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1、基于GTM的沥青混合料设计戴经梁2006.11我国沥青路面早期破坏现状n我国公路沥青路面的早期破坏现象主要为车辙 、裂缝、泛油及水损害。n（1）车辙：发生车辙损坏的沥青路面普遍存 在沥青用量偏大，混合料密度偏低。n（2）裂缝：主要为荷载引起的疲劳裂缝和温 度与湿度变化后，基层开裂引起的反射裂缝。n（3）泛油：大都发生在轮迹带上，泛油现象 严重的路段，其表面层沥青含量明显偏大。n（4）水损坏：沥青混合料设计密度小，空隙 率大，以及施工压实度不够等是造成水损坏的 主要原因。早期破坏与沥青混合料设计沥青路面早期损坏的一个主要原因为 混合料沥青用量过大、密度偏低、压实 度低、现场空隙率大及级配不良等。
2、施工管理水平参差不齐固然是产生这 些问题的重要原因之一，但当全国不同 施工管理水平下铺筑的沥青路面频繁出 现同一种破坏现象时，我们就不得不从 根源上重新审视通用的沥青混合料设计 方法是否与这些破坏现象有关。马歇尔设计方法的不足n室内成型方式与现场碾压方式不匹配 n最佳沥青用量的控制指标与混合料的路 用性能之间不存在很好的相关性。n压实标准偏低 n规范的级配范围太宽 问题解决思路n提出与现场吻合的室内成型方式。n不以体积参数为主要指标，而以直接反映沥青 混合料力学性能的参数作为设计标准。 n提高压实标准。 n提出骨架密实型沥青混合料级配设计方法。GTM工作原理nGTM（Gyratory Test
3、ing Machine）旋转试验 机是美国工程兵团在60年代发明的,它把混合料 成型压实实验机、力学剪切实验机和车辆模拟 机合并成为了一台实验机。nGTM采用类似施工中压路机作用的搓揉方法 压实沥青混合料，很大程度上模拟了现场压实 设备与随后交通的作用，并具有改变垂直压力 的灵活性。n采用了和应力有关的推理方法进行混合料的力 学分析和设计，克服了马歇尔等经验方法的不 足。GTM的特点（1）应用推理的方法，按力学原理进行设计，采用力学 参数GSI、GSF确定最佳沥青用量，使得最佳油石比的 确定与混合料力学性能联系起来，相对于马歇尔方法 ，设计思想更为先进。（2）采用搓揉压实成型方法，真实地模拟现
4、场碾压工况 ，从而能准确预测与控制现场工程质量。（3）设计沥青混合料时，考虑行车荷载的实际状况，选 择不同的设计压强，从而使设计方法更为合理。（4）与Superpave成型方式不同，GTM不固定压实功， 而是以极限平衡状态作为旋转结束条件，以避免路面 出现因交通荷载作用产生的二次追密。GTM工作原理n试件在设定的压力下被不断搓揉、剪切 、压实，直到平衡状态（指每旋转100次 ，试件密度变化率小于0.016g/cm）。n试件成型过程中，仪器自动釆集试件的 应力（抗剪强度）、应变（机器角）数 据。GTM的设计参数nGSI（旋转稳定系数）指试验结束时的机器角 与压实过程中的最小机器角的比值。表征试件
5、 受剪应力作用的变形稳定程度的设计参数。以 GSI突变奌(或接近1.0时)所对应的沥青用量为 混合料的最大沥青用量。nGSF （安全系数）指抗剪强度与最大剪应力的 比值。表征试件的抵抗剪应力的能力。GSF应 大于1.3。 GTM方法设计流程图GTM方法设计实例（AC-13型改性沥青混合料）n（1）确定GTM旋转参数：垂直压力0.7MPa、 试验结束条件为极限平衡状态。n（2）原材料质量符合JTG F40-2004公路沥 青路面施工技术规范的要求。n（3）实测集料有效相对密度见表：玄武岩 集料 类 型表观相 对 密度毛体积 相 对 密度实测 有 效相 对 密度 9.5mm 16mm2.8692.
6、7262.7404.75mm 9.5m m2.8662.6372.6562.36mm 4.75 mm2.9432.6812.7260mm 2.36 mm2.8632.6822.734矿粉2.847-2.802沥青-1.037（4）确定初拟级配及工程级配范围以下表作为初拟工程级配范围，按照集料筛分结果进行配 合，确定矿料比例为9.5mm16mm ：4.75mm9.5mm： 2.36mm4.75mm：0mm2.36mm：矿粉=31.0：19.0： 17.5：28.0：4.5。筛孔尺寸（mm ）1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075初拟级配上限10010085584
7、0282015118初拟级配下限1009575483222161175初拟合成级配10097.882.553.035.524.216.611.68.26.5（5）按骨架密实型要求确定设计级配及工程级配范围将初拟合成级配分为粗集料（16mm2.36mm）及 细集料（0.075mm2.36mm）部分，实测粗集料松装密 度及细集料插捣密度。骨架密实型级配计算过程及结果 见下表：序号项目及计算公式单位中值级配1粗集料松堆密度t/m31.561 2细集料插捣密度t/m31.610 3粗集料选择密度系数-0.980 4细集料选择密度系数-1.035 5粗集料选择密度(1)*(3)t/m31.530 6细集
8、料选择密度(2)*(4)t/m31.666 7合成粗集料毛体积密度-2.6738选择密度下的粗集料间隙率（1-（5）/（7）*10042.891立方米单位体积粗集料质量t1.530 101立方米单位体积细集料质量(6)*(8)/100t0.713 111立方米单位体积粗细集料质量=(9)+(10)t2.243 121立方米单位体积矿粉质量t0.152 131立方米单位体积集料重总质量t2.395 142.36mm通过率36.1n由上表计算结果，2.36mm通过率为36.1，0.075mm通过率为6.4，与 初拟级配接近，因此不再调整，将初拟级配作为最终设计级配。n（6）试验温度：改性沥青混合料
9、所用集料加热温度195，拌合温度 180，试件成型温度165170。n（7）旋转试验及最佳油石比的确定：按照GTM旋转参数及成型温度，选择4.8、5.2、5.6、6.0四 组油石比进行试验，每组油石比成型试件68块，试验过程中采集GTM 力学参数，根据力学参数GSI变化规律及GSF值的大小确定最大油石比。 表干法确定GTM旋转试件毛体积相对密度，混合料理论最大密度根据集 料有效相对密度计算得到，以此为基础计算试件体积参数VV、VMA、 VFA等。旋转力学参数统计结果见下图。油石比 （%）理论最大 相对密度试件表干 法密 度VV （%）VMA （%）VFA （%）稳定度 （kN）流值 0.1mm
10、4.82.5342.4314.014.872.618.5835.95.22.5202.4572.514.282.518.9339.05.62.5062.4611.814.487.519.4439.86.02.4932.4581.414.890.620.7042.5AC13型改性沥青混合料GTM试件体积参数及马歇尔稳定度如下表 （8）最大油石比的确定 由GSI、GSF随油石比变化规律可见，判定沥青混合料这种粒状塑性材料 是否会出现塑性变形过大现象的指标GSI（稳定系数）随油石比的增加 而增加，当油石比当油石比大于5.2后，GSI 大幅度增大，曲线已呈 急剧增加趋势，表明混合料中的改性沥青已过量，
11、试件的塑性变形过大 ；从反映改性沥青混合料抗剪强度方面的参数GSF（安全系数）随油石 比的变化情况来看，油石比等于5.2%时，GSF值最大。综合考虑GTM试验 结果并参考体积参数的大小及变化趋势，将AC13型改性沥青混合料最 大油石比确定为5.2%。 （9）GTM方法配合比设计结果为：最佳油石比5.2，最佳油石比下GTM 旋转试件表干法毛体积相对密度为2.457。油石比 理论最 大相对 密度毛体积 相对密 度空隙率 （）VMA（）VFA（）稳定度 （KN）流值0.1mm 4.82.534 2.346 7.4 17.8 58.3 12.35 26.5 5.22.520 2.373 5.8 17.
12、1 66.0 13.28 28.5 5.6 2.506 2.392 4.6 16.8 72.9 15.8930.2 6.02.493 2.412 3.2 16.4 80.2 15.4333.1 6.42.475 2.406 3.0 16.9 82.4 15.3135.9 为进行对比，同时进行了马歇尔试验，试验数据如下表： 按照JTG F40-2004的规定，确定最佳油石比5.6，最佳油石比下马 歇尔试件表干法毛体积相对密度为2.407。GTM方法与马歇尔方法试验结果及混合料路用性能对比如下表：GTM方法与马歇尔方法试验结果及混合料路用性能对比表（1）最佳油石比nGTM方法确定的沥青混合料最佳油
13、石比 为5.2，马歇尔方法设计的沥青混合料 最佳油石比为5.6。如以GTM设计的油 石比为基础，马歇尔方法确定的油石比 增大了7.7。 （2）试件密度n本次设计的沥青混合料GTM试件密度为马歇尔试件密 度的1.027倍。n11个工程数据证明，GTM旋转试件密度大于马歇尔试 件密度。比值平均为1.024。最大为1.037，最小为1.008 ，极差1.029。处于1.0201.030的工程占总数的64。 表明对于大部分工程，修正系数处于1.0201.030之间 。n如现场压实度要求为GTM试件密度的98，则现场将 达到马歇尔试件密度的100101。而最为重要的 是，GTM以旋转压实为成型方式与现场
14、碾压方式相吻 合，因此以GTM试件密度作为压实度控制标准更合理 ，工程实践确实表明以现有设备，在完善的施工管理 方式下，完全能够将混合料压实到较高水平。（3）体积参数n由设计结果，与马歇尔方法比，GTM方法设计的混合 料空隙率小、矿料间隙率小、饱和度大。n根据现行规范JTG F40-2004设计标准，GTM方法设计 的沥青混合料最大油石比为5.2时，其体积参数不满 足规范要求（空隙率仅2.5、饱和度达82.5）。但 它并不表明GTM方法设计的沥青混合料路用性能差。n路用性能试验结果表明，GTM方法设计的沥青混合料 路用性能均优于马歇尔方法设计的沥青混合料。n 总之，GTM方法采用旋转压实成型试
15、件，以力学参数 为判据确定最佳油石比。在这种设计思想的体系下， 体积参数充其量只是参考指标。也就是说，GTM方法 设计的混合料在最佳沥青用量下，体积参数是多少就 是多少，没有必要再与经验体积参数进行比较而主观 地预测沥青混合料路用性能。更不能将一种成型方式 下（比如马歇尔成型方式）的体积指标无条件地外延 并要求其它成型方式下（比如GTM成型方式）的沥青 混合料必须满足此体积参数要求。如此以来只能导致 GTM设计方法失去特色。（4）路用性能高温抗车辙能力nGTM方法设计的沥青混合料高温抗车辙能力远 大于马歇尔方法设计的沥青混合料。表现为最 佳油石比下，GTM方法设计的沥青混合料在试 验温度为60
16、、65时动稳定度分别为马歇尔 方法的1.5及1.9倍；n最佳油石比下，试验温度由60上升到65时 ，马歇尔法设计的沥青混合料的动稳定度下降 了37%，而GTM法设计的沥青混合料的动稳定 度仅仅下降了18%，表明GTM法设计的沥青混 合料不仅抗车辙能力明显提高，而且抗车辙能 力的温度敏感性大大降低。（4）路用性能低温抗裂能力 n以弯曲应变及应变能为标准评价沥青混合料低 温抗裂能力。试验温度为-10，试验设备为 MTS-810（TESTSTAR-）。试验结果表明， GTM设计的沥青混合料低温破坏应变能远大于 马歇尔方法设计的混合料，为1.37倍。n以此为依据，GTM设计的沥青混合料低温抗裂 能力显著优于马歇尔方法设计的沥青混合料。（4）路用性能抗水损害能力 n最佳油石比下，GTM方法设计的沥青混合料残 留稳定度及冻融劈裂残留强度比分别为马歇尔 方法的1.06及1.14倍。表明GTM方法设计的沥 青混
