T0737—2011瀝青混合料旋轉壓實和剪切性能試驗（GTM方法）

1目的與適用范圍

1.1本方法適用于GTM試驗機成型試件，同時能測定瀝青混合料試件的密度、抗剪強度、剪應力、抗壓模量、抗剪模量及旋轉壓實指數(shù)等，也可以采用GTM方法進行瀝青混合料的配合比設計或瀝青路面施工質量檢驗與控制。

1.2 GTM試驗機可分為油壓法和氣壓法兩種_,根據(jù)混合料最大粒徑選擇不同的試模尺寸，一般直徑為101.6mm、152.4mm、203.2mm三種，分別對應最大公稱粒徑≤26.5mm、37.5mm和63mm的瀝青混合料。成型時一組試件的數(shù)量不得少于3個。

2儀具與材料技術要求

2.1旋轉壓實剪切試驗機（GTM):由計算機自動控制，具有對瀝青混合料試件壓實成型、參數(shù)測定等功能。儀器的主要部件如圖T0737-1所示。

圖T0737-1   GTM旋轉壓實剪切試驗機主要部件圖

1-旋轉角記錄器;2-卡盤;3-上滾軸;4-壓力表;5-下滾軸;

6-試模;7-中心軸線;8-試件（卡盤）軸線;9-試件

 2.2 金屬標定塊：標定高度傳感器用的恒高度金屬塊，有12.7mm、101.6mm、152.4mm、203.2mm四種。

2.3試模：由高碳鋼或工具鋼制成，根據(jù)瀝青混合料最大粒徑選擇不同直徑的試模。一般瀝青混合料宜選擇101.6mm和152.4mm兩種直徑的試模，成型高度一般控制在高徑比接近1:1。

2.4試驗室用瀝青混合料拌和機:能保證拌和溫度并充分拌和均勻，可控制拌和時間，容量不小于10L，攪拌葉自轉速度70~80r/min，公轉速度40~50r/min。

2.5烘箱:大、中型各1臺，具有溫度調(diào)節(jié)器。

2.6天平或電子秤:用于稱量礦料的，感量不大于0.5g;用于稱量瀝青的，感量不大于0.lg。

2.7溫度計:宜采用有金屬桿的插入式數(shù)顯溫度計，金屬桿長度不小于150mm。量程0~300℃，分度值1℃。

2.8其他:試樣托盤、瀝青熔化爐、拌和鏟、濾紙、秒表等。

3準備工作

3.1按照本試驗規(guī)程T0702的方法確定制作瀝青混合料試件的拌和與壓實溫度_。

3.2常溫瀝青混合料的拌和及壓實在常溫下進行。

3.3按本規(guī)程T0701的方法在拌和廠或施工現(xiàn)場采取代表性的瀝青混合料，如混合料溫度符合要求，可直接用于成型。需要拌和時可倒入已加熱的室內(nèi)瀝青混合料拌和機中適當拌和，時間不超過1min。不得在電爐或明火上加熱炒拌。

3.4在試驗室人工配制瀝青混合料時，試件的制作按下列步驟進行：

3.4.1將各種規(guī)格的礦料置105℃±5℃的烘箱中烘干至恒重（一般不少于4~6h)₀

3.4.2將烘干分級的粗、細集料，按每個試件設計級配要求稱其質量，在一金屬盤中混合均勻，礦粉單獨放入小盆里，然后置烘箱中加熱至瀝青拌和溫度以上約15℃備用。一般按單個試件備料（每個油石比平行試驗一般不少于3個試件）。

3.4.3將按本規(guī)程T0601采取的瀝青試樣，用烘箱加熱至規(guī)定的瀝青混合料拌和溫度備用，但不得超過175℃。當不得已采用燃氣爐或電爐直接加熱進行脫水時,必須使用石棉墊隔開。

3.4.4用蘸有少許黃油的棉紗擦凈試模、下壓盤等置60℃左右烘箱中加熱保溫備用。常溫瀝青混合料用試模不加熱。

3.5調(diào)試和設定GTM設備參數(shù):

3.5.1打開試驗機的電源開關、液壓柱油泵（或氣泵）開關、加熱套開關、控制計算機開關，并與試驗機連接。

3.5.2根據(jù)路面荷載情況及瀝青混合料所處的結構層位，確定混合料旋轉壓實過程中的垂直壓力ρ_des。

3.5.3設置GTM試驗機初始旋轉角θ₀。對于油壓法宜為0.8°，采用氣壓法為2°。也可以根據(jù)需要采用不同的初始旋轉角。

3.5.4標定高度傳感器。根據(jù)試模直徑的不同，選擇對應的金屬標定塊，標定高度傳感器。設計壓強不變時，一般不需要標定高度傳感器。

3.5.S設定試驗溫度，并進行加熱保溫。標準試驗溫度為60℃。根據(jù)需要也可采用其他溫度，但應在報告中注明。

3.5.6選擇試驗的方式。GTM可以通過設定平衡狀態(tài)、轉數(shù)、試件高度及試件密度中的一種方式來控制試驗過程。平衡狀態(tài)是指GTM每旋轉50次瀝青混合料試件密度變化小于0.008g/cm³。試驗時宜選擇平衡狀態(tài)為試驗方式。

4試驗步驟

4.1按照本規(guī)程T0702的要求拌制瀝青混合料。將拌和好的瀝青混合料，均勻稱取一個試件所需的混合料用量m(實際試件的用量需要根據(jù)混合料的類型確定）。成型試件的高度應達到試驗所需高度±2.5mm的要求。

4.2從烘箱中取出預熱的試模、下壓盤,在下壓盤上墊一張圓形的吸油性小的紙片(與試模直徑相近），將瀝青混合料迅速倒入試模內(nèi)，整平表面。

4.3用盛試模的托盤將試模在試驗機的底座上放置好，操作試驗機使壓頭與瀝青混合料接觸，然后上緊試模外套，緊固螺栓_c

4.4按照3.5的步驟與方法，確認試驗的垂直壓力、試驗溫度、試驗方式等，點擊控制程序開始按鈕，然后打開GTM旋轉開關，試驗機開始運轉，進行試驗。

4.5試驗過程中，計算機將顯示不同旋轉壓實次數(shù)對應的瀝青混合料試件的密度、高度、輪壓、應變、溫度等的變化曲線，試件達到平衡狀態(tài)后GTM自動停機。

4.6如果不進行動態(tài)模量試驗，設備將試驗曲線及試驗結果直接打印出來，試驗結束；如果需要，則進行動態(tài)模量試驗。打開試驗機旋轉開關，點擊相應控制程序按鈕，GTM試驗機開始自動測定試件動態(tài)模量，測試完畢后GTM自動停機。打印試驗結果。

4.7測定摩擦力

4.7.1 GTM試驗結束后，提升壓頭，卸下試模。

4.7.2將試模固定在摩擦力測試裝置上，將測力千斤頂置于試模底面，逐漸加力，觀察測力計力值變化，記錄達到峰值的力值即為試件與試模間的摩擦力F。

4.8根據(jù)需要脫模后的試件可按照本規(guī)程相關試驗方法測定試件毛體積相對密度等參數(shù)。

5計算

5.1按式(T0737-1)計算不同旋轉壓實次數(shù)下的試件密度（體積法），取3位小數(shù)。

          (T0737-1）

式中:p_x——不同旋轉壓實次數(shù)下的試件密度（體積法）（g/cm³);

m——瀝青混合料試件質量（g);

h_x——不同旋轉壓實次數(shù)下的試件高度（mm);

d——試模的直徑，為101.6mm或152.4mm。

5.2按式（T0737-2)或式（T0737-3)計算旋轉壓實指數(shù)（Gyratory Compactability Index，簡稱GCI),取3位小數(shù)。

上述式中：GCI——旋轉壓實指數(shù)，旋轉壓實30次時的試件密度（或高度）與旋轉壓實60次時的試件密度（或高度）的比值，無量綱；

p_x30—-旋轉壓實30次時的試件密度（體積法）（g/cm³);

P_x60——旋轉壓實60次時的試件密度（體積法）（g/cm³);

h_x30——旋轉壓實30次時的試件高度（mm);

h_x60——旋轉壓實60次時的試件高度（mm)。

5.3按式（T0737-4)計算旋轉穩(wěn)定指數(shù)（Gyratory Stability Index，簡稱GSI),取2位小數(shù)。

        (T0737-4)

式中：GSI——旋轉穩(wěn)定指數(shù)，最大角應變θ_max與最小角應變θ_i的比值；

θ_max——旋轉壓實達到平衡狀態(tài)時的最大角應變（即最大旋轉角），可由試驗系統(tǒng)自動測定或根據(jù)圖T0737-2不同旋轉次數(shù)下的旋轉角曲線圖中得到最大角應變值，取2位小數(shù)（即旋轉角曲線中最大寬度點處的對應角應變值；圖T0737-2中，曲線最大寬度處的寬度為17.0，則θ_max=17.0/10=1.70°);

θ_i——旋轉壓實過程中最小角應變值（或最小旋轉角），可由試驗系統(tǒng)自動測定或根據(jù)圖T0737-2不同旋轉次數(shù)下的旋轉角曲線圖中得到最小角應變值，取2位小數(shù)（即旋轉角曲線中最小寬度點處的角應變值;圖T0737-2中，曲線最大寬度處的寬度為10.2，則武=10.2/10=1.02°）。

5.4按式(T0737-5)計算旋轉剪切強度S_G，取2位小數(shù)。

               (T0737-5)

式中:S_G——旋轉剪切強度（MPa);

P——上滾軸的作用荷載(N);

L—-荷載P的力臂（mm);

N——壓頭垂直作用在試件上的荷載（N);

A——試件的端面面積(mm²);

h——試件高度（mm);

a——摩擦力F的力臂（即0.637R，R試模的半徑）（mm);

b——荷載N的力臂（即htanθ₀）（mm);

F—試件與試模側壁的摩擦力（N)。

5.5按式（T0737-6)計算瀝青混合料抗剪強度因子（Gyratory Shear Factor,簡稱GSF)，取1位小數(shù)。

   (T0737-6)

式中：GSF—-瀝青混合料抗剪強度因子，無量綱；

τ_max——瀝青混合料所處層位中最大剪切應力（MPa)。

6報告

6.1 GSI與GSF的結果處理:當一組測定值中某個測定值與平均值之差大于標準差的k倍時，該測定值應予舍棄，并以其余測定值的平均值作為試驗結果。當試件數(shù)目k為3、4、5、6時，1值分別為1.15、1.46、1.67、1.82。

6.2試驗結果應報告垂直設計強度、試驗溫度、試件密度、旋轉壓實指數(shù)GCI、旋轉穩(wěn)定指數(shù)GSI、最大角應變值θ_max、最小角應變值0_i、旋轉剪切強度S_G、抗剪強度因子GSF等₀

條文說明

GTM是美國工程兵旋轉壓實剪切試驗機（Gyratory Testing Machine)的簡稱，是由美國工程兵團(U.S.Army Corps of Engineers)在20世紀50年代開發(fā)的路面材料試驗機，與此相應的是基于GTM旋轉壓實的瀝青混合料設計方法，即GTM設計方法。最近幾年我國已引進了GTM試驗機，同時將GTM設計方法也引進了我國。目前國內(nèi)有的省市已經(jīng)開展了GTM方法的研究與應用，同時在國內(nèi)也有廠商已經(jīng)生產(chǎn)了GTM試驗機。為了便于廣大工程技術入員的操作和將試驗方法規(guī)范化，本次主要參考ASTMD3387,并結合我國GTM的應用情況編寫了該試驗方法。

由于ASTMD3387是1996年修訂的，隨著新技術的發(fā)展，其一些方法已經(jīng)不再適用，本試驗方法根據(jù)最新應用情況進行了以下修訂_。

原ASTMD3387中將GTM試驗機按照滾軸驅動方式劃分為固定軸式和油壓式兩種。固定軸式由于只能成型，不能進行旋轉角應變等測定，其應用越來越少。氣壓式GTM試驗設備近來應用越來越多。因此，本試驗方法根據(jù)我國進口GTM試驗機情況，將GTM試驗機劃分為油壓式和氣壓式兩種。其試驗方法本質是相同的，只是初始旋轉角有差異。據(jù)相關文獻報道,ASTMD3387也要將GTM劃分為油壓式和氣壓式兩種。

關于初始旋轉角，美國工程兵團認為壓實期間的角度變化和路面永久變形有關，因此旋轉壓實機GTM角度非恒定。GTM旋轉角一般在1°~3°之間，旋轉角越大，旋轉壓實效果會越大，設計的瀝青用量會相應越低。ASTM D3387指出：標準的試驗參數(shù)，初始旋轉角為1°,理論上說初始旋轉角應該根據(jù)路面變形情況進行選擇，但是應該說初始旋轉角1°有很大的適應范圍，但是省路面工程師采用不同的旋轉角時應該在報告中說明。在美國很多瀝青混合料GTM標準一般也為1°,也都是根據(jù)ASTM D3387確定的，主要針對油壓式GTM試驗機_。據(jù)相關文獻，ASTM D3387新修訂版可能將GTM試驗機的初始旋轉角定為2°。目前我國GTM方法也沒有統(tǒng)一初始旋轉角，油壓法為0.8°，也有1°或1.4°等，氣壓式為2°。本試驗方法初步推薦對于油壓法為0.8°，氣壓式為2°，也可以根據(jù)需要采用不同的初始旋轉角。

關于試驗方式即試驗結束條件，ASTM D3387中規(guī)定為旋轉壓實次數(shù)達到60次即可，美國有的技術要求對于GTM方法一般要求壓實為60次，但是也有的按照30~300次等不同次數(shù)作為試驗結束條件。目前已逐漸統(tǒng)一到采用壓實到“平衡狀態(tài)”作為結束條件，據(jù)說ASTM D3387也將采用這一標準。所謂“平衡狀態(tài)”即試件旋轉壓實過程中當每旋轉壓實一定次數(shù)后試件密度變化率（體積法）小于某一值時即認為達到此時混合料達到了平衡狀態(tài)。國外一些文獻和正在修訂的ASTMD3387則采用每旋轉50次試件密度變化率小于0.008g/cm³稱為“平衡狀態(tài)”。本方法也采用這一標準作為試驗結束的條件。

關于垂直壓力的問題，ASTM對于垂直壓力值,規(guī)定為可能預測的最大輪胎接地壓力作用下按照條形荷載、各向同性均勻彈性體計算的最大垂直壓力，一般為0.83MPa。新修訂的ASTM D3387也可能用預測的最大輪胎接地壓力作為設計的垂直壓力。對垂直壓力選擇，我國一些工程對于中、下面層采用0.8MPa,表面層采用0.9~1.1MPa,而美國混合料設計規(guī)范中對于公路瀝青混合料一般為0.69~1.38MPa,對于一些特別的機場道面甚至達到1.66MPa。垂直壓力越大，則說明瀝青混合料所處層位的壓應力越大，會使得設計的瀝青用量減小，這樣設計的混合料更加符合實際情況。本方法要求根據(jù)實際情況確定垂直壓力。

關于計算的旋轉剪切強度S_G修正的問題，在ASTM D3387試驗方法中，要求新設備在使用之前或旋轉壓實次數(shù)、垂直壓力、試模尺寸等試驗條件發(fā)生較大差異時均需要對設備參數(shù)重新標定，通過標定得到旋轉剪切強度的修正系數(shù)S_G0;按式（T0737-5)計算的旋轉剪切強度S_G加上旋轉剪切強度修正系數(shù)S_G0，便得到實際的瀝青混合料旋轉剪切強度S_G。當試驗條件沒有發(fā)生變化時無需標定修正系數(shù)S_G0。

標定原理為莫爾圓原理。標定時采用無黏結性的干標準砂（0.3~0.6mm單一粒徑）代替瀝青混合料，試驗過程中無需加熱，按照瀝青混合料試驗時相同的步驟和試驗條件測定標準砂的旋轉剪切強度S_G，但是需要選定至少三種垂直壓力水平，先從較小的垂直壓力水平開始，然后增加垂直壓力水平，最后一級的垂直壓力水平與試驗時壓力水平相同_。標定過程如下：

（1）確定瀝青混合料的試驗條件：如旋轉次數(shù)60次；標準垂直壓力0.8MPa;初始旋轉角θ₀=1°;試模直徑150mm。

（2）標定條件：標定時的試驗條件與混合料試驗時條件一致，如旋轉次數(shù)60次；初始旋轉角θ₀=1°;試模直徑150mm_;但試驗垂直壓力需選定三級,如0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa三級_。

（3）標定材料:0.3~0.6mm標準砂。0.3mm通過率為0%;0.6mm通過率為100%。

（4）分別采用三種水平的垂直壓力進行試驗，測定各種試驗值，根據(jù)各測定值按式（T0737-5)計算三級荷載對應的旋轉剪切強度S_G，如0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa對應的S_G為0.31MPa、0.42MPa、0.51MPa_o

（5）分別以三級荷載為X坐標，三級荷載對應的旋轉剪切強度S_G為Y坐標作圖，如圖T0737-3所示。作三點連線交于Y坐標，此值即為旋轉剪切強度的修正系數(shù)S_G0=-0.1MPa。如某一種瀝青混合料，根據(jù)測定的各試驗參數(shù)按式（T0737-5)計算得到的旋轉剪切強度S_G平均值為0.56MPa;則修正后的旋轉剪切強度S_G為0.46MPa。

目前較多的對比試驗結果表明，GTM設計方法較普通的馬歇爾方法設計確定的最佳瀝青用量要低得多，

這對于一些重載、超載路段或炎熱地區(qū)的瀝青路面來說可以實現(xiàn)降低瀝青用量，從而提高瀝青混合料的抗車轍變形能力的目的。但是一些文獻指出，GTM設計方法過于注重超載、重載情況，沒有太多地考慮路面結構的耐久性、抗老化能力、施工和易性和抗疲勞開裂能力等，也缺少這些性能的評價方法和指標，所以還需要進一步研究和完善。

不同型號GTM試驗機在操作上可能會有所不同，但是基本原理應該是一樣的，所以在使用過程中應按照儀器的說明書進行操作。