T0737—2011沥青混合料旋转压实和剪切性能试验（GTM方法）

1目的与适用范围

1.1本方法适用于GTM试验机成型试件，同时能测定沥青混合料试件的密度、抗剪强度、剪应力、抗压模量、抗剪模量及旋转压实指数等，也可以采用GTM方法进行沥青混合料的配合比设计或沥青路面施工质量检验与控制。

1.2 GTM试验机可分为油压法和气压法两种_,根据混合料粒径选择不同的试模尺寸，一般直径为101.6mm、152.4mm、203.2mm三种，分别对应公称粒径≤26.5mm、37.5mm和63mm的沥青混合料。成型时一组试件的数量不得少于3个。

2仪具与材料技术要求

2.1旋转压实剪切试验机（GTM):由计算机自动控制，具有对沥青混合料试件压实成型、参数测定等功能。仪器的主要部件如图T0737-1所示。

图T0737-1   GTM旋转压实剪切试验机主要部件图

1-旋转角记录器;2-卡盘;3-上滚轴;4-压力表;5-下滚轴;

6-试模;7-中心轴线;8-试件（卡盘）轴线;9-试件

 2.2 金属标定块：标定高度传感器用的恒高度金属块，有12.7mm、101.6mm、152.4mm、203.2mm四种。

2.3试模：由高碳钢或工具钢制成，根据沥青混合料粒径选择不同直径的试模。一般沥青混合料宜选择101.6mm和152.4mm两种直径的试模，成型高度一般控制在高径比接近1:1。

2.4试验室用沥青混合料拌和机:能保证拌和温度并充分拌和均匀，可控制拌和时间，容量不小于10L，搅拌叶自转速度70~80r/min，公转速度40~50r/min。

2.5烘箱:大、中型各1台，具有温度调节器。

2.6天平或电子秤:用于称量矿料的，感量不大于0.5g;用于称量沥青的，感量不大于0.lg。

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:试样托盘、沥青熔化炉、拌和铲、滤纸、秒表等。

3准备工作

3.1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_。

3.2常温沥青混合料的拌和及压实在常温下进行。

3.3按本规程T0701的方法在拌和厂或施工现场采取代表性的沥青混合料，如混合料温度符合要求，可直接用于成型。需要拌和时可倒入已加热的室内沥青混合料拌和机中适当拌和，时间不超过1min。不得在电炉或明火上加热炒拌。

3.4在试验室人工配制沥青混合料时，试件的制作按下列步骤进行：

3.4.1将各种规格的矿料置105℃±5℃的烘箱中烘干至恒重（一般不少于4~6h)₀

3.4.2将烘干分级的粗、细集料，按每个试件设计级配要求称其质量，在一金属盘中混合均匀，矿粉单独放入小盆里，然后置烘箱中加热至沥青拌和温度以上约15℃备用。一般按单个试件备料（每个油石比平行试验一般不少于3个试件）。

3.4.3将按本规程T0601采取的沥青试样，用烘箱加热至规定的沥青混合料拌和温度备用，但不得超过175℃。当不得已采用燃气炉或电炉直接加热进行脱水时,必须使用石棉垫隔开。

3.4.4用蘸有少许黄油的棉纱擦净试模、下压盘等置60℃左右烘箱中加热保温备用。常温沥青混合料用试模不加热。

3.5调试和设定GTM设备参数:

3.5.1打开试验机的电源开关、液压柱油泵（或气泵）开关、加热套开关、控制计算机开关，并与试验机连接。

3.5.2根据路面荷载情况及沥青混合料所处的结构层位，确定混合料旋转压实过程中的垂直压力ρ_des。

3.5.3设置GTM试验机初始旋转角θ₀。对于油压法宜为0.8°，采用气压法为2°。也可以根据需要采用不同的初始旋转角。

3.5.4标定高度传感器。根据试模直径的不同，选择对应的金属标定块，标定高度传感器。设计压强不变时，一般不需要标定高度传感器。

3.5.S设定试验温度，并进行加热保温。标准试验温度为60℃。根据需要也可采用其他温度，但应在报告中注明。

3.5.6选择试验的方式。GTM可以通过设定平衡状态、转数、试件高度及试件密度中的一种方式来控制试验过程。平衡状态是指GTM每旋转50次沥青混合料试件密度变化小于0.008g/cm³。试验时宜选择平衡状态为试验方式。

4试验步骤

4.1按照本规程T0702的要求拌制沥青混合料。将拌和好的沥青混合料，均匀称取一个试件所需的混合料用量m(实际试件的用量需要根据混合料的类型确定）。成型试件的高度应达到试验所需高度±2.5mm的要求。

4.2从烘箱中取出预热的试模、下压盘,在下压盘上垫一张圆形的吸油性小的纸片(与试模直径相近），将沥青混合料迅速倒入试模内，整平表面。

4.3用盛试模的托盘将试模在试验机的底座上放置好，操作试验机使压头与沥青混合料接触，然后上紧试模外套，紧固螺栓_c

4.4按照3.5的步骤与方法，确认试验的垂直压力、试验温度、试验方式等，点击控制程序开始按钮，然后打开GTM旋转开关，试验机开始运转，进行试验。

4.5试验过程中，计算机将显示不同旋转压实次数对应的沥青混合料试件的密度、高度、轮压、应变、温度等的变化曲线，试件达到平衡状态后GTM自动停机。

4.6如果不进行动态模量试验，设备将试验曲线及试验结果直接打印出来，试验结束；如果需要，则进行动态模量试验。打开试验机旋转开关，点击相应控制程序按钮，GTM试验机开始自动测定试件动态模量，测试完毕后GTM自动停机。打印试验结果。

4.7测定摩擦力

4.7.1 GTM试验结束后，提升压头，卸下试模。

4.7.2将试模固定在摩擦力测试装置上，将测力千斤顶置于试模底面，逐渐加力，观察测力计力值变化，记录达到峰值的力值即为试件与试模间的摩擦力F。

4.8根据需要脱模后的试件可按照本规程相关试验方法测定试件毛体积相对密度等参数。

5计算

5.1按式(T0737-1)计算不同旋转压实次数下的试件密度（体积法），取3位小数。

          (T0737-1）

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，为101.6mm或152.4mm。

5.2按式（T0737-2)或式（T0737-3)计算旋转压实指数（Gyratory Compactability Index，简称GCI),取3位小数。

上述式中：GCI——旋转压实指数，旋转压实30次时的试件密度（或高度）与旋转压实60次时的试件密度（或高度）的比值，无量纲；

p_x30—-旋转压实30次时的试件密度（体积法）（g/cm³);

P_x60——旋转压实60次时的试件密度（体积法）（g/cm³);

h_x30——旋转压实30次时的试件高度（mm);

h_x60——旋转压实60次时的试件高度（mm)。

5.3按式（T0737-4)计算旋转稳定指数（Gyratory Stability Index，简称GSI),取2位小数。

        (T0737-4)

式中：GSI——旋转稳定指数，角应变θ_max与最小角应变θ_i的比值；

θ_max——旋转压实达到平衡状态时的角应变（即旋转角），可由试验系统自动测定或根据图T0737-2不同旋转次数下的旋转角曲线图中得到角应变值，取2位小数（即旋转角曲线中宽度点处的对应角应变值；图T0737-2中，曲线宽度处的宽度为17.0，则θ_max=17.0/10=1.70°);

θ_i——旋转压实过程中最小角应变值（或最小旋转角），可由试验系统自动测定或根据图T0737-2不同旋转次数下的旋转角曲线图中得到最小角应变值，取2位小数（即旋转角曲线中最小宽度点处的角应变值;图T0737-2中，曲线宽度处的宽度为10.2，则武=10.2/10=1.02°）。

5.4按式(T0737-5)计算旋转剪切强度S_G，取2位小数。

               (T0737-5)

式中:S_G——旋转剪切强度（MPa);

P——上滚轴的作用荷载(N);

L—-荷载P的力臂（mm);

N——压头垂直作用在试件上的荷载（N);

A——试件的端面面积(mm²);

h——试件高度（mm);

a——摩擦力F的力臂（即0.637R，R试模的半径）（mm);

b——荷载N的力臂（即htanθ₀）（mm);

F—试件与试模侧壁的摩擦力（N)。

5.5按式（T0737-6)计算沥青混合料抗剪强度因子（Gyratory Shear Factor,简称GSF)，取1位小数。

   (T0737-6)

式中：GSF—-沥青混合料抗剪强度因子，无量纲；

τ_max——沥青混合料所处层位中剪切应力（MPa)。

6报告

6.1 GSI与GSF的结果处理:当一组测定值中某个测定值与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应予舍弃，并以其余测定值的平均值作为试验结果。当试件数目k为3、4、5、6时，1值分别为1.15、1.46、1.67、1.82。

6.2试验结果应报告垂直设计强度、试验温度、试件密度、旋转压实指数GCI、旋转稳定指数GSI、角应变值θ_max、最小角应变值0_i、旋转剪切强度S_G、抗剪强度因子GSF等₀

条文说明

GTM是美国工程兵旋转压实剪切试验机（Gyratory Testing Machine)的简称，是由美国工程兵团(U.S.Army Corps of Engineers)在20世纪50年代开发的路面材料试验机，与此相应的是基于GTM旋转压实的沥青混合料设计方法，即GTM设计方法。最近几年我国已引进了GTM试验机，同时将GTM设计方法也引进了我国。目前国内有的省市已经开展了GTM方法的研究与应用，同时在国内也有厂商已经生产了GTM试验机。为了便于广大工程技术入员的操作和将试验方法规范化，本次主要参考ASTMD3387,并结合我国GTM的应用情况编写了该试验方法。

由于ASTMD3387是1996年修订的，随着新技术的发展，其一些方法已经不再适用，本试验方法根据应用情况进行了以下修订_。

原ASTMD3387中将GTM试验机按照滚轴驱动方式划分为固定轴式和油压式两种。固定轴式由于只能成型，不能进行旋转角应变等测定，其应用越来越少。气压式GTM试验设备近来应用越来越多。因此，本试验方法根据我国进口GTM试验机情况，将GTM试验机划分为油压式和气压式两种。其试验方法本质是相同的，只是初始旋转角有差异。据相关文献报道,ASTMD3387也要将GTM划分为油压式和气压式两种。

关于初始旋转角，美国工程兵团认为压实期间的角度变化和路面变形有关，因此旋转压实机GTM角度非恒定。GTM旋转角一般在1°~3°之间，旋转角越大，旋转压实效果会越大，设计的沥青用量会相应越低。ASTM D3387指出：标准的试验参数，初始旋转角为1°,理论上说初始旋转角应该根据路面变形情况进行选择，但是应该说初始旋转角1°有很大的适应范围，但是省路面工程师采用不同的旋转角时应该在报告中说明。在美国很多沥青混合料GTM标准一般也为1°,也都是根据ASTM D3387确定的，主要针对油压式GTM试验机_。据相关文献，ASTM D3387新修订版可能将GTM试验机的初始旋转角定为2°。目前我国GTM方法也没有统一初始旋转角，油压法为0.8°，也有1°或1.4°等，气压式为2°。本试验方法初步推荐对于油压法为0.8°，气压式为2°，也可以根据需要采用不同的初始旋转角。

关于试验方式即试验结束条件，ASTM D3387中规定为旋转压实次数达到60次即可，美国有的技术要求对于GTM方法一般要求压实为60次，但是也有的按照30~300次等不同次数作为试验结束条件。目前已逐渐统一到采用压实到“平衡状态”作为结束条件，据说ASTM D3387也将采用这一标准。所谓“平衡状态”即试件旋转压实过程中当每旋转压实一定次数后试件密度变化率（体积法）小于某一值时即认为达到此时混合料达到了平衡状态。国外一些文献和正在修订的ASTMD3387则采用每旋转50次试件密度变化率小于0.008g/cm³称为“平衡状态”。本方法也采用这一标准作为试验结束的条件。

关于垂直压力的问题，ASTM对于垂直压力值,规定为可能预测的轮胎接地压力作用下按照条形荷载、各向同性均匀弹性体计算的垂直压力，一般为0.83MPa。新修订的ASTM D3387也可能用预测的轮胎接地压力作为设计的垂直压力。对垂直压力选择，我国一些工程对于中、下面层采用0.8MPa,表面层采用0.9~1.1MPa,而美国混合料设计规范中对于公路沥青混合料一般为0.69~1.38MPa,对于一些特别的机场道面甚至达到1.66MPa。垂直压力越大，则说明沥青混合料所处层位的压应力越大，会使得设计的沥青用量减小，这样设计的混合料更加符合实际情况。本方法要求根据实际情况确定垂直压力。

关于计算的旋转剪切强度S_G修正的问题，在ASTM D3387试验方法中，要求新设备在使用之前或旋转压实次数、垂直压力、试模尺寸等试验条件发生较大差异时均需要对设备参数重新标定，通过标定得到旋转剪切强度的修正系数S_G0;按式（T0737-5)计算的旋转剪切强度S_G加上旋转剪切强度修正系数S_G0，便得到实际的沥青混合料旋转剪切强度S_G。当试验条件没有发生变化时无需标定修正系数S_G0。

标定原理为莫尔圆原理。标定时采用无黏结性的干标准砂（0.3~0.6mm单一粒径）代替沥青混合料，试验过程中无需加热，按照沥青混合料试验时相同的步骤和试验条件测定标准砂的旋转剪切强度S_G，但是需要选定至少三种垂直压力水平，先从较小的垂直压力水平开始，然后增加垂直压力水平，级的垂直压力水平与试验时压力水平相同_。标定过程如下：

（1）确定沥青混合料的试验条件：如旋转次数60次；标准垂直压力0.8MPa;初始旋转角θ₀=1°;试模直径150mm。

（2）标定条件：标定时的试验条件与混合料试验时条件一致，如旋转次数60次；初始旋转角θ₀=1°;试模直径150mm_;但试验垂直压力需选定三级,如0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa三级_。

（3）标定材料:0.3~0.6mm标准砂。0.3mm通过率为0%;0.6mm通过率为100%。

（4）分别采用三种水平的垂直压力进行试验，测定各种试验值，根据各测定值按式（T0737-5)计算三级荷载对应的旋转剪切强度S_G，如0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa对应的S_G为0.31MPa、0.42MPa、0.51MPa_o

（5）分别以三级荷载为X坐标，三级荷载对应的旋转剪切强度S_G为Y坐标作图，如图T0737-3所示。作三点连线交于Y坐标，此值即为旋转剪切强度的修正系数S_G0=-0.1MPa。如某一种沥青混合料，根据测定的各试验参数按式（T0737-5)计算得到的旋转剪切强度S_G平均值为0.56MPa;则修正后的旋转剪切强度S_G为0.46MPa。

目前较多的对比试验结果表明，GTM设计方法较普通的马歇尔方法设计确定的沥青用量要低得多，

这对于一些重载、超载路段或炎热地区的沥青路面来说可以实现降低沥青用量，从而提高沥青混合料的抗车辙变形能力的目的。但是一些文献指出，GTM设计方法过于注重超载、重载情况，没有太多地考虑路面结构的耐久性、抗老化能力、施工和易性和抗疲劳开裂能力等，也缺少这些性能的评价方法和指标，所以还需要进一步研究和完善。

不同型号GTM试验机在操作上可能会有所不同，但是基本原理应该是一样的，所以在使用过程中应按照仪器的说明书进行操作。