周 杰，王曦林，郑存艳，等.沥青混合料Superpave与马歇尔设计方法的比较[J].武汉理工大学学报，2007，174（9）：68-70.
[7]张方方，张 捷，韩 光，等.Superpave与马歇尔两种沥青混合料设计方法探讨[J].中外公路，2008，180（6）：236-239.
[8]盛 萍，龚余华.贝雷法在排水性沥青混合料级配设计中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2019，291（4）：52-56.
关键词：排水沥青混合料;旋转压实;马歇尔击实;物理指标;路用性能
0 引言
为检测排水沥青混合料的各项路用性能，验证设计结果是否满足规范要求和使用条件，国内大部分采用马歇尔成型法进行试验[1]，从而完成混合料配合比设计。近十年来随着高速公路交通量的持续增加，重载车辆比例也越来越高，路面压实机械吨位的提高使得马歇尔击实仪模拟实际路面压实效果不再准确，仅单纯增加马歇尔击实次数对沥青混合料压实效果的提升并不理想，偶尔还会产生粒径偏大集料的破碎现象[2-3]。
排水沥青混合料空隙比较大，单纯地增加击实次数进行重载沥青混合料设计很容易造成集料的破碎从而使级配变细，影响沥青混合料设计精度，同时对于开级配大空隙的排水沥青混合料采用马歇尔成型方法是否合适也需验证。鉴于此，需要找寻一种更为合理的成型方法来满足排水沥青混合料（尤其重载交通）配合比设计。
在19世纪80年代，美国公路战略研究所（SHRP）计划进行了一项沥青课题研究，总共耗时5年，耗费资金5 000万美元，研究出了Superpave法[4]。张争奇[5]通过分析Superpave旋转压实密度曲线发现其密度与路面施工密度更接近。周杰[6]等研究了旋转压实与现场压实相关性，发现旋转压能真实反映公路交通荷载的实际情况。因此本文采用旋转压实成型法与马歇尔成型法进行对比，研究排水沥青混合料试件的物理性质及路用性能，以期得到一种更能反映路面实际情况的排水沥青混合料成型方法供后续实体工程参考。
1 马歇尔击实与旋转压实成型概述
马歇尔法是布鲁斯·马歇尔（Brue Mar shall）最早提出的方法，在19世纪40年代，美国陆军工程兵部队对马歇尔法进行了改进，并增加了一些标准性的性能测试试验，最后发展成沥青混合料配合比设计标准方法[7]。马歇尔击实成型法操作方式简单，费用较低，是最广泛成熟的成型试件方法，但因其成型方式与实际情况不同也造成其缺點，即对车辆的水平剪切模拟性较差，随着近年来交通量及重载车辆的比例增加，该方法局限性也更加明显。
Superpave旋转压实是沥青混合料通过设定的压力、压实角及转速揉搓作用成型，可以更好地模拟施工压实过程的揉搓、移动、重排、定向作用，成型过程能更进一步模拟还原现场施工过程，同时成型的沥青混合料更符合现场实际施工碾压和后续重复交通荷载下的路面材料。与马歇尔击实成型方法相对比，SGC旋转压实成型更符合沥青混合料的现场施工碾压成型，混合料可以在油石比较小的情况下，密实度更大，并能够保证沥青混合料更真实地体现高低温性等路用性能。此外，旋转压实成型过程可以实时定量输出混合料的高度、密度和空隙率等体积参数，更精确直观地体现材料的性能信息。鉴于以上特点，采用旋转压实仪（SGC）进行重载排水沥青混合料设计。旋转压实仪SGC工作原理及压实过程如图1及图2所示。
2 试验部分
2.1 试验材料
（1）沥青
沥青为壳牌基质沥青，由92%SBS改性沥青掺加8%的高黏改性剂，经高速剪切20 min制备而成的高黏改性沥青。
（2）集料
粗集料选用10～15 mm、5～10 mm两档辉绿岩集料，细集料为0～3 mm石灰岩机制砂，均符合规范的要求。集料指标见表2。
2.2 级配
级配设计方法采用的是贝雷法[8]。集料筛分汇总见表3，集料密度见下页表4。
采用贝雷法作为级配设计方法，最大公称粒径NMPS为13 mm，故第一控制筛孔PCS为2.36 mm，第二控制筛孔SCS为0.6 mm，第三控制筛孔TCS为0.15 mm。根据贝雷法和表3所示集料筛分结果，文中粗细集料划分界限PCS为2.36 mm，有两档粗集料（CA-1粗集料粒径为10～15 mm，CA-2粗集料粒径为5～10 mm），一档细集料FA粒径为0～3 mm，填料[WTB1X]MF[HTXH]为矿粉。设计密度取松装密度的100%，设计0.075 mm筛通过率P0.075设计为5%，CA-1和CA-2按体积比52∶48组成。预留空隙率为34%。级配设计步骤如下所示：
贝雷法计算所得合成矿料级配，初试油石比4.8%，进行排水沥青混合料孔隙率、稳定度等关键指标检测。各项性能参数见表4，均满足设计要求，可进行下一步研究。
（1）初步计算
CA-1和CA-2按52∶48比例混合后，单位体积内粗集料量为：
CA-1∶1.67×100%×52%=0.868 4
CA-2∶1.61×100%×48%=0.772 8
粗集料间隙率为：
设粗集料空隙由细集料和预留空隙组成，所需细集料量及单位体积粗细集料总量为：
（0.453 4-0.34）×1.62=0.183 7 0.868 4-0.772 8+0.183 7=1.824 9
则初步粗细集料组成CA-1为47.58%，CA-2为42.34%，FA为10.08%。
（2）考虑粗集料中含有的细集料和细集料中含有的粗集料进行级配调整，粗集料中含有细集料如下：
CA-1∶47.58%×0.5%=0.24%
CA-2∶42.34%×0.9%=0.38%
总量：0.24%+0.38%=0.62%
细集料中含有粗集料为：
2.3 试验方案
本文为研究成型时不同压实功对同级配、同油石比的PAC-13排水沥青混合料性能影响，分别以不同旋转压实次数为控制指标成型旋转压实试件与不同击实次数为控制指标成型马歇尔击实试件进行对比分析，检测成型试件的体积指标、残留稳定度、飞散损失、浸水飞散损失以及冻融劈裂强度比。通过以上试验指标对比，研究分析两种不同成型方法相互之间的关联以及对混合料性能的影响，试验参数及成型试件检测指标见表6～7。
3 两种压实成型排水沥青混合料对比分析
总结两种成型方式试件体积指标以及不同压实次数成型试件对空隙率及联通空隙率的影响，并分析两种方式从指标上反映的异同点，详细对比数据见表8和图3～4。
由表8和图3～4所示，对比旋转压实成型和马歇尔击实成型试件在体积指标上的差异：
- 从毛体积相对密度和空隙率数据进行分析，可知旋转压实较马歇尔击实成型排水沥青混合料所测毛体积相对密度偏小、空隙率较大，说明对于开级配的排水沥青混合料使用旋转压实成型方法不易压实。
（2）从空隙率和连通空隙率的关系角度分析，成型试件空隙率与其连通空隙率呈正相关，且斜率越大，表明成型试件空隙率对其连通空隙率值影响就越显著。对比分析马歇尔击实成型和旋转压实成型方法，结果表明马歇尔击实成型的连通空隙率受其空隙率的影响就更显著，同时相同空隙率情况下，马歇尔击实成型试件的连通空隙率明显大于旋转压实成型。
（3）从马歇尔稳定度数据分析，马歇尔击实成型的稳定度要高于旋转压实成型。同时随着击实次数增加，两种成型方式稳定度均是先增大后减小，其中马歇尔击实50次时达到稳定度最大，旋转压实80～100次时达到稳定度最大。马歇尔击实75次时，PAC-13排水沥青混合料表面和内部集料都有大面积击碎现象。因此，当马歇尔击实次数为50次时，最能够反映PAC-13排水沥青混合料的性能指标。
综上几点分析：排水沥青路面排水能力优劣的关键在于连通空隙率的大小，相对于马歇尔击实方式，旋转压实方式有利于排水沥青混合料形成较大的空隙率，但不利于连通空隙率的形成。分析原因：旋转压实成型试件过程中模拟了现场胶轮压路机搓揉压实的作用，同时高黏改性沥青黏度大，与细集料混合形成胶结料团粒，由于这些团粒中间易包裹空气形成封闭空隙，且团粒不易均匀附着在粗集料表面，阻碍连通空隙的形成。在稳定度方面，马歇尔击实稳定度要优于旋转压实，其中马歇尔击实50次时达到最大稳定度，旋转压实80～100次时达到稳定度最大。
由表9和图5～6可知，两种成型方法在不同成型次数时试件均符合路用性能规范要求。其中残留稳定度随击实（压实）次数的变化非常小，主要变化范围在94%～98%之间。两种成型方式成型PAC-13试件冻融劈裂强度比随击实（压实）次数增加，先增加到峰值后再降低。总体而言，在相同击实（压实）次数时，旋转压实成型试件冻融劈裂强度比高于马歇尔击实成型试件，且在旋转压实50～80次之间，冻融劈裂强度比始终处于峰值区间，变化不大。
从残留稳定度和冻融劈裂强度数据分析，在相同击实（压实）次数时，旋转压实成型PAC-13排水沥青混合料试件的水稳定性优于马歇尔击实成型的试件，马歇尔击实50次成型试件与旋转压实80次成型试件水稳定性相近。
从飞散及浸水飞散损失数据分析，旋转压实成型的抗飞散效果整体优于马歇尔击实成型，其中旋转压实在50～80次时可达到较好的抗飞散效果，马歇尔击实在50次时可达到较好的抗飞散效果。
4 结语
（1）与马歇尔击实成型试件对比，旋转压实成型排水沥青混合料试件所检测的毛体积相对密度偏小、空隙率偏大，结果表明对于开级配的排水沥青混合料使用旋转压实成型方法不易压实。
（2）排水沥青路面排水能力优劣关键在于连通空隙率的大小，相对于马歇尔击实方式，旋转压实方式有利于排水沥青混合料形成较大的空隙率，但不利于连通空隙率的形成。
（3）在马歇尔稳定度方面，马歇尔击实成型优于旋转压实成型，其中马歇尔击实50次时达到稳定度最大，旋转压实80～100次时达到稳定度最大。
（4）在残留稳定度、冻融劈裂强度以及飞散方面，旋转压实成型的排水沥青混合料性能整体优于马歇尔击实成型，其中旋转压实成型在80次压实和马歇尔击实成型在50次击实时可达到PAC-13排水沥青混合料较好的路用性能。
参考文献：
[1]谭积青，张肖宁.沥青混合料体积设计及其效果评价[J].公路交通科技，2005（6）：1-5.
[2]郁炳生，金 涛，钱喜红，等.沥青混合料旋转压实成型与马氏制件的比较[J].华东公路，2003（1）：78-81.
[3]陈志忠，于 斌，王恒斌.Superpave技术现状及对我国沥青路面技术的启示[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2002（1）：71-75.
[4]EppsJ A，ArdilaCoulsonM.Summary of SHRP research and economic benefits of asphalt office of technology applications[J].Fedral Highway Administration，1997（11）：87-95.
[5]張争奇，袁迎捷，王秉纲.沥青混合料旋转压实密实曲线信息及其应用[J].中国公路学报，2005（3）：1-6.
[6]周 杰，王曦林，郑存艳，等.沥青混合料Superpave与马歇尔设计方法的比较[J].武汉理工大学学报，2007，174（9）：68-70.
[7]张方方，张 捷，韩 光，等.Superpave与马歇尔两种沥青混合料设计方法探讨[J].中外公路，2008，180（6）：236-239.
[8]盛 萍，龚余华.贝雷法在排水性沥青混合料级配设计中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2019，291（4）：52-56.