天津海濱大道AC-20瀝青混合料GTM設(shè)計(jì)方法及施工工藝

天津海濱大道AC-20瀝青混合料GTM設(shè)計(jì)方法及施工工藝2009-03-19中國(guó)公路網(wǎng)李文深周衛(wèi)峰摘要：在詳細(xì)分析馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法不足的基礎(chǔ)上，提出采用能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)碾壓工況并以力學(xué)參數(shù)為設(shè)計(jì)指標(biāo)的GTM設(shè)計(jì)方法進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，分析對(duì)比了GTM與馬歇爾方法設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)果相比，GTM方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料路用性能大幅度提高。實(shí)體工程表明，盡管GTM設(shè)計(jì)的混合料油石比較低、壓實(shí)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(shí)度完全可以達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)，壓實(shí)度達(dá)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(shí)度低、現(xiàn)場(chǎng)空隙率大及級(jí)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(guó)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(shí)，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(jì)方法是否與這些破壞現(xiàn)象有關(guān)。事實(shí)證明，目前混合料設(shè)計(jì)方法確有很多方面需要改進(jìn)。（1）室內(nèi)成型方式與現(xiàn)場(chǎng)碾壓方式不匹配眾所周知，室內(nèi)試驗(yàn)要準(zhǔn)確、有效地預(yù)測(cè)與控制現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果有可比性；其次要求各種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)切實(shí)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(chǎng)大量使用振動(dòng)壓路機(jī)及輪胎壓路機(jī)，而室內(nèi)成型方式卻采用馬歇爾擊實(shí)方法，由此導(dǎo)致用馬歇爾方法優(yōu)化的配比（包括級(jí)配、油石比、密度等）在現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖及協(xié)調(diào)各種矛盾對(duì)于連續(xù)密級(jí)配瀝青混合料，規(guī)范規(guī)定擊實(shí)功為雙面擊實(shí)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(yàn)規(guī)程規(guī)定的試驗(yàn)方法難以使瀝青混合料體積參數(shù)計(jì)算結(jié)果精確（即使相對(duì)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(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏低壓實(shí)度達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(shí)成型方式與現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，在交通荷載作用下很快產(chǎn)生由于抗剪強(qiáng)度小及追密而出現(xiàn)車轍。（4）規(guī)范規(guī)定的級(jí)配范圍太寬規(guī)范規(guī)定的混合料級(jí)配范圍太寬。此范圍內(nèi)，不同級(jí)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(jì)方法對(duì)于礦料級(jí)配設(shè)計(jì)缺少有針對(duì)性的級(jí)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(jì)指標(biāo)的不合理、壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)偏低、級(jí)配不良等有密切關(guān)系。因此為防止早期破壞，進(jìn)一步提高混合料路用性能，現(xiàn)實(shí)的措施是在合理的級(jí)配范圍內(nèi)，適當(dāng)降低瀝青用量、提高壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)。但最佳級(jí)配范圍如何確定，瀝青用量降低多少，壓實(shí)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(chǎng)壓實(shí)工況的室內(nèi)試件成型方式并提出切實(shí)可行的施工控制標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)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(chǎng)碾壓工況的、以力學(xué)參數(shù)作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的GTM方法進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，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(jìn)行混合料的力學(xué)分析和設(shè)計(jì)，克服了馬歇爾方法以體積參數(shù)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的不足。GTM一個(gè)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(cè)在設(shè)定的垂直應(yīng)力下所設(shè)計(jì)的瀝青混合料的最大允許瀝青含量。GTM成型試驗(yàn)在于模擬路面行車荷載作用下瀝青混合料的最終壓實(shí)狀態(tài)即平衡狀態(tài)，并測(cè)試分析試樣在被壓實(shí)到平衡狀態(tài)過程中剪切強(qiáng)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(shí)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(yàn)中變化瀝青用量分別進(jìn)行GTM壓實(shí)試驗(yàn)，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(shí)的密度，安全系數(shù)GSF--抗剪強(qiáng)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(jì)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(jì)時(shí)可根據(jù)預(yù)測(cè)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(shí)測(cè)集料有效相對(duì)密度。（4）初擬設(shè)計(jì)級(jí)配及工程級(jí)配范圍。根據(jù)原材料篩分結(jié)果進(jìn)行級(jí)配配合，以優(yōu)化級(jí)配范圍中值作為初擬級(jí)配目標(biāo)。（5）設(shè)計(jì)級(jí)配及工程級(jí)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(xì)集料控制篩孔，將合成級(jí)配分為粗集料部分及細(xì)集料部分（細(xì)集料不包括0.075mm以下部分），試驗(yàn)確定粗集料松裝密度及細(xì)集料插搗密度。計(jì)算粗細(xì)集料的選擇密度，根據(jù)實(shí)測(cè)集料毛體積相對(duì)密度、有效相對(duì)密度按照填充理論計(jì)算粗細(xì)集料比例，并作為最終設(shè)計(jì)結(jié)果。由于粗細(xì)集料比例與初擬級(jí)配可能有所不同，有可能導(dǎo)致級(jí)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(jì)級(jí)配各參數(shù)滿足要求。最后根據(jù)建議偏差范圍，以設(shè)計(jì)級(jí)配為中值確定工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍。（6）試驗(yàn)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(yàn)溫度。（7）旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)及最大油石比的確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選3～5組油石比，間隔0.3％～0.4％，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，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(diǎn)對(duì)應(yīng)的油石比作為設(shè)計(jì)最大油石比，同時(shí)應(yīng)確保GSF大于1。（8）根據(jù)測(cè)定GTM旋轉(zhuǎn)試件毛體積相對(duì)密度及實(shí)測(cè)集料有效相對(duì)密度計(jì)算理論最大相對(duì)密度并據(jù)此計(jì)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(duì)象，詳細(xì)介紹GTM設(shè)計(jì)方法、施工工藝及工程質(zhì)量。瀝青采用I-D級(jí)SBS改性瀝青，檢測(cè)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(xì)集料及石灰?guī)r礦粉，試驗(yàn)結(jié)果表明，集料各項(xiàng)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(jí)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(duì)工程用集料級(jí)配組成，提出的工程級(jí)配范圍見圖1。與規(guī)范級(jí)配范圍相比具有如下特點(diǎn)：⑴設(shè)計(jì)級(jí)配范圍大幅度減小，使得瀝青混合料級(jí)配在較窄的級(jí)配范圍內(nèi)波動(dòng)，從而保證級(jí)配的變化對(duì)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(jì)級(jí)配處于規(guī)范規(guī)定的粗型密級(jí)配范圍內(nèi)，因而使設(shè)計(jì)的混合料能形成骨架密實(shí)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(chǎng)攤鋪及碾壓時(shí)產(chǎn)生離析。⑶細(xì)集料相對(duì)較粗，即細(xì)集料用量較少，可避免細(xì)集料自身組成不良帶來的負(fù)面影響。采用GTM方法設(shè)計(jì)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(cè)定試件毛體積相對(duì)密度，根據(jù)瀝青浸漬法實(shí)測(cè)合成級(jí)配礦料混合料的有效相對(duì)密度（見表1）并計(jì)算瀝青混合料最大理論相對(duì)密度。GTM試件體積參數(shù)及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表2，GTM試驗(yàn)結(jié)果見表3。GMT方法與馬歇爾方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料路用性能對(duì)比結(jié)果見表5。由表5，雖然GMT方法設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)結(jié)果及路用性能驗(yàn)證結(jié)果可以看出，GTM方法以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)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(jì)最佳油石比，其成型方式及設(shè)計(jì)指標(biāo)科學(xué)、合理。與馬歇爾方法相比，設(shè)計(jì)的瀝青混合料增大了密度，減少了瀝青用量，使得現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度適當(dāng)提高，級(jí)配范圍較窄，如此以來，為解決我國(guó)高速公路早期破壞提供了可行的設(shè)計(jì)方法。但其設(shè)計(jì)結(jié)果能否在施工中實(shí)現(xiàn)則需驗(yàn)證。由于GTM方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料密度較大，為保證達(dá)到較高的壓實(shí)度，提出與GTM方法相匹配的碾壓工藝：攤鋪機(jī)攤鋪速度2～3m/min，取消初壓，直接進(jìn)入復(fù)壓階段，兩臺(tái)雙鋼輪壓路機(jī)各占半幅緊跟攤鋪機(jī)碾壓，初次前進(jìn)碾壓為靜壓，后均采用高頻低幅強(qiáng)震，兩臺(tái)30噸以上的輪胎壓路機(jī)緊跟（距離小于4m）雙鋼輪壓路機(jī)同步碾壓，即鋼輪壓路機(jī)與輪胎壓路機(jī)同時(shí)前進(jìn)及后退，共碾壓8遍（鋼輪4遍、輪胎壓路機(jī)4遍）。兩臺(tái)DD110壓路機(jī)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(diǎn)：（1）大幅度提高了碾壓效率，總的碾壓時(shí)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(shí)（數(shù)據(jù)顯示復(fù)壓可在140℃以上完成），提高了壓實(shí)度。（2）對(duì)壓路機(jī)可進(jìn)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(jìn)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(yàn)過程中為保證取樣的代表性及合理性，均于攤鋪機(jī)后取混合料進(jìn)行抽提篩分試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然GTM設(shè)計(jì)優(yōu)化級(jí)配范圍較窄，但以現(xiàn)有的拌和、攤鋪設(shè)備，完全能夠達(dá)到GTM設(shè)計(jì)的級(jí)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(jì)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(jí)配檢測(cè)圖按照設(shè)計(jì)級(jí)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(shí)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6，統(tǒng)計(jì)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(jì)的瀝青混合料壓實(shí)到較高的水平，以海濱大道壓實(shí)效果為佐證，可將中面層壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)確定為GTM密度的98％以上。表6中面層壓實(shí)效果統(tǒng)計(jì)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