沥青混合料马歇尔试验

技术概述

沥青混合料马歇尔试验是公路工程中最为重要的试验方法之一，由美国密西西比州公路局的布鲁斯·马歇尔于1939年首次提出，经过多年发展和完善，现已成为沥青路面设计和质量控制的核心手段。该试验方法通过测定沥青混合料的稳定度和流值，评估沥青混合料的高温稳定性和抗变形能力，为沥青路面配合比设计提供关键数据支撑。

马歇尔试验的核心原理是采用规定尺寸的圆柱形试件，在特定温度条件下，以一定的加载速率对试件进行垂直压力作用，测定试件破坏时的最大荷载（稳定度）和相应的变形（流值）。这两个参数直接反映了沥青混合料在高温条件下的力学性能，是评价沥青路面抵抗车辙、推移等病害能力的重要指标。

在我国现行技术规范体系中，马歇尔试验方法已形成完整的标准体系，主要包括《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的T0709-2011等相关标准。该方法广泛应用于热拌沥青混合料、改性沥青混合料、沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）等多种类型混合料的设计与质量检验。

马歇尔试验相比其他沥青混合料设计方法，具有设备简单、操作便捷、试验周期短、结果直观等优点。同时，该方法建立的技术指标体系与沥青路面的实际使用性能具有较好的相关性，能够有效指导沥青混合料的配合比设计和施工质量控制，在世界各国公路工程领域得到广泛应用。

检测样品

沥青混合料马歇尔试验所涉及的检测样品主要包括以下几个类别，不同类型的样品在取样方法和制备要求上存在一定差异：

• 热拌沥青混合料：这是最常见的检测样品类型，适用于普通道路、高速公路及城市主干道的沥青路面建设。样品应从拌和楼出料口或施工现场摊铺机后方取样，取样时需确保样品的代表性和均匀性。
• 改性沥青混合料：采用SBS、SBR、橡胶粉等改性剂制备的沥青混合料，取样方法与普通热拌沥青混合料基本相同，但需注意改性剂可能带来的离析问题，取样后应尽快进行试验。
• 沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）：此类混合料具有粗集料多、矿粉多、沥青用量大的特点，取样时应特别注意粗细集料的均匀性，避免因取样位置不同导致的级配偏差。
• 冷拌沥青混合料：适用于路面修补和低等级道路建设，取样方法参照热拌沥青混合料执行，但需注意其常温状态下的特性差异。
• 再生沥青混合料：包括厂拌热再生和就地热再生混合料，取样时应关注再生剂与新料的混合均匀程度，确保样品能够真实反映混合料的整体性能。

样品取样量应根据试验项目数量确定，一般每组马歇尔试件需要制备4-6个平行试件，每个试件约需混合料1200g左右。取样后应妥善保存，热拌沥青混合料样品应在保温条件下运输，避免温度下降导致的沥青老化或性能变化。样品运输过程中还应注意防止离析，确保试验结果能够真实反映混合料的实际状态。

检测项目

沥青混合料马歇尔试验涉及的检测项目较为丰富，既包括直接测定指标，也包括通过计算获得的间接指标，共同构成评价沥青混合料路用性能的完整指标体系：

• 马歇尔稳定度（MS）：这是马歇尔试验的核心指标之一，表示沥青混合料试件在规定条件下承受最大荷载的能力，单位为千牛（kN）。稳定度数值越大，表明沥青混合料抵抗外部荷载的能力越强，高温稳定性越好。一般要求普通沥青混合料的稳定度不低于8.0kN，改性沥青混合料不低于10.0kN。
• 流值（FL）：流值是与稳定度相对应的变形指标，表示试件在达到最大荷载时产生的垂直变形量，单位为毫米（0.1mm）。流值反映了沥青混合料的柔韧性，流值过小表明混合料脆性大、易开裂，流值过大则表明混合料塑性变形大、易产生车辙。一般控制流值在20-50（0.1mm）范围内。
• 马歇尔模数：马歇尔模数是稳定度与流值的比值，综合反映了沥青混合料的抗变形能力和柔韧性，是评价混合料性能的综合指标。马歇尔模数越大，表明混合料的抗车辙能力越强。
• 空隙率（VV）：通过测定试件的毛体积密度和最大理论密度计算得出，反映了沥青混合料中空隙的体积占比。空隙率是影响沥青路面耐久性的关键因素，一般控制在3%-6%范围内。
• 矿料间隙率（VMA）：表示压实沥青混合料试件中矿料以外的体积占总试件体积的百分比，是评价矿料级配设计合理性的重要指标。VMA过小会导致沥青用量不足，过大则可能造成沥青过量、稳定性下降。
• 沥青饱和度（VFA）：也称沥青填隙率，表示沥青体积占矿料间隙体积的百分比。该指标反映了沥青对矿料间隙的填充程度，与沥青混合料的疲劳性能和耐久性密切相关。
• 毛体积密度：采用表干法或蜡封法测定，是计算空隙率、VMA等指标的基础数据。毛体积密度的测定准确性直接影响后续各项体积指标的计算结果。
• 最大理论密度：采用真空法或计算法确定，表示沥青混合料在无空隙状态下的最大密度，是计算空隙率的关键参数。

上述各项指标相互关联、相互制约，共同构成马歇尔试验的完整指标体系。在实际工程中，需要综合考虑各项指标的平衡，不能片面追求某一单项指标而忽视其他指标，确保沥青混合料具有良好的整体性能。

检测方法

沥青混合料马歇尔试验的检测方法包括试件制备和性能测试两个主要环节，每个环节都有严格的技术要求和操作规程：

试件制备是马歇尔试验的基础环节，主要包括以下步骤：首先按照设计配合比称取各档集料和沥青材料，将集料加热至规定温度（一般为160℃-180℃），沥青加热至流动状态但不超过其加热温度上限；然后将热集料倒入拌和锅中干拌约1分钟，加入热沥青继续拌和约2分钟，直至混合料颜色均匀一致、无花白料；最后将拌好的混合料倒入预热的试模中，采用击实法或轮碾法成型。标准马歇尔试件尺寸为直径101.6mm、高63.5mm的圆柱体，击实次数根据交通等级和层位确定，一般为双面各击实75次或50次。

试件成型后需在室温下静置12小时以上，然后进行脱模和物理指标测定。物理指标的测定顺序为：先测定试件的高度、直径等几何参数，再采用表干法测定试件的毛体积密度，最后进行马歇尔稳定度试验。

马歇尔稳定度试验的具体操作步骤如下：

• 试验前准备：将马歇尔试验仪放置于平稳的工作台上，检查仪器各部件是否完好，校准荷载传感器和位移传感器。试验环境温度应控制在20℃±5℃范围内。
• 试件保温：将制备好的试件放入恒温水槽中保温，水温控制在60℃±1℃，保温时间不少于30分钟且不超过40分钟，确保试件内外温度均匀。
• 试件安装：从水槽中取出试件，迅速擦干表面水分，放置于试验仪的下压头上，将上压头轻轻放置于试件上表面，调整位置使上下压头的中心与试件中心重合。
• 加载试验：启动试验仪，以50mm/min±5mm/min的速率均匀加载，同时记录荷载-变形曲线。当荷载达到峰值开始下降时，继续加载至荷载值降至峰值的一半左右停止试验，记录最大荷载值和相应的变形量。
• 结果计算：根据记录的荷载-变形曲线，确定马歇尔稳定度和流值。如试件高度不符合标准要求，还需进行高度修正。

浸水马歇尔试验是常规马歇尔试验的补充试验，用于评价沥青混合料的水稳定性。该试验将试件在60℃恒温水槽中保温48小时后进行马歇尔稳定度测试，计算浸水残留稳定度。浸水残留稳定度=浸水48小时后的稳定度/常规稳定度×100%，一般要求不低于80%。

试验过程中需注意以下事项：严格控制试件成型温度和保温温度，温度偏差会显著影响试验结果；试件高度偏差应控制在±2mm以内，超过允许偏差需进行修正；同一组试件的平行试验结果离散性较大时，应查找原因并重新试验；试验仪器应定期校准，确保测试结果的准确性和可靠性。

检测仪器

沥青混合料马歇尔试验需要使用专业的检测仪器设备，主要包括以下几类：

• 马歇尔稳定度测定仪：这是马歇尔试验的核心设备，由加载装置、测力系统、变形测量系统等部分组成。现代马歇尔试验仪多采用电动液压加载方式，配备电子测力和位移传感器，能够自动记录荷载-变形曲线，自动计算稳定度和流值。仪器量程一般不小于30kN，精度应达到0.01kN；位移测量范围不小于50mm，精度达到0.01mm。仪器应具备自动过载保护和数据存储功能，便于试验数据的管理和分析。
• 自动击实仪：用于制备标准马歇尔试件，由击实锤、导杆、击实台、计数器等组成。标准击实锤质量为4536g±9g，落高为457mm±1.5mm，能够实现自动计数和连续击实。自动击实仪相比手动击实具有更高的操作一致性和试验精度，减少了人为因素的影响。
• 恒温水槽：用于马歇尔试件的标准保温，温度控制范围为室温至80℃，控温精度应达到±1℃。水槽容量应满足同时放置多组试件的需要，并配备循环水泵确保水温均匀。部分高端水槽还具备自动升降和定时功能，方便试件的放入和取出。
• 电子天平：用于试验样品的称量，称量范围应覆盖试件质量，精度应达到0.1g。建议配备两台电子天平，一台用于粗称（量程大、精度较低），一台用于精称（量程适中、精度较高）。
• 沥青混合料拌和机：用于室内制备沥青混合料，能够实现加热拌和功能，拌和温度可控。拌和锅容量应不小于10L，拌和效率应满足试验要求。
• 脱模器：用于将成型后的马歇尔试件从试模中取出，有手动液压式和电动液压式两种类型。脱模过程应平稳，避免试件损伤。
• 试模：标准马歇尔试模由圆柱形钢筒和上下压头组成，内径为101.6mm±0.2mm，高度约75mm。试模应定期检验尺寸精度，确保成型试件符合标准要求。
• 烘箱：用于集料和沥青的加热，温度控制范围应达到200℃以上，控温精度±2℃。应配备鼓风系统确保温度均匀。
• 静水天平：用于采用表干法测定试件毛体积密度，配备专用的吊篮和排水容器。

以上仪器设备应定期进行检定和校准，建立仪器设备档案，确保仪器始终处于良好的工作状态。同时，操作人员应经过专业培训，熟悉仪器的操作规程和维护要求，确保试验结果的准确可靠。

应用领域

沥青混合料马歇尔试验在公路工程建设中具有广泛的应用，主要体现在以下几个方面：

配合比设计是马歇尔试验最为重要的应用领域。在新建公路工程设计阶段，需要通过马歇尔试验确定沥青混合料的最佳沥青用量（OAC）。设计过程首先根据交通等级和道路结构确定目标空隙率等设计参数，然后选取若干个沥青用量进行试件成型和马歇尔试验，绘制沥青用量与各项指标的关系曲线，综合确定最佳沥青用量。马歇尔试验结果是沥青混合料配合比设计的核心依据。

施工质量控制是马歇尔试验的另一重要应用领域。在沥青路面施工过程中，施工单位和监理单位需要对拌和站生产的沥青混合料进行抽样检验，通过马歇尔试验验证混合料的技术指标是否符合设计要求。检测结果能够及时发现生产过程中的异常情况，如沥青用量偏差、级配离析等问题，为施工工艺调整提供依据。

工程验收是马歇尔试验的常规应用领域。公路工程交工验收时，需要对路面工程质量进行综合评定，沥青混合料的马歇尔稳定度、流值等指标是评定路面质量的重要依据。验收检测的试验结果将作为工程质量评定的技术资料存档。

沥青混合料马歇尔试验的具体应用场景包括：

• 高速公路沥青路面：高速公路对路面性能要求高，马歇尔试验是配合比设计和质量控制的必检项目。主要涉及上面层AC-13、中面层AC-20、下面层AC-25等类型混合料的检验。
• 国省干线公路：国省干线公路沥青路面工程同样需要开展马歇尔试验，确保路面具有足够的承载能力和耐久性。
• 城市道路工程：城市主干道、次干道和支路的新建、改建工程，沥青混合料均需进行马歇尔试验检测。
• 机场道面工程：机场沥青道面对混合料性能要求更高，马歇尔试验是道面工程质量控制的重要手段。
• 桥面铺装工程：桥梁沥青铺装层需要具有优异的抗滑性能和抗剪切能力，马歇尔试验用于评价铺装材料的力学性能。
• 隧道沥青路面：隧道沥青路面需要兼顾防火、抗滑和耐久性要求，马歇尔试验用于混合料性能验证。
• 养护维修工程：路面养护工程的罩面层、铣刨重铺等施工项目，同样需要进行马歇尔试验检测。

随着我国公路建设从新建为主向建养并重转变，马歇尔试验在养护工程中的应用比例将进一步提高，为沥青路面预防性养护和修复性养护提供技术支撑。

常见问题

在沥青混合料马歇尔试验的实际操作过程中，经常会遇到一些技术问题和困惑，以下对常见问题进行分析和解答：

问：马歇尔试件高度偏差如何处理？

答：标准马歇尔试件高度应为63.5mm±1.3mm，当试件高度超出允许偏差时，需按照规程规定的方法进行高度修正。修正系数根据试件实际高度与标准高度的比值确定，将实测稳定度乘以修正系数得到修正后的稳定度。需要注意的是，高度修正仅适用于高度偏差较小的情况，当高度偏差过大时，应分析原因并重新制备试件。

问：稳定度试验时荷载-变形曲线出现异常如何处理？

答：正常的荷载-变形曲线应呈现光滑的上升和下降过程。当曲线出现跳跃、波动等异常情况时，可能存在以下原因：试件内部存在缺陷或离析、压头与试件接触不良、仪器传感器故障等。应首先检查试件质量和仪器状态，排除异常因素后重新试验。如试件存在明显缺陷，应废弃该试件，补充制备新试件。

问：同一组试件稳定度结果离散性大是什么原因？

答：平行试件稳定度结果的变异系数一般应控制在合理范围内，当离散性过大时，可能的原因包括：混合料拌和不均匀导致沥青分布不均、试件成型过程中温度控制不一致、击实操作不规范、试件养护条件差异等。应从上述方面查找原因，改进试验操作，必要时重新取样试验。

问：空隙率测定结果偏高或偏低的原因有哪些？

答：空隙率是马歇尔试验的关键指标，其偏差可能由多种因素引起。空隙率偏高的原因可能包括：沥青用量不足、击实温度偏低、击实次数不够、矿料间隙率偏大等。空隙率偏低的可能原因包括：沥青用量偏多、细集料含量偏高、矿粉用量过多等。应结合其他体积指标综合分析，找出偏差原因并调整。

问：改性沥青混合料马歇尔试验有哪些特殊要求？

答：改性沥青混合料由于粘度大、施工温度高，马歇尔试验时需要适当提高拌和温度和击实温度，具体温度应根据改性沥青的类型和技术要求确定。同时，改性沥青混合料的稳定度要求更高，流值范围可能有所扩大，试验结果评价时应注意与普通沥青混合料的区别。

问：马歇尔试验与车辙试验的关系是什么？

答：马歇尔试验和车辙试验都是评价沥青混合料高温性能的试验方法，但侧重点有所不同。马歇尔试验主要评价混合料的静态抗变形能力，而车辙试验评价的是动态抗车辙能力。两种试验结果具有一定的相关性，但不能相互替代。在配合比设计中，两种试验通常配合使用，共同评价沥青混合料的高温稳定性。

问：如何提高马歇尔试验结果的准确性和可靠性？

答：提高马歇尔试验结果准确性需要从多个方面入手：一是严格控制试验温度，包括拌和温度、成型温度和试验温度；二是确保仪器设备精度，定期进行计量检定；三是规范操作流程，减少人为因素影响；四是保证试件质量，避免缺陷和离析；五是适当增加平行试验数量，提高数据可靠性；六是建立完善的质量控制体系，实施全过程质量管理。

通过以上对沥青混合料马歇尔试验的系统介绍，可以看出该试验方法虽然原理相对简单，但在实际应用中涉及的技术细节较多。工程技术人员应深入理解试验原理，熟练掌握操作规程，不断提高试验技术水平，确保为沥青路面工程提供准确可靠的技术数据支撑。