T0736—2011沥青混合料旋转压实试件制作方法（SGC方法）

1目的与适用范围

1.1本方法适用于旋转压实法成型φ150mm或φ100mm沥青混合料圆柱体试件，以供试验室进行沥青混合料物理力学性质试验使用。

1.2本方法也适合于在试件成型过程中测量剪切应力的变化,用于分析沥青混合料性能。

2仪具与材料技术要求

2.1旋转压实仪:主要由反力架、加载装置、旋转基座、计算机控制系统、内旋转角测量装置、试模、锤头（上压盘）和底座（下压盘）、测力装置和压力传感器等组成。必要时可配置剪切应力测试系统和压头加热系统。

2.1.1反力架应有足够的刚度，以保证旋转压实时旋转角的稳定;应有安全防护门，并配有电源控制开关。

2.1.2加载装置，应保证旋转压实过程中垂直压力的稳定，使垂直压力达到设定值±18kPa。

2.1.3旋转基座由旋转套、压实角度调整功能、旋转传动功能、试模底座等组成。压实角度可调，其调整范围应满足试验的要求。出厂前压实角度应进行标定，使有效内旋转角允许波动范围为设定值的±0.02°。旋转基座的工作转速应达到设定值±0.5r/min。

2.1.4计算机控制系统应具有对旋转压实仪运行的自动控制和试验数据采集、分析等功能。

2.1.5内旋转角测量装置，应具备数据采集系统、温度测量、数据显示等功能。

2.1.6试模、锤头（上压盘）和底座（下压盘）。

1. 1）试模应采用钢材制造，试模壁的厚度大于7.5mm，洛氏硬度至少为HRC48~HRC57,试模内壁应足够光滑（粗糙度RaO.4μm)。φl5Omm试模内径为149.90~150.00mm，φ100mm试模内径为99.90〜100.00mm,高度不小于250mm。

2. 2）锤头（上压盘）和底座（下压盘）必须采用钢材制造，洛氏硬度宜为HRC48〜HRC55。Φ150mm试件锤头（上压盘）和底座（下压盘）其外直径尺寸为149.50〜149.75mm，φ100mm试件其外直径尺寸为99.50~99.75mm。锤头和底座与混合料接触面应平坦，光滑（粗糙度Ra0.4μm)。锤头和底座尺寸宜每年标定一次，试模内直径和压盘外直径之差应小于0.50mm。

   2.2旋转压实仪应具有自动测定试件高度、旋转次数及对应高度的记录和显示功能，精确至0.1mm。同时应配备标定装置，对内旋转角、垂直力和试件高度测量装置宜每半年自校一次，旋转转速宜每年自校一次。

   2.3脱模仪。

   2.4试验室用沥青混合料拌和机:容量不小于10L。

   

   2.5烘箱:大、中型各1台，装有温度调节器。

3. 

1. 2.6天平或电子秤:感量不大于O.lg。

2. 2.7温度计:宜采用有金属杆的插入式数显温度计，金属杆长度不小于150mm。量程0~300℃，分度值1℃。

   2.8其他:游标卡尺、托盘、沥青熔化锅、拌和铲、刮刀、隔热手套、垫纸等。

   3方法与步骤

   3.1标定步骤

   3.1.1确定试验条件，加载装置垂直压力为600kPa±18kPa，压实转速为30r/min±0.5r/min。

   3.1.2将试模、上下压盘和内旋转角测量装置的表面清理干净。当试模内壁或者上下压盘接触混合料的表面处有划痕或损坏吋，不得再使用。

   3.1.3检测内旋转角有加热和室温两种方式。通常情况下宜选择加热方式，即开始检测前将试模置150℃±5℃的烘箱中加热不少于45min，内旋转角测量装置无需加热。室温检测时试模不需加热。

   3.1.4按3.3的步骤准备好旋转压实仪，按照该仪器的说明书设定旋转次数。

   3.1.5将内旋转角测量装置组装好，放进试模中，将仪器探头或参考基座适当定位以测量底部内部角和顶部内部角。将试模放入旋转压实仪中，注意试模和旋转压实锤对中。

   3.1.6开始旋转压实，使试模和内旋转角测量装置一起作旋转运动，如图T0736-1所示。旋转时宜符合以下条件：产生的偏心距e为22mm，力矩M(即e×F)为466.5N•m±10N•m。

   3.1.7旋转到设定次数后，停止压实，待旋转压实仪上压头上升至一定高度后，从试模中取出内旋转角测量装置。记录测定结果，准确至0.01°。

   3.1.8不断调整内旋转角测量装置位置，按照3.1.4~3.1.6的步骤分别测定底部内旋转角α_bi和顶部内旋转角α_ti,，底部内旋转角和顶部内旋转角分别测定3次。如果分别测定的3个底部内旋转角（或顶部内旋转角）差值大于0.02°，则必须重新测定。取3个底部内旋转角α_bi的平均值为底部内旋转角α_b;取3个顶部内旋转角α_ti的平均值为顶部内旋转角α_t。取α_b和α_t平均值为有效内旋转角α_e。α_b和α_t差值不宜大于0.02°;有效内旋转角应该满足设定值的±0.02°要求。

    

    

   图T0736-1模拟加载法测定内旋转角示意图

   1-内旋转角测量装置;2-上压盘;3-试模;4-下压盘;

   e-偏心距,一般为 22mm;F-施加的荷载

   3.2准备工作

   3.2.1按照本试验规程T0702的方法确定制作沥青混合料试件的拌和与压实温度。常温沥青混合料的拌和及压实在常温下进行。

   3.2.2按本规程T0701在拌和厂或施工现场采取代表性的沥青混合料，当混合料温度符合要求时，可直接用于成型。在试验室人工配制沥青混合料时，按本规程T0701的方法准备矿料及沥青,然后按本规程T0702的方法拌制沥青混合料。

   3.3成型步骤

   3.3.1按照该设备的使用说明书进行操作。如打开压实仪的电源开关、配件的电源(或气源）开关、计算机（或控制面板），并与压实仪连接;需要打印数据时，还需连接打印机等。

   3.3.2设定旋转压实仪旋转角、垂直压力和旋转速率。不同的设计方法和体系，旋转角、垂直压力和旋转速率可能不同，因此参数的设定需根据混合料设计方法要求选定(如，Superpave设计方法要求有效内旋转角为1.16°±0.02°，垂直压力为600kPa±18kPa，旋转速率为30r/min±0.5r/min)。

   3.3.3根据需要选定试验结束条件，一般选择设定要求的旋转压实次数作为试验结束条件。也可以根据需要选择压实到要求的试件高度作为试验结束条件。

   3.3.4当旋转压实仪压头具有保温功能时，在旋转压实前需将压头加热保温不少于15min。

   3.3.5用蘸有少许黄油的棉纱擦净试模及下压盘等，然后置烘箱中加热并保持到压实温度±5℃，恒温至少45min。常温沥青混合料用试模不需加热。

   3.3.6将拌和好的沥青混合料，均匀称取一个试件所需的混合料质量m，混合料的质量应使成型后的试件高度达到试验所需高度±3mm。

   3.3.7从烘箱中取出预热的试模、下压盘，在下压盘上垫一张圆形纸片，防止沥青粘到下压盘上。将称好的沥青混合料迅速倒入试模内，将混合料的表面整平，然后在顶面盖上一张圆形纸片。

   3.3.8将盛有沥青混合料的试模放入旋转压实仪中，启动计算机（或控制面板），设定各试验参数，开动旋转压实仪，将压实棰头降下，直至施加的压力达到设定值±18kPa。旋转压实仪将按照设置的旋转次数开始自动成型试件。

   3.3.9试验过程中自动连续记录不同压实次数下的试件高度，并显示垂直压力。根据需要还可以测定、记录旋转压实过程中的剪应力。压实结束后，按照压实仪的提示恢复压实仪的旋转角，升起旋转压头，从旋转压实仪中取出试模。

   3.3.10刚成型好的热试件不宜马上脱模，需在室温下适当冷却。当为了缩短试验时间，可以采用电风扇降温约5〜l0min后再进行脱模.对于需要继续进行性能试验的试件，同时空隙率又较大（如大于7%)时，冷却时间宜延长15min以上。脱模后揭去垫在试件底面和顶面的圆形纸片。

   3.3.11根据需要可按照本规程相关方法测定试件毛体积相对密度等参数。

   3.3.12用于测定试件体积参数时平行试验一般不少于4个，用于其他试验平行试验试件个数按相关规定确定。

   4计算

   4.1按照式(T0736-1)计算不同旋转压实次数下的试件密度（体积法），取3位小数。

                     (T0736-1)

   式中:p_x——不同旋转压实次数下的试件密度（体积法）（g/cm³);

        m——沥青混合料试件质量（g);

       h_x——不同旋转压实次数下的试件高度（mm);

        d——试模的直径（mm)。

   4.2按照式（T0736-2)计算不同旋转压实次数下试件的毛体积相对密度，取3位小数。

                  (T0736-2)

   式中:γ_fx——不同旋转压实次数下试件的毛体积相对密度，无量纲；

   γ_f——按照T0705方法测定的试件毛体积相对密度，无量纲；

   h——最终成型试件高度（仪器显示试件的高度）（mm)。

   5报告

   报告应该包括旋转压实仪的有效内旋转角（包括标定方法）、垂直压力、旋转速率、拌和和压实温度等参数。

   6允许误差

   试件毛体积相对密度试验重复性的允许误差，当集料公称粒径小于或等于13.2mm时为平均值的0.9%，集料公称粒径大于或等于13.2mm时为平均值的1.4%。试件毛体积相对密度试验再现性的允许误差为平均值的1.7%。

条文说明

本方法主要参考AASHTO T312、AASHTOTP71—2007编写，主要参数参考AASHTOT312、ASTMD6925—08和 12697-31:2007的标准。

目前我国使用的旋转压实仪，主要是进口的SHKP旋转压实仪、GTM或者澳大利亚旋转压实仪。旋转压实仪在美国、法国、澳大利亚、瑞典和瑞士等国得到大量应用，各国的旋转压实仪基本原理相同，但是又各有不同。

1939年，美国得克萨斯州公路局提出旋转压实仪的概念，利用垂直压力来制作试件，能够模拟现场实际碾压的效果，并开发了旋转压实仪，之后于1946年制定标准试验规程，并纳入规范_。20世纪50年代，美国工程兵在得克萨斯州公路局概念基础上研发了搓揉式旋转压实仪，并于1957年申请了，1993年开始计算旋转剪切模量和旋转抗压模量，称为GTM法。

1991年SHRP战略研究计划项目组、沥青协会（AI)和法国LCPC一起开发基于得克萨斯州旋转压实仪的LCPC版的旋转压实仪，旋转角为1°，试件直径为152.4mm。沥青协会（AI)将旋转角调整为1°,并进行沥青混合料试验，发现由于旋转角太低，空隙率很难达到4%以下。由此SHRP研究入员推测，法国的低旋转角1°仅仅能模拟施工阶段的初始碾压，不足以达到设计4%的目标空隙率。然后又将旋转角提高为1.23°,最终SHRP建议采用的旋转压实仪SGC参数为旋转角1.25°、

垂直压力600kPa、转速30r/min,工作原理示意图如图T0736-2所示。SGC压实基本原理是：试件在一个控制室中缓慢地压实，试件运动的轴线如同一圆锥，它的顶点与试件顶部重合。旋转底座将试模定位于1.25。的旋转压实角，以30r/min的恒定速率旋转。压力加载头试件实施600kPa的竖直压力。这样在材料倒入试模中后同时受到竖向压力与水平剪力的作用，使集料颗粒定向形成骨架。这种过程模拟了荷载对道路搓揉压实作用，利用SGC旋转压实仪成型试件，然后测试相应的体积参数_，由于在研制中没有考虑测试诸如抗剪强度等参数，因此SGC并不能直接提供判定路面是否稳定所必需的应力和应变特征，这也是和GTM、LCPC的主要区别。但是最近几年，美国已经开发了多种类型的SGC.

图T0736-2 SHRP旋转压实仪SGC工作原理示意图

澳大利亚于20世纪90年代也开发了旋转压实仪Servopac，能够同时满足AASHTOTP4、EN12697-31标准要求。

为了能够了解各种旋转压实仪的发展和特点，将旋转压实仪发展大致情况汇总于表T0736-1。

表T0736-1旋转压实仪的发展和基本参数情况

注:表中旋转角均为外旋转角。表中“浮动”指旋转角在旋转压实过程是变化的，设定的旋转角只是初始旋转角_。
      表中“固定”指旋转压实仪在试验前根据需要在一定范围内选定一个值，旋转压实过程中旋转角是不变的。

由表T0736-1可以看出，各国旋转压实仪均有一定差异，各有特色。如何选择和开发我国旋转压实仪还需要做进一步工作。但是从不同使用目的来看，旋转压实仪的各参数宜在一定范围内可调，不宜只有一个固定参数，且应有多种直径的试模，同时宜能够测定剪应力。

关于旋转压实仪参数的选择,如果压实参数不相同，其压实效果肯定有差异，因此对于一个以旋转压实仪为设计体系的设计方法必须统一旋转压实仪的基本参数，这样才能保证试验结果具有良好的重复性和再现性。影响试验结果的3个主要参数是：旋转压实角、垂直压力和旋转速度。表T0736-2为不同设计方法中旋转压实仪参数对比表。

表T0736-2不同设计方法中旋转压实仪参数对比表

注:欧洲2007年前采用1°外旋转角，垂直压力600kPa,2007年后调整为有效内旋转角，并采用垂直荷载。SGC早期均采用1.25°±0.02°的外旋转角,2007年ASTM增加了内旋转角,2004年AASHTO增加内旋转角，但2008年只采用外旋转角。

 由于旋转角、垂直压力和旋转速率对旋转压实效果影响很大，在制定具体参数值时，还必须规定这些参数的允许波动范围，以控制试验精度。同时试模厚度、试模的刚度、试模的垂直度和试模与压盘的间隙等对旋转压实均有较大影响。SHRP确定旋转角的允许波动为±0.02。，此波动范围在于控制旋转角变异影响旋转压实效果，使得设计的沥青用量变异小于0.1%,目前这一指标欧洲和美国是一致的_。在所有指标中旋转角要求是的，这样设备成本会增加10000美元以上。SHRP根据工程经验确定垂直压力允许波动为±1OkPa;旋转速率允许波动为±0.5r/min,相应的欧洲标准会偏低一些，根据垂直荷载反算垂直压力允许波动约为±60kPa,而旋转速率允许波动为±3r/min。

美国在使用中又发现随着试模在使用中不断磨损会影响旋转压实效果。为了减小试模尺寸变化对旋转压实影响，SGC对相关尺寸进行了严格规定，要求试模直径为149.90〜150.00mm,压盘直径为149.50〜149.75mm,这样就可以使得间隙（试模内直径-压盘外直径）控制在0.15〜0.50mm之间。同时为了降低试模壁对旋转压实效果影响，要求试模壁必须光滑；而且在旋转压实过程中试模和压盘不变形，对试模厚度，试模和压盘刚度都要有要求。试模和压盘，相应欧洲的标准会高一些。

关于旋转压实仪内旋转角的标定问题，2000年，FHWA对美国30个现场混合料进行对比试验，发现Pine试件较Troxler毛体积相对密度平均偏大0.005,指出虽然外旋转角一致，而内旋转角不同是造成不同旋转压实仪压实效果差异的重要原因。外旋转角指试模侧壁相对于主旋转轴线的倾角；而内旋转角为试模侧壁相对于压盘（或压头）垂直线的倾角，一般将底部内旋转角和顶部内旋转角的平均值称为有效内旋转角。外旋转角和内旋转角示意图如图T0736-3所示。

对于每个试模，均需要标定内旋转角，当更换不同的上、下压盘时也应该进行标定。只有在上下压盘平行且水平的情况下，才能保证内外旋转角相等：

现在美国至少有6家SHRP的SGC旋转压实仪生产厂家，型号较多。每个型号的旋转角的设置都很独特，每个厂家都有自己的标定系统，一般都是试模壁旋转角，即外旋转角，且都没有一个通用的旋转角标定系统FHWA出于统一旋转角标定方法考虑，特别是为了解决内旋转角标定方法，开发了内旋转角的标定工具和方法，在此基础上制定了内旋转角的标定方法，即AASHTOPP48,如图T0736-4所示。内旋转角需要在动态过程中测定，这是与外旋转角不同。

图T0736-3外旋转角和内旋转角示意图                               图T0736-4AASHTOPP48内旋转角测定方法

AASHTOPP48在内旋转角测定时需要利用沥青混合料试件，发现这种方法存在一些问题，一个是沥青混合料试件不是稳定的（非标准物质），另外标定块和沥青混合料试件高度太高，标定的数值需要外推到标准高度时的内旋转角。

2008年AASHTOT312替代了AASHTOPP48和TP4方法，旋转压实仪的标定方法统一采用AASHTOTP71—2007，也取消外旋转角标准，统一为内旋转角方法。但是对于模拟荷载方法在美国还是存在一些争论，主要是上下压盘是否需要加热到高温条件。另外ASTM旋转压实仪旋转角还是规定外旋转角和内旋转角两个指标，但是内旋转角没有采用自己的ASTMD7115—2005标准，而是AASHTOPP48标准有报道说，ASTM正在修订，也是向内旋转角上靠，采用ASTMD7115—2005。美国各州目前基本上按AASHTO标准，即采用模拟荷载测定内旋转角方法作为标准方法。

成型试件时沥青混合料的实际质量由混合料类型确定。一般在试验之前要试拌一个试件，如果试拌试件的高度不符合要求，必须根据具体情况调整混合料质量。

对试件的脱模冷却时间，AASHTOT312规定对绝大部分混合料可以马上脱模，但是为了不使试件损坏，用电风扇加速冷却5~10min是必要的。而ASTMD6925则规定，为了避免产生试件变形，热的试件不宜马上脱模，需在室溫下适当冷却；为了缩短试验时间，可以采用电风扇降温，对于需要继续进行下一步性能试验的试件，同时空隙率又较大（如大于7%)时，冷却时间宜延长15min以上。而EN12697-31则没有要求冷却，但是又指出必要时需冷却5~10min。美国一些州的规定也是要求不宜马上脱模我国国内一些混合料试验时，成型后马上脱模确实发现有松散情况，然后改为适当冷却就没有出现这种现象考虑在试验中无法预判一种混合料是否会松散，因此本方法要求适当冷却，不建议马上脱模.

对试验前试模的预热，AASHTOT312要求在压实温度下预热30min以上，如果试模需要重复利用则第二次需再加热5min以上.ASTMD6925规定，试模在压实温度±5℃预热45min以上，如果试模需要重复利用，则第二次需再加热20min以上。而EN12697-31规定，试验前在压实温度±10℃预热2h以上同时美国各州差异也较大，如华盛顿州要求预热1h以上.本方法参考以上的这些方法，结合我国应用的情况调整为在压实温度±5℃，恒温至少45min。

关于旋转压实次数，一般根据交通量、沥青混合料类型等参数按照混合料设计要求选择。本方法的规定与AASHTOT312、ASTMD6925和EN12697-31是一致的。

对试件毛体积相对密度的重复性与再现性的允许误差，与AASHTOT312和ASTMD6925的规定是相同的。