GTM法設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)方法也是按照 0.7MPa壓強(qiáng)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的。隨著時(shí)代的發(fā)展,交通量的劇增,許多公路路面承受著壓強(qiáng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.7MPa。為了適應(yīng)此現(xiàn)實(shí)需要,要求我們尋找一種新的設(shè)計(jì)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(shí)剪切試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行瀝于路面配合比設(shè)計(jì)是解決瀝青路面早期破壞的好方法之一。

1 GTM設(shè)計(jì)瀝青混凝土

美國工程兵旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切試驗(yàn)機(jī)(GYRATO-RYTESTINGMACHINE,簡稱 GTM)作為一種理論研究和工程實(shí)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(jī)械模擬。該試驗(yàn)機(jī)采用類似于施工中壓路機(jī)作用的搓揉方法壓實(shí)瀝青混合料,最大限度的模擬汽車在公路上行駛時(shí)輪胎與路面的相互作用,通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí),使試模中瀝青混合料密度達(dá)到汽車輪胎實(shí)際作用于路面時(shí)所產(chǎn)生的密實(shí)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(shí)際壓強(qiáng)確定,試件在該壓力作用下,被旋轉(zhuǎn)壓實(shí)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(shí),根據(jù)不同用油量的試驗(yàn)結(jié)果,畫出用油量與試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系曲線,來決定瀝青混合料的設(shè)計(jì)密度及最佳瀝青用量。

GTM確定最佳瀝青用量有三個(gè)指標(biāo)。

(1)應(yīng)變化 GSI(GYRATORYSTABILITYINDEX):檢驗(yàn)瀝青混合料在被壓實(shí)到平衡狀態(tài)是否會(huì)出現(xiàn)塑性變形。它是指瀝青混合料在壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)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(dòng),旋轉(zhuǎn)角在壓實(shí)過程中增大,對于穩(wěn)定的混合料不會(huì)有多大的增加。壓實(shí)穩(wěn)定值接近 1.0時(shí)一般表現(xiàn)為穩(wěn)定的混合料,而該值超過 1.1時(shí)很多時(shí)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(shí)平衡狀態(tài)時(shí)抗剪強(qiáng)度是否達(dá)到瀝青路面所需的剪應(yīng)力。它是指瀝青混合料被壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)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(jì)瀝青混合料時(shí)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(shí)到平衡狀態(tài)來達(dá)到一定的密度。通過美國工程兵團(tuán)的試驗(yàn)研究,認(rèn)為當(dāng)混合料壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí),與實(shí)際路面在設(shè)計(jì)荷載的作用下的最終密度相當(dāng)。

GTM設(shè)計(jì)瀝青混凝土的設(shè)計(jì)步驟以下。

(1)設(shè)計(jì)瀝青混凝土的密度。即選擇五個(gè)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(shí)際路面要求的壓實(shí)度成型試件,再放置至室溫,然后在 60℃條件下養(yǎng)護(hù) 6h以上,然后再壓實(shí)到平衡狀態(tài)測定試件的應(yīng)變比和抗剪強(qiáng)度。

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

(1)GTM試驗(yàn)采用科學(xué)推理的方法,采用應(yīng)力應(yīng)變原理進(jìn)行設(shè)計(jì),并且采用試驗(yàn)時(shí)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(hào)為 10.5cm×15.2cm、15.2cm×25.4cm、20.3cm×30.5cm的三種試模,在進(jìn)行瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),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(shí)際情況聯(lián)系更緊密。利用 GTM設(shè)計(jì)瀝青混凝土?xí)r,充分考慮了公路行車荷載的實(shí)際情況,根據(jù)每條公路的情況設(shè)計(jì)瀝青混凝土?xí)r選擇不同的設(shè)計(jì)壓強(qiáng),因而設(shè)計(jì)的瀝青混凝土更合理。

(4)因?yàn)橛肎TM試驗(yàn)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(shí)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(jì)的瀝青混凝土,其余段落則采用傳統(tǒng)馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)的瀝青混凝土。下面將GTM設(shè)計(jì)的AC-16I與馬歇爾設(shè)計(jì)的 AC-16I進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)對比,見表 1、表 2。

表 1 GTM設(shè)計(jì)

表 2 馬歇爾設(shè)計(jì)

比較 0.7MPa時(shí)通過 GTM得出的最佳油石比、密度與馬歇爾試驗(yàn)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(yàn)僅靠垂直擊打得出的標(biāo)準(zhǔn)密度,達(dá)不到路面實(shí)際壓實(shí) 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(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果可看出,依據(jù) GTM試驗(yàn)結(jié)果制作的試件的動(dòng)穩(wěn)定遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于依據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果制作的試件的動(dòng)穩(wěn)定度。從 60min的最終變形也可以發(fā)現(xiàn),用 GTM試驗(yàn)結(jié)果制作的試件的變形值均低于據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果制作的試件。這說明 GTM試驗(yàn)方法確定配合比的瀝青混凝土抗車轍能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于馬歇爾試驗(yàn)確定的配合比。

表 3 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果對比

通過首次對 GTM設(shè)計(jì)的瀝青混凝土進(jìn)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(yàn)。

GTM設(shè)計(jì)的瀝青混凝土密度較高,用油量較馬歇爾設(shè)計(jì)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(jì)的瀝青混凝土的質(zhì)量關(guān)鍵是壓實(shí)。

(1)要用重型壓路機(jī)進(jìn)行碾壓,并且采用強(qiáng)震,在碾壓過程中緊跟攤鋪機(jī)。在施工中要采用重型輪胎壓路機(jī)進(jìn)行初壓,如果沒有重型輪胎壓路機(jī),可以采用震動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行初壓,但是在初壓時(shí)壓路機(jī)開震。

(2)瀝青混合料是通過高溫情況下瀝青的潤滑進(jìn)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(shí)機(jī)械,也管碾壓多少遍都不會(huì)起到多大作用,因此在壓實(shí)過程中,一定要保證高溫壓實(shí),并且保證瀝青混凝土的高溫狀態(tài)。

(3)輪胎壓路機(jī)對于瀝青混凝土尤其是 GTM設(shè)計(jì)的瀝青混凝土的壓實(shí)作用是非常重要的。GTM設(shè)計(jì)的瀝青混凝土一般要求采用重型的輪胎壓路機(jī)進(jìn)行初壓,一是考慮輪胎壓路機(jī)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(jī)進(jìn)行初壓能形成一個(gè)揉搓的碾壓狀態(tài),可達(dá)到較高的壓實(shí)度;三是考慮利用輪胎壓路機(jī)進(jìn)行初壓的瀝青路面防滲水性能較好,這一點(diǎn)在工程實(shí)踐中已經(jīng)充分證實(shí)。

(4)瀝青路面的施工,壓路機(jī)手的素質(zhì)是非常重要的。一些壓路機(jī)手素質(zhì)不高,在進(jìn)行壓實(shí)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(shí)。

GTM設(shè)計(jì)的瀝青混凝土,關(guān)鍵在于壓實(shí),通過加強(qiáng)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(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)的壓實(shí)質(zhì)量。