基于法國標準的GB3、GB4基層材料差異性研究

臧芝樹， 曹雨楊， 賴增成， 霍心蕊， 張連旭

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司, 北京市 100097；2.中咨公路養(yǎng)護檢測技術有限公司, 北京市 100097；3.中國路橋工程有限責任公司， 北京市 100011；4.中交一公局第一工程有限公司， 北京市 102205)

1 引言

在法國標準體系的瀝青路面結(jié)構(gòu)中，瀝青結(jié)合料基層主要為瀝青碎石(GB)和高模量瀝青混凝土(EME)兩類。因其施工工藝問題，在非洲應用較廣的瀝青結(jié)合料基層是GB材料。GB類材料與中國標準的ATB類材料類似，是一類用于基層的碳氫化合物混合料，由碳氫化合物黏合劑、集料填料和可能的添加劑配成，主要在新建道路或舊路加固情況下使用。

法國GB類材料是在20世紀70年代早期開發(fā)的，根據(jù)其顆粒度，其性能被分為3個等級和2個種類(0/14 或0/20)。3個等級中，GB1為低含量碳氫化合物黏合劑，GB2為適中含量碳氫化合物黏合劑，GB3為用于改善耐久性的高含量碳氫化合物黏合劑[1]。

Guide CSCD 1994和CATA 1998指南針對GB材料給出了具體的指標要求和適用情況，針對承載力要求較高的等級公路需要采用GB3材料，該指南在多數(shù)非洲原法屬國家較為通用，也廣泛被業(yè)主認可。但隨著貨運貨車的載重能力增強和經(jīng)濟的增長，以及施工工藝的提高，試驗條件的改善，1999年法國頒布的NF P98-138規(guī)范中，針對瀝青碎石材料提出了模量更高、耐久性更優(yōu)的GB4材料，并指出GB1材料不再使用。2011年頒布的法國瀝青路面結(jié)構(gòu)設計規(guī)范NF P98-086中，針對GB4材料，指出其使用需要根據(jù)取得的相關試驗室試驗結(jié)果來確定其特征。

隨著非洲經(jīng)濟發(fā)展的加快，一些重載交通的高等級公路建設逐漸增多，瀝青路面結(jié)構(gòu)設計時，GB4材料因其優(yōu)異的性能，也被多數(shù)設計院所關注，但目前中國國內(nèi)關于GB3、GB4基層材料具體的差異性沒有相關研究成果可借鑒，并且GB4材料如何選用也困擾著工程技術人員。該文結(jié)合法國相關規(guī)范以及非洲典型工程案例，分析GB3、GB4基層材料的差異性，以期為廣大工程設計、施工人員提供參考。

2 技術指標差異性對比

2.1 配合比及原材料選擇對比

根據(jù)NF P98-138[2]，GB材料的骨料粒級可選擇：0/2 mm-0/4 mm-0/6.3 mm-2/4 mm-2/6.3 mm-4/6.3 mm-4/10 mm-6.3/10 mm-6.3/14 mm-6.3/20 mm-10/14 mm-10/20 mm-14/20 mm，具體配合比設計需要結(jié)合材料技術指標要求進行室內(nèi)試驗驗證。

針對骨料選擇上，GB3與GB4具有一致性，骨料技術要求如表1所示。

表1 骨料的技術要求[3]

在瀝青材料選擇時，GB3可選用35/50、50/70號瀝青，為了提高GB4材料的模量，使其更具耐久性，GB4材料優(yōu)先推薦采用35/50號瀝青所示。

2.2 物理、力學指標對比

根據(jù)NF P98-138以及NF P98-086[4]，GB3與GB4材料的物理、力學指標對比見表2。

表2 GB3與GB4材料的物理、力學指標對比

由表2可見：與GB3材料相比，GB4材料的模量較高。對于GB4 材料的勁度模量及疲勞壽命要求分別為11 000 MPa及100 με，現(xiàn)場試件的試驗結(jié)果必須滿足這些指標要求，特別是對于勁度模量和疲勞壽命。同樣需要指出，車轍試驗后試件的空隙率需要小于室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實試驗空隙率要求。根據(jù)法標，對于GB3空隙率要求一般為7%～10%，對于GB4空隙率要求一般為5%～8%，瀝青基層GB4多應用于高速公路。

根據(jù)法國有關文獻[5]，圖1、2分別為GB3(0/14)、GB4(0/14)材料的CT斷層掃描結(jié)果，表3為數(shù)字圖像處理結(jié)果。

圖1 GB3材料數(shù)字圖像處理過程

圖2 GB4材料數(shù)字圖像處理過程

表3 數(shù)字圖像處理結(jié)果

瀝青混合料的體積組成對于路用性能影響甚大，合理的瀝青混合料配合比設計不僅可顯著提高瀝青混合料的力學性能，還可平衡因瀝青混合料技術要求多元化而引發(fā)的復雜矛盾[6]。從表3可以看出：GB4的LAF平均值為30%，比GB3高36%，也證明了GB材料的力學性能(模量和耐久性)與粒狀骨架內(nèi)的分布存在相關性。與傳統(tǒng)GB3材料配合比相比，GB4有利的顆粒分布良好地解釋了其更高的力學性能，也可以說明通過合理的級配設計，是可以達到GB4材料的指標要求，但是帶來的施工工藝控制要求更高。

2.3 試驗項目對比

試驗項目對比見表4。

表4 試驗項目對比

根據(jù)LCPC《LPC Bituminous Mixtures Design Guide》，結(jié)合各材料使用條件，瀝青混合料的類型和荷載條件要求并不一樣，所以性能試驗被分成若干水平，從水平0至水平4。相比較于GB3材料，GB4材料還需要進行疲勞試驗，以驗證所獲取的各項試驗性能指標是否滿足規(guī)范要求。

3 瀝青基層材料對路面結(jié)構(gòu)影響分析

以西非多哥共和國壹號國道項目(Davié-Tsévié段)為例，該道路是其國內(nèi)重要的一條跨境主干道，承擔了該國境內(nèi)南北交通及港口物資向內(nèi)陸轉(zhuǎn)運的功能，交通量大，重載車多。經(jīng)過交通量調(diào)查，重型車輛總數(shù)(TMJA)為628輛，重型荷載總數(shù)量NPL=6.17×106，交通等級為T1+，經(jīng)過實測軸載數(shù)據(jù)計算，與路面結(jié)構(gòu)類型和道路分類有關的重型荷載平均影響系數(shù)CAM=1.35。

該項目擬采用倒裝結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)使用壽命為20年，路面結(jié)構(gòu)計算等效溫度為30 ℃。各層材料參數(shù)按照規(guī)范值選取，計算參數(shù)如表5所示。

表5 路面材料參數(shù)

采用法國路面結(jié)構(gòu)設計軟件ALIZE-LCPC進行計算，表6為瀝青基層分別采用GB3和GB4時的路面結(jié)構(gòu)厚度方案。

表6 瀝青基層材料分別為GB3和GB4時路面結(jié)構(gòu)方案

由表6可得，采用模量更高的瀝青基層GB4材料，與采用GB3材料相比，厚度可減薄5 cm。根據(jù)多哥當?shù)氐娜斯ぁ⒉牧?、機械等單價因素，僅從GB材料的直接成本出發(fā)(暫不考慮施工工藝增加的成本)，GB4材料單價要高于GB3材料，但采用瀝青基層GB4后路面結(jié)構(gòu)造價降低約31%，經(jīng)濟效益明顯。

4 施工關鍵工藝差異性對比

在法國規(guī)范中，關于GB3與GB4的施工技術并沒有分別給出具體的差異化要求，但在選擇不同瀝青標號時，一些關鍵施工工藝節(jié)點控制卻有不同，具體見表7。

表7 GB3與GB4關鍵施工工藝節(jié)點控制差異化對比

5 結(jié)論

(1) 在法國瀝青混合料設計理念中，針對GB材料給出了不同的材料等級和分類，每種等級均對應有不同的物理、力學指標要求，但是在相關規(guī)范中并沒有明確界定GB3、GB4材料的級配曲線設計范圍和不同的原材料技術要求。在具體GB材料等級的選擇及使用過程中，需要工程技術人員結(jié)合項目功能定位以及配合比設計和室內(nèi)試驗，驗證GB材料的力學特性，尤其是模量及疲勞特性，然后再選擇與之對應的等級進行路面結(jié)構(gòu)驗算，而不是以減薄路面結(jié)構(gòu)厚度，降低工程造價為出發(fā)點去選擇GB材料等級進行計算。

(2) 以多哥壹號國道項目(Davié-Tsévié段)為例，當采用GB4材料時，其經(jīng)濟性比較明顯，在非洲高等級公路建設中，可嘗試采用GB4。