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1、基于GTM的沥青混合料配合比设计方法、施工工艺及工程质量 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望我国沥青路面早期破坏现状n n我国公路沥青路面的早期破坏现象主要为车辙、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。裂缝、泛油及水损害。n n（1 1）车辙：发生车辙损坏的沥青路面普遍存）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。在沥青用量偏大，混合料密度偏低。n n（2 2）裂缝：主要为荷载引起的疲劳裂缝和温）裂缝：主
2、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。度与湿度变化后，基层开裂引起的反射裂缝。n n（3 3）泛油：大都发生在轮迹带上，泛油现象）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。严重的路段，其表面层沥青含量明显偏大。n n（4 4）水损坏：沥青混合料设计密度小，空隙）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率大，以及施工压实度不够等是造成水损坏的主要原因。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。施工管理水平参差不齐固
3、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 n室内成型方式与现场碾压方式不匹配室内成型方式与现场碾压方式不匹配 n n最佳沥青用量的控制指标与混合料的路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。用性能之间不存在很好的相关性。n n压实标准偏低压实标准偏低 n n规范的级配范围太宽规范的级配范围太宽 问题解决思路n n提出与现场吻合的室内成型方式。提出与现场吻合的室内成型方式。提出与现场吻合的室内成型方式。提出与现场吻合的
4、室内成型方式。n n不以体积参数为主要指标，而以直接反映沥青不以体积参数为主要指标，而以直接反映沥青不以体积参数为主要指标，而以直接反映沥青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。混合料力学性能的参数作为设计标准。混合料力学性能的参数作为设计标准。混合料力学性能的参数作为设计标准。n n提高压实标准。提高压实标准。提高压实标准。提高压实标准。n n提出骨架密实型沥青混合料级配设计方法。提出骨架密实型沥青混合料级配设计方法。提出骨架密实型沥青混合料级配设计方法。提出骨架密实型沥青混合料级配设计方法。GTM工作原理工作原理nGTM（Gyratory Testing
5、 Machine）旋转试验）旋转试验机是美国工程兵团在机是美国工程兵团在60年代发明的年代发明的,它把混合它把混合料成型压实实验机、力学剪切实验机和车辆模料成型压实实验机、力学剪切实验机和车辆模拟机合并成为了一台实验机。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备与随后交通的作用，并具有改变垂直压力的灵活性。灵活性。n采用了和应力有关的推理方法进行混合料的力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
6、服了马歇尔等经验方法的不学分析和设计，克服了马歇尔等经验方法的不足。足。GTM的特点的特点（1 1）应用推理的方法，按力学原理进行设计，采用力学）应用推理的方法，按力学原理进行设计，采用力学参数参数GSIGSI、GSFGSF确定最佳沥青用量，使得最佳油石比的确定最佳沥青用量，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，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。设计思想更为先进。（2 2）采用搓揉压实成型方法，真实地模拟现场碾压工况，）采用搓揉压实成型方法，真实地模拟现场碾压工况，从而能准确预测与控制现场工程质量。从而能准确预测与控制现场工程质量。（3
7、 3）设计沥青混合料时，考虑行车荷载的实际状况，选）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。择不同的设计压强，从而使设计方法更为合理。（4 4）与）与SuperpaveSuperpave成型方式不同，成型方式不同，GTMGTM不固定压实功，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。出现因交通荷载作用产生的二次追密。GTM工作原理n 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 n
8、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n nGSIGSI（旋转稳定系数）指试验结束时的机器角（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。表征试件与压实过程中的最小机器角的比值。表征试件受剪应力作用的变形稳定程度的设计参数。以受剪应力作用的变形稳定程度的设计参数。以GSIGSI突变奌突变奌(或接近或接近1.01.0时时)所对应的沥青用量为所对应的沥青用量为混合料的最大沥青用量。混合料的最大沥青用量。n nGSF GSF（安全系数）指抗剪强度与最大剪应力的（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。
9、比值。表征试件的抵抗剪应力的能力。GSFGSF应应大于大于1.31.3。GTM方法设计流程图方法设计流程图GTMGTM方法设计实例（方法设计实例（AC-13AC-13型改性沥青混合料）型改性沥青混合料）n n（1 1）确定）确定GTMGTM旋转参数：垂直压力旋转参数：垂直压力0.7MPa0.7MPa、试验结束条件为极限平衡状态。试验结束条件为极限平衡状态。n n（2 2）原材料质量符合）原材料质量符合JTG F40-2004JTG F40-2004公路沥公路沥青路面施工技术规范的要求。青路面施工技术规范的要求。n n（3 3）实测集料有效相对密度见表：）实测集料有效相对密度见表：玄武岩集料类型
10、表观相对密度毛体积相对密度实测有效相对密度9.5mm16mm2.8692.7262.7404.75mm9.5mm2.8662.6372.6562.36mm4.75mm2.9432.6812.7260mm2.36mm2.8632.6822.734矿粉2.847-2.802沥青-1.037（4 4）确定初拟级配及工程级配范围）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，确定矿料比例为合，确定矿料比例为9.5mm9.5mm16mm 16mm：4.75mm4.75mm9.5mm9.5mm：2.36mm2.36mm4
11、.75mm4.75mm：0mm0mm2.36mm2.36mm：矿粉：矿粉=31.0=31.0：19.019.0：17.517.5：28.028.0：4.54.5。筛孔尺寸（mm）1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075初拟级配上限100100855840282015118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
12、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-0.9804细集料选择密度系数-1.0355粗集料选择密度(1)*(3)t/m31.530 6细集料选择密度(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t1.530101立方米单位体积细集料质量(6)*(8)/100t0.713111立方米单位体积粗细集料质量=(9)+(10)t2.243121立方米单位体
13、积矿粉质量t0.152 131立方米单位体积集料重总质量t2.395142.36mm通过率36.1n n由上表计算结果，由上表计算结果，2.36mm2.36mm通过率为通过率为36.136.1，0.075mm0.075mm通过率为通过率为6.46.4，与，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。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 n（6 6）试验温度：改性沥青混合料所用集料加热温度）试验温度：改性沥青混合料所用集料加热温度195195，拌合温度，拌合温度180180，试件成型温度，试件成型温度165165170170。n n（7 7）旋转试验及最佳油石
14、比的确定：）旋转试验及最佳油石比的确定：按照按照GTMGTM旋转参数及成型温度，选择旋转参数及成型温度，选择4.84.8、5.25.2、5.65.6、6.06.0四四组油石比进行试验，每组油石比成型试件组油石比进行试验，每组油石比成型试件6 68 8块，试验过程中采集块，试验过程中采集GTMGTM力学参数，根据力学参数力学参数，根据力学参数GSIGSI变化规律及变化规律及GSFGSF值的大小确定最大油石比。值的大小确定最大油石比。表干法确定表干法确定GTMGTM旋转试件毛体积相对密度，旋转试件毛体积相对密度，混合料理论最大密度根据集混合料理论最大密度根据集料有效相对密度计算得到料有效相对密度计
15、算得到，以此为基础计算试件体积参数，以此为基础计算试件体积参数VVVV、VMAVMA、VFAVFA等。旋转力学参数统计结果见下图。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0.1mm4.82.5342.4314.014.872.618.5835.95.22.5202.4572.514.282.518.9339.05.62.5062.4611.814.487.519.4439.86.02.4932.4581.414.890.620.7042.5AC13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
16、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，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
17、.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0.1mm4.82.534 2.346 7.4 17.8 58.3 12.35 26.5 5.22.520 2.373 5.8 17.1 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
18、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。GTMGTM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：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：GTMGTM方法与马歇尔方法试验结果及混合料路用性能对比表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n nGTM方法确定的沥青混合料最佳油石比为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 n本次设计的沥青混合料本次设计的沥青混合料GTMGTM试件密度为马歇尔试件密试件密度为马歇尔试件密度的度的1.0271
19、.027倍。倍。n n1111个工程数据证明，个工程数据证明，GTMGTM旋转试件密度大于马歇尔试旋转试件密度大于马歇尔试件密度。比值平均为件密度。比值平均为1.0241.024。最大为。最大为1.0371.037，最小为，最小为1.0081.008，极差，极差1.0291.029。处于。处于1.0201.0201.0301.030的工程占总数的的工程占总数的6464。表明对于大部分工程，修正系数处于表明对于大部分工程，修正系数处于1.0201.0201.0301.030之间。之间。n n如现场压实度要求为如现场压实度要求为GTMGTM试件密度的试件密度的9898，则现场将，则现场将达到马歇尔
20、试件密度的达到马歇尔试件密度的100100101101。而最为重要的。而最为重要的是，是，GTMGTM以旋转压实为成型方式与现场碾压方式相吻以旋转压实为成型方式与现场碾压方式相吻合，因此以合，因此以GTMGTM试件密度作为压实度控制标准更合理，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。式下，完全能够将混合料压实到较高水平。（3）体积参数n n由设计结果，与马歇尔方法比，由设计结果，与马歇尔方法比，GTMGTM方法设计的混合方法设计的混合料空隙率小、矿料间隙率小、饱和度大。料
21、空隙率小、矿料间隙率小、饱和度大。n n根据现行规范根据现行规范JTG F40-2004JTG F40-2004设计标准，设计标准，GTMGTM方法设计方法设计的沥青混合料最大油石比为的沥青混合料最大油石比为5.25.2时，其体积参数不满时，其体积参数不满足规范要求（空隙率仅足规范要求（空隙率仅2.52.5、饱和度达、饱和度达82.582.5）。但）。但它并不表明它并不表明GTMGTM方法设计的沥青混合料路用性能差。方法设计的沥青混合料路用性能差。n n路用性能试验结果表明，路用性能试验结果表明，GTMGTM方法设计的沥青混合料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。路用
22、性能均优于马歇尔方法设计的沥青混合料。n n 总之，总之，GTMGTM方法采用旋转压实成型试件，以力学参数方法采用旋转压实成型试件，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，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，体积参数充其量只是参考指标。也就是说，GTMGTM方法方法设计的混合料在最佳沥青用量下，体积参数是多少就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地预测沥青混合料路用性能。更不能将一种成
23、型方式下（比如马歇尔成型方式）的体积指标无条件地外延下（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（比如并要求其它成型方式下（比如GTMGTM成型方式）的沥青成型方式）的沥青混合料必须满足此体积参数要求。如此以来只能导致混合料必须满足此体积参数要求。如此以来只能导致GTMGTM设计方法失去特色。设计方法失去特色。（4）路用性能高温抗车辙能力n nGTMGTM方法设计的沥青混合料高温抗车辙能力远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。表现为最大于马歇尔方法设计的沥青混合料。表现为最佳油石比下，佳油石比下，GTMGTM方法设计的沥青混合料在试方法设计
24、的沥青混合料在试验温度为验温度为6060、6565时动稳定度分别为马歇尔时动稳定度分别为马歇尔方法的方法的1.51.5及及1.91.9倍；倍；n n最佳油石比下，试验温度由最佳油石比下，试验温度由6060上升到上升到6565时，时，马歇尔法设计的沥青混合料的动稳定度下降了马歇尔法设计的沥青混合料的动稳定度下降了37%37%，而，而GTMGTM法设计的沥青混合料的动稳定度法设计的沥青混合料的动稳定度仅仅下降了仅仅下降了18%18%，表明，表明GTMGTM法设计的沥青混合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。的温度敏感
25、性大大降低。（4）路用性能低温抗裂能力 n n以弯曲应变及应变能为标准评价沥青混合料低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。试验温度为温抗裂能力。试验温度为-10-10，试验设备为，试验设备为MTS-810MTS-810（TESTSTAR-TESTSTAR-）。试验结果表明，）。试验结果表明，GTMGTM设计的沥青混合料低温破坏应变能远大于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，为马歇尔方法设计的混合料，为1.371.37倍。倍。n n以此为依据，以此为依据，GTMGTM设计的沥青混合料低温抗裂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。能
26、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 n最佳油石比下，最佳油石比下，GTMGTM方法设计的沥青混合料残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留稳定度及冻融劈裂残留强度比分别为马歇尔方法的方法的1.061.06及及1.141.14倍。表明倍。表明GTMGTM方法设计的沥方法设计的沥青混合料抗水损害能力明显优于马歇尔方法设青混合料抗水损害能力明显优于马歇尔方法设计的沥青混合料。计的沥青混合料。（4）路用性能耐久性 设计方法抗弯拉强度maxMPa应力比0/max荷载作用次数Nf（次）回归方程NfK（0/max）-nGTM8.450.211680
27、4K754n3.1957r0.99590.3377400.4170710.564810.63524马歇尔7.150.2-K599n3.8177r0.99960.3588200.4205150.581480.64270n疲劳试验表明，GTM方法设计的沥青混合料抗疲劳能力优于马歇尔方法设计的沥青混合料n沥青混合料的耐久性不能够仅根据沥青用量的大小判断。而应该从粉胶比、级配、密度等综合分析。GTM方法设计的沥青混合料铺筑的路面最长服务年限已接近4年，并未出现耐久性不足的迹象。n n当我们将当我们将当我们将当我们将GTMGTM设计结果与马歇尔设计结果相比设计结果与马歇尔设计结果相比设计结果与马歇尔设计
28、结果相比设计结果与马歇尔设计结果相比较时，便不自觉地会产生疑问：较时，便不自觉地会产生疑问：较时，便不自觉地会产生疑问：较时，便不自觉地会产生疑问：GTMGTM设计的油设计的油设计的油设计的油石比小，耐久性是否会受到影响？试件密度大，石比小，耐久性是否会受到影响？试件密度大，石比小，耐久性是否会受到影响？试件密度大，石比小，耐久性是否会受到影响？试件密度大，现场是否能达到理想的压实水平？空隙率如此现场是否能达到理想的压实水平？空隙率如此现场是否能达到理想的压实水平？空隙率如此现场是否能达到理想的压实水平？空隙率如此之小（本次设计之小（本次设计之小（本次设计之小（本次设计2.52.5，1111个
29、工程统计平均为个工程统计平均为个工程统计平均为个工程统计平均为2.32.3），路面将来是否会出现车辙及泛油问题），路面将来是否会出现车辙及泛油问题），路面将来是否会出现车辙及泛油问题），路面将来是否会出现车辙及泛油问题？而产生这些疑问的根源是将马歇尔方法作为？而产生这些疑问的根源是将马歇尔方法作为？而产生这些疑问的根源是将马歇尔方法作为？而产生这些疑问的根源是将马歇尔方法作为正确的标准来评价正确的标准来评价正确的标准来评价正确的标准来评价GTMGTM方法设计结果。方法设计结果。方法设计结果。方法设计结果。n n客观的理解是，在设计理念及评价标准科学、客观的理解是，在设计理念及评价标准科学、客观
30、的理解是，在设计理念及评价标准科学、客观的理解是，在设计理念及评价标准科学、合理的基础上，新的设计方法设计的混合料体合理的基础上，新的设计方法设计的混合料体合理的基础上，新的设计方法设计的混合料体合理的基础上，新的设计方法设计的混合料体积参数是多少就是多少，没有必要用设计理念积参数是多少就是多少，没有必要用设计理念积参数是多少就是多少，没有必要用设计理念积参数是多少就是多少，没有必要用设计理念不同的设计方法的标准去要求另一种方法。与不同的设计方法的标准去要求另一种方法。与不同的设计方法的标准去要求另一种方法。与不同的设计方法的标准去要求另一种方法。与马歇尔方法设计结果相比，马歇尔方法设计结果相
31、比，马歇尔方法设计结果相比，马歇尔方法设计结果相比，GTMGTM方法设计的沥方法设计的沥方法设计的沥方法设计的沥青混合料虽然不满足体积参数的标准要求，但青混合料虽然不满足体积参数的标准要求，但青混合料虽然不满足体积参数的标准要求，但青混合料虽然不满足体积参数的标准要求，但其高温抗车辙能力、低温抗裂能力、抗水破坏其高温抗车辙能力、低温抗裂能力、抗水破坏其高温抗车辙能力、低温抗裂能力、抗水破坏其高温抗车辙能力、低温抗裂能力、抗水破坏能力均优于马歇尔方法设计的沥青混合料。表能力均优于马歇尔方法设计的沥青混合料。表能力均优于马歇尔方法设计的沥青混合料。表能力均优于马歇尔方法设计的沥青混合料。表明以体积参数作为评价标准来确定最佳沥青用明以体积参数作为评价标准来确定最佳沥青用明以体积参数作为评价标准来确定最佳沥青用明以体积参数作为评价标准来确定最佳沥青用量的设计理念确实值得再思考。量的设计理念确实值得再思考。量的设计理念确实值得再思考。量的设计理念确实值得再思考。谢 谢