公路交通科技  2015, Vol. 31 Issue (10): 25-29

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张海涛, 于腾江
ZHANG Hai-tao, YU Teng-jiang
Marshall与Superpave沥青混合料压实次数关系的研究
Study on Relationship between Compacting Numbers of Marshall Asphalt Mixture and Superpave Asphalt Mixture
公路交通科技, 2015, Vol. 31 (10): 25-29
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2015, Vol. 31 (10): 25-29
10.3969/j.issn.1002-0268.2015.10.005

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收稿日期: 2014-03-11
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张海涛, 于腾江. Marshall与Superpave沥青混合料压实次数关系的研究[J]. 公路交通科技, 2015, Vol. 31 (10): 25-29.
ZHANG Hai-tao, YU Teng-jiang. Study on Relationship between Compacting Numbers of Marshall Asphalt Mixture and Superpave Asphalt Mixture[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2015, Vol. 31 (10): 25-29.
Marshall与Superpave沥青混合料压实次数关系的研究
张海涛, 于腾江    
东北林业大学 土木工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150040
收稿日期: 2014-03-11
作者简介: 张海涛(1963-),男,黑龙江哈尔滨人,教授.
摘要：针对Marshall 与Superpave设计方法中的沥青混合料(HMA)不同压实工艺过程进行对比研究,研究目的是建立基于交通量与空隙率(密度)的沥青混合料击实次数Nm与旋转压实次数Ns的关系。在研究方法中,压实次数关系的建立采用两方面技术标准,即交通量(ESAL)标准与沥青混合料空隙率或密度标准,通过不同国家(中国,美国,日本)试验数据及规范的比较研究,建立了基于交通量与空隙率(密度)的沥青混合料组成设计压实次数的关系,即Marshall的击实次数2×75 对应Superpave的旋转压实次数80~100。在此基础上,考虑交通量的不断增长,研究结论建议采用Marshall的击实次数2×75 对应Superpave的旋转压实次数100作为沥青混合料组成设计的实验室压实次数,提出了中国HMA的Superpave旋转压实次数Ns建议值。同时,对于沥青混合料组成设计中的体积及强度性能等也进行了讨论。
关键词: 道路工程     沥青混合料     击实与旋转压实次数     交通量     空隙率(密度)    
Study on Relationship between Compacting Numbers of Marshall Asphalt Mixture and Superpave Asphalt Mixture
ZHANG Hai-tao, YU Teng-jiang     
School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin Heilongjiang 150040, China
Abstract: The hot mix asphalt (HMA) compactions are researched to compare the differences between Marshall and Superpave design methods, the objective of the research is to establish the relationships between HMA compacting number Nm and Superpave gyratory compacting number Ns based on the traffic volume and the air voids (density). In the research, the relationships are divided into 2 parts based on the traffic volume (ESAL) standard and the air voids or density standard, through the comparative research on the test data in USA, China and Japan and their specifications, the relationships between Nm and Ns are established based on the traffic volume and the air voids (density), i.e., Marshall compacting number Nm of 2×75 corresponds to Superpave gyratory compacting number of 80-100. On this basis, it is suggested that the relationships of 2×75 (Nm) and 100 (Ns) should be applied as the compacting numbers in HMA design in lab based on the increase of the traffic volume, and the Ns value of HMA Superpave in China is also proposed. Meanwhile, some other issues about HMA volumetric and mechanical performance in lab design are discussed.
Key words: road engineering     asphalt mixture     impact and gyratory compacting number     traffic volume     air voids (density)    
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, 2, 3, 4, 5, 6]。

1 HMA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 1 HMA压路机压实、Marshall 击实及Superpave旋转压实的关系 Fig. 1Relationship of HMA compactions among field, Marshall and Superpave methods
图选项
2 基于交通量(ESAL)标准的Marshall与 Superpave的HMA压实次数关系[7, 8, 9, 10, 11] 2.1 Marshall 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 1 Marshall 法的交通量(ESAL)与压实次数Nm的关系 Tab. 1 Relationship between traffic volume (ESAL) and Nm in Marshall method
交通量(ESAL)/(×106) 压实次数Nm
美国 (82 kN) 中国 (100 kN) 日本 (98 kN)
<0.3
0.3～31～2(10 a)0.5～2(10 a)2×50
3～102～4(15 a)2～6(10 a)2×75
10～30
>30
注：Nm为Marshall冲击压实次数；ESAL为当量标准轴载次数(Equivalent Standard Axle Loads)；其中，标准轴载为美国82 kN(18 klbf)，中国100 kN，日本98 kN。
表选项
2.2 Superpave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20 a及标准轴载82 kN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。

表 2 Superpave法的交通量(ESAL)与压实次数Ns的关系 Tab. 2 Relationship between traffic volume (ESAL) and Ns in Superpave method
使用年限/a 交通量(ESAL)/(×106) 压实次数Ns
美国(82kN) 中国(100kN) 日本(98kN) Nini Ndes Nmax
10 <0.15 <0.086 <0.074 6 50 75
0.15～1.5 0.086～0.86 0.074～0.74 7 75 115
1.5～5 0.86～2.26 0.74～2.45 8 100 160
5～15 2.26～6.78 2.45～7.36 8 100 160
>15 >6.78 >7.36 9 125 205
20 <0.3 <0.136 <0.147 6 50 75
0.3～3 0.136～1.36 0.147～1.47 7 75 115
3～10 1.36～4.52 1.47～4.90 8 100 160
10～30 4.52～13.56 4.90～14.71 8 100 160
>30 >13.56 >14.71 9 125 205
注：Ns为Superpave 旋转压实次数； 换算公式为=2.212，=2.040,k1为轴载系数(中国)；k2为轴载系数(日本)。
表选项
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。

表 3 基于交通量(ESAL)的Marshall与 Superpave压实次数(Nm与Ns)关系 Tab. 3 Relationship between Nm and Ns based on traffic volume (ESAL)
设计方法 使用年限/a 交通量(ESAL)/(×106) Nm或Ns
美国(82kN) 中国(100kN) 日本(98kN)
Marshall 10～15 3～10 2～4 2～6 2×75
Superpave 10 1.5～5 0.86～2.26 0.74～2.45 100
5～15 2.26～6.78 2.45～7.36 100
20 3～10 1.36～4.52 1.47～4.90 100
10～30 4.52～13.56 4.90～14.71 100
表选项
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。

3 基于HMA空隙率(Va)或密度(Gmb)标准的Marshall与Superpave压实次数关系 3.1 Marshall与Superpave压实次数的关系(中国)[12, 13, 14, 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2.5～2.6 g/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)2.39 g/cm3相当于Superpave的HMA密度(Gmb)2.41～2.43 g/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. 4 Relationship between Nm and Ns based on HMA Va or Gmb (China)
HMA类型 设计方法 Nm或Ns 沥青含量/% Va/% VMA/% Gmb/ (g·cm-3) Nm-Ns
Sup 19 Marshall 2×754.44.9—2.39 2×75-(80~100)
1254.413.12.45
1005.113.72.43
Superpave4.4
805.814.42.41
606.715.22.39
表选项
3.2 Marshall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)2.36 g/cm3相当于Superpave的HMA密度(Gmb)2.37～2.40 g/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. 5 Relationships between Nm and Ns based on HMA Va or Gmb (Japan)
HMA 类型 设计方法 Nm或Ns 沥青含量/% Va/% VMA/% Gmb/ (g·cm-3) Nm-Ns
HMA13-Ⅰ Marshall 2×75 5.7 3.77 16.86 2.37 2×75-100
Superpave 100 5.7 2.96 16.14 2.39
HMA13-Ⅱ Marshall 2×75 6.0 4.20 17.84 2.35
Superpave 100 6.0 3.34 17.09 2.37
HMA20-Ⅰ Marshall 2×75 5.3 4.03 16.23 2.38
Superpave 100 5.3 3.23 15.53 2.40
HMA20-Ⅱ Marshall 2×75 5.5 4.45 17.00 2.36
Superpave 100 5.5 3.00 15.77 2.40
表选项
3.3 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. 6 Relationship of HMA compacting numbers based on traffic volume and air voids (density)
标准 中国 美国 日本 建议Nm 与Ns的关系
Nm Ns Nm Ns Nm Ns
ESAL 2×75 100 2×75 100 2×75 100 2×75-100
HMA Va or Gmb 2×75 80～100 2×75 100 2×75 100
表选项
4 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 基于交通量(ESAL)的中国HMA的Superpave旋转压实次数Ns的确定 Tab. 7 Determination of Ns for HMA in China based on traffic volume (ESAL)
设计方法 交通等级 使用年限/a 交通量ESAL (100 kN)106 Ns建议值
Superpave 轻交通 6 <3 75
中等交通 8 3～12 100
重交通 12 12～25 100
特重交通 15 >25 125
表选项

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。

5 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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