瀝青混合料GTM法和馬歇爾法的比較研究畢業(yè)論文

1、河南交通職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 論 文題目：瀝青混合料gtm法和馬歇爾法的比較研究系 別：公路學院專 業(yè)：道路橋梁工程技術班 級：*姓 名：*學 號：*指導教師：*瀝青混合料gtm法和馬歇爾法的比較研究摘要： 瀝青混合料的結構和性能與成型方法密切相關，本文對同一級配的ac-13混合料，分別按gtm法和馬歇爾法進行試驗，并對其試驗結果作了對比分析，得出振動法成型的混合料的性能明顯優(yōu)于馬歇爾法確定的混合料的性能。 關鍵詞：gtm法 馬歇爾法 瀝青混合料 比較目 錄摘要2前言 4 一、 原材料5二、 儀器參數(shù)5三、確定混合料設計級配及工程級配范圍53.1確定混合料初擬合成級配53.2確定混合料設計級配

2、及工程級配范圍5四、施工影響預防處理措施64.1試驗溫度64.2旋轉試驗及最佳油石比的確定7五 路用性能及對比分析75.1最佳油石比75.2試件密度85.3體積參數(shù)105.4試件密度115.4.1高溫抗車轍能力115.4.2低溫抗裂能力115.4.3抗水損害能力125.4.4關于gtm方法設計的瀝青混合料耐久性12六 結論13七 致謝13參考文獻14前 言 gtm（gyratory testing machine）旋轉試驗機不僅僅是一種試件成型設備，其成型試件的優(yōu)點也不僅僅是最大限度地模擬了路面施工時的碾壓工況，更為有價值的是，它以汽車輪胎的接地壓強作為成型試件的一個主要控制條件，不固定壓實功

3、能而以瀝青混合料試件達到極限平衡狀態(tài)作為結束條件，而且在試驗過程中能夠反映瀝青混合料的物理力學特性。由設計過程，gtm設計方法根據(jù)混合料力學指標的變化規(guī)律確定最大油石比,實現(xiàn)了根據(jù)性能設計瀝青混合料的目標。但該試驗方法確定的混合料的性能究竟如何，尚需與馬歇爾方法確定的混合料的性能進行比較驗證。本文對同一級配的ac-13混合料，分別按gtm法和馬歇爾法進行試驗，并對其試驗結果作了對比分析，得出振動法成型的混合料的性能明顯優(yōu)于馬歇爾法確定的混合料的性能。一、原 材 料試驗所用粗集料為玄武巖，規(guī)格分別為：9.5mm16mm、4.75mm9.5mm、2.36mm4.75mm；細集料位石灰?guī)r，規(guī)格為：0

4、mm2.36mm；礦粉為石灰?guī)r礦粉；瀝青為sbs改姓瀝青。其實測密度見表1。表1 集料密度集料類型表觀相對密度毛體積相對密度實測有效相對密度9.5mm16mm2.8692.7262.7404.75mm9.5mm2.8662.6372.6562.36mm4.75mm2.9432.6812.7260mm2.36mm2.8632.6822.734礦粉2.847-2.802瀝青-1.037二、儀器參數(shù)gtm旋轉參數(shù)：垂直壓力0.7mpa、試驗結束條件為極限平衡狀態(tài)三、確定混合料設計級配及工程級配范圍 3.1確定混合料初擬合成級配以表2作為初擬工程級配范圍，按照集料篩分結果進行配合，合成級配見表2。表2

5、 初擬級配及級配范圍表篩孔尺寸（mm）1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075初擬級配上限100100855840282015118初擬級配下限1009575483222待添加的隱藏文字內(nèi)容2161175初擬合成級配10097.882.553.035.524.216.611.68.26.5 3.2確定混合料設計級配及工程級配范圍按照公稱最大粒徑將初擬合成級配分為粗集料（16mm2.36mm）及細集料（0.075mm2.36mm）部分，實測粗集料松裝密度及細集料插搗密度，根據(jù)研究成果計算粗細集料比例，計算過程及計算結果見表3。表3 設計級配粗細集料比例計算表序號項

6、目及計算公式單位中值級配1粗集料松堆密度t/m31.561 2細集料插搗密度t/m31.610 3粗集料選擇密度系數(shù)-1.0404細集料選擇密度系數(shù)-1.0355粗集料選擇密度(1)*(3)t/m31.623 6細集料選擇密度(2)*(4)t/m31.666 7合成粗集料毛體積密度-2.6898選擇密度下的粗集料間隙率（1-（5）/（7）*10039.6 91立方米單位體積粗集料質量t1.529 101立方米單位體積細集料質量(6)*(8)/100t0.660 111立方米單位體積粗細集料質量=(9)+(10)t2.189 121立方米單位體積礦粉質量t0.152 131立方米單位體積集料重總

7、質量t2.341 142.36mm通過率34.7 由表3計算結果，2.36mm通過率為34.7，與初擬級配接近，因此不再調(diào)整，將初擬級配作為最終設計級配。見表4。表4 設計級配及工程級配范圍表篩孔尺寸（mm）1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075工程級配上限100100875839272014108工程級配下限100957748312114965設計合成級配10097.882.553.035.524.216.611.68.26.5四、gtm方法配合比設計結果4.1試驗溫度：集料加熱溫度195，拌合溫度180，試件成型溫度165170。4.2旋轉試驗及最佳油石比

8、的確定按照gtm旋轉參數(shù)及成型溫度，選擇4.8、5.2、5.6、6.0四組油石比進行試驗，每組油石比成型試件68塊，試驗過程中采集gtm力學參數(shù)，根據(jù)力學參數(shù)gsi變化規(guī)律及gsf值的大小確定最大油石比。表干法確定gtm旋轉試件毛體積相對密度，混合料理論最大密度根據(jù)集料有效相對密度計算得到，以此為基礎計算試件體積參數(shù)vv、vma、vfa等。試驗統(tǒng)計結果見表5及圖1。gtm之間體積參數(shù)見表6。表5 ac13型改性瀝青混合料gtm試驗結果油石比(%)表干法毛體積相對密度gsigsf4.82.4311.01 1.39 5.2 2.4571.02 1.41 5.62.4611.09 1.40 6.02

9、.4581.12 1.40 圖3 gtm力學參數(shù)隨油石比變化圖根據(jù)gtm設計原理，判定瀝青混合料這種粒狀塑性材料是否會出現(xiàn)塑性變形過大現(xiàn)象的指標gsi（穩(wěn)定系數(shù)）隨油石比的增加而增加，當油石比大于5.2%后，曲線呈急劇增加趨勢，表明混合料中的瀝青已過量，試件的塑性變形過大；從反映瀝青混合料抗剪強度方面的參數(shù)gsf（安全系數(shù)）隨油石比的變化情況來看，油石比等于5.2%時，gsf值最大，超過5.2后，gsf隨油石比的增加而減小。綜合考慮gtm試驗結果并參考體積參數(shù)的大小及其變化趨勢，將最佳油石比確定為5.2%。表6 ac13型改性瀝青混合料gtm試件體積參數(shù)及馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果油石比（%）理論最

10、大相對密度表干法毛體積相對密度vv（%）vma（%）vfa（%）穩(wěn)定度（kn）流值（0.1mm）4.82.5342.4314.014.872.618.5835.95.22.5202.4572.514.282.518.9339.05.62.5062.4611.814.487.519.4439.86.02.4932.4581.414.890.620.7042.5gtm方法配合比設計結果為：級配為表4設計級配，最佳油石比5.2，最佳油石比下gtm旋轉試件表干法毛體積相對密度為2.457。4.2 馬歇爾方法配合比設計結果馬歇爾配合比設計采用gtm方法設計級配，集料加熱溫度、拌合溫度及擊實溫度與gtm方

11、法相同。試驗結果見表7。表7 馬歇爾試件體積參數(shù)及馬歇爾試驗結果油石比（）理論最大相對密度毛體積相對密度空隙率（）vma（）vfa（）穩(wěn)定度（kn）流值（0.1mm）4.82.534 2.346 7.4 17.8 58.3 12.35 26.5 5.22.520 2.373 5.8 17.1 66.0 13.28 28.5 5.6 2.506 2.392 4.6 16.8 72.9 15.8930.2 6.02.493 2.412 3.2 16.4 80.2 15.4333.1 6.42.475 2.406 3.0 16.9 82.4 15.3135.9 按照jtg f40-2004規(guī)定的計算

12、方法，確定最佳油石比5.6，最佳油石比下馬歇爾試件表干法毛體積相對密度為2.407。五、 路用性能及對比分析gtm方法與馬歇爾設計方法設計結果及路用性能見表8：5.1最佳油石比gtm方法確定的瀝青混合料最佳油石比為5.2，馬歇爾方法設計的瀝青混合料最佳油石比為5.6。如以gtm設計的油石比為基礎，馬歇爾方法確定的油石比增大了7.7。這主要是由于gtm采用旋轉壓實方式，以極限平衡狀態(tài)作為旋轉結束條件，使得集料在揉搓作用下更容易在三維空間移動，直到達到穩(wěn)定狀態(tài)，從而形成密度較大的、結構更為穩(wěn)定的瀝青混合料。gtm設計方法又以避免瀝青混合料達到過飽和狀態(tài)導致抗剪切強度及抗變形能力下降為判據(jù)，由于壓實

13、方式有效、壓實功較大，試件密度較大，因此在油石比較小的情況下混合料即達到過飽和狀態(tài)。與gtm設計方法相比，馬歇爾方法由于擊實功較小，試件密度較小，因此vma較大，根據(jù)體積法設計特點，體積參數(shù)要達到相應的指標，瀝青用量必然較大。因此馬歇爾方法確定的最佳油石比大于gtm方法確定的油石比。表8 不同方法設計的ac-13型瀝青混合料體積參數(shù)及路用性能試驗項目指標單位試驗結果試驗方法設計方法-馬歇爾方法gtm方法最佳油石比-5.65.2-最佳油石比下的體積參數(shù)試件毛體積密度-2.3922.457t0705-2000空隙率vv4.62.5礦料間隙率vma16.814.2飽和度vfa72.982.5高溫抗車

14、轍能力60動穩(wěn)定度次/mm37385700t0719-199365動穩(wěn)定度次/mm23664680低溫抗裂能力彎曲試驗破壞應變（）-2319.72299.5t0715-1993抗彎拉強度mpa8.5111.24彎曲勁度模量mpa38344888應變能kj/m2103.9142.2抗水破壞能力馬歇爾穩(wěn)定度kn15.8918.93t0709-2000浸水后穩(wěn)定度kn13.0816.51殘留穩(wěn)定度82.387.2凍融前強度mpa1.252.13t0729-2000凍融后強度mpa0.981.91凍融劈裂強度比78.589.5滲水系數(shù)ml/min24.00t0730-20005.2試件密度密度是表征瀝

15、青混合料特性的最重要的參數(shù)之一，實際上試件密度的大小決定了瀝青混合料的體積參數(shù)的大小。最佳油石比下的試件密度作為現(xiàn)場壓實度標準密度，其合理與否對于控制路面質量更具有重要意義。標準密度過大，現(xiàn)場壓實度難以達到要求，施工管理困難。標準密度過小，混合料不能夠被充分壓實，在交通荷載作用下極易出現(xiàn)壓密產(chǎn)生的泛油及車轍等早期破壞現(xiàn)象。最佳油石比下，瀝青混合料試件表干法毛體積相對密度大小順序為gtm試件密度馬歇爾試件密度。這是因為gtm采用旋轉壓實，集料在旋轉成型過程中可在三維空間移動，充分就位，因此密度較大。而馬歇爾采用擊實成型方法，擊實功小，且擊實方式不利于集料的充分就位及定向排列，集料破碎較為嚴重，而

16、超過一定值后再靠增加擊實次來提高試件密度已不可能，因此馬歇爾試件密度小。11個實際工程gtm旋轉試件密度（以此為標準密度，施工時要求壓實度為98）與馬歇爾擊實75次密度統(tǒng)計結果見表9。表9 實際工程gtm試件密度與馬歇爾試件密度關系工程序號最佳油石比（）gtm試件毛體積相對密度馬歇爾試件毛體積相對密度修正系數(shù)（gtm密度/馬歇爾密度）gtm試件空隙率（）14.02.5572.4821.030 3.0 24.02.4832.4351.020 2.8 33.82.4922.4541.015 2.1 43.82.4982.4631.014 1.8 53.82.4792.4081.029 2.3 63

17、.72.4952.4191.030 2.5 73.82.4752.4551.008 1.9 83.72.4962.4481.020 2.2 93.82.5032.4141.037 2.6 103.72.4822.4041.030 2.1 113.82.5092.4531.023 2.0 平均1.024 2.3 由表9，實際工程證明，gtm旋轉試件密度系統(tǒng)大于馬歇爾試件密度。比值平均為1.024。最大為1.037，最小為1.008，極差0.029。處于1.0201.030的工程占總數(shù)的64。表明對于大部分工程，修正系數(shù)處于1.0201.030之間，如現(xiàn)場壓實度要求為gtm試件密度的98，則現(xiàn)場將

18、達到馬歇爾試件密度的100101。而最為重要的是，gtm以旋轉壓實為成型方式與現(xiàn)場碾壓方式相吻合，因此以gtm試件密度作為壓實度控制標準更合理，工程實踐確實表明以現(xiàn)有設備，在完善的施工管理方式下，完全能夠將混合料壓實到較高水平。5.3體積參數(shù)由設計結果，與馬歇爾方法比，gtm方法設計的混合料空隙率小、間隙率小、飽和度大?，F(xiàn)行規(guī)范jtg f40-2004采用馬歇爾配合比設計方法，并要求“當采用其它方法設計瀝青混合料時，應按本規(guī)范規(guī)定進行馬歇爾試驗及各項配合比設計檢驗”。由表3-29，gtm方法設計的瀝青混合料最大油石比為5.2時，其體積參數(shù)不滿足規(guī)范要求（空隙率僅2.5、飽和度達82.5）。如按

19、照馬歇爾體積標準，gtm方法設計的瀝青混合料空隙率過小、飽和度太大。但其后的性能驗證卻表明，gtm設計的瀝青混合料高溫抗車轍能力及水穩(wěn)定性均優(yōu)于馬歇爾方法設計的瀝青混合料。因此對體積參數(shù)應有正確的理解。通行的瀝青混合料配合比設計方法是體積法，其后的各種試驗僅為性能驗證。如果混合料的某些體積特征參數(shù)與路用性能存在良好的相關性，那么，用體積法或許能夠設計出理想的配合比。普遍流行的一種觀點認為，對于瀝青混合料，空隙率十分重要，竟到了非得達到某一定值不可的程度，比如4%。眾所周知，空隙率是混合料理論最大理論密度和試件密度的導出值，而密度必須由試驗獲得，且不論試驗方法的合理性和試驗誤差的影響，僅就限定空

20、隙率下限值的觀點就值得質疑。當混合料配合比一定，空隙率僅是混合料密度的函數(shù)，因試件密度的大小由試件成型方式所決定，所以空隙率不是定值，它是某種特定的試驗方法下的條件性指標。僅當試驗條件與路面施工的碾壓條件相對吻合，或者能最大限度地模擬和反映施工壓實效果時，空隙率等體積特征參數(shù)才具有意義。以此為前提，建立或分析混合料技術性能與體積參數(shù)的相關關系也才有意義。對于合理的瀝青混合料配合比設計方法，首先應保證成型方式的合理性，即成型方式是否能夠最大限度地模擬和反映施工壓實效果，唯有如此，其后的試驗才具有合理性。當原材料一定，成型方式一定，路用性能最優(yōu)的瀝青混合料配合比是客觀存在的，在此特定條件下，得到的

21、最優(yōu)配合比具有了特定的體積參數(shù)。 總之，gtm方法采用旋轉壓實成型試件，以力學參數(shù)為判據(jù)確定最佳油石比。在這種設計思想的體系下，體積參數(shù)充其量只是參考指標。也就是說，gtm方法設計的混合料在最佳瀝青用量下，體積參數(shù)是多少就是多少，沒有必要再與經(jīng)驗體積參數(shù)進行比較而主觀地預測瀝青混合料路用性能。更不能將一種成型方式下（比如馬歇爾成型方式）的體積指標無條件地外延并要求其它成型方式下（比如gtm成型方式）的瀝青混合料必須滿足此體積參數(shù)要求。如此以來只能導致gtm設計方法失去特色。5.4路用性能5.4.1高溫抗車轍能力gtm方法設計的瀝青混合料高溫抗車轍能力遠大于馬歇爾方法設計的瀝青混合料。表現(xiàn)為最佳

22、油石比下，gtm方法設計的瀝青混合料在試驗溫度為60、65時動穩(wěn)定度分別為馬歇爾方法的1.5及1.9倍；最佳油石比下，試驗溫度由60上升到65時，馬歇爾法設計的瀝青混合料的動穩(wěn)定度下降了37%，而gtm法設計的瀝青混合料的動穩(wěn)定度僅僅下降了18%，表明gtm法設計的瀝青混合料的最佳瀝青用量不僅較馬歇爾法設計的瀝青混合料的最佳瀝青用量減少了0.4%，降低了工程造價，其混合料的抗車轍能力明顯提高，且其抗車轍能力的溫度敏感性大大降低。無論何種設計方法設計的瀝青混合料，用車轍試驗進行高溫性能驗證時，對試驗結果的影響因素其實只有混合料密度（如成型溫度相同，可通過不同輪碾次數(shù)得到），油石比及試驗溫度。根據(jù)

23、以上分析結果得出結論，試驗溫度相同時，試驗范圍內(nèi)對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響最顯著的因素為混合料密度，而混合料密度又取決于試驗所用的成型方式。gtm的特點正是通過合理的成型方式使得瀝青混合料密度提高增加混合料抗剪能力、油石比降低即粉膠比適當增大使得混合料膠泥進度增加，兩者綜合作用使得瀝青混合料強度提高，進而得到高溫性能為優(yōu)良的瀝青混合料。5.4.2低溫抗裂能力以彎曲應變及應變能為標準評價瀝青混合料低溫抗裂能力。試驗溫度為-10，試驗設備為mts-810（teststar-）。gtm方法與馬歇爾方法設計的瀝青混合料低溫彎曲試驗結果表明，gtm設計的瀝青混合料彎曲破壞應變稍低，為馬歇爾方法設計的瀝青

24、混合料的99，而彎拉強度則是馬歇爾方法設計的混合料的1.32倍，如此以來，應變能則遠大于馬歇爾方法設計的混合料，為1.37倍。根據(jù)瀝青路面低溫開裂的基本原理，僅就瀝青混合料自身性質而言，高強度、低勁度的瀝青混合料當具有優(yōu)良的低溫抗裂能力，可是如果僅僅以低溫彎曲破壞應變作為標準評價混合料低溫抗裂能力，則會得出相反的結論。由此可見，以破壞應變作為混合料低溫抗裂能力的唯一判據(jù)，尚不足以全面反映瀝青混合料低溫性能。因此引入低溫開裂能指標評價瀝青混合料抗裂能力更為合理。以此為依據(jù)，則gtm設計的瀝青混合料低溫抗裂能力顯著優(yōu)于馬歇爾方法設計的瀝青混合料。5.4.3抗水損害能力最佳油石比下，gtm方法設計的

25、瀝青混合料殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留度比為馬歇爾方法的1.06及1.14倍。表明gtm方法設計的瀝青混合料抗水損害能力明顯優(yōu)于馬歇爾方法設計的瀝青混合料?？障堵蕦鋈谂褟姸缺扔酗@著影響，隨著混合料空隙率的增大，凍融劈裂殘留強度比降低。這是因為凍融劈裂試驗實際上是反映了瀝青混合料試件的抗凍能力。凍融劈裂殘留強度比是凍融后試件劈裂強度與未凍融劈裂試件強度的比值。試件空隙率越小，水越難以進入混合料，從而對混合料強度的破壞影響越小，因此較小的空隙率實際上間接提高了瀝青與集料的相對粘附性，防止水進入瀝青混合料內(nèi)部從而降低混合料強度。對于本研究對象，原材料一定，瀝青與集料的粘附性確定，因此影響混合料凍融劈

26、裂殘留強度比的因素以vv最為顯著，而gtm方法設計的瀝青混合料空隙率較低，因此與馬歇爾方法相比，gtm法設計的瀝青混合料具有更為優(yōu)良的水穩(wěn)定性。凍融劈裂試驗實際上是反映試件的抗凍損能力，而非抗水剝離能力。只要試件的空隙率小且孔隙不連通，混合料的tsr值就比較大。細集料含量、油石比、密度以及試件成型方式對tsr值的影響無不是通過空隙率反映出來的，而空隙率卻是密度的導出值。所以，在配合比設計合理的前提下，提高或保證路面的壓實度是提高路面耐久性的有效途徑。那種認為瀝青混合料就應該具有一定的空隙率（如4%）的觀點顯然缺乏理論依據(jù)和科學實驗驗證。滲水試驗表明gtm方法設計的瀝青混合料不滲水。級配相同，空隙率分布差別不大的情況下，滲水系數(shù)主要受空隙率大小影響。因此gtm方法設計的混合料不滲水的根本原因是密度的提高降低了混合料空隙率。5.4.4關于gtm方法設計的瀝青混合料耐久性瀝青混合料耐久性包括抗疲勞破壞能力、瀝青老化（光、氧老化、微生物老化、自然硬化等）引起的性能衰變等。gtm及馬歇爾方法設計的瀝青混合料疲勞試驗結果見表10。試件為輪碾成型車轍試件切割而成，切割前車轍