新型路面结构设计技术

第一届全国公路科技创新高层论坛论文集新技术新材料与新设备卷

美国工程兵旋转压实剪切试验机（GTM）

设计的沥青混凝土性能

王庆凯王联芳刘桂君

河北省交通科学研究所

杜群乐

河北省交通厅公路管理局

摘要美国工程兵旋转压实剪切试验机（GTM）是一种新型的沥青混凝土配合比设计设备，本文介绍了GTM设计的沥青混凝土性能，并且通过在石太高速公路上的使用情况，证明其对于重载交通沥青路面的配合比设计更具有其优越性。

关键词GTM 沥青混凝土性能

随着交通的发展，交通量的日益增加以及汽车轴载的不断增大，许多沥青路面在通车后不久就出现了车辙、泛油、推移等早期破坏。美国工程兵旋转压实剪切试验机（GTM）是美国工程兵团开发的一种新型的沥青混凝土配合比设计手段，能有效的解决沥青路面的车辙问题尤其重载交通沥青路面出现的车辙问题。

一、美国工程兵旋转压实剪切实验机（GTM）介绍

GTM是柔性路面在荷载作用下的机械模拟。该试验机采用类似于施工中压路机作用的搓揉方法压实沥青混合料，并且模拟了现场压实设备与随后交通的作用，具有改变垂直压力的灵活性。GTM 实验机最大限度的模拟汽车在公路上行驶时轮胎与路面的相互作用，通过旋转压实，使试模中沥青混合料密度达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的密实度，即通过对试件施加垂直压力，该压力通过实际测试汽车轮胎对路面的实际压强确定，试件在该压力作用下，被旋转压实到平衡状态（所谓平衡状态，是指每旋转100次试件密度变化率为0.016g/cm3）。在确定最佳沥青用量时，根据不同用油量的试验结果，画出用油量与试验结果的关系曲线，来决定沥青混凝土路面的设计密度及最佳沥青用量。GTM确定最佳沥青用量有三个指标：

1、压实稳定值：是指沥青混合料在压实到平衡状态时是否失去弹性，是对沥青混合料稳定性的量度，与沥青混合料的永久变形有关。该指标由最高旋转角除以最初旋转角确定，对于不稳定的混合料，由于沥青混合料的塑性流动，旋转角在压实过程中增大，对于稳定的混合料不会有多大的增加。压实稳定值接近1.0时一般表现为稳定的混合料，而该值超过1.1时很多时表现为不稳定的混合料。

2、抗剪强度：是指沥青混凝土被压实到平衡状态时的抗剪强度是否达到在行车荷载作用下需承受的剪应力。

3、试件压实到平衡状态的密度。

GTM在进行沥青混凝土配合比设计时有以下几方面优越性：

1、GTM试验采用科学推理的方法，采用应力应变原理进行设计，并且采用试验时在一定的压力下对试件揉搓旋转成型，使其对试件的作用和汽车轮胎与路面的作用力十分相似，并不会导致骨料的破碎。

2、GTM拥有试模型号为10.5×15.2cm、15.2×25.4cm、20.3×30.5cm三种，在进行沥青混凝土配合比设计时，可根据沥青混凝土的类型选择试模，尤其对于粒径大于26.5cm的粗粒式沥青混凝土更显出其优越性。

3、GTM与公路实际情况联系更紧密。利用GTM设计沥青混凝土时，充分考虑公路行车荷载的实际情况，根据每条公路的情况在设计沥青混凝土时选择不同的设计压强，因而设计的沥青混凝土更合理。

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4、从理论分析讲，产生车辙的因素主要有两个，一是由于沥青路面在行车荷载的反复碾压下进

一步压密而产生的；二是因沥青混合料在高温时的强度不足以抵抗车轮荷载的反复作用，轮下部分

沥青混凝土产生剪切变形逐渐被挤压到两侧，使两侧的沥青混凝土面层鼓起，形成侧向流变而产生

车辙。而美国工程兵旋转压实剪切实验机（GTM ）在设计时充分考虑了这些问题，采用的垂直压力

是该公路汽车轮胎对路面的实际压强，并且试件在该压力下被压实到平衡状态，因此不会产生第一

种变形，同时，GTM 设计的沥青混凝土组成满足了行车荷载作用下需要的抗剪强度，因此也不会因

抗剪强度不足而产生侧向推移。

二、室内试验数据分析

我们使用马歇尔试验方法和GTM 试验方法设计的沥青混凝土性能进行了对比研究，级配类型采

用了AC —16Ⅰ及SAC —16两种，级配范围采用中值。沥青采用壳牌AH-90#，石料采用安山岩，材

料均符合规范标准。

1、体积指标与稳定度、流值对比：

GTM 设计时，采用0.9Mpa 设计压强，对比结果见表01。

表01

设计方法 级配类型 最佳油石比% 密度g/cm з

孔隙率 % 饱和度 % 稳定度KN 流值0.1mm AC-16I 4.9 2.555 3.8 76.0 11.2 33.5 马歇尔 SAC-16 4.4 2.577 3.7 74.4 12.4 32.2

AC-16I 4.0 2.636 2.0 82.9 20.3 41.5 GTM SAC-16 3.4 2.634 3.1 73.3 21.4 35.3

通过表01的结果可以看出：GTM 采用0.9Mpa 设计的沥青混凝土最佳油石比要比马歇尔法设

计的最佳油石比低1%左右，但是密度大，空隙率低。SAC —16型沥青混凝土饱和度基本上两者差不

太多，而AC-16I 型沥青混凝土用GTM 设计的沥青混凝土要大于马歇尔法约7%。尤其对稳定度及流

值，GTM 设计的沥青混凝土远远优于马歇尔设计的沥青混凝土。

2、高温稳定性：本试验对马歇尔法及GTM 法在0.7Mpa 、 0.9Mpa 、1.1Mpa 设计压强情况下设

计的沥青混凝土进行了车辙试验，试验温度60℃。马歇尔法采用0.7Mpa 轮压；GTM 设计的沥青混

凝土在进行动稳定度试验时，采用与设计同样的压强，使用设备为部公路所监制的HLR —Ⅱ型车辙

仪。试验结果如表02

表02

级配类型 最佳油石比% 设计方法 车辙试验采用的轮压MPa 车辙试验结果 次/mm

4.9 马歇尔 0.7 446

4.4 GTM0.7 MPa 0.7 1537 4.0 GTM0.9 MPa 0.9 2742

AC-16I 3.7 GTM1.1 MPa 1.1 3513

4.4 马歇尔 0.7 865

3.7 GTM0.7 MPa 0.7 2249 3.4 GTM0.9 MPa 0.9 2892

SAC-16 3.2 GTM1.1 MPa 1.1 1956

结果表明，GTM 设计的沥青混凝土具有良好的抗高温性，并且利用GTM 设计的沥青混凝土在抗

重载车情况下更表现了良好的使用性能。