基于GTM設(shè)計方法的ARAC-13C型橡膠瀝青混合料性能

勞家榮,劉 宇,李善強,易 強

(1.廣西桂龍高速公路有限公司，廣西 桂林 541199；2.廣西交投科技有限公司，南寧 530002;3.廣西高速公路養(yǎng)護工程技術(shù)研究中心,南寧 530002；4.廣東華路科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

近年來，隨著環(huán)保理念深入人心，以及輪胎橡膠具有耐磨、耐老化、防水減震等特性，廢舊輪胎被回收加工成橡膠粉，用于瀝青改性[1-3]。廢舊輪胎橡膠粉能夠改善瀝青的高低溫性能、抗老化性能、抗疲勞性能[4-6]。但經(jīng)過大規(guī)模的應(yīng)用后，橡膠瀝青也暴露出一些問題，如路面易出現(xiàn)車轍、坑槽等早期病害?，F(xiàn)行的瀝青混合料設(shè)計采用馬歇爾設(shè)計法，在試件成型時的錘擊次數(shù)與路面碾壓時的壓實功沒有內(nèi)在聯(lián)系，以體積參數(shù)為控制指標時難以兼顧路用性能，且壓實度標準偏低易產(chǎn)生壓密型車轍[7-8]。GTM設(shè)計法采用力學(xué)指標進行混合料配合比設(shè)計，其設(shè)計的瀝青混合料具有壓實度要求高、現(xiàn)場空隙率小、油石比低等特點[9-11]。

本文以橡膠瀝青混合料為對象，采用GTM設(shè)計法，依托廣西崇左至水口高速公路GTM橡膠瀝青路面試驗段，研究了橡膠瀝青混合料的配合比設(shè)計方法和施工工藝，為類似工程積累經(jīng)驗，提供參考依據(jù)。

1 GTM瀝青混合料配合比設(shè)計方法

GTM設(shè)計方法考慮了汽車輪胎對路面的實際壓強，并將其確定為試件成型時的垂直壓力。同時，GTM法在成型試件時未固定壓實功，而是采用極限平衡狀態(tài)作為壓實結(jié)束的條件，所以能區(qū)分不同瀝青混合料的力學(xué)特性。

GTM法的設(shè)計目標是防止混合料在旋轉(zhuǎn)壓實時出現(xiàn)過大的最終塑性變形，其設(shè)計流程如圖1所示。在試件成型過程中，GTM能夠自動采集試件的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，并顯示抗剪強度變化曲線。其中，試件的應(yīng)變是采用機器角的大小來表征，抗剪強度則是通過滾輪壓力推理換算而得的。壓實試件的最終塑性形變大小采用穩(wěn)定系數(shù)GSI來表征，該參數(shù)是試驗結(jié)束時的機器角與壓實過程中的最小機器角的比值，能夠表征試件受剪應(yīng)力作用的塑性變形程度。因此，GTM設(shè)計方法以GSI作為確定最佳瀝青用量的參數(shù)，將最佳瀝青用量與混合料的力學(xué)性能聯(lián)系起來。另外，GTM還能夠提供試件壓實至極限平衡狀態(tài)時的抗剪強度，通過計算可以獲得安全系數(shù)GSF，該參數(shù)是瀝青混合料被壓實至平衡狀態(tài)時的抗剪強度與行車荷載作用下需承受的剪應(yīng)力的比值，能夠表征試件在行車荷載作用下抵抗剪應(yīng)力的程度[12-13]。

圖1 GTM瀝青混合料配合比設(shè)計流程

2 橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計

廣西壯族自治區(qū)崇水高速公路上面層采用GTM設(shè)計法設(shè)計了ARAC-13C型橡膠瀝青混合料，與采用馬歇爾設(shè)計的ARAC-13C型橡膠瀝青混合料的路用性能進行對比。

2.1 原材料

瀝青混合料采用廣西交科新材料科技有限公司生產(chǎn)的橡膠改性瀝青，依照《橡膠瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(DB45T1098-2014)對其進行性能檢測，結(jié)果見表1。

表1 橡膠改性瀝青試驗結(jié)果

瀝青混合料所用骨料為田東縣那拔鎮(zhèn)那練村輝綠巖，粗、細集料均符合規(guī)范要求。填料采用上思縣城恒翔礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的礦粉，也滿足規(guī)范要求。

2.2 礦料級配

混合料設(shè)計級配參照《橡膠瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(DB 45/T 1098-2014)的ARAC-13礦料級配范圍。在工程設(shè)計級配范圍內(nèi)，設(shè)計了級配曲線，如圖2所示。配合比各篩孔的通過率見表2。

表2 ARAC-13瀝青混合料合成礦料級配

圖2 ARAC-13瀝青混合料礦料級配曲線

2.3 最佳油石比

采用GTM法進行配合比設(shè)計。GTM試驗機參數(shù)設(shè)置：設(shè)計壓強0.8MPa，采用油壓表系統(tǒng)機器角為0.8°，試件尺寸為φ10×10cm，成型溫度為170℃～180℃。油石比選用4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%。試驗結(jié)果見表3。

表3 ARAC-13瀝青混合料GTM試驗結(jié)果

根據(jù)空隙率趨勢，在油石比5.3%～6.3%之間符合2%～4%空隙率要求。綜合分析選取5.7%為最佳油石比，對應(yīng)5.7%油石比的GTM試驗結(jié)果見表4。

表4 ARAC-13最佳油石比GTM試驗結(jié)果

因此,選用油石比5.7%作為最佳油石比，進行瀝青混合料性能測試。

2.4 混合料性能

在最佳油石比5.7%時成型瀝青混合料，瀝青加熱溫度控制在165℃～175℃；礦料加熱溫度為190℃～200℃；混合料拌和溫度為185℃，上下浮動±5℃；擊實溫度為170℃～180℃；混合料廢棄溫度200℃。測試按GTM法設(shè)計的瀝青混合料各項性能，結(jié)果見表5。同時將按馬歇爾法設(shè)計的混合料技術(shù)性能結(jié)果也列入表5，與GTM法作對比。

表5 ARAC-13瀝青混合料性能

根據(jù)表5可知，采用GTM法的ARAC-13瀝青混合料性能具有非常好的水穩(wěn)定性能及高溫性能，性能指標均符合規(guī)范要求，可以用于鋪筑路面。相比按馬歇爾法設(shè)計的瀝青混合料，按GTM法設(shè)計的瀝青混合料水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性更好，瀝青用量更低。此外，按GTM法設(shè)計得到的瀝青混合料試件空隙率為3.4%，而按馬歇爾法設(shè)計的瀝青混合料的試件孔隙率為5.2%，因此采用旋轉(zhuǎn)壓實得到瀝青混合料的試件孔隙率低，試件更密實。

3 試驗路施工

3.1 施工工藝

攤鋪機攤鋪速度控制在1.5～2.0m/min，由于GTM設(shè)計的瀝青混合料需要增加碾壓次數(shù)，攤鋪機攤鋪速度過快，易造成后續(xù)碾壓遍數(shù)不夠或初壓溫度過低。攤鋪溫度應(yīng)不低于165℃，現(xiàn)場一般控制在175℃～180℃時可取得較好的碾壓效果。

碾壓分為初壓、復(fù)壓和終壓三步進行?，F(xiàn)場工藝為初壓在不小于180℃溫度下采用11～13t雙鋼輪振動壓路機，緊跟攤鋪機碾壓，壓2遍；第1遍前靜后振或靜壓，第2遍全振。復(fù)壓采用11～13t雙鋼輪振動壓路機(振壓)和30t膠輪壓路機組合，壓6遍。終壓采用雙鋼輪壓路機，靜壓至少2遍，至輪印消失。碾壓過程中需注意碾壓初壓溫度不低于160℃，碾壓終了溫度不低于100℃。碾壓過程中要注意工序搭接，做到不漏壓。

3.2 路面性能對比分析

試驗路施工完成后，對路面施工質(zhì)量進行了檢測，檢測結(jié)果見表7。將普通路段的檢測數(shù)據(jù)匯總于表6，與GTM試驗段進行對比分析。

表6 試驗路性能評價

從壓實度分析，采用馬歇爾標準評價芯樣的壓實度，壓實度均在99%以上；采用GTM標準評價芯樣的壓實度，壓實度均超過97%；相比馬歇爾法，采用GTM法得到芯樣的壓實度更接近于芯樣的理論壓實度。

路面滲水系數(shù)均較小，集中在17～23mL/min范圍，滿足設(shè)計要求的100mL/min。雖采用GTM設(shè)計的瀝青混合料油石比偏小，但在相應(yīng)施工工藝的配合下具有良好的密水效果。

從平整度分析，無論是行車道還是超車道，測試段均值均滿足技術(shù)要求，且均值比普通路段小，路面具有良好的舒適性，表明采用多次膠輪碾壓后不會對橡膠瀝青路面的平整度造成影響，還可提高路面的平整度。

對試驗路抗滑性能進行分析可知，該試驗路段具有較好的抗滑效果，構(gòu)造深度均值為0.9mm、擺值均值為89.8mm，與普通路段的數(shù)據(jù)相近，表明路面具有較好的粗糙紋理，滿足《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2017)的要求。

綜上所述，采用GTM設(shè)計的橡膠瀝青混合料配合比最佳油石比偏小，鋪筑路面時采用鋼輪初壓2遍+膠輪復(fù)壓6遍+鋼輪收光的碾壓組合，可滿足設(shè)計壓實要求，芯樣空隙率控制在5.0%～5.5%。施工完成后橡膠瀝青路面有較好的密水效果，良好的抗滑性能和行車舒適性。因此，經(jīng)實體工程驗證，采用現(xiàn)有設(shè)備能夠滿足施工要求，試驗路各項性能均能滿足規(guī)范和使用的要求。

4 結(jié)論

基于GTM設(shè)計方法設(shè)計了ARAC-13C型橡膠瀝青混合料，并鋪筑了試驗路，總結(jié)了相關(guān)的施工工藝，主要結(jié)論：

(1)GTM設(shè)計橡膠瀝青混合料的方法可行，指標合理，可以用于橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計。和馬歇爾設(shè)計方法相比較，GTM設(shè)計的橡膠瀝青混合料具有空隙率低、油石比低等特點。

(2)采用GTM設(shè)計方法設(shè)計的瀝青混合料經(jīng)實體工程驗證：采用現(xiàn)有設(shè)備能夠取得良好效果，但施工過程中應(yīng)注意增加碾壓遍數(shù)，提高混合料攤鋪和碾壓溫度。

(3)施工完成后，試驗路段顯示采用GTM設(shè)計的橡膠瀝青路面具有優(yōu)良的路用性能，因此該方法適用于橡膠瀝青混合料的配合比設(shè)計。