高速公路瀝青路面大修中應用GTM法的體會

龔清顯

(安徽省亳州市公路局,安徽亳州 236800)

高速公路瀝青路面大修中應用GTM法的體會

龔清顯

(安徽省亳州市公路局,安徽亳州 236800)

在某高速公路B段瀝青路面大修工程中,針對路面重載交通量大、車轍病害嚴重的特點,采用了GTM法進行瀝青路面設計,有效提高了路面的抗車轍能力。在施工控制過程中,適當提高了對路面集料的質量技術要求,并嚴格施工工藝質量控制,采用大噸位膠輪壓路機增加壓實功,保證了壓實密實度達到設計要求。大修竣工通車二年來,路面平整密實,瀝青路面車轍病害得到根治。

高速公路;路面工程;瀝青路面;抗車轍能力;大修工程

0 引言

某高速公路B段大修工程于2007年4月正式開始,上半年對一期南半幅進行了大修,下半年對二期北半幅進行了大修。大修工程路面設計為:一期工程南半幅全部翻修瀝青面層,新加鋪15 cm面層,面層結構采用三層式,即表面層4 cm中粒式改性瀝青混凝土AC-16I+中面層5 cm中粒式改性瀝青混凝土AC-201+下面層6 cm粗粒式普通瀝青混凝土AC-251;二期工程北半幅根據一期南半幅的設計經驗和施工中發現的問題,結合工期緊張的現實,進行了優化設計,設計為局部挖補瀝青路面,然后再罩面補強,路面局部挖補后,新加鋪罩面5 cm中粒式改性瀝青混凝土AC-16I的面層結構。

針對某高速公路路面重載交通量大(平均日混合交通量2萬輛,大車占75%左右)、車轍病害嚴重的特點[1],B段大修工程全線采用美國旋轉壓實剪切試驗機(GTM)進行瀝青路面混合料配合比設計與施工。大修竣工通車二年來,路面平整密實,原來非常突出的瀝青路面車轍病害得到根治。

1 GTM設計方法

1.1 方法原理

20世紀60年代美國為解決大型轟炸機跑道易破損問題,專門研制了旋轉壓實剪切試驗機(GTM)。GTM能最大程度地模擬汽車在公路上行駛時輪胎與路面作用的實際情況,利用充氣型滾輪,通過設定垂直壓力(壓應力),改變旋轉角度(剪應力),對材料施加周期性的圓周型壓力,使試件被旋轉壓實到平衡狀態,并以此來決定瀝青混凝土路面的設計密度和瀝青用量[2]。

1.2 試驗設備

旋轉壓實剪切試驗機(GTM)采用一個圓柱型的鋼模裝上瀝青混合料,將鋼模置于夾盤中,開機后上部的滾球活塞和下部的千斤頂同時對試件施壓,可以說它是集壓實、剪切和模擬交通于一身的綜合性試驗設備。GTM不但具有SHARP計劃中旋轉壓實機揉壓的能力,同時還具有電腦分析自動從上盤的旋轉角度來得出混合料抗剪強度。當試件壓實到平衡狀態時,即可測出瀝青混合料的壓實穩定值、抗剪安全系數及密度。材料的抗剪強度越大,傾斜角就越小。角度傳感器能夠通過繪制角曲線準確反映傾斜角的大小,一旦混合料的空隙被瀝青填滿,如果繼續壓實,混合料就會出現塑性變形,角曲線上爬,同時抗剪強度下降。故當壓實機達到每旋轉100轉、試件單位重量的變化小于等于0.016 g/cm3的狀態時,混合料即被壓實到平衡狀態[3],應停止壓實。

1.3 試驗指標

在GTM試驗中,確定最佳用油量的三個指標是:①試件壓實到平衡狀態時的密度;②應變比。旋轉壓實穩定度GSI(即最終應變與壓實過程中最小應變之比,GSI應小于等于1,對于不穩定的混合料明顯大于1)是檢驗瀝青混合料在被壓實到平衡狀態時是否會出現塑性變形的一項指標;③抗剪安全系數GSF。GSF應大于1。

1.4 技術特點

使用旋轉壓實剪切試驗機設計的瀝青路面具有以下優點:

①抗車轍變形能力好。GTM試驗中采用的垂直壓力,是重載輪胎對路面產生的最大壓力,并且在該垂直壓力作用下試件被壓實到平衡狀態,因此設計出的瀝青路面不會出現因行車壓實造成的車轍破壞。同時GTM設計的瀝青路面滿足重載車作用下的抗剪強度,除密度增大摩阻力增強外,結構瀝青比例增大,自由瀝青比例減少,抗剪強度也必然有所增強。因此,理論上瀝青路面也不會出現側向推移現象。GTM設計的瀝青路面最適合于車流量大、軸載重、車速慢及縱坡陡的路段。

②GTM與現場相關性強。GTM實驗機模擬現場受力情況對試件進行揉搓旋轉壓實,更接近于瀝青混合料現場碾壓實際情況,并且完全利用力學的應力應變原理進行配合比計算,其應力—應變特性在柔性路面結構中具有很好的代表性。同時,用GTM能夠直接反映出具有粘彈塑性的瀝青混合料在揉搓旋轉壓實過程中可能出現的塑性過大的現象。

③泛油等病害少。經過GTM實驗機充分的揉搓旋轉壓實后,瀝青膜厚度薄而均勻,油團減少,在行車的作用下瀝青流動的可能性及擁包、泛油現象大大減少。

現采用三維反求技術進行建模并結合3D打印技術研制待修復復雜曲面，其原理如圖1所示。首先對待修復的復雜曲面通過數據采集運算單元進行高精度提取，其次通過優化算法計算曲面邊緣不宜測量的數據，從而得到完整零件的原始曲面模型數據以及不規則的待修復曲面模型數據，最終將此提取表面輸入到3D打印機中，直接打印成型預修復零件的破損部位。然后通過精密拋光或光整加工將3D打印所取得的零件曲面進行后處理，得到超精密曲面，最后通過粘結技術將該修復曲面粘結到缺損零件的缺損部位中。

④集料大小適用范圍寬。GTM實驗機有直徑分別為101.6 mm、152.4 mm、203.2 mm的三套試模,而馬歇爾試驗設計方法只有直徑101.6mm的一種試模,且ASTM規定試樣的直徑不小于最大集料粒徑的4倍。故對于粒徑大于26.5 mm的粗粒式或大粒徑瀝青混合料,在沒有大型馬歇爾試驗時,只能采用替代法。GTM要比替代法更為準確、客觀。

2 大修瀝青面層的配合比設計

2.1 表面層瀝青混凝土配合比設計

改性瀝青采用SBS改性瀝青[4]。根據ASTMD3387—96規范,進行不同油石比情況下的GTM試驗,最終確定油石比范圍3.5%～4.0%,最佳油石比3.8%,相應密度2.508 g/cm3。對其進行車轍試驗,試驗結果如表1。

由表1可知,表面層采用改性瀝青,動穩定度達到了6448次以上,說明表面層瀝青混凝土充分提高了抗車轍能力。

表1 高溫穩定性車轍試驗記錄

2.2 中面層瀝青混凝土配合比設計

改性瀝青采用SBS改性瀝青I—C型。根據ASTM D3387—96規范,進行不同油石比情況下的GTM試驗,最終確定油石比范圍3.5%～3.9%,最佳油石比3.7%,相應密度2.40 g/cm3。對其進行車轍試驗,試驗結果如表2。

表2 高溫穩定性車轍試驗記錄

由表2可知,中面層采用改性瀝青,動穩定度達到了6830次以上,說明高速公路中面層混凝土充分提高了面層的抗車轍能力,也表明GTM設計與改性瀝青對混凝土高溫性能的影響,這樣的設計確保了今后路面不會較早出現車轍擁包等變形類病害。

2.3 下面層瀝青混凝土配合比設計

瀝青采用重交瀝青AH-90號。根據ASTMD3387—96規范,進行不同油石比情況下的GTM試驗,最終確定油石比范圍3.5%～3.9%,最佳油石比3.7%,相應密度2.505g/cm3。對其進行車轍試驗,試驗結果如表3。

表3 高溫穩定性車轍試驗記錄

試驗結果試驗條件時間(min)車轍深度(mm) 30 1.479 1.69 1.149油石比3.7 35 1.661 1.893 1.226試件密度(g/cm3) 2.40 40 1.813 2.056 1.375 45 1.989 2.256 1.6 50 2.098 2.397 1.738試件尺寸(cm) 30×30×5 55 2.231 2.557 1.806 60 2.356 2.678 1.957動穩定度(次/mm) 1717 1493 1767均值(次/mm) 1659,Cv=8.8%

由表3可知,下面層采用普通瀝青,但動穩定度達到了1659次。已有資料顯示采用馬歇爾設計法設計的相同級配類型的混合料,一般動穩定度在800～1200之間,說明GTM設計法對混合料的高溫性能有很好的提高。

3 GTM法瀝青混合料施工

3.1 適當提高對路面集料的質量技術要求

對集料的針片狀含量、壓碎值、強度和含泥量等部分技術指標提高要求,以適應GTM法的技術特點要求。對GTM專用石料的加工生產,必須由具有一定生產規模和生產許可證的石料廠生產,或施工單位統一加工,其顆粒應具有棱角,接近立方體。可采用石料整形進行二次加工處理。石料應潔凈、干燥、無風化、無雜質、表面粗糙,具有足夠的強度、耐磨耗性。

3.2 采用大噸位膠輪壓路機增加壓實功,保證壓實密實度達到設計標準要求

相對于傳統的馬歇爾法瀝青混合料,GTM瀝青混合料需要較高的壓實功。GTM瀝青混合料的碾壓成型施工工藝[5]要求如下:

(1)GTM設計的瀝青混合料路面碾壓,要求配置不低于6臺性能良好的壓路機,其中應有2臺大于30t的膠輪壓路機及2臺自重大于12t的雙鋼輪振動壓路機。

(2)GTM設計的瀝青混合料宜采用輪胎壓路機初壓。為防止出現粘輪現象,可以在輪胎上少量涂抹3:1的水與柴油混合物,待輪胎發熱后粘輪現象可以消除。

(3)混合料的碾壓工藝應依據試驗段試鋪確定。攤鋪后初壓的長度應控制在30 m左右,并以此計算壓路機速度。

(4)終壓終了溫度,改性瀝青混合料不得低于110℃,普通瀝青混合料不得低于90℃。終壓以消除輪跡為主,應使用靜力雙輪壓路機或關掉振動的振動壓路機并緊跟在復壓后進行。

(5)為了防止混合料粘輪,應在鋼輪表面均勻灑水,因此在施工前應著重檢查壓路機的灑水裝置。灑水必須均勻,形成細微水珠,防止過量灑水,引起混合料溫度的驟降。在瀝青混合料不粘輪的情況下可以采用間斷灑水。

(6)壓路機碾壓時相鄰碾壓帶重疊寬度,振碾不大于20 cm,靜碾不小于20 cm。要將驅動輪面對攤鋪機方向,防止混合料產生推移。壓路機的起動、停止必須減速緩慢進行。

(7)壓路機不得停留在尚未完全冷卻的路面上。

4 結論

采用GTM法設計瀝青混合料可顯著增加其車轍動穩定度,明顯提高其抗車轍能力。大修竣工通車二年來, GTM瀝青面層在重載交通、夏季高溫、冬季低溫條件作用下使用情況總體良好,路面平整密實,原來非常突出的車轍病害基本上得到根治。

[1] 河北省交通廳.GTM瀝青混合料施工技術指南[Z].石家莊:河北省交通廳,2006.

[2] 楊成明.瀝青路面裂縫的成因及處理措施探討[J].工程與建設,2009,23(1):104-105,135.

[3] 沈金安.高速公路瀝青路面早期損壞分析及防治對策[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4] J TJ 052—20001公路瀝青與瀝青混合料試驗規程[S].

[5] 張登良.瀝青路面工作手冊[M]北京:人民交通出版社,2004.

責任編輯:文 月

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龔清顯(19782),男,安徽亳州人,安徽省毫州市公路局工程師。研究方向:路橋工程技術。