高速公路沥青路面大修中应用GTM法的体会

龚清显

(安徽省亳州市公路局,安徽亳州 236800)

高速公路沥青路面大修中应用GTM法的体会

龚清显

(安徽省亳州市公路局,安徽亳州 236800)

在某高速公路B段沥青路面大修工程中,针对路面重载交通量大、车辙病害严重的特点,采用了GTM法进行沥青路面设计,有效提高了路面的抗车辙能力。在施工控制过程中,适当提高了对路面集料的质量技术要求,并严格施工工艺质量控制,采用大吨位胶轮压路机增加压实功,保证了压实密实度达到设计要求。大修竣工通车二年来,路面平整密实,沥青路面车辙病害得到根治。

高速公路;路面工程;沥青路面;抗车辙能力;大修工程

0 引言

某高速公路B段大修工程于2007年4月正式开始,上半年对一期南半幅进行了大修,下半年对二期北半幅进行了大修。大修工程路面设计为:一期工程南半幅全部翻修沥青面层,新加铺15 cm面层,面层结构采用三层式,即表面层4 cm中粒式改性沥青混凝土AC-16I+中面层5 cm中粒式改性沥青混凝土AC-201+下面层6 cm粗粒式普通沥青混凝土AC-251;二期工程北半幅根据一期南半幅的设计经验和施工中发现的问题,结合工期紧张的现实,进行了优化设计,设计为局部挖补沥青路面,然后再罩面补强,路面局部挖补后,新加铺罩面5 cm中粒式改性沥青混凝土AC-16I的面层结构。

针对某高速公路路面重载交通量大(平均日混合交通量2万辆,大车占75%左右)、车辙病害严重的特点[1],B段大修工程全线采用美国旋转压实剪切试验机(GTM)进行沥青路面混合料配合比设计与施工。大修竣工通车二年来,路面平整密实,原来非常突出的沥青路面车辙病害得到根治。

1 GTM设计方法

1.1 方法原理

20世纪60年代美国为解决大型轰炸机跑道易破损问题,专门研制了旋转压实剪切试验机(GTM)。GTM能最大程度地模拟汽车在公路上行驶时轮胎与路面作用的实际情况,利用充气型滚轮,通过设定垂直压力(压应力),改变旋转角度(剪应力),对材料施加周期性的圆周型压力,使试件被旋转压实到平衡状态,并以此来决定沥青混凝土路面的设计密度和沥青用量[2]。

1.2 试验设备

旋转压实剪切试验机(GTM)采用一个圆柱型的钢模装上沥青混合料,将钢模置于夹盘中,开机后上部的滚球活塞和下部的千斤顶同时对试件施压,可以说它是集压实、剪切和模拟交通于一身的综合性试验设备。GTM不但具有SHARP计划中旋转压实机揉压的能力,同时还具有电脑分析自动从上盘的旋转角度来得出混合料抗剪强度。当试件压实到平衡状态时,即可测出沥青混合料的压实稳定值、抗剪安全系数及密度。材料的抗剪强度越大,倾斜角就越小。角度传感器能够通过绘制角曲线准确反映倾斜角的大小,一旦混合料的空隙被沥青填满,如果继续压实,混合料就会出现塑性变形,角曲线上爬,同时抗剪强度下降。故当压实机达到每旋转100转、试件单位重量的变化小于等于0.016 g/cm3的状态时,混合料即被压实到平衡状态[3],应停止压实。

1.3 试验指标

在GTM试验中,确定最佳用油量的三个指标是:①试件压实到平衡状态时的密度;②应变比。旋转压实稳定度GSI(即最终应变与压实过程中最小应变之比,GSI应小于等于1,对于不稳定的混合料明显大于1)是检验沥青混合料在被压实到平衡状态时是否会出现塑性变形的一项指标;③抗剪安全系数GSF。GSF应大于1。

1.4 技术特点

使用旋转压实剪切试验机设计的沥青路面具有以下优点:

①抗车辙变形能力好。GTM试验中采用的垂直压力,是重载轮胎对路面产生的最大压力,并且在该垂直压力作用下试件被压实到平衡状态,因此设计出的沥青路面不会出现因行车压实造成的车辙破坏。同时GTM设计的沥青路面满足重载车作用下的抗剪强度,除密度增大摩阻力增强外,结构沥青比例增大,自由沥青比例减少,抗剪强度也必然有所增强。因此,理论上沥青路面也不会出现侧向推移现象。GTM设计的沥青路面最适合于车流量大、轴载重、车速慢及纵坡陡的路段。

②GTM与现场相关性强。GTM实验机模拟现场受力情况对试件进行揉搓旋转压实,更接近于沥青混合料现场碾压实际情况,并且完全利用力学的应力应变原理进行配合比计算,其应力—应变特性在柔性路面结构中具有很好的代表性。同时,用GTM能够直接反映出具有粘弹塑性的沥青混合料在揉搓旋转压实过程中可能出现的塑性过大的现象。

③泛油等病害少。经过GTM实验机充分的揉搓旋转压实后,沥青膜厚度薄而均匀,油团减少,在行车的作用下沥青流动的可能性及拥包、泛油现象大大减少。

现采用三维反求技术进行建模并结合3D打印技术研制待修复复杂曲面，其原理如图1所示。首先对待修复的复杂曲面通过数据采集运算单元进行高精度提取，其次通过优化算法计算曲面边缘不宜测量的数据，从而得到完整零件的原始曲面模型数据以及不规则的待修复曲面模型数据，最终将此提取表面输入到3D打印机中，直接打印成型预修复零件的破损部位。然后通过精密抛光或光整加工将3D打印所取得的零件曲面进行后处理，得到超精密曲面，最后通过粘结技术将该修复曲面粘结到缺损零件的缺损部位中。

④集料大小适用范围宽。GTM实验机有直径分别为101.6 mm、152.4 mm、203.2 mm的三套试模,而马歇尔试验设计方法只有直径101.6mm的一种试模,且ASTM规定试样的直径不小于最大集料粒径的4倍。故对于粒径大于26.5 mm的粗粒式或大粒径沥青混合料,在没有大型马歇尔试验时,只能采用替代法。GTM要比替代法更为准确、客观。

2 大修沥青面层的配合比设计

2.1 表面层沥青混凝土配合比设计

改性沥青采用SBS改性沥青[4]。根据ASTMD3387—96规范,进行不同油石比情况下的GTM试验,最终确定油石比范围3.5%～4.0%,最佳油石比3.8%,相应密度2.508 g/cm3。对其进行车辙试验,试验结果如表1。

由表1可知,表面层采用改性沥青,动稳定度达到了6448次以上,说明表面层沥青混凝土充分提高了抗车辙能力。

表1 高温稳定性车辙试验记录

2.2 中面层沥青混凝土配合比设计

改性沥青采用SBS改性沥青I—C型。根据ASTM D3387—96规范,进行不同油石比情况下的GTM试验,最终确定油石比范围3.5%～3.9%,最佳油石比3.7%,相应密度2.40 g/cm3。对其进行车辙试验,试验结果如表2。

表2 高温稳定性车辙试验记录

由表2可知,中面层采用改性沥青,动稳定度达到了6830次以上,说明高速公路中面层混凝土充分提高了面层的抗车辙能力,也表明GTM设计与改性沥青对混凝土高温性能的影响,这样的设计确保了今后路面不会较早出现车辙拥包等变形类病害。

2.3 下面层沥青混凝土配合比设计

沥青采用重交沥青AH-90号。根据ASTMD3387—96规范,进行不同油石比情况下的GTM试验,最终确定油石比范围3.5%～3.9%,最佳油石比3.7%,相应密度2.505g/cm3。对其进行车辙试验,试验结果如表3。

表3 高温稳定性车辙试验记录

试验结果试验条件时间(min)车辙深度(mm) 30 1.479 1.69 1.149油石比3.7 35 1.661 1.893 1.226试件密度(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试件尺寸(cm) 30×30×5 55 2.231 2.557 1.806 60 2.356 2.678 1.957动稳定度(次/mm) 1717 1493 1767均值(次/mm) 1659,Cv=8.8%

由表3可知,下面层采用普通沥青,但动稳定度达到了1659次。已有资料显示采用马歇尔设计法设计的相同级配类型的混合料,一般动稳定度在800～1200之间,说明GTM设计法对混合料的高温性能有很好的提高。

3 GTM法沥青混合料施工

3.1 适当提高对路面集料的质量技术要求

对集料的针片状含量、压碎值、强度和含泥量等部分技术指标提高要求,以适应GTM法的技术特点要求。对GTM专用石料的加工生产,必须由具有一定生产规模和生产许可证的石料厂生产,或施工单位统一加工,其颗粒应具有棱角,接近立方体。可采用石料整形进行二次加工处理。石料应洁净、干燥、无风化、无杂质、表面粗糙,具有足够的强度、耐磨耗性。

3.2 采用大吨位胶轮压路机增加压实功,保证压实密实度达到设计标准要求

相对于传统的马歇尔法沥青混合料,GTM沥青混合料需要较高的压实功。GTM沥青混合料的碾压成型施工工艺[5]要求如下:

(1)GTM设计的沥青混合料路面碾压,要求配置不低于6台性能良好的压路机,其中应有2台大于30t的胶轮压路机及2台自重大于12t的双钢轮振动压路机。

(2)GTM设计的沥青混合料宜采用轮胎压路机初压。为防止出现粘轮现象,可以在轮胎上少量涂抹3:1的水与柴油混合物,待轮胎发热后粘轮现象可以消除。

(3)混合料的碾压工艺应依据试验段试铺确定。摊铺后初压的长度应控制在30 m左右,并以此计算压路机速度。

(4)终压终了温度,改性沥青混合料不得低于110℃,普通沥青混合料不得低于90℃。终压以消除轮迹为主,应使用静力双轮压路机或关掉振动的振动压路机并紧跟在复压后进行。

(5)为了防止混合料粘轮,应在钢轮表面均匀洒水,因此在施工前应着重检查压路机的洒水装置。洒水必须均匀,形成细微水珠,防止过量洒水,引起混合料温度的骤降。在沥青混合料不粘轮的情况下可以采用间断洒水。

(6)压路机碾压时相邻碾压带重叠宽度,振碾不大于20 cm,静碾不小于20 cm。要将驱动轮面对摊铺机方向,防止混合料产生推移。压路机的起动、停止必须减速缓慢进行。

(7)压路机不得停留在尚未完全冷却的路面上。

4 结论

采用GTM法设计沥青混合料可显著增加其车辙动稳定度,明显提高其抗车辙能力。大修竣工通车二年来, GTM沥青面层在重载交通、夏季高温、冬季低温条件作用下使用情况总体良好,路面平整密实,原来非常突出的车辙病害基本上得到根治。

[1] 河北省交通厅.GTM沥青混合料施工技术指南[Z].石家庄:河北省交通厅,2006.

[2] 杨成明.沥青路面裂缝的成因及处理措施探讨[J].工程与建设,2009,23(1):104-105,135.

[3] 沈金安.高速公路沥青路面早期损坏分析及防治对策[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4] J TJ 052—20001公路沥青与沥青混合料试验规程[S].

[5] 张登良.沥青路面工作手册[M]北京:人民交通出版社,2004.

责任编辑:文 月

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龚清显(19782),男,安徽亳州人,安徽省毫州市公路局工程师。研究方向:路桥工程技术。