揭秘马歇尔试验：公路建设的“幕后英雄”

马歇尔试验究竟是什么？

在公路建设领域，有一项至关重要的试验 —— 马歇尔试验。它就像是公路质量的 “把关人”，默默守护着每一条道路的安全与耐用。无论是城市的主干道，还是偏远山区的盘山公路，其建设过程中都离不开马歇尔试验的身影。

马歇尔试验，全称为 “沥青混合料马歇尔稳定度及浸水马歇尔试验”，它主要用于确定沥青混合料的最佳油石比。简单来说，就是要找到沥青和石料之间最完美的搭配比例，让路面既坚固耐用，又能适应各种复杂的路况。这一试验最早由密西西比公路局在 1939 年左右提出，后经美国陆军进一步完善，二战期间，还被用于军用机场道面设计，可见其重要性。

一、试验的诞生背景

20 世纪 30 年代，美国的公路建设如火如荼，但随之而来的问题也不少。那时候，汽车数量急剧增加，对公路的承载能力提出了更高要求。早期的公路路面经常出现坑洼、裂缝，使用寿命短，不仅影响行车舒适性，还增加了维修成本。为了解决这些问题，工程师们急需一种科学的方法来优化沥青混合料的配比，马歇尔试验应运而生。 当时，密西西比公路局的工程师们在大量实践与研究的基础上，提出了马歇尔试验的初步构想。二战期间，美国陆军为了建设能满足军机起降需求的机场道面，进一步完善了该试验方法。要知道，军用机场的道面面临着飞机频繁起降带来的巨大冲击力，对路面的稳定性、耐久性要求极高。马歇尔试验通过精确测定沥青混合料的各项性能指标，帮助工程师们找到了最佳的油石比，使得机场道面能够承受重型军机的起降，为二战时期的军事运输提供了坚实保障。

二、试验原理大揭秘

马歇尔试验的原理听起来复杂，其实也不难懂。首先，通过标准击实法制备出沥青混合料试件，这些试件就像是公路路面的 “缩小版”。然后，将试件放在规定温度的恒温水槽中保温，让其达到试验所需的状态。接着，使用马歇尔试验仪对试件施加载荷，加载速度可是有严格要求的，一般为 50mm/min±5mm/min，模拟车辆行驶对路面的压力。在加载过程中，仪器会自动记录试件承受的最大荷载，也就是稳定度，它反映了沥青混合料抵抗变形的能力，单位是 kN；同时还会记录试件在最大荷载时的变形量，即流值，单位为 mm，流值体现了混合料的塑性变形能力。

试验过程中，还需要测定试件的密度、空隙率、沥青体积百分率、沥青饱和度、矿料间隙率等一系列物理指标。通过改变沥青和石料的比例，制备多组不同油石比的试件，分别进行马歇尔试验，就能得到不同油石比下的稳定度、流值等数据。将这些数据绘制成曲线，横坐标为油石比，纵坐标分别为稳定度、流值等指标，从这些曲线的变化趋势中，就能找出一个最佳的油石比，使得沥青混合料的各项性能达到最优。

标准马歇尔试验主要关注沥青混合料在正常使用状态下的性能，而浸水马歇尔试验则更进一步，它着重考察混合料在水的作用下的稳定性。二者操作步骤基本相同，唯一的差别在于浸水马歇尔试验的试件在恒温水槽中的保温时间长达 48h，目的是让试件充分吸水，模拟路面在长期积水或雨水浸泡后的情况。通过对比标准马歇尔试验和浸水马歇尔试验的结果，比如计算浸水残留稳定度（试件浸水 48h 后的稳定度与未浸水时稳定度的比值），就能判断沥青混合料抵抗水损害的能力。如果浸水残留稳定度高，说明混合料在潮湿环境下依然能保持较好的性能，不易出现松散、剥落等病害；反之，则需要调整混合料的配比，提高其水稳定性。

三、详细操作步骤

（一）前期准备

俗话说：“磨刀不误砍柴工”，前期准备工作可是相当重要。首先，得按标准击实法成型马歇尔试件，这些试件就像是公路路面的 “小样本”，尺寸必须严格符合规范，一组试件数量最少不能少于 4 个。接着，要用卡尺或专门的试件高度测定器仔细量测试件的直径及高度，这就好比给试件 “量体裁衣”，要是试件高度不符合 63.5mm±1.3mm 的要求，或者两侧高度差大于 2mm，那这个试件可就作废啦。然后，按照规范规定的方法测定试件的密度，像计算空隙率、沥青体积百分率、沥青饱和度、矿料间隙率等物理指标也一个都不能少，这些指标能反映出混合料内部的结构特性。最后，别忘了将恒温水槽调节至要求的试验温度，比如对粘稠石油沥青混合料，就得调到 60℃±1℃，这温度可是试验成功的关键因素之一。

（二）标准试验流程

标准马歇尔试验就像是一场精心编排的 “表演”，每个步骤都得按部就班。先把试件小心翼翼地置于已达规定温度的恒温水槽中保温，保温时间一般是 30 - 40min，这期间试件之间得有间隔，还要垫起来，离容器底部不少于 5cm，就像让试件在 “温床” 里舒舒服服地待着。同时，把马歇尔试验仪的上下压头也放进水槽或烘箱，让它们达到同样的温度，随后取出来擦拭干净。为了让上下压头滑动自如，还得在下压头的导棒上涂点黄油，这小细节可别忽略。接着，把试件从水槽里取出，稳稳地放在下压头上，盖上上压头，再装到加载设备上。要是用自动马歇尔试验仪，还得提前连接好接线，调整好计算机或将 X - Y 记录仪的记录笔对准原点。准备就绪，启动加载设备，让试件承受荷载，加载速度必须控制在 50mm/min±5mm/min，这个速度模拟的是车辆行驶对路面的压力。当试验荷载达到最大值的瞬间，要眼疾手快，在 30s 内取下流值计，同时读取应力环中百分表（或荷载传感器）读数和流值计的流值读数，这些数据就是评判混合料性能的关键依据。

（三）浸水试验要点

浸水马歇尔试验和标准试验大部分步骤相同，只有一个关键差别，那就是试件在恒温水槽中的保温时间延长到了 48h。这可不是随便延长的，是为了让试件充分吸水，模拟路面在长期积水或雨水浸泡后的真实情况。通过这个试验，能检测出沥青混合料在水的侵蚀下是否还能 “坚守阵地”，保持稳定。要是浸水残留稳定度高，说明混合料抗水损害能力强，日后铺成的路面在潮湿环境下就不容易出现松散、剥落等病害，能让公路更耐用，保障行车安全。

四、关键指标解读

在马歇尔试验中，稳定度和流值是两个核心指标。稳定度反映了沥青混合料在承受车辆荷载时抵抗变形的能力，就好比一个人站立时的 “定力”，稳定度越高，路面在车辆反复碾压下越不容易出现车辙、坑洼等变形病害。一般来说，对于高速公路和一级公路，要求沥青混合料的稳定度不低于一定数值，像密级配沥青混凝土混合料，稳定度通常不低于 8kN。流值则体现了混合料的塑性变形能力，简单讲就是混合料在受力时能 “屈能伸” 的程度。如果流值过大，路面在高温天气下容易变软、流淌，导致路面变形；流值过小，混合料又会过于刚硬，缺乏柔韧性，容易开裂。以密级配沥青混凝土混合料为例，其流值应在 15 - 45（单位为 0.1mm）的范围之内，这样才能保证路面既有足够的强度，又具备一定的弹性。

除了稳定度和流值，还有一个重要指标 —— 马歇尔模数，它是通过稳定度除以流值计算得出，即 T = MS/FL（T 为马歇尔模数，MS 为稳定度，FL 为流值），单位是 kN/mm。马歇尔模数综合反映了沥青混合料的强度和变形性能，就像是给混合料的 “综合素质” 打了个分。模数越大，说明混合料在承受荷载时既能抵抗较大的变形，又能保持较好的强度，是路面质量的一个重要参考。

浸水残留稳定度也不容忽视，它是试件浸水 48h 后的稳定度与未浸水时稳定度的比值，计算公式为 MS0 = 100*MS1/MS（MS0 为浸水残留稳定度，MS1 为试件浸水 48h 后的稳定度，MS 为未浸水时稳定度），以百分数表示。这个指标直接反映了沥青混合料抵抗水损害的能力。在多雨潮湿地区，道路经常面临雨水浸泡，如果浸水残留稳定度高，路面就能在长时间积水的情况下依然保持结构稳定，不易出现沥青与石料剥离、松散等水损害病害，大大延长路面的使用寿命。

五、在公路工程中的全方位应用

（一）设计阶段的 “指南针”

在公路工程的设计阶段，马歇尔试验就像是一个精准的 “指南针”，为工程师们指明方向。通过它，工程师们能够确定不同交通流量、不同气候条件下沥青混合料的最佳材料配比。比如，在南方的多雨地区，为了应对雨水冲刷，就需要设计出具有高水稳定性的混合料，马歇尔试验能帮助找到合适的沥青和矿料比例，增加混合料的抗水损害能力；而在北方寒冷地区，考虑到路面要经受低温冻融循环，试验结果又能指导调整材料，确保路面在低温下不易开裂。同时，依据试验得出的路面结构层厚度、压实度等关键参数，还能打造出适应不同承载需求的路面结构，让公路既坚实耐用，又经济合理。

（二）施工质量的 “把关人”

施工过程中，马歇尔试验化身为严格的 “把关人”。施工单位会按照一定的频率，从拌和厂抽取沥青混合料样品，制成马歇尔试件进行试验。如果试验结果显示稳定度、流值等指标不符合设计要求，那就说明混合料的质量有问题，可能是沥青和石料的比例不对，或者是拌和、压实工艺没达标。这时候，就得及时调整施工工艺，重新配料、拌和，再次进行试验，直到各项指标合格为止，绝不允许 “问题混合料” 被铺到路面上，从而有效预防路面早期病害的出现，保障公路工程的整体质量。

（三）养护维修的 “诊断仪”

对于已经投入使用的公路，马歇尔试验又成了养护维修的得力 “诊断仪”。随着时间推移和车辆荷载的反复作用，路面会逐渐出现各种病害，如车辙、裂缝、坑洼等。通过对病害路段钻取芯样，进行马歇尔试验，就能像医生给病人做检查一样，精准评估既有路面的性能状况。根据试验结果，判断病害产生的原因，是因为沥青老化导致混合料性能下降，还是当初施工时压实度不足，亦或是交通流量远超设计预期。进而确定最佳的养护维修时机与方案，比如是只需进行表面铣刨、罩面，还是需要对基层进行加固处理，对症下药，延长路面的使用寿命，确保公路始终处于良好的运行状态。

六、国内外应用现状

在国际上，马歇尔试验自诞生以来，已被广泛应用于众多国家的公路建设。不过，随着公路交通的飞速发展，一些先进国家也在不断探索更为精密的沥青混合料设计方法，如美国的 Superpave 设计方法。它从材料性能、环境因素等多方面进行考量，试件成型采用旋转压实，能更精准地模拟路面实际施工过程，集料级配也更趋合理，高温稳定性、抗水害及抗疲劳性能出色，适用于交通量大、对路面性能要求极高的公路。但由于其设备昂贵、操作复杂，在一些发展中国家推广难度较大。

在我国，马歇尔试验是现行规范采用的主要沥青混合料设计方法。经过多年实践与改进，它为我国公路建设立下汗马功劳，从早期的普通公路到如今四通八达的高速公路网，绝大多数路面的沥青混合料设计、施工质量控制与养护维修决策都离不开它。近年来，我国也意识到马歇尔设计方法的局限性，积极引进 Superpave 等先进技术，并结合国情开展大量研究与实践，部分地区已尝试将 Superpave 技术应用于重点工程，积累了宝贵经验。同时，对马歇尔试验本身也在持续优化，如改进试件成型方法、完善指标评价体系等，致力于提升沥青路面的综合性能，满足日益增长的交通需求，保障公路工程的质量与耐久性。

七、未来展望

随着交通事业的不断发展，马歇尔试验也面临着新的挑战与机遇。一方面，交通流量日益增大、车辆载重不断增加，对公路路面的承载能力、耐久性提出了更高要求，这促使马歇尔试验在参数优化、试验方法改进等方面持续创新，比如进一步研究如何更精准地模拟复杂交通荷载与极端环境条件，探索更贴合实际工况的试件成型与加载方式，使试验结果能更好地指导高性能沥青混合料的设计。另一方面，现代科技的飞速发展，如大数据、人工智能、物联网等技术的兴起，为马歇尔试验的发展注入了新活力。借助大数据技术，可对海量的试验数据进行深度挖掘与分析，建立更完善的路面性能预测模型；利用人工智能算法，实现试验过程的自动化控制与智能诊断，提高试验效率与准确性；而物联网技术能将试验设备与施工现场紧密相连，实时监控沥青混合料的生产、摊铺、压实等环节，确保施工质量与设计要求相符。相信在未来，马歇尔试验将不断与时俱进，持续为公路工程质量保驾护航，助力智能交通基础设施建设迈向新台阶，让人们的出行更加安全、便捷、舒适。