目前，国际上具有代表性的沥青混合料设计方法有马歇尔设计方法、维姆(Hveem)设计方法、GTM设计方法、Superpave设计方法^{[1, 2, 3]}。这些设计方法主要差别之一是试件的成型方法不同：马歇尔法采用击实成型法；维姆法采用揉搓压实成型法；GTM法和Superpave法采用旋转压实成型法。马歇尔法是美国密西西比州公路局Bruce Marshall于1939年首先提出的，1958年被列入ASTMD1559，此后成为国际上应用最广泛的设计方法^[4]。我国自20世纪70年代以来开始应用马歇尔设计方法，并将其纳入了规范^[5]。然而，随着现代交通和施工工艺的发展以及工程实践的深入，发现马歇尔法已落后于生产实际，主要表现为马歇尔击实标准明显滞后于交通现状、马歇尔试件与现场性能相关性差、马歇尔设计标准无法保证其设计混合料具有良好的长期性能等等^[6]。国外应用较为广泛的揉搓压实法和旋转压实法尽管成型试件与现场性能相关性较好，但其设备较为昂贵，在中国一时难以推广应用^{[7, 8, 9]}。近年来，国内外已开展了沥青混合料振动成型方法研究，也取得了一些成果，如法国、瑞士、南斯拉夫以及中国等国家已开发出振动成型设备，国外未见沥青混合料振动压实对其性能影响等方面报道。中国哈尔滨工业大学、华南理工大学和长安大学等研究认为振动击实对粗集料的破碎影响较小，且可使沥青混合料结构达到骨架密实结构，大粒径碎石沥青混合料宜采用振动成型方法^{[10, 11, 12]}，但并未确认振动压实试件效果与现场实际效果是否吻合，也未涉及相应设计方法^[13]。为此，笔者开展相关研究，解决了振动压实仪选型标准，验证垂直振动压实成型试件与现场性能相关性，并提出了相应设计方法。论文以ATB-30沥青混合料为研究对象，通过室内试验对比研究了VVCM方法和马歇尔方法对ATB-30沥青混合料设计的影响。

(1)沥青

沥青采用新疆克拉玛依A级70^#沥青，其技术指标见表 1。

(2)粗集料

粗集料采用山西柳林县太一石料厂生产的石灰岩碎石，经检测各项指标均符合JTG F40—2004规范对粗集料的要求。

(3)细集料

细集料采用石灰岩现场加工而成的机制砂，其技术指标见表 2。

(4)矿粉

矿粉采用石灰石自制磨制的矿粉，其技术指标见表 3。

ATB-30沥青混合料采用的矿料级配见表 4。

混合料力学性能试验包括：马歇尔稳定度、抗压强度、劈裂强度、抗剪强度和抗拉强度试验。马歇尔稳定度MS、抗压强度R_C、劈裂强度R_T按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的试验方法进行^[14]。

(1)抗剪强度试验

高温性能采用单轴贯入试验测试抗剪强度τ_d表征^[15]，单轴贯入试验模型见图 1。单轴贯入试验类似于CBR试验，是在试件上通过一钢压头加压，然后通过力学公式的推导，求出混合料的抗剪性能。试验采用电子万能试验机，使用直径为42 mm的压头，试验温度采用与车辙试验相同的最不利条件下温度60 ℃，加载速率为1 mm/min。

单轴贯入强度计算式见式(1)~(2)：

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图 1 单轴贯入试验模型 Fig. 1 Uniaxial penetration test model

图选项

图 2 SCB试验原理示意图 Fig. 2 Schematic diagram of SCB testprinciple

图选项

(2)抗拉强度试验

低温性能采用半圆弯曲试验(SCB)测试抗拉强度σ表征^[16]。SCB试验原理见图 2。半圆弯曲试验是在规定尺寸的简支半圆形试件跨中，给试件施加集中荷载至试件断裂破坏的试验，并由破坏时的最大荷载计算材料的抗拉强度。试验采用直径为1.2 cm 的圆条作为支座及压条。试验温度为-20，15，25 ℃，对应的加载速率分别为5，50，50 mm/min。

抗拉强度计算见式(3)：

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为了模拟现场振动碾压效果，文献^[13]提出垂直振动成型方法VVCM(Vertical Vibrocompression Testing Method)。试验时采用垂直振动压实仪模拟定向振动压路机的工作原理，振动压实仪工作时水平方向离心力为零，垂直方向产生正弦激振力。振动仪参数：工作频率37 Hz，名义振幅1.2 mm，工作重量3.0 kN(上车系统1.2 kN，下车系统1.8 kN)。试件成型时，将ATB-30沥青混合料装入试模，采用振动仪振动压实100 s，试件尺寸为150 mm×h95.3 mm。

材料及组成相同条件下，ATB-30混合料马歇尔试件、VVCM试件和路面芯样的体积指标、力学性能对比结果见表 5、表 6。

表 5 马歇尔试件、VVCM试件和路面芯样的体积指标对比 Tab. 5 Comparison of volume indicators of core samples and samples produced by Marshall method and VVCM

体积指标V	路面芯 样VX	马歇尔试 件VM	VVCM试 件VV
ρf/(g·cm-3)	2.497	2.433	2.483	97.4	99.4
VV/%	2.5	5.4	3.5	216	140
VMA/%	10.6	12.6	10.8	119	102
VFA/%	76.7	57.1	68.0	74.4	88.7

表选项

表 6 马歇尔试件、VVCM试件和路面芯样的力学性能对比 Tab. 6 Comparison of mechanical properties of core samples and samples produced by Marshall method and VVCM

力学指标S	试验 温度/℃	路面 芯样 SX	马歇尔 试件 SM	VVCM 试件 SV
MS/kN	60	38.44	22.72	34.86	59.1	90.7
Rc/MPa	20	9.34	6.27	9.04	67.1	96.8
	40	4.97	3.43	4.79	69.0	96.4
	60	3.87	2.44	3.52	63.0	91.0
RT/MPa	-20	4.02	2.58	3.82	64.2	95.0
	15	2.47	1.57	2.26	63.6	91.5
	20	1.78	1.07	1.69	60.1	94.9
τd/MPa	60	1.98	1.1	1.91	55.6	96.5
σ/MPa	-20	9.14	5.68	8.93	62.1	97.7
	15	7.53	4.74	6.99	62.9	92.8
	25	4.71	2.73	4.43	58.0	94.1

表选项

由表 5中数据可知：VVCM试件ρ_f、VFA与路面芯样的相关性分别为99.4%，88.7%，VV和VMA分别是路面芯样的1.4倍、1.02倍；马歇尔试件ρ_f、VFA与路面芯样的相关性分别为97.4%，74.4%，VV和VMA分别是路面芯样的2.16倍、1.19倍。这说明ATB-30沥青混合料VVCM试件体积指标更接近于路面芯样，即垂直振动成型试件更接近于实际路面混合料结构，采用VVCM法设计ATB-30沥青混合料能使路面更稳定。

由表 6中数据可知：ATB-30沥青混合料VVCM试件力学强度与路面芯样的相关性平均高达94.1%，而马歇尔试件力学强度与路面芯样的相关性平均为60.9%。这说明VVCM更能较好地模拟实际碾压效果和准确预测路面使用性能，采用VVCM研究ATB-30沥青混合料组成与性能更具有实际意义。 2.2 ATB-30沥青混合料VVCM设计标准 ^[13]

ATB-30沥青混合料VVCM设计标准见表 7。

不同油石比的ATB-30沥青混合料VVCM试件和马歇尔试件物理力学测试结果见图 3～图 10。

图 3 ρf 与油石比的关系 Fig. 3 Relationship between ρf and asphalt-aggregate ratio

图选项

图 4 VV与油石比的关系 Fig. 4 Relationship between VV and asphalt-aggregate ratio

图选项

图 5 VMA与油石比的关系 Fig. 5 Relationship between VMA and asphalt-aggregate ratio

图选项

图 6 VFA与油石比的关系 Fig. 6 Relationship between VFA and asphalt-aggregate ratio

图选项

图 7 MS与油石比的关系 Fig. 7 Relationship between MS and asphalt-aggregate ratio

图选项

图 8 FL与油石比的关系 Fig. 8 Relationship between FL and asphalt-aggregate ratio

图选项

图 9 抗剪强度τd与油石比的关系 Fig. 9 Relationship between τd and asphalt-aggregate ratio

图选项

图 10 抗拉强度σ与油石比的关系 Fig. 10 Relationship between σ and asphalt-aggregate ratio

图选项

由图 3~图 10可知，VVCM压实功比马歇尔击实功大，VVCM试件密度约为马歇尔试件密度的1.02倍，因此，与马歇尔试件相比，VVCM试件VMA减小，VFA增大，VV减小；其次，由于VVCM试件密度增大和振动方法使得颗粒排列更为合理，VVCM试件力学强度明显优于马歇尔试件，VVCM试件的抗剪强度为马歇尔试件的1.23～1.57倍，平均为1.37倍；VVCM试件的抗拉强度为马歇尔试件的1.47～1.59倍，平均为1.51倍。

根据试验结果，VVCM确定最佳油石比为3.07%，马歇尔方法确定最佳油石比3.34%，最佳油石比对应的体积参数见表 8。

按照表 8配合比结果，成型VVCM试件和马歇尔试件进行路用性能验证，对比结果见表 9。

表 9 最佳油石比下不同设计方法混合料路用性能及对比 Tab. 9 Comparison of pavement performance of ATB-30 asphalt mixture based on different design methods in optimum asphalt-aggregate ratio

路用性能S		VVCM 试件SV	马歇尔 试件SM
马歇尔稳定度MS/kN		35.24	22.83	1.54
水稳定性	残留稳定度/%	90.5	86.5	1.05
	冻融劈裂强度比/%	89.6	78.7	1.14
抗车辙 能力	动稳定度/(次·mm-1)	5 000	3 595	1.39
	抗剪强度τd/MPa	1.92	1.24	1.55
低温抗裂能力σ/MPa		6.78	4.41	1.54

表选项

由表 9可知，VVCM设计的ATB-30沥青混合料马歇尔稳定度、动稳定度、抗剪强度、抗拉强度分别提高54.4%，39.1%，54.8%，53.7%，水稳定性也有一定提高。

(1)VVCM试件ρ_f、VFA与路面芯样的相关性分别为99.4%，88.7%，VV和VMA分别是路面芯样的1.4倍、1.02倍；马歇尔试件ρ_f、VFA与路面芯样的相关性分别为97.4%，74.4%，VV和VMA分别是路面芯样的2.16倍、1.19倍。

(2)ATB-30沥青混合料VVCM试件力学强度与路面芯样的相关性平均高达94.1%，而马歇尔试件力学强度与路面芯样的相关性平均为60.9%。

(3)与马歇尔法设计ATB-30沥青混合料，VVCM设计ATB-30沥青混合料节约沥青约8%，密度提高了1.6%，VV和VMA分别减小了23.3%，14.4%， VFA增加了7.3%。

(4)与马歇尔法设计结果相比，VVCM设计的ATB-30沥青混合料马歇尔稳定度、动稳定度、抗剪强度、抗拉强度分别提高54.4%，39.1，54.8%，53.7%，水稳定性也有一定的提高。