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丰津公路沥青面层GTM旋转成型设计方法介绍（文件编号：FJ003）天津市市政工程研究院2010年7月沥青面层GTM旋转成型设计方法介绍第1页共15页沥青面层GTM旋转成型设计方法介绍1沥青面层材料设计现状随着我国经济的快速发展，近年来高等级公路的交通组成发生了重大变化，重载交通已成为高等级公路的主要运输形式，也成为控制路面结构及材料设计的关键设计因素。沥青路面在此大环境下的早期破坏现象十分严重，经调查表明，我国高等级公路沥青路面的早期破坏现象主要体现为车辙、泛油、松散及水损害等。与此相关的大量研究表明，就沥青面层混合料本身而言，产生这些早期破坏现象的主要原因为：（1）车辙：发生早期车辙损坏的沥青路面普遍存在的问题是沥青用量偏大，混合料密度偏低。大量统计数据表明，在发生车辙的轮迹带上，其沥青路面芯样的密度显著高于马歇尔试件密度。这表明在行车荷载作用下，沥青混合料的二次追密是形成车辙的主要原因之一。（2）泛油：早期损坏中的泛油现象主要发生在轮迹带上，从试验统计结果来看，泛油现象严重的路段，其表面层的沥青含量明显偏大。发生车辙的路段常常伴随有泛油现象，因此车辙与泛油的成因大体相同。（3）松散：在水和高速行车的综合作用下，面层底部的沥青膜从集料表面剥落，使面层底部的集料之间丧失粘结而发生松散。就沥青混合料本身而言，造成松散的主要原因是空隙率过大以及沥青与集料间的粘结力相对不足。（4）水损坏：水侵入沥青路面的途径主要是透过结构完整的沥青面层，并滞留于沥青面层之中，在行车荷载及化学作用下导致沥青膜从集料表面脱落。沥青混合料的设计密度偏小、空隙率过大、以及施工压实度不够等是造成水损坏的主要原因，另外因级配不良导致的离析也是造成水损坏的主要原因之一。综上所述，就沥青混合料自身质量而言，当前沥青路面早期损坏的主要原因可总结为沥青用量过大、混合料密度偏低、压实度低、现场空隙率大以及级配不良等。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传统的沥青混合料设计方法是否与这些破坏现象有关。事实证明，目前通用的沥青混合料设计方法确实有很多方面需要改进。沥青面层GTM旋转成型设计方法介绍第2页共15页1.1室内成型方式与现场碾压方式不匹配众所周知，室内试验要准确、有效地预测与控制现场施工质量，应该满足两个最基本的条件，首先要求试件成型方式能够最大限度地模拟现场施工工况，使室内试验成果与沥青面层实际应用效果具有可比性；其次要求室内对于沥青混合料的各种性能评价指标应该能够切实反映面层在其使用环境下的服务质量。如今，施工现场大量使用振动压路机及轮胎压路机，而室内成型方式却采用马歇尔击实方法。由此则衍生出一系列问题：以基于锤击方式成型的马歇尔试件密度作为现场压实度的控制指标是否合适；沥青混合料分别在击实与揉搓作用下的力学特性不同，那么用何种成型方式制作试件来控制现场质量更为有效；用马歇尔设计方法所优化的配合比（包括级配、油石比、密度等）在现场碾压条件下的路用性能是否达到最优等。目前，我国规定沥青混合料配合比设计采用马歇尔体积设计方法。但是在试件成型方面，马歇尔方法所要求的锤击次数与路面成型时的压实功能没有内在联系，马歇尔击锤的冲击力与车辆的车轮接地压强存在着巨大差异，马歇尔试模对沥青混合料的约束条件也与实际路面材料的受力条件不同，马歇尔的冲击压实方法不利于集料的定向重排。因此，用马歇尔击实成型方式进行配合比设计并指导现场施工，显然是不合适的。1.2以体积参数为控制指标难以实现设计意图及协调各种矛盾对于连续密级配沥青混合料，我国现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）规定击实功为双面击实75次，并主要以体积参数（空隙率、矿料间隙率、饱和度等）作为控制指标来确定最佳沥青用量。利用这种经验加体积参数分析的方法来进行沥青混合料配合比设计，其成立的前提条件是，用于计算以孔隙率为代表的各项体积参数的相关试验方法必须科学、合理，而且体积参数与路用性能之间应该存在良好的相关性。但是，现行试验规程所规定的试验方法难以使沥青混合料体积参数的计算结果达到精确（即使相对精确也不可能），另外大量研究表明，体积参数与混合料路用性能之间不存在广泛的相关性，也就是说，满足了马歇尔体积参数的沥青混合料未必具有好的路用性能。1.3现场压实标准偏低压实度达到较高标准对沥青混合料的高温抗车辙能力、低温抗开裂能力、抗沥青面层GTM旋转成型设计方法介绍第3页共15页水破坏能力及抗疲劳能力均有显著改善。由于马歇尔击实成型方式与现场碾压方式不匹配，造成混合料的室内设计密度较低。以该密度来控制现场施工碾压往往会造成混合料不能被充分压实，路面的实际密度偏小、空隙率过高，由此导致的直接后果是在交通荷载作用下，沥青路面由于抗剪强度小以及二次追密而很快产生出现车辙。对沥青路面的大量调查表明，大多数沥青路面在使用一段时期后，其混合料的密度会大于原设计密度从而不可避免地产生压密性车辙。目前，压实度标准的适当提高有着坚实的物质基础，与20年前的压实施工机械相比，如今的施工碾压设备在性能及压实功能上都有质的飞跃，因此有理由认为，采用性能大幅度提高的压实设备应该能够铺筑出压实度更高、质量更好的沥青面层。但是，如果室内成型条件不加以改变，仍然沿用马歇尔设计方法并以马歇尔试件密度作为现场施工的压实度控制标准，只能导致如今的筑路机械修筑出与以前相差无几的沥青路面。更严重的是，室内试验标准已经严重阻碍了科技进步及生产的发展，使得承包商对使用新工艺、新设备没有积极性。1.4现行规范规定的级配范围太宽我国现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）规定的混合料级配范围太宽。在此范围内，不同级配混合料的力学性能有很大的差异，且现行规范中的配合比设计方法对于矿料级配设计缺少有针对性的级配优化过程，这也是沥青路面发生早期损坏的原因之一。如上所述，沥青混合料出现早期破坏与室内成型方式不合理导致的压实标准低、设计沥青用量过大以及级配不良等有着直接关系，因此，要真正有效地解决早期破坏问题，最为现实的措施是针对当前问题，适当降低沥青用量，采用骨架密实型级配，适当提高压实度标准，但是沥青用量降低多少，压实标准提高多少，骨架密实结构的级配范围如何确定，需要一整套科学的理论、试验方法及设计标准来综合确定。而合理的沥青混合料设计方法至少需要考虑以下几个方面：（1）体积参数合理、准确。目前流行的马歇尔设计方法以及Superpave设计方法均为体积设计法。当采用GTM设计方法时，体积参数也是重要的参考指标。（2）沥青混合料的成型方式应该要最大限度地模拟路面实际成型过程。当沥青面层GTM旋转成型设计方法介绍第4页共15页配合比一定时，试件成型方式决定了混合料的结构，而结构又决定了试件的物理、力学性质，进而决定了优化配比的取舍。（3）沥青混合料的设计指标应该与沥青路面的工作特性有一定的联系。鉴于沥青混合料材料性质的复杂性，用简单的静力学指标无法准确描述它的粘弹塑性；再由于沥青路面所受的外力作用和环境影响更为复杂，就目前的技术水平而言，尚无法建立起材料性能与路面设计指标之间的准确关系。但是，以性能指标作为混合料设计的判据至少是一个进步。（4）设计的沥青混合料应该便于施工、易于压实。在施工过程中，材料离析在所难免，因此希望级配和沥青含量的波动不至于显著影响混合料的路用性能。另一方面，在正常情况下，采用现有的施工机械应该能把混合料压实至规定密度，即室内试验方法（成型方式、压实功能大小）应该与施工的压实效果匹配。2GTM设计方法基本原理GTM（GyratoryTestingMachine）旋转试验机是美国工程兵团在60年代以推理的方法发明的路面材料试验机，后来美国空军为解决重型轰炸机跑道容易破损的问题，又专门组织人员对GTM进行了研究开发。GTM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一台实验机，一旦试件成型完毕，根本不用进行另外的强度试验即可得到混合料的设计密度和沥青用量，所以GTM具有设计周期短、设计成本较低的特点。GTM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方法可较真实地模拟实际路面材料的受力状况以及预测材料到服务期限末的应力应变力学性质，从而避免了路面材料的早期破坏。GTM成型试件的原理与Superpave的旋转压实机（SGC）基本相同，可模拟路面碾压成型阶段，混合料所受到的碾压、揉搓作用，还可根据路面所承受的轮胎接地压强设定垂直压力，也可变化对试件的揉搓旋转角度。GTM是通过搓揉、旋转来压实制作试件，工程技术人员已经证实通过这种方法制作的试件的应力应变特性对于实际柔性路面结构具有很好的代表性。GTM一个重要的特性是能够直接反映出颗粒状塑性材料中可能出现的塑性过大的现象。这时材料会呈现过饱和状态，或许是因为过度压实，也或许是因为孔隙中填充了过多的介质---如土中的水或沥青混合料中的沥青。当沥青含量或含沥青面层GTM旋转成型设计方法介绍第5页共15页水量一定时，这种现象可以通过GTM滚轮压力的下降和旋转角度的增加显示出来，依据这一原理可以预测在设定的垂直应力下所设计的沥青混合料的最大允许沥青含量。同时GTM还可对路面的取样进行试验，以此来确定未来某时在已知轮胎与路面接触压力的交通量作用下，是否会造成由于混合料的不断密实而使塑性过大，是否会对路面造成破坏。GTM成型试验的目的还在于模拟路面行车荷载作用下沥青混合料的最终压实状态即平衡状态，并测试分析试样在被压实到平衡状态过程中剪切强度SG和最终塑性形变的大小，以判断混合料组成是否合理。在混合料被压实到平衡状态过程中，若机器角上升，滚轮压力下降，说明混合料的抗剪强度在降低，变形在增加，呈现出了塑性状态，即表明沥青混合料的沥青用量已经过大。压实试件的最终塑性形变大小是用旋转稳定系数GSI（GyratoryStabilityIndex）来表示的。GSI是试验结束时的机器角与压实过程中的最小机器角的比值，是表征试件受剪应力作用的变形稳定程度的参数。初期的GTM设计方法以GSI接近于1.0时所对应的沥青用量为混合料的最大沥青用量。试验中需变化沥青用量分别进行GTM压实试验，然后绘制GSI与沥青用量的关系曲线，以确定混合料的最大沥青用量。另外GTM还可以提供试件的最大密度（即试件处于平衡状态时的密度），安全系数GSF（即抗剪强度与最大剪应力之比值），静态剪切模量，抗压模量等。综上所述，GTM主要有以下特点：（1）GTM试验应用推理的方法，采用应力应变原理进行设计，以试验结束时的机器角与压实过程中的最小机器角的比值GSI作为确定最佳沥青用量的参数，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）GTM采用旋转成型方式，精确模拟现场碾压工况，能够得到与现场混合料结构基本相同的室内试件，从而准确预测与控制现场工程质量。（3）利用GTM设计沥青混凝土时，充分考虑行车荷载的实际状况，设计沥青混凝土时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。沥青面层GTM旋转成型设计方法介绍第6页共15页总之，GTM不仅仅是一种试件成型设备，其成型试件的优点也不仅仅是最大限度地模拟了路面施工时的碾压工况，更为有价值的是，它以汽车轮胎的接地压强作为成型试件的一个主要控制条件，不固定试件成型功能而以被试验对象达到极限平衡状态作为结束条件，恰恰能反映不同沥青混合料的物理力学特性。相对于马歇尔设计方法，无论是成型方式还是设计指标均有质的进步。图1GTM旋转成型压实设备3GTM方法主要设计内容在系统总结GTM旋转成型设计方法科研成果的基础上，提出GTM旋转成型方法的设计内容如下：（1）确定GTM旋转参数。根据研究成果，GTM旋转基准角选用C，最终状态为平衡状态。设计时可根据预测