近年来，由于交通量的迅速增加和重交通的发展，我国大多数高等级沥青路面出现了车辙、裂缝、水损害等早期损坏，极大地影响了路面的使用性能和行车的安全性。马歇尔法是美国密西西比州公路局Bruce Marshall 于1939 年首次提出，1958 年列入ASTMD1559，随后成为世界上最盛行的沥青混合料设计和施工控制的主要方法^[1,2]。我国自20世纪70年代以来开始应用马歇尔设计方法，并纳入了规范，一直沿用至今。马歇尔设计方法的马歇尔击实功与20世纪80年代的交通量相适应，但与现代交通已不相适应，而且其试件的成型方式也不能很好地模拟行车压实，而振动成型方法已经在沥青混合料的研究中有所应用。华南理工大学^[3]研究指出，马歇尔击实对集料破碎影响最为严重，振动压实对粗集料的破碎影响较小，旋转压实和轮碾压实对粗集料破碎影响较大。长安大学沙爱民^[4]研究指出，对于大粒径碎石沥青混合料，在不同的参数配置下，振动压实方法不容易造成碎石的击碎，不容易出现改变原有的级配组成而影响混合料性质的情况^[5]，建议采用振动成型法对大粒径碎石混合料进行成型。

本文在分析马歇尔击实法和振动成型法等成型方法可靠性的基础上，对比研究了不同成型方法对ATB-30沥青混合料的物理力学性能和最佳油石比的影响。 1 材料与方案 1.1 原材料

(1)沥青

采用新疆克拉玛依A级70^#沥青，其技术指标见表 1。

(2)矿料

采用柳林石灰岩，分为19~37.5 mm、9.5~19 mm、4.75~9.5 mm、机制砂、矿粉五种规格。原材料各项技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)^[6] 的技术要求，其中集料的压碎值为20.4%。 1.2 配合比

矿质混合料级配见表 2。

根据马歇尔方法确定ATB-30混合料最佳油石比为3.34%。 1.3 试验方法

拟对比研究马歇尔击实方法和垂直振动成型方法对ATB-30混合料性能的影响规律。测试ATB-30混合料的3个平行试件得到试验数据，经格鲁布斯法检验后取平均值做为试件的各项性能数据。 1.3.1 试件成型方法

(1)马歇尔击实法

对试件采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的大型马歇尔击实方法^[7]：试件尺寸为Φ152.4 mm×95.3 mm，双面击实112次。

(2)振动成型方法

对试件采用垂直振动成型方法(VVCM)^[8]：振动压实仪要求垂直方向有激振力，水平方向激振力为0，振动频率为37 Hz，名义振幅为1.2 mm，上车工作质量为120 kg，下车工作质量为180 kg。试件尺寸为Φ150 mm×95.3 mm，振动时间为(100±5)s。VVCM试件密度比马歇尔密度大1.02倍,见图 3(a)，试件力学性能与芯样的相关性可达92%,见表 6。文献^[4]中的振动参数为：上车工作质量为102 kg(上配重块为3块)，下车工作质量为167 kg(下配重块为6块)，名义振幅为1.25 mm(偏心块夹角为30°)，工作频率为28 Hz，振动时间为2 min，与本文研究所采用的VVCM不同。文献^[4]振动成型试件密度小于马歇尔试件密度，与芯样的相关性情况并未验证。 1.3.2 力学性能测试方法

(1)抗拉强度

抗拉强度采用半圆弯曲(Semi-Circular Bending，SCB)试验测定^[9,10]。SCB试验模型和原理见图 1。试验中采用直径为1.2 cm的圆条作为支座及压条。当试验温度为-20 ℃时，加载速率为5 mm/min；当试验温度为15 ℃和25 ℃时，加载速率为50 mm/min。

抗拉强度计算式为：

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图1 SCB试验原理图 Fig.1 Principle diagram of SCB test

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(2)抗剪强度

抗剪强度采用单轴贯入试验测定^[11]，单轴贯入试验模型和原理见图 2。试验采用电子万能试验机，使用直径为42 mm的压头。试验温度为60 ℃，加载速率为1 mm/min。

图 2 单轴贯入试验模型和原理 Fig. 2 Model and principle of uniaxial penetration test

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单轴贯入强度计算式为：

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马歇尔设计方法理论的精髓是室内成型试件密度与通车多年后路面的最终密度相等。然而，近年来，随着重交通的快速发展，通车1~3 a路面密度大于室内试件密度，并表现出车辙和Top-down裂缝，显然表明马歇尔设计密度或击实功已偏小了。结合重交通作用多年的路面最终密度和当前压实水平，蒋应军和梁慧^[8]提出重交通压实标准密度=马歇尔试件密度×1.02，这一结论与GTM试件密度基本一致。如图 3所示，VVCM试件密度约为马歇尔试件密度的1.02倍。文献^[4]的振动成型试件密度小于马歇尔试件密度，显然研究出发点、目的和所得的结论不同于本文。由图 3还可知，随油石比变化，两种成型方式下ATB-30混合料体积参数的变化规律基本一致。由于VVCM的压实功比马歇尔击实功大，因此，在相对较少的沥青润滑和填充作用下即能达到最大密度，在密度-油石比曲线中表现为马歇尔试件密度峰值对应油石比为3.6%，而VVCM试件则为3.3%。

注：Pa为ATB-30混合料的油石比；ρf，VV，VMA，VFA分别为ATB-30混合料的密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度。 图 3 成型方法对ATB-30混合料体积参数-油石比关系的影响 Fig. 3 Effect of compaction methods on between volumetric parameters and asphalt-aggregate ratio of ATB-30 mixture

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(1)马歇尔稳定度

两种方式成型ATB-30混合料试件的马歇尔稳定度MS见图 4。可以看出，不管用什么成型方式，ATB-30混合料的马歇尔稳定度都随着油石比P_a增大而呈抛物线变化规律，但稳定度峰值及对应油石比有所不同。VVCM试件稳定度峰值为34.9 MPa，而马歇尔试件为24.0 MPa，对应各自油石比分别为3.3%和3.6%。这是因为VVCM压实功比马歇尔击实功大，即使油石比较低,颗粒摩阻力较大，颗粒也能更紧密靠拢，因而表现出马歇尔稳定度峰值的油石比比马歇尔试件小0.3%。

图 4 成型方式对ATB-30混合料MS-Pa关系的影响 Fig. 4 Effect of compaction methods on MS-Pa relation of

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(2)力学强度

两种方式成型ATB-30混合料试件的抗压强度R_c、抗拉强度σ和劈裂强度R_t分别见图 5~图 7。可以看出，相同的试验温度条件和成型方式下，随着油石比P_a的增大，ATB-30混合料的力学强度呈抛物线变化，且相同的试验温度下，VVCM试件抗压强度最大值对应的油石比比马歇尔试件小0.3%左右。

图 5 成型方式对ATB-30混合料Rc-Pa关系的影响 Fig. 5 Effect of compaction methods on Rc-Pa relation of ATB-30 mixture

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图 6 成型方式对ATB-30混合料σ-Pa关系的影响 Fig. 6 Effect of compaction methods on σ-Pa relation of ATB-30 mixture

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图 7 成型方式对ATB-30混合料Rt-Pa关系的影响 Fig. 7 Effect of compaction methods on Rt -Pa relation of ATB-30 mixture

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(3)两种方式成型试件的力学强度比较

两种方式成型的试件的力学强度比较结果见表 3。可以看出，相同的油石比以及试验温度条件下，VVCM试件的马歇尔稳定度、抗压强度、抗拉强度、劈裂强度平均分别为马歇尔试件的1.54倍、1.47倍、1.45倍、1.39倍。这是因为VVCM试件的矿料颗粒排列密实且结构更加稳定，使得其有足够的韧性、良好的承荷能力、变形能力以及水稳定性。

两种成型方式最佳油石比下的ATB-30混合料力学性能对比见表 4。可以看出，在各自的最佳油石比下，VVCM试件的马歇尔稳定度、抗压强度、劈裂强度、抗拉强度分别为马歇尔试件的1.45倍、1.45倍、1.44倍、1.44倍。

ATB-30混合料路面芯样、马歇尔试件及VVCM试件的矿料级配和力学性能见表 5、表 6。室内试验和现场沥青混合料的油石比均采用3.4%，振动成型过程中振动压实时间为100 s。表 6中,R_X为路面芯样的力学指标，R_V为VVCM试件的力学指标，R_M为马歇尔试件的力学指标。

由表 5可知，与原设计级配相比，马歇尔击实、VVCM压实以及现场碾压后ATB-30混合料矿料均有压碎情况，现场碾压对矿料级配影响最小，VVCM试件集料破碎略大于马歇尔试件，这主要是因为VVCM成型试件的压实功大于马歇尔击实功所致^[12]。文献^[4]中振动成型法压实功小于马歇尔方法击实功，所得密度也小于马歇尔密度，因而大粒径沥青混合料中集料破碎小于马歇尔试件。

由表 6可知，VVCM试件力学强度与路面芯样之比平均为92%。而马歇尔试件平均不足70%。这说明VVCM比马歇尔击实方法更能较好地模拟沥青路面现场压实机理和压实效果，成型的试件能准确评价路面性能。另外，受刚性试模尺寸效应影响，试件成型过程中颗粒移动排列不如现场碾压过程来得充分，而影响试件内部结构，这是路面芯样的力学强度高于室内试件的主要原因。

(1)相同油石比下，ATB-30混合料VVCM试件的密度平均为马歇尔试件的1.02倍，VVCM试件的马歇尔稳定度、抗压强度、劈裂强度、抗拉强度平均分别为马歇尔试件的1.54倍、1.47倍、1.39倍、1.45倍；

(2)ATB-30混合料试件的力学强度随压实功的增大而增大，力学强度达到峰值所需的油石比随之有所下降。以本文为例，VVCM方法确定的最佳油石比为3.3%，而马歇尔方法确定的最佳油石比为3.6%，对应VVCM试件的马歇尔稳定度、抗压强度、劈裂强度、抗拉强度分别为马歇尔试件的1.45倍、1.45倍、1.44倍、1.44倍；

(3)路面芯样、马歇尔试件及VVCM试件力学强度对比结果表明，VVCM试件力学强度测试精度可达92%，而马歇尔试件不足70%。这表明VVCM比马歇尔击实更能较好地模拟沥青路面现场压实机理和压实效果，成型试件能更准确地评价路面使用性能。