天津海濱大道AC-20瀝青混合料GTM設(shè)計方法及施工工藝

天津海濱大道AC-20瀝青混合料GTM設(shè)計方法及施工工藝2009-03-19中國公路網(wǎng)李文深周衛(wèi)峰摘要：在詳細分析馬歇爾配合比設(shè)計方法不足的基礎(chǔ)上，提出采用能夠模擬現(xiàn)場碾壓工況并以力學(xué)參數(shù)為設(shè)計指標(biāo)的GTM設(shè)計方法進行瀝青混合料配合比設(shè)計，分析對比了GTM與馬歇爾方法設(shè)計結(jié)果，提出了與GTM方法相匹配的施工工藝。研究結(jié)果表明，與馬歇爾設(shè)計結(jié)果相比，GTM方法設(shè)計的瀝青混合料路用性能大幅度提高。實體工程表明，盡管GTM設(shè)計的混合料油石比較低、壓實度標(biāo)準(zhǔn)較高，但使用現(xiàn)有的施工設(shè)備，施做的路面壓實度完全可以達到較高標(biāo)準(zhǔn)，壓實度達到98％以上。關(guān)鍵詞：公路工程GTM路用性能瀝青混合料就瀝青混合料而言，瀝青路面早期損壞的主要原因可總結(jié)為瀝青用量過大、混合料密度偏低、壓實度低、現(xiàn)場空隙率大及級配不良等。施工管理水平參差不齊是產(chǎn)生這些問題的重要原因之一，但當(dāng)全國不同施工管理水平下鋪筑的瀝青路面頻繁出現(xiàn)諸如水損壞及車轍等早期破壞現(xiàn)象時，我們就不得不從根源上重新審視通用的瀝青混合料設(shè)計方法是否與這些破壞現(xiàn)象有關(guān)。事實證明，目前混合料設(shè)計方法確有很多方面需要改進。（1）室內(nèi)成型方式與現(xiàn)場碾壓方式不匹配眾所周知，室內(nèi)試驗要準(zhǔn)確、有效地預(yù)測與控制現(xiàn)場施工質(zhì)量，首先要求試件成型方式能夠最大限度地模擬施工工況，使室內(nèi)成果與現(xiàn)場實際應(yīng)用效果有可比性；其次要求各種性能評價指標(biāo)切實反映面層在其服務(wù)環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量。如今現(xiàn)場大量使用振動壓路機及輪胎壓路機，而室內(nèi)成型方式卻采用馬歇爾擊實方法，由此導(dǎo)致用馬歇爾方法優(yōu)化的配比（包括級配、油石比、密度等）在現(xiàn)場壓實條件下路用性能并不理想。（2）以體積參數(shù)為控制指標(biāo)難以實現(xiàn)設(shè)計意圖及協(xié)調(diào)各種矛盾對于連續(xù)密級配瀝青混合料，規(guī)范規(guī)定擊實功為雙面擊實75次，并主要以體積參數(shù)（空隙率、間隙率、飽和度等）作為控制指標(biāo)確定最佳瀝青用量。但一方面現(xiàn)行試驗規(guī)程規(guī)定的試驗方法難以使瀝青混合料體積參數(shù)計算結(jié)果精確（即使相對精確也不可能），另一方面，大量的研究表明，體積參數(shù)與混合料路用性能之間不存在廣泛的相關(guān)性（1），也就是說，滿足了馬歇爾體積參數(shù)的瀝青混合料未必有好的路用性能。（3）壓實標(biāo)準(zhǔn)偏低壓實度達到較高標(biāo)準(zhǔn)對瀝青混合料高溫抗車轍能力、抗水破壞能力及抗疲勞能力均有顯著改善（2）。由于馬歇爾擊實成型方式與現(xiàn)場碾壓方式不匹配，造成混合料的密度較低。用它控制施工往往造成路面的密度偏小，空隙率過高，由此導(dǎo)致的后果是混合料未被充分壓實，在交通荷載作用下很快產(chǎn)生由于抗剪強度小及追密而出現(xiàn)車轍。（4）規(guī)范規(guī)定的級配范圍太寬規(guī)范規(guī)定的混合料級配范圍太寬。此范圍內(nèi)，不同級配的混合料力學(xué)性能有很大差異，且現(xiàn)行規(guī)范中瀝青混合料配合比設(shè)計方法對于礦料級配設(shè)計缺少有針對性的級配優(yōu)化，也是發(fā)生早期車轍損壞的原因之一。如上所述，瀝青混合料出現(xiàn)早期破壞現(xiàn)象與室內(nèi)成型方式及設(shè)計指標(biāo)的不合理、壓實度標(biāo)準(zhǔn)偏低、級配不良等有密切關(guān)系。因此為防止早期破壞，進一步提高混合料路用性能，現(xiàn)實的措施是在合理的級配范圍內(nèi)，適當(dāng)降低瀝青用量、提高壓實度標(biāo)準(zhǔn)。但最佳級配范圍如何確定，瀝青用量降低多少，壓實度標(biāo)準(zhǔn)提高到什么程度，卻需要以科學(xué)的方法去開發(fā)能夠模擬現(xiàn)場壓實工況的室內(nèi)試件成型方式并提出切實可行的施工控制標(biāo)準(zhǔn)。針對以上問題，根據(jù)天津市市政工程研究院研究成果（3），天津海濱大道采用能夠模擬現(xiàn)場碾壓工況的、以力學(xué)參數(shù)作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的GTM方法進行瀝青混合料配合比設(shè)計，科學(xué)地解決了以上問題，并在施工中總結(jié)了與GTM方法相匹配的施工工藝，取得了良好的使用效果。GTM（GyratoryTestingMachine）采用了和應(yīng)力有關(guān)的推理方法進行混合料的力學(xué)分析和設(shè)計，克服了馬歇爾方法以體積參數(shù)作為設(shè)計指標(biāo)的不足。GTM一個重要的特性是能夠直接反映出顆粒狀塑性材料中可能出現(xiàn)的塑性變形過大的現(xiàn)象，依據(jù)這一原理預(yù)測在設(shè)定的垂直應(yīng)力下所設(shè)計的瀝青混合料的最大允許瀝青含量。GTM成型試驗在于模擬路面行車荷載作用下瀝青混合料的最終壓實狀態(tài)即平衡狀態(tài)，并測試分析試樣在被壓實到平衡狀態(tài)過程中剪切強度SG和最終塑性形變大小，以判斷混合料組成是否合理。壓實試件的最終塑性形變大小用旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定系數(shù)GSI（GyratoryStabilityIndex）表示，是表征試件受剪應(yīng)力作用的變形穩(wěn)定程度的參數(shù)。試驗中變化瀝青用量分別進行GTM壓實試驗，然后繪制GSI與瀝青用量的關(guān)系曲線，以確定混合料的最大瀝青用量。另外GTM還可提供試件的最大密度--試件處于平衡狀態(tài)時的密度，安全系數(shù)GSF--抗剪強度與最大剪應(yīng)力之比值，靜態(tài)剪切模量，抗壓模量等。GTM方法設(shè)計步驟如下：（1）確定GTM旋轉(zhuǎn)參數(shù)。根據(jù)研究成果，GTM旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)角選用標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)角，最終狀態(tài)為平衡狀態(tài)。設(shè)計時可根據(jù)預(yù)測交通荷載的大小選擇垂直壓力，一般選取垂直壓力為0.7MPa。（2）原材料選擇。原材料質(zhì)量必須符合JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。（3）實測集料有效相對密度。（4）初擬設(shè)計級配及工程級配范圍。根據(jù)原材料篩分結(jié)果進行級配配合，以優(yōu)化級配范圍中值作為初擬級配目標(biāo)。（5）設(shè)計級配及工程級配范圍的確定。根據(jù)最大公稱粒徑不同按照研究成果確定粗細集料控制篩孔，將合成級配分為粗集料部分及細集料部分（細集料不包括0.075mm以下部分），試驗確定粗集料松裝密度及細集料插搗密度。計算粗細集料的選擇密度，根據(jù)實測集料毛體積相對密度、有效相對密度按照填充理論計算粗細集料比例，并作為最終設(shè)計結(jié)果。由于粗細集料比例與初擬級配可能有所不同，有可能導(dǎo)致級配控制參數(shù)改變，因此重新微調(diào)原材料比例，使最終設(shè)計級配各參數(shù)滿足要求。最后根據(jù)建議偏差范圍，以設(shè)計級配為中值確定工程設(shè)計級配范圍。（6）試驗溫度。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求確定試驗溫度。（7）旋轉(zhuǎn)試驗及最大油石比的確定。根據(jù)經(jīng)驗初選3～5組油石比，間隔0.3％～0.4％，進行旋轉(zhuǎn)試驗，成型GTM旋轉(zhuǎn)試件，并在旋轉(zhuǎn)過程中采集瀝青混合料力學(xué)參數(shù)，根據(jù)GSI變化規(guī)律，以GSI突變點對應(yīng)的油石比作為設(shè)計最大油石比，同時應(yīng)確保GSF大于1。（8）根據(jù)測定GTM旋轉(zhuǎn)試件毛體積相對密度及實測集料有效相對密度計算理論最大相對密度并據(jù)此計算空隙率、飽和度、礦料間隙率等體積參數(shù)。以海濱大道AC-20型瀝青混合料為研究對象，詳細介紹GTM設(shè)計方法、施工工藝及工程質(zhì)量。瀝青采用I-D級SBS改性瀝青，檢測結(jié)果表明所用瀝青滿足JTGF40-2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的技術(shù)要求。集料為石灰?guī)r粗、細集料及石灰?guī)r礦粉，試驗結(jié)果表明，集料各項指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》關(guān)于高速公路及一級公路瀝青混合料用集料的質(zhì)量技術(shù)要求。根據(jù)天津市市政工程研究院研究成果），針對工程用集料級配組成，提出的工程級配范圍見圖1。與規(guī)范級配范圍相比具有如下特點：⑴設(shè)計級配范圍大幅度減小，使得瀝青混合料級配在較窄的級配范圍內(nèi)波動，從而保證級配的變化對瀝青混合料性能不產(chǎn)生大的影響。（2）4.75mm通過率降低，粗集料含量適當(dāng)增加，本次設(shè)計級配處于規(guī)范規(guī)定的粗型密級配范圍內(nèi)，因而使設(shè)計的混合料能形成骨架密實結(jié)構(gòu)混合料。⑵19mm～4.75mm集料所占比例較大，粗集料自身組成合理，可避免現(xiàn)場攤鋪及碾壓時產(chǎn)生離析。⑶細集料相對較粗，即細集料用量較少，可避免細集料自身組成不良帶來的負面影響。采用GTM方法設(shè)計AC-20型瀝青混合料。試件成型條件為：垂直壓力0.8MPa；拌和溫度160℃；成型溫度140℃～145℃；控制方式為極限平衡狀態(tài)。選擇油石比3.7%、4.0%、4.3%、4.6%，，成型GTM試件。按表干法測定試件毛體積相對密度，根據(jù)瀝青浸漬法實測合成級配礦料混合料的有效相對密度（見表1）并計算瀝青混合料最大理論相對密度。GTM試件體積參數(shù)及馬歇爾試驗結(jié)果見表2，GTM試驗結(jié)果見表3。GMT方法與馬歇爾方法設(shè)計的瀝青混合料路用性能對比結(jié)果見表5。由表5，雖然GMT方法設(shè)計的瀝青混合料體積參數(shù)不滿足規(guī)范要求，但其路用性能卻優(yōu)于滿足規(guī)范體積參數(shù)要求的馬歇爾方法設(shè)計的瀝青混合料，說明現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的體積參數(shù)指標(biāo)并未涵蓋所有路用性能最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，即游離于規(guī)范規(guī)定的體積指標(biāo)之外的瀝青混合料可能具有更為優(yōu)良的路用性能。由設(shè)計結(jié)果及路用性能驗證結(jié)果可以看出，GTM方法以旋轉(zhuǎn)壓實方式及平衡狀態(tài)為結(jié)束條件成型試件，以瀝青混合料力學(xué)參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計最佳油石比，其成型方式及設(shè)計指標(biāo)科學(xué)、合理。與馬歇爾方法相比，設(shè)計的瀝青混合料增大了密度，減少了瀝青用量，使得現(xiàn)場壓實度適當(dāng)提高，級配范圍較窄，如此以來，為解決我國高速公路早期破壞提供了可行的設(shè)計方法。但其設(shè)計結(jié)果能否在施工中實現(xiàn)則需驗證。由于GTM方法設(shè)計的瀝青混合料密度較大，為保證達到較高的壓實度，提出與GTM方法相匹配的碾壓工藝：攤鋪機攤鋪速度2～3m/min，取消初壓，直接進入復(fù)壓階段，兩臺雙鋼輪壓路機各占半幅緊跟攤鋪機碾壓，初次前進碾壓為靜壓，后均采用高頻低幅強震，兩臺30噸以上的輪胎壓路機緊跟（距離小于4m）雙鋼輪壓路機同步碾壓，即鋼輪壓路機與輪胎壓路機同時前進及后退，共碾壓8遍（鋼輪4遍、輪胎壓路機4遍）。兩臺DD110壓路機終壓，以消除輪跡及調(diào)整平整度。提出的碾壓方式有如下優(yōu)點：（1）大幅度提高了碾壓效率，總的碾壓時間僅為通常碾壓工藝的一半，因此能夠保證混合料在高溫下得到有效壓實（數(shù)據(jù)顯示復(fù)壓可在140℃以上完成），提高了壓實度。（2）對壓路機可進行有效的管理，防止出現(xiàn)漏壓現(xiàn)象，碾壓遍數(shù)易于控制，碾壓段落清晰，工藝流暢。（3）由于在高溫下進行碾壓，避開了瀝青混合料碾壓敏感區(qū)（95℃～110℃），避免了推移現(xiàn)象的發(fā)生。圖2為中面層施工中不同日期的抽提篩分結(jié)果。試驗過程中為保證取樣的代表性及合理性，均于攤鋪機后取混合料進行抽提篩分試驗。試驗結(jié)果表明，雖然GTM設(shè)計優(yōu)化級配范圍較窄，但以現(xiàn)有的拌和、攤鋪設(shè)備，完全能夠達到GTM設(shè)計的級配范圍要求。中面層油石比控制準(zhǔn)確，不同日期的抽提結(jié)果統(tǒng)計分析表明，油石比平均為4.07％，滿足4.0%±0.1％的要求。圖2海濱大道中面層AC-20級配檢測圖按照設(shè)計級配施工的瀝青路面比較粗糙且均勻，正常施工路段未出現(xiàn)明顯的離析現(xiàn)象。中面層施工壓實度統(tǒng)計結(jié)果見表6，統(tǒng)計結(jié)果表明，以現(xiàn)有的碾壓設(shè)備，完全能夠?qū)TM方法設(shè)計的瀝青混合料壓實到較高的水平，以海濱大道壓實效果為佐證，可將中面層壓實標(biāo)準(zhǔn)確定為GTM密度的98％以上。表6中面層壓實效果統(tǒng)計分析結(jié)果HYPERLINK"/retype/zoom/fe036f9d7cd184254b3535a2?pn=9&x=0&y=160&raww=409&rawh=129&o=png_6_0_0_216_359_460_145_892.979_1262.879&type=pic&aimh=129&md5sum=1fb40c152f61