GTM法設(shè)計的瀝青混凝土在正港線上的應(yīng)用

田云海

(衡水公路工程總公司)

0 引 言

目前,我國公路瀝青路面設(shè)計是以 BZZ-100的軸載為標(biāo)準(zhǔn)軸載,而且重交通道路瀝青混合料馬歇爾設(shè)計方法也是按照 0.7MPa壓強進行配合比設(shè)計的。隨著時代的發(fā)展,交通量的劇增,許多公路路面承受著壓強已遠遠超過0.7MPa。為了適應(yīng)此現(xiàn)實需要,要求我們尋找一種新的設(shè)計方法以解決路面的車轍、壅包等早期病害。美國工程兵施轉(zhuǎn)壓實剪切試驗機進行瀝于路面配合比設(shè)計是解決瀝青路面早期破壞的好方法之一。

1 GTM設(shè)計瀝青混凝土

美國工程兵旋轉(zhuǎn)壓實剪切試驗機(GYRATO-RYTESTINGMACHINE,簡稱 GTM)作為一種理論研究和工程實際應(yīng)用的工具,是由美國工程兵為解決重載瀝青路面和柔性基層研究發(fā)明的。

GTM是柔性路面在荷載作用下的機械模擬。該試驗機采用類似于施工中壓路機作用的搓揉方法壓實瀝青混合料,最大限度的模擬汽車在公路上行駛時輪胎與路面的相互作用,通過旋轉(zhuǎn)壓實,使試模中瀝青混合料密度達到汽車輪胎實際作用于路面時所產(chǎn)生的密實度,即通過對試件施加垂直壓力,該壓力通過測試汽車輪胎對路面的實際壓強確定,試件在該壓力作用下,被旋轉(zhuǎn)壓實到平衡狀態(tài)(所謂平衡狀態(tài),是指每旋轉(zhuǎn) 100次試件密度變化率為 0.016g/cm3)。GTM在確定是佳瀝青用量時,根據(jù)不同用油量的試驗結(jié)果,畫出用油量與試驗結(jié)果的關(guān)系曲線,來決定瀝青混合料的設(shè)計密度及最佳瀝青用量。

GTM確定最佳瀝青用量有三個指標(biāo)。

(1)應(yīng)變化 GSI(GYRATORYSTABILITYINDEX):檢驗瀝青混合料在被壓實到平衡狀態(tài)是否會出現(xiàn)塑性變形。它是指瀝青混合料在壓實到平衡狀態(tài)時是否失去彈性,是對瀝青混合料穩(wěn)定性的量度,與瀝青混合料的永久變形有關(guān):該指標(biāo)由最終旋轉(zhuǎn)角除以中間最小旋轉(zhuǎn)角確定,對于不穩(wěn)定的混合料,由于瀝青混合料的塑性流動,旋轉(zhuǎn)角在壓實過程中增大,對于穩(wěn)定的混合料不會有多大的增加。壓實穩(wěn)定值接近 1.0時一般表現(xiàn)為穩(wěn)定的混合料,而該值超過 1.1時很多時候表現(xiàn)為不穩(wěn)定的混合料,GSI＜1.05較合適。

(2)抗剪安全系數(shù)GSF(GYRATORYSHEARFACTOR):檢測瀝青混合料被壓實平衡狀態(tài)時抗剪強度是否達到瀝青路面所需的剪應(yīng)力。它是指瀝青混合料被壓實到平衡狀態(tài)時的抗剪強度與行車荷載作用下隨發(fā)的剪應(yīng)力的比值,應(yīng)大于 1。

(3)密度:GTM設(shè)計瀝青混合料時可以通過控制旋轉(zhuǎn)次數(shù)、控制試件的高度或者使混合料壓實到平衡狀態(tài)來達到一定的密度。通過美國工程兵團的試驗研究,認(rèn)為當(dāng)混合料壓實到平衡狀態(tài)時,與實際路面在設(shè)計荷載的作用下的最終密度相當(dāng)。

GTM設(shè)計瀝青混凝土的設(shè)計步驟以下。

(1)設(shè)計瀝青混凝土的密度。即選擇五個瀝青用量在要求的溫度下旋轉(zhuǎn)成型至平衡狀態(tài),測得試件的密度。

(2)根據(jù)上一步測得的密度按實際路面要求的壓實度成型試件,再放置至室溫,然后在 60℃條件下養(yǎng)護 6h以上,然后再壓實到平衡狀態(tài)測定試件的應(yīng)變比和抗剪強度。

GTM設(shè)計瀝青混凝土較傳統(tǒng)馬歇爾試驗方法設(shè)計瀝青混凝土的優(yōu)越性有以下幾點。

(1)GTM試驗采用科學(xué)推理的方法,采用應(yīng)力應(yīng)變原理進行設(shè)計,并且采用試驗時在一定的壓力下對試件揉搓旋轉(zhuǎn)成型,使其對試件的作用和汽車輪胎與路面的作用力十分相似,并且在旋轉(zhuǎn)成型過程中減少骨料的破碎。

(2)GTM擁有型號為 10.5cm×15.2cm、15.2cm×25.4cm、20.3cm×30.5cm的三種試模,在進行瀝青混凝土配合比設(shè)計時,可根據(jù)瀝青混凝土的類型選擇試模。尤其對于粒徑大于 26.5cm的粗粒式瀝青混凝土更顯出其優(yōu)越性。

(3)GTM與公路實際情況聯(lián)系更緊密。利用 GTM設(shè)計瀝青混凝土?xí)r,充分考慮了公路行車荷載的實際情況,根據(jù)每條公路的情況設(shè)計瀝青混凝土?xí)r選擇不同的設(shè)計壓強,因而設(shè)計的瀝青混凝土更合理。

(4)因為用GTM試驗確定的瀝青混合料中自由瀝青的數(shù)量少,因此減少車轍、壅包等病害產(chǎn)生,而且它的水穩(wěn)性能、低溫抗裂性能都顯著提高。

2 工程實際應(yīng)用

在 2002年正港線的施工中,我們與省廳科研所合作部分路面采用了 GTM設(shè)計的瀝青混凝土,其余段落則采用傳統(tǒng)馬歇爾試驗設(shè)計的瀝青混凝土。下面將GTM設(shè)計的AC-16I與馬歇爾設(shè)計的 AC-16I進行相關(guān)指標(biāo)對比,見表 1、表 2。

表 1 GTM設(shè)計

表 2 馬歇爾設(shè)計

比較 0.7MPa時通過 GTM得出的最佳油石比、密度與馬歇爾試驗結(jié)果可得前者用油量較后者低,而密度卻比后者高,由此可以知道馬歇爾試驗僅靠垂直擊打得出的標(biāo)準(zhǔn)密度,達不到路面實際壓實 后的密度這就是按照現(xiàn)今規(guī)范做出的路面出現(xiàn)車轍等早期破壞的原因。

從動穩(wěn)定度試驗結(jié)果可看出,依據(jù) GTM試驗結(jié)果制作的試件的動穩(wěn)定遠遠大于依據(jù)馬歇爾試驗結(jié)果制作的試件的動穩(wěn)定度。從 60min的最終變形也可以發(fā)現(xiàn),用 GTM試驗結(jié)果制作的試件的變形值均低于據(jù)馬歇爾試驗結(jié)果制作的試件。這說明 GTM試驗方法確定配合比的瀝青混凝土抗車轍能力遠遠強于馬歇爾試驗確定的配合比。

表 3 動穩(wěn)定度試驗結(jié)果對比

通過首次對 GTM設(shè)計的瀝青混凝土進行施工,結(jié)合有關(guān)專家的意見,總結(jié)了一些初步的經(jīng)驗。

GTM設(shè)計的瀝青混凝土密度較高,用油量較馬歇爾設(shè)計方法的要低,材料之間的內(nèi)摩阻力較大,因此對于保證GTM設(shè)計的瀝青混凝土的質(zhì)量關(guān)鍵是壓實。

(1)要用重型壓路機進行碾壓,并且采用強震,在碾壓過程中緊跟攤鋪機。在施工中要采用重型輪胎壓路機進行初壓,如果沒有重型輪胎壓路機,可以采用震動壓路機進行初壓,但是在初壓時壓路機開震。

(2)瀝青混合料是通過高溫情況下瀝青的潤滑進行碾壓的,當(dāng)瀝青混凝土降低到一定溫度不管采用什么樣的壓實機械,也管碾壓多少遍都不會起到多大作用,因此在壓實過程中,一定要保證高溫壓實,并且保證瀝青混凝土的高溫狀態(tài)。

(3)輪胎壓路機對于瀝青混凝土尤其是 GTM設(shè)計的瀝青混凝土的壓實作用是非常重要的。GTM設(shè)計的瀝青混凝土一般要求采用重型的輪胎壓路機進行初壓,一是考慮輪胎壓路機在碾壓過程中不需要撒水,保證了施工碾壓溫度;二是考慮輪胎壓路機進行初壓能形成一個揉搓的碾壓狀態(tài),可達到較高的壓實度;三是考慮利用輪胎壓路機進行初壓的瀝青路面防滲水性能較好,這一點在工程實踐中已經(jīng)充分證實。

(4)瀝青路面的施工,壓路機手的素質(zhì)是非常重要的。一些壓路機手素質(zhì)不高,在進行壓實過程中忽快忽慢,并且不能保證要求的碾壓速度,這嚴(yán)重影響了路面壓實。

GTM設(shè)計的瀝青混凝土,關(guān)鍵在于壓實,通過加強對施工中細(xì)節(jié)問題的注意,規(guī)范碾壓工藝,組織緊張有序的施工碾壓,完全可以達到更高標(biāo)準(zhǔn)的壓實質(zhì)量。