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(yīng)用GTM法的體會(huì)

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(duì)路面重載交通量大、車轍病害嚴(yán)重的特點(diǎn),采用了GTM法進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì),有效提高了路面的抗車轍能力。在施工控制過程中,適當(dāng)提高了對(duì)路面集料的質(zhì)量技術(shù)要求,并嚴(yán)格施工工藝質(zhì)量控制,采用大噸位膠輪壓路機(jī)增加壓實(shí)功,保證了壓實(shí)密實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。大修竣工通車二年來,路面平整密實(shí),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(duì)一期南半幅進(jìn)行了大修,下半年對(duì)二期北半幅進(jìn)行了大修。大修工程路面設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(jù)一期南半幅的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和施工中發(fā)現(xiàn)的問題,結(jié)合工期緊張的現(xiàn)實(shí),進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)為局部挖補(bǔ)瀝青路面,然后再罩面補(bǔ)強(qiáng),路面局部挖補(bǔ)后,新加鋪罩面5 cm中粒式改性瀝青混凝土AC-16I的面層結(jié)構(gòu)。

針對(duì)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(yán)重的特點(diǎn)[1],B段大修工程全線采用美國旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切試驗(yàn)機(jī)(GTM)進(jìn)行瀝青路面混合料配合比設(shè)計(jì)與施工。大修竣工通車二年來,路面平整密實(shí),原來非常突出的瀝青路面車轍病害得到根治。

1 GTM設(shè)計(jì)方法

1.1 方法原理

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

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切試驗(yàn)機(jī)(GTM)采用一個(gè)圓柱型的鋼模裝上瀝青混合料,將鋼模置于夾盤中,開機(jī)后上部的滾球活塞和下部的千斤頂同時(shí)對(duì)試件施壓,可以說它是集壓實(shí)、剪切和模擬交通于一身的綜合性試驗(yàn)設(shè)備。GTM不但具有SHARP計(jì)劃中旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)揉壓的能力,同時(shí)還具有電腦分析自動(dòng)從上盤的旋轉(zhuǎn)角度來得出混合料抗剪強(qiáng)度。當(dāng)試件壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí),即可測(cè)出瀝青混合料的壓實(shí)穩(wěn)定值、抗剪安全系數(shù)及密度。材料的抗剪強(qiáng)度越大,傾斜角就越小。角度傳感器能夠通過繪制角曲線準(zhǔn)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(xù)壓實(shí),混合料就會(huì)出現(xiàn)塑性變形,角曲線上爬,同時(shí)抗剪強(qiáng)度下降。故當(dāng)壓實(shí)機(jī)達(dá)到每旋轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)、試件單位重量的變化小于等于0.016 g/cm3的狀態(tài)時(shí),混合料即被壓實(shí)到平衡狀態(tài)[3],應(yīng)停止壓實(shí)。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)

在GTM試驗(yàn)中,確定最佳用油量的三個(gè)指標(biāo)是:①試件壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)的密度;②應(yīng)變比。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)穩(wěn)定度GSI(即最終應(yīng)變與壓實(shí)過程中最小應(yīng)變之比,GSI應(yīng)小于等于1,對(duì)于不穩(wěn)定的混合料明顯大于1)是檢驗(yàn)瀝青混合料在被壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)塑性變形的一項(xiàng)指標(biāo);③抗剪安全系數(shù)GSF。GSF應(yīng)大于1。

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)的瀝青路面具有以下優(yōu)點(diǎn):

①抗車轍變形能力好。GTM試驗(yàn)中采用的垂直壓力,是重載輪胎對(duì)路面產(chǎn)生的最大壓力,并且在該垂直壓力作用下試件被壓實(shí)到平衡狀態(tài),因此設(shè)計(jì)出的瀝青路面不會(huì)出現(xiàn)因行車壓實(shí)造成的車轍破壞。同時(shí)GTM設(shè)計(jì)的瀝青路面滿足重載車作用下的抗剪強(qiáng)度,除密度增大摩阻力增強(qiáng)外,結(jié)構(gòu)瀝青比例增大,自由瀝青比例減少,抗剪強(qiáng)度也必然有所增強(qiáng)。因此,理論上瀝青路面也不會(huì)出現(xiàn)側(cè)向推移現(xiàn)象。GTM設(shè)計(jì)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(xiàn)場(chǎng)相關(guān)性強(qiáng)。GTM實(shí)驗(yàn)機(jī)模擬現(xiàn)場(chǎng)受力情況對(duì)試件進(jìn)行揉搓旋轉(zhuǎn)壓實(shí),更接近于瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)碾壓實(shí)際情況,并且完全利用力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)磉M(jìn)行配合比計(jì)算,其應(yīng)力—應(yīng)變特性在柔性路面結(jié)構(gòu)中具有很好的代表性。同時(shí),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(zhuǎn)壓實(shí)過程中可能出現(xiàn)的塑性過大的現(xiàn)象。

③泛油等病害少。經(jīng)過GTM實(shí)驗(yàn)機(jī)充分的揉搓旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后,瀝青膜厚度薄而均勻,油團(tuán)減少,在行車的作用下瀝青流動(dòng)的可能性及擁包、泛油現(xiàn)象大大減少。

現(xiàn)采用三維反求技術(shù)進(jìn)行建模并結(jié)合3D打印技術(shù)研制待修復(fù)復(fù)雜曲面，其原理如圖1所示。首先對(duì)待修復(fù)的復(fù)雜曲面通過數(shù)據(jù)采集運(yùn)算單元進(jìn)行高精度提取，其次通過優(yōu)化算法計(jì)算曲面邊緣不宜測(cè)量的數(shù)據(jù)，從而得到完整零件的原始曲面模型數(shù)據(jù)以及不規(guī)則的待修復(fù)曲面模型數(shù)據(jù)，最終將此提取表面輸入到3D打印機(jī)中，直接打印成型預(yù)修復(fù)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(jìn)行后處理，得到超精密曲面，最后通過粘結(jié)技術(shù)將該修復(fù)曲面粘結(jié)到缺損零件的缺損部位中。

④集料大小適用范圍寬。GTM實(shí)驗(yàn)機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)方法只有直徑101.6mm的一種試模,且ASTM規(guī)定試樣的直徑不小于最大集料粒徑的4倍。故對(duì)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(yàn)時(shí),只能采用替代法。GTM要比替代法更為準(zhǔn)確、客觀。

2 大修瀝青面層的配合比設(shè)計(jì)

2.1 表面層瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

改性瀝青采用SBS改性瀝青[4]。根據(jù)ASTMD3387—96規(guī)范,進(jìn)行不同油石比情況下的GTM試驗(yàn),最終確定油石比范圍3.5%～4.0%,最佳油石比3.8%,相應(yīng)密度2.508 g/cm3。對(duì)其進(jìn)行車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1。

由表1可知,表面層采用改性瀝青,動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)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(wěn)定性車轍試驗(yàn)記錄

2.2 中面層瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

改性瀝青采用SBS改性瀝青I—C型。根據(jù)ASTM D3387—96規(guī)范,進(jìn)行不同油石比情況下的GTM試驗(yàn),最終確定油石比范圍3.5%～3.9%,最佳油石比3.7%,相應(yīng)密度2.40 g/cm3。對(duì)其進(jìn)行車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 高溫穩(wěn)定性車轍試驗(yàn)記錄

由表2可知,中面層采用改性瀝青,動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)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(shè)計(jì)與改性瀝青對(duì)混凝土高溫性能的影響,這樣的設(shè)計(jì)確保了今后路面不會(huì)較早出現(xiàn)車轍擁包等變形類病害。

2.3 下面層瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

瀝青采用重交瀝青AH-90號(hào)。根據(jù)ASTMD3387—96規(guī)范,進(jìn)行不同油石比情況下的GTM試驗(yàn),最終確定油石比范圍3.5%～3.9%,最佳油石比3.7%,相應(yīng)密度2.505g/cm3。對(duì)其進(jìn)行車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 高溫穩(wěn)定性車轍試驗(yàn)記錄

試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)條件時(shí)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(dòng)穩(wěn)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(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了1659次。已有資料顯示采用馬歇爾設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的相同級(jí)配類型的混合料,一般動(dòng)穩(wěn)定度在800～1200之間,說明GTM設(shè)計(jì)法對(duì)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(dāng)提高對(duì)路面集料的質(zhì)量技術(shù)要求

對(duì)集料的針片狀含量、壓碎值、強(qiáng)度和含泥量等部分技術(shù)指標(biāo)提高要求,以適應(yīng)GTM法的技術(shù)特點(diǎn)要求。對(duì)GTM專用石料的加工生產(chǎn),必須由具有一定生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)許可證的石料廠生產(chǎn),或施工單位統(tǒng)一加工,其顆粒應(yīng)具有棱角,接近立方體。可采用石料整形進(jìn)行二次加工處理。石料應(yīng)潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)、表面粗糙,具有足夠的強(qiáng)度、耐磨耗性。

3.2 采用大噸位膠輪壓路機(jī)增加壓實(shí)功,保證壓實(shí)密實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求

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

(1)GTM設(shè)計(jì)的瀝青混合料路面碾壓,要求配置不低于6臺(tái)性能良好的壓路機(jī),其中應(yīng)有2臺(tái)大于30t的膠輪壓路機(jī)及2臺(tái)自重大于12t的雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)。

(2)GTM設(shè)計(jì)的瀝青混合料宜采用輪胎壓路機(jī)初壓。為防止出現(xiàn)粘輪現(xiàn)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(fā)熱后粘輪現(xiàn)象可以消除。

(3)混合料的碾壓工藝應(yīng)依據(jù)試驗(yàn)段試鋪確定。攤鋪后初壓的長度應(yīng)控制在30 m左右,并以此計(jì)算壓路機(jī)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(yīng)使用靜力雙輪壓路機(jī)或關(guān)掉振動(dòng)的振動(dòng)壓路機(jī)并緊跟在復(fù)壓后進(jìn)行。

(5)為了防止混合料粘輪,應(yīng)在鋼輪表面均勻?yàn)⑺?因此在施工前應(yīng)著重檢查壓路機(jī)的灑水裝置。灑水必須均勻,形成細(xì)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(jī)碾壓時(shí)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(qū)動(dòng)輪面對(duì)攤鋪機(jī)方向,防止混合料產(chǎn)生推移。壓路機(jī)的起動(dòng)、停止必須減速緩慢進(jìn)行。

(7)壓路機(jī)不得停留在尚未完全冷卻的路面上。

4 結(jié)論

采用GTM法設(shè)計(jì)瀝青混合料可顯著增加其車轍動(dòng)穩(wěn)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(shí),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(shù)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(shè),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(duì)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(yàn)規(guī)程[S].

[5] 張登良.瀝青路面工作手冊(cè)[M]北京:人民交通出版社,2004.

責(zé)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(shù)。