沥青混合料GTM法和马歇尔法的比较研究.docx
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沥青混合料GTM法和马歇尔法的比较研究
河南交通职业技术学院
毕业论文
题目：
沥青混合料GTM法和马歇尔法的比较研究
系别：
公路学院
专业：
道路桥梁工程技术
班级：
******
姓名：
******
学号：
*******
指导教师：
*******
沥青混合料GTM法和马歇尔法的比较研究
摘要：
沥青混合料的结构和性能与成型方法密切相关，本文对同一级配的AC-13混合料，分别按GTM法和马歇尔法进行试验，并对其试验结果作了对比分析，得出振动法成型的混合料的性能明显优于马歇尔法确定的混合料的性能。
关键词：
GTM法马歇尔法沥青混合料比较
摘要……………………………………………………………2
前言…………………………………………………………………4
一、原材料……………………………………………………5
二、仪器参数……………………………………………………5
三、确定混合料设计级配及工程级配范围……………………………5
3.1确定混合料初拟合成级配……………………………………5
3.2确定混合料设计级配及工程级配范围……………………………5
四、施工影响预防处理措施…………………………………………6
4.1试验温度………………………………………………………6
4.2旋转试验及最佳油石比的确定…………………………………7
五路用性能及对比分析…………………………………………7
5.1最佳油石比……………………………………………………7
5.2试件密度………………………………………………………8
5.3体积参数………………………………………………………10
5.4试件密度………………………………………………………11
5.4.1高温抗车辙能力………………………………………………11
5.4.2低温抗裂能力………………………………………………11
5.4.3抗水损害能力………………………………………………12
5.4.4关于GTM方法设计的沥青混合料耐久性………………………12
六结论…………………………………………………………13
七致谢…………………………………………………………13
参考文献………………………………………………14
前言
GTM（GyratoryTestingMachine）旋转试验机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，不固定压实功能而以沥青混合料试件达到极限平衡状态作为结束条件，而且在试验过程中能够反映沥青混合料的物理力学特性。
由设计过程，GTM设计方法根据混合料力学指标的变化规律确定最大油石比,实现了根据性能设计沥青混合料的目标。
但该试验方法确定的混合料的性能究竟如何，尚需与马歇尔方法确定的混合料的性能进行比较验证。
本文对同一级配的AC-13混合料，分别按GTM法和马歇尔法进行试验，并对其试验结果作了对比分析，得出振动法成型的混合料的性能明显优于马歇尔法确定的混合料的性能。
一、原材料
试验所用粗集料为玄武岩，规格分别为：
9.5mm～16mm、4.75mm～9.5mm、2.36mm～4.75mm；细集料位石灰岩，规格为：
0mm～2.36mm；矿粉为石灰岩矿粉；沥青为SBS改姓沥青。
其实测密度见表1。
表1集料密度
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～16mm
2.869
2.726
2.740
4.75mm～9.5mm
2.866
2.637
2.656
2.36mm～4.75mm
2.943
2.681
2.726
0mm～2.36mm
2.863
2.682
2.734
矿粉
2.847
---
2.802
沥青
---
---
1.037
二、仪器参数
GTM旋转参数：
垂直压力0.7MPa、试验结束条件为极限平衡状态
三、确定混合料设计级配及工程级配范围
3.1确定混合料初拟合成级配
以表2作为初拟工程级配范围，按照集料筛分结果进行配合，合成级配见表2。
表2初拟级配及级配范围表
筛孔尺寸（mm）
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
初拟级配上限
100
100
85
58
40
28
20
15
11
8
初拟级配下限
100
95
75
48
32
22
16
11
7
5
初拟合成级配
100
97.8
82.5
53.0
35.5
24.2
16.6
11.6
8.2
6.5
3.2确定混合料设计级配及工程级配范围
按照公称最大粒径将初拟合成级配分为粗集料（16mm～2.36mm）及细集料（0.075mm～2.36mm）部分，实测粗集料松装密度及细集料插捣密度，根据研究成果计算粗细集料比例，计算过程及计算结果见表3。
表3设计级配粗细集料比例计算表
序号
项目及计算公式
单位
中值级配
1
粗集料松堆密度
t/m3
1.561
2
细集料插捣密度
t/m3
1.610
3
粗集料选择密度系数
---
1.040
4
细集料选择密度系数
---
1.035
5
粗集料选择密度
（1）*（3）
t/m3
1.623
6
细集料选择密度
（2）*（4）
t/m3
1.666
7
合成粗集料毛体积密度
---
2.689
8
选择密度下的粗集料间隙率（1-（5）/（7））*100
％
39.6
9
1立方米单位体积粗集料质量
t
1.529
10
1立方米单位体积细集料质量（6）*（8）/100
t
0.660
11
1立方米单位体积粗细集料质量=（9）+（10）
t
2.189
12
1立方米单位体积矿粉质量
t
0.152
13
1立方米单位体积集料重总质量
t
2.341
14
2.36mm通过率
％
34.7
由表3计算结果，2.36mm通过率为34.7％，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。
见表4。
表4设计级配及工程级配范围表
筛孔尺寸（mm）
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
工程级配上限
100
100
87
58
39
27
20
14
10
8
工程级配下限
100
95
77
48
31
21
14
9
6
5
设计合成级配
100
97.8
82.5
53.0
35.5
24.2
16.6
11.6
8.2
6.5
四、GTM方法配合比设计结果
4.1试验温度：
集料加热温度195℃，拌合温度180℃，试件成型温度165℃～170℃。
4.2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6～8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。
试验统计结果见表5及图1。
GTM之间体积参数见表6。
表5AC—13型改性沥青混合料GTM试验结果
油石比（%）
表干法毛体积相对密度
GSI
GSF
4.8
2.431
1.01
1.39
5.2
2.457
1.02
1.41
5.6
2.461
1.09
1.40
6.0
2.458
1.12
1.40
图3GTM力学参数随油石比变化图
根据GTM设计原理，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，当油石比大于5.2%后，曲线呈急剧增加趋势，表明混合料中的沥青已过量，试件的塑性变形过大；从反映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，超过5.2％后，GSF随油石比的增加而减小。
综合考虑GTM试验结果并参考体积参数的大小及其变化趋势，将最佳油石比确定为5.2%。
表6AC—13型改性沥青混合料GTM试件体积参数及马歇尔稳定度试验结果
油石比
（%）
理论最大
相对密度
表干法毛体积相对密度
VV
（%）
VMA
（%）
VFA
（%）
稳定度
（kN）
流值
（0.1mm）
4.8
2.534
2.431
4.0
14.8
72.6
18.58
35.9
5.2
2.520
2.457
2.5
14.2
82.5
18.93
39.0
5.6
2.506
2.461
1.8
14.4
87.5
19.44
39.8
6.0
2.493
2.458
1.4
14.8
90.6
20.70
42.5
GTM方法配合比设计结果为：
级配为表4设计级配，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。
4.2马歇尔方法配合比设计结果
马歇尔配合比设计采用GTM方法设计级配，集料加热温度、拌合温度及击实温度与GTM方法相同。
试验结果见表7。
表7马歇尔试件体积参数及马歇尔试验结果
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）
4.8
2.534
2.346
7.4
17.8
58.3
12.35
26.5
5.2
2.520
2.373
5.8
17.1
66.0
13.28
28.5
5.6
2.506
2.392
4.6
16.8
72.9
15.89
30.2
6.0
2.493
2.412
3.2
16.4
80.2
15.43
33.1
6.4
2.475
2.406
3.0
16.9
82.4
15.31
35.9
按照JTGF40-2004规定的计算方法，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。
五、路用性能及对比分析
GTM方法与马歇尔设计方法设计结果及路用性能见表8：
5.1最佳油石比
GTM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％。
这主要是由于GTM采用旋转压实方式，以极限平衡状态作为旋转结束条件，使得集料在揉搓作用下更容易在三维空间移动，直到达到稳定状态，从而形成密度较大的、结构更为稳定的沥青混合料。
GTM设计方法又以避免沥青混合料达到过饱和状态导致抗剪切强度及抗变形能力下降为判据，由于压实方式有效、压实功较大，试件密度较大，因此在油石比较小的情况下混合料即达到过饱和状态。
与GTM设计方法相比，马歇尔方法由于击实功较小，试件密度较小，因此VMA较大，根据体积法设计特点，体积参数要达到相应的指标，沥青用量必然较大。
因此马歇尔方法确定的最佳油石比大于GTM方法确定的油石比。
表8不同方法设计的AC-13型沥青混合料体积参数及路用性能
试验项目
指标
单位
试验结果
试验方法
设计方法
---
---
马歇尔方法
GTM方法
最佳油石比
---
％
5.6％
5.2％
---
最佳油石比下的体积参数
试件毛体积密度
---
2.392
2.457
T0705-2000
空隙率VV
％
4.6
2.5
矿料间隙率VMA
％
16.8
14.2
饱和度VFA
％
72.9
82.5
高温抗车辙能力
60℃动稳定度
次/mm
3738
5700
T0719-1993
65℃动稳定度
次/mm
2366
4680
低温抗裂能力
弯曲试验破坏应变（με）
--
2319.7
2299.5
T0715-1993
抗弯拉强度
MPa
8.51
11.24
弯曲劲度模量
MPa
3834
4888
应变能
kJ/m2
103.9
142.2
抗水破坏能力
马歇尔稳定度
KN
15.89
18.93
T0709-2000
浸水后稳定度
KN
13.08
16.51
残留稳定度
％
82.3
87.2
冻融前强度
MPa
1.25
2.13
T0729-2000
冻融后强度
MPa
0.98
1.91
冻融劈裂强度比
％
78.5
89.5
渗水系数
mL/min
24.0
0
T0730-2000
5.2试件密度
密度是表征沥青混合料特性的最重要的参数之一，实际上试件密度的大小决定了沥青混合料的体积参数的大小。
最佳油石比下的试件密度作为现场压实度标准密度，其合理与否对于控制路面质量更具有重要意义。
标准密度过大，现场压实度难以达到要求，施工管理困难。
标准密度过小，混合料不能够被充分压实，在交通荷载作用下极易出现压密产生的泛油及车辙等早期破坏现象。
最佳油石比下，沥青混合料试件表干法毛体积相对密度大小顺序为GTM试件密度>马歇尔试件密度。
这是因为GTM采用旋转压实，集料在旋转成型过程中可在三维空间移动，充分就位，因此密度较大。
而马歇尔采用击实成型方法，击实功小，且击实方式不利于集料的充分就位及定向排列，集料破碎较为严重，而超过一定值后再靠增加击实次来提高试件密度已不可能，因此马歇尔试件密度小。
11个实际工程GTM旋转试件密度（以此为标准密度，施工时要求压实度为98％）与马歇尔击实75次密度统计结果见表9。
表9实际工程GTM试件密度与马歇尔试件密度关系
工程
序号
最佳油石比
（％）
GTM试件毛体
积相对密度
马歇尔试
件毛体积
相对密度
修正系数
（GTM密度/马歇尔密度）
GTM试件
空隙率
（％）
1
4.0
2.557
2.482
1.030
3.0
2
4.0
2.483
2.435
1.020
2.8
3
3.8
2.492
2.454
1.015
2.1
4
3.8
2.498
2.463
1.014
1.8
5
3.8
2.479
2.408
1.029
2.3
6
3.7
2.495
2.419
1.030
2.5
7
3.8
2.475
2.455
1.008
1.9
8
3.7
2.496
2.448
1.020
2.2
9
3.8
2.503
2.414
1.037
2.6
10
3.7
2.482
2.404
1.030
2.1
11
3.8
2.509
2.453
1.023
2.0
平均
1.024
2.3
由表9，实际工程证明，GTM旋转试件密度系统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0.029。
处于1.020～1.030的工程占总数的64％。
表明对于大部分工程，修正系数处于1.020～1.030之间，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100％～101％。
而最为重要的是，GTM以旋转压实为成型方式与现场碾压方式相吻合，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。
5.3体积参数
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、间隙率小、饱和度大。
现行规范JTGF40-2004采用马歇尔配合比设计方法，并要求“当采用其它方法设计沥青混合料时，应按本规范规定进行马歇尔试验及各项配合比设计检验”。
由表3-29，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％）。
如按照马歇尔体积标准，GTM方法设计的沥青混合料空隙率过小、饱和度太大。
但其后的性能验证却表明，GTM设计的沥青混合料高温抗车辙能力及水稳定性均优于马歇尔方法设计的沥青混合料。
因此对体积参数应有正确的理解。
通行的沥青混合料配合比设计方法是体积法，其后的各种试验仅为性能验证。
如果混合料的某些体积特征参数与路用性能存在良好的相关性，那么，用体积法或许能够设计出理想的配合比。
普遍流行的一种观点认为，对于沥青混合料，空隙率十分重要，竟到了非得达到某一定值不可的程度，比如4%。
众所周知，空隙率是混合料理论最大理论密度和试件密度的导出值，而密度必须由试验获得，且不论试验方法的合理性和试验误差的影响，仅就限定空隙率下限值的观点就值得质疑。
当混合料配合比一定，空隙率仅是混合料密度的函数，因试件密度的大小由试件成型方式所决定，所以空隙率不是定值，它是某种特定的试验方法下的条件性指标。
仅当试验条件与路面施工的碾压条件相对吻合，或者能最大限度地模拟和反映施工压实效果时，空隙率等体积特征参数才具有意义。
以此为前提，建立或分析混合料技术性能与体积参数的相关关系也才有意义。
对于合理的沥青混合料配合比设计方法，首先应保证成型方式的合理性，即成型方式是否能够最大限度地模拟和反映施工压实效果，唯有如此，其后的试验才具有合理性。
当原材料一定，成型方式一定，路用性能最优的沥青混合料配合比是客观存在的，在此特定条件下，得到的最优配合比具有了特定的体积参数。
总之，GTM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，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。
5.4路用性能
5.4.1高温抗车辙能力
GTM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℃、65℃时动稳定度分别为马歇尔方法的1.5及1.9倍；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的最佳沥青用量不仅较马歇尔法设计的沥青混合料的最佳沥青用量减少了0.4%，降低了工程造价，其混合料的抗车辙能力明显提高，且其抗车辙能力的温度敏感性大大降低。
无论何种设计方法设计的沥青混合料，用车辙试验进行高温性能验证时，对试验结果的影响因素其实只有混合料密度（如成型温度相同，可通过不同轮碾次数得到），油石比及试验温度。
根据以上分析结果得出结论，试验温度相同时，试验范围内对沥青混合料高温稳定性影响最显著的因素为混合料密度，而混合料密度又取决于试验所用的成型方式。
GTM的特点正是通过合理的成型方式使得沥青混合料密度提高增加混合料抗剪能力、油石比降低即粉胶比适当增大使得混合料胶泥进度增加，两者综合作用使得沥青混合料强度提高，进而得到高温性能为优良的沥青混合料。
5.4.2低温抗裂能力
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-Ⅱ）。
GTM方法与马歇尔方法设计的沥青混合料低温弯曲试验结果表明，GTM设计的沥青混合料弯曲破坏应变稍低，为马歇尔方法设计的沥青混合料的99％，而弯拉强度则是马歇尔方法设计的混合料的1.32倍，如此以来，应变能则远大于马歇尔方法设计的混合料，为1.37倍。
根据沥青路面低温开裂的基本原理，仅就沥青混合料自身性质而言，高强度、低劲度的沥青混合料当具有优良的低温抗裂能力，可是如果仅仅以低温弯曲破坏应变作为标准评价混合料低温抗裂能力，则会得出相反的结论。
由此可见，以破坏应变作为混合料低温抗裂能力的唯一判据，尚不足以全面反映沥青混合料低温性能。
因此引入低温开裂能指标评价沥青混合料抗裂能力更为合理。
以此为依据，则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。
5.4.3抗水损害能力
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度比为马歇尔方法的1.06及1.14倍。
表明GTM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计的沥青混合料。
空隙率对冻融劈裂强度比有显著影响，随着混合料空隙率的增大，冻融劈裂残留强度比降低。
这是因为冻融劈裂试验实际上是反映了沥青混合料试件的抗冻能力。
冻融劈裂残留强度比是冻融后试件劈裂强度与未冻融劈裂试件强度的比值。
试件空隙率越小，水越难以进入混合料，从而对混合料强度的破坏影响越小，因此较小的空隙率实际上间接提高了沥青与集料的相对粘附性，防止水进入沥青混合料内部从而降低混合料强度。
对于本研究对象，原材料一定，沥青与集料的粘附性确定，因此影响混合料冻融劈裂残留强度比的因素以VV最为显著，而GTM方法设计的沥青混合料空隙率较低，因此与马歇尔方法相比，GTM法设计的沥青混合料具有更为优良的水稳定性。
冻融劈裂试验实际上是反映试件的抗冻损能力，而非抗水剥离能力。
只要试件的空隙率小且孔隙不连通，混合料的TSR值就比较大。
细集料含量、油石比、密度以及试件成型方式对TSR值的影响无不是通过空隙率反映出来的，而空隙率却是密度的导出值。
所以，在配合比设计合理的前提下，提高或保证路面的压实度是提高路面耐久性的有效途径。
那种认为沥青混合料就应该具有一定的空隙率（如4%）的观点显然缺乏理论依据和科学实验验证。
渗水试验表明GTM方法设计的沥青混合料不渗水。
级配相同，空隙率分布差别不大的情况下，渗水系数主要受空隙率大小影响。
因此GTM方法设计的混合料不渗水的根本原因是密度的提高降低了混合料空隙率。
5.4.4关于GTM方法设计的沥青混合料耐久性
沥青混合料耐久性包括抗疲劳破坏能力、沥青老化（光、氧老化、微生物老化、自然硬化等）引起的性能衰变等。
GTM及马歇尔方法设计的沥青混合料疲劳试验结果见表10。
试件为轮碾成型车辙试件切割而成，切割前车辙试件于60℃通风条件下老化120h。
试件为40mm×40mm×250mm小梁，采用三分点加载，应力控制方式，荷载为半正弦波，频率10HZ，试验温度15℃，波形谷值荷载为峰值荷载的5％小梁试件以完全断裂为破坏标准。
试验设备为MTS810。
表10疲劳试验结果
设计方法
抗弯拉强度σmax
MPa
应力比
σ0/σmax
荷载作用次数
Nf（次）
回归方程
Nf＝K（σ0/σmax）-n
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