Marshall与Superpave沥青混合料压实次数关系的研究Word下载.docx

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击实与旋转压实次数；

交通量；

空隙率（密度）0引言沥青混合料组成设计有3种方法，即Marshall设计方法、Hveem设计方法及Superpave设计方法等。

自从20世纪40年代以来，Marshall法作为传统的沥青混合料组成设计方法被世界各国广泛采用，而Hveem法仅在美国西部几个州得到应用。

随着20世纪90年代SHRP成果的推广应用，作为新的沥青混合料组成设计方法Superpave法开始被各国道路界所关注，很多学者开始研究Marshall法与Superpave法的关系。

为了更好地了解与应用Superpave技术，本研究通过不同国家（中国，美国，日本）的沥青混合料相关试验数据，进一步探讨Marshall与Superpave的实验室压实次数。

研究对室内Marshall及Superpave的沥青混合料（HMA）试件进行不同压实（击实与旋转压实）次数下的变形试验，通过不同国家的试验数据分析研究，以交通量（ESAL）及HMA空隙率（Va）或密度（Gmb）为标准，对HMA的性能进行对比分析，建立了不同国家的Marshall方法与Superpave方法的HMA室内压实次数，研究结论具有一定的理论与实用价值[1-6]。

1HMA实验室压实影响因素施工工地的HMA强度形成靠压路机压实获得，而实验室的HMA强度形成靠两种模拟压实方法取得，即Marshall冲击压实与Superpave旋转压实，三者的关系如图1所示。

从图中可以看出，Superpave旋转压实比Marshall冲击压实更接近施工工地的HMA压路机压实，因此，推广应用Superpave具有很好的理论与实用价值。

图1HMA压路机压实、Marshall击实及Superpave旋转压实的关系

Fig.1RelationshipofHMAcompactionsamongfield,MarshallandSuperpavemethods2基于交通量（ESAL）标准的Marshall与Superpave的HMA压实次数关系[7-11]2.1Marshall法的交通量（ESAL）与压实次数Nm的关系在Marshall设计中，HMA压实标准的确定是以交通量（ESAL）为基础，通过对比研究，不同国家的交通量（ESAL）与压实次数Nm的关系如表1所示。

表1Marshall法的交通量（ESAL）与压实次数Nm的关系Tab.1Relationshipbetweentrafficvolume（ESAL）andNminMarshallmethod交通量（ESAL）/（×

106）美国（82kN）中国（100kN）日本（98kN）压实次数Nm30注：

Nm为Marshall冲击压实次数；

ESAL为当量标准轴载次数（EquivalentStandardAxleLoads）；

其中，标准轴载为美国82kN（18klbf），中国100kN，日本98kN。

2.2Superpave法的交通量（ESAL）与压实次数Ns的关系Superpave中的ESAL与Ns关系是建立在路面使用年限20a及标准轴载82kN的基础上，而中国及日本的道路规范具有不同的路面使用年限及轴载标准，通过轴载换算公式，对不同国家不同使用年限及标准轴载的交通量及压实次数与Superpave标准进行换算，通过换算结果与对比研究，不同国家的交通量（ESAL）与压实次数Ns的关系如表2所示。

2.3基于交通量（ESAL）标准的Marshall与Superpave的HMA压实次数（Nm与Ns）关系在交通量（ESAL）相同的条件下，通过表1与表2的数据分析，建立了基于交通量（ESAL）标准的HMA压实次数Nm与Ns关系，如表3所示，即Marshall的击实次数2×

75（Nm）对应Superpave的旋转压实次数100（Ns），在此关系基础上，计算两种方法的HMA密度（Gmb）及空隙率（Va），对比分析结果表明Superpave的HMA密度（Gmb）较大而空隙率（Va）较小，说明Superpave的HMA具有较好的力学性能。

2.4小结通过不同国家的试验数据对比研究，提出了基于交通量（ESAL）标准的Nm与Ns关系，在此关系的条件下，Superpave的HMA体积特性与力学特性均好于Marshall的HMA特性。

对比结果认为Marshall的HMA设计标准低于Superpave的HMA设计标准，鉴于道路交通量的不断增长，建议采用Superpave方法设计HMA以替代Marshall方法。

表2Superpave法的交通量（ESAL）与压实次数Ns的关系Tab.2Relationshipbetweentrafficvolume（ESAL）andNsinSuperpavemethod使用年限/a交通量（ESAL）/（×

106）压实次数Ns美国（82kN）中国（100kN）日本（98kN）NiniNdesNmax1015>

6.78>

7.3691252052030>

13.56>

14.719125205注：

Ns为Superpave旋转压实次数；

换算公式为为轴载系数（中国）；

k2为轴载系数（日本）。

表3基于交通量（ESAL）的Marshall与Superpave压实次数（Nm与Ns）关系Tab.3RelationshipbetweenNmandNsbasedontrafficvolume（ESAL）设计方法使用年限/a交通量（ESAL）/（×

106）美国（82kN）中国（100kN）日本（98kN）Nm或NsMarshall10～153～102～42～62×

75Superpave10201.5～50.86～2.260.74～2.451005～152.26～6.782.45～7.361003～101.36～4.521.47～4.9010010～304.52～13.564.90～14.711003基于HMA空隙率（Va）或密度（Gmb）标准的Marshall与Superpave压实次数关系3.1Marshall与Superpave压实次数的关系（中国）[12-15]HMA按Superpave方法设计，采用Marshall与Superpave两种试验方法进行对比研究，在Superpave设计中，HMA的空隙率（Va）标准是4%，而Marshall设计的HMA空隙率（Va）标准大约是5%，采用Marshall方法设计比Superpave方法设计的HMA空隙率（Va）大1%，因此，Marshall的VMA比Superpave的VMA也大1%，按此方法，如果HMA的Va（或VMA）增加或减少1%，Gmm为沥青混合料的最大理论密度，HMA的密度（Gmb）可按以下公式计算：

通过计算可以看出,如果HMA的Va（或VMA）增加或减少1%，则HMA的密度（Gmb）将要减少或增加Gmm×

1%，而HMA的Gmm大约在2.5～2.6g/cm3之间，因此，HMA的密度（Gmb）减少或增加2.5%～2.6%。

根据表4的试验数据，在HMA的Va（或VMA）减少1%的条件下，Marshall的HMA密度（Gmb）2.39g/cm3相当于Superpave的HMA密度（Gmb）2.41～2.43g/cm3。

因此，基于HMA空隙率（Va）或密度（Gmb）的Nm与Ns关系表现为Marshall的击实次数2×

75对应Superpave的旋转压实次数为80～100，如表4所示。

表4基于HMA空隙率（Va）或密度（Gmb）的Nm与Ns关系（中国）Tab.4RelationshipbetweenNmandNsbasedonHMAVaorGmb（China）HMA类型设计方法Nm或Ns沥青含量/%Va/%VMA/%Gmb/（g·

cm-3）Nm-NsSup19MarshallSuperpave2×

754.44.9—2.391254.413.12.451004.45.113.72.43805.814.42.41606.715.22.392×

75-（80～100）3.2Marshall与Superpave压实次数的关系（日本）HMA按Marshall方法设计，采用Marshall与Superpave两种试验方法进行对比研究，按照上述方法计算HMA的密度（Gmb），如果HMA的Va（或VMA）增加或减少1%，则HMA的密度（Gmb）减少或增加2.5%～2.6%。

根据表5的试验数据，在HMA的Va（或VMA）减少1%的条件下，Marshall的HMA密度（Gmb）2.36g/cm3相当于Superpave的HMA密度（Gmb）2.37～2.40g/cm3。

因此，基于HMA空隙率（Va）或密度（Gmb）的Nm与Ns关系表现为Marshall的击实次数2×

75对应Superpave的旋转压实次数100，如表5所示。

表5基于HMA空隙率（Va）或密度（Gmb）的Nm与Ns关系（日本）Tab.5RelationshipsbetweenNmandNsbasedonHMAVaorGmb（Japan）HMA类型设计方法Nm或Ns沥青含量/%Va/%VMA/%Gmb/（g·

cm-3）Nm-NsHMA13-ⅠHMA13-ⅡHMA20-ⅠHMA20-ⅡMarshall2×

755.73.7716.862.37Super-pave1005.72.9616.142.39Marshall2×

756.04.2017.842.35Super-pave1006.03.3417.092.37Marshall2×

755.34.0316.232.38Super-pave1005.33.2315.532.40Marshall2×

755.54.4517.002.36Super-pave1005.53.0015.772.402×

75-1003.3小结通过不同国家的试验数据对比研究，提出了基于HMA空隙率（Va）或密度（Gmb）标准的Nm与Ns关系，见表6。

在相同的压实条件下，Superpave的HMA密度（Gmb）大于Marshall的HMA密度（Gmb）。

通过HMA体积特性分析表明，Marshall与Superpave的HMA体积特性没有明显差别，因此，HMA力学特性是影响Marshall与Superpave两种设计方法优劣的关键因素，有待于进一步的研究。

表6基于交通量与空隙率（密度）的沥青混合料HMA压实次数关系Tab.6RelationshipofHMAcompactingnumbersbasedontrafficvolumeandairvoids（density）标准中国美国日本NmNsNmNsNmNs建议Nm与Ns的关系ESAL2×

751002×

75100HMAVaorGmb2×

7580～1002×

75-1004中国HMA的Superpave旋转压实次数Ns的确定在不同国家HMA压实次数Nm与Ns关系的研究结果基础上，通过综合分析表2的不同国家交通量与Ns关系的数据，在系统论证交通量与Ns关系的基础上，同时结合中国道路设计交通量的特点，研究并确定了中国HMA的Superpave旋转压实次数Ns，研究结果如表7所示。

表7的研究结果是在综合分析不同国家HMA压实次数Nm与Ns关系的基础上得出的，在此结果基础上，针对不同交通等级的沥青混合料设计要求，制备不同的沥青混合料Superpave试件，通过相关试验对此结果进行进一步的论证，有关详细的试验研究过程将在下一阶段的研究成果中介绍。

表7基于交通量（ESAL）的中国HMA的Superpave旋转压实次数Ns的确定Tab.7DeterminationofNsforHMAinChinabasedontrafficvolume（ESAL）设计方法交通等级使用年限/a交通量ESAL（100kN）106Ns建议值Superpave轻交通6251255结论

（1）通过不同国家（中国，美国，日本）的试验数据对比研究，提出了基于交通量与空隙率（密度）的中国沥青混合料HMA组成设计Marshall与Superpave实验室压实次数Nm与Ns的关系，如表7所示，即：

①基于交通量（ESAL）标准的实验室HMA压实次数Nm与Ns的关系是2×

75对应100；

②基于HMA空隙率（Va）或密度（Gmb）标准的实验室压实次数Nm与Ns的关系是2×

75对应80～100。

Marshall与Superpave的HMA组成设计实验室压实次数关系的建立为两种设计方法的换算及应用提供了理论依据。

（2）考虑道路交通量的不断增长，通过分析以上Marshall与Superpave压实次数的关系，认为Marshall设计标准应该提高，因此，建议Marshall与Superpave设计应该采用实验室HMA压实次数2×

75对应100的关系。

（3）在HMA空隙率（Va）或密度（Gmb）标准的基础上，研究认为Marshall与Superpave的HMA体积特性没有明显差别，因此，HMA力学特性是影响Marshall与Superpave两种设计方法优劣的关键因素，有待于进一步的研究。

（4）根据不同国家HMA压实次数Nm与Ns关系的研究结果，结合中国道路设计交通量的特点，提出了中国HMA的Superpave旋转压实次数Ns建议值。

（5）在Marshall与Superpave压实次数关系的研究结果基础上，研究认为较低的Marshall设计标准不能很好地适应重交通道路设计要求，应该提高设计标准或用Superpave方法替代，以使沥青混合料（HMA）具有更好的路用性能。

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Thehotmixasphalt（HMA）compactionsareresearchedtocomparethedifferencesbetweenMarshallandSuperpavedesignmethods,theobjectiveoftheresearchistoestablishtherelationshipsbetweenHMAcompactingnumberNmandSuperpavegyratorycompactingnumberNsbasedonthetrafficvolumeandtheairvoids（density）.Intheresearch,therelationshipsaredividedinto2partsbasedonthetrafficvolume（ESAL）standardandtheairvoidsordensitystandard,throughthecomparativeresearchonthetestdatainUSA,ChinaandJapanandtheirspecifications,therelationshipsbetweenNmandNsareestablishedbasedo