田云海

(衡水公路工程总公司)

0 引 言

目前,我国公路沥青路面设计是以 BZZ-100的轴载为标准轴载,而且重交通道路沥青混合料马歇尔设计方法也是按照 0.7MPa压强进行配合比设计的。随着时代的发展,交通量的剧增,许多公路路面承受着压强已远远超过0.7MPa。为了适应此现实需要,要求我们寻找一种新的设计方法以解决路面的车辙、壅包等早期病害。美国工程兵施转压实剪切试验机进行沥于路面配合比设计是解决沥青路面早期破坏的好方法之一。

1 GTM设计沥青混凝土

美国工程兵旋转压实剪切试验机(GYRATO-RYTESTINGMACHINE,简称 GTM)作为一种理论研究和工程实际应用的工具,是由美国工程兵为解决重载沥青路面和柔性基层研究发明的。

GTM是柔性路面在荷载作用下的机械模拟。该试验机采用类似于施工中压路机作用的搓揉方法压实沥青混合料,最大限度的模拟汽车在公路上行驶时轮胎与路面的相互作用,通过旋转压实,使试模中沥青混合料密度达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的密实度,即通过对试件施加垂直压力,该压力通过测试汽车轮胎对路面的实际压强确定,试件在该压力作用下,被旋转压实到平衡状态(所谓平衡状态,是指每旋转 100次试件密度变化率为 0.016g/cm3)。GTM在确定是佳沥青用量时,根据不同用油量的试验结果,画出用油量与试验结果的关系曲线,来决定沥青混合料的设计密度及最佳沥青用量。

GTM确定最佳沥青用量有三个指标。

(1)应变化 GSI(GYRATORYSTABILITYINDEX):检验沥青混合料在被压实到平衡状态是否会出现塑性变形。它是指沥青混合料在压实到平衡状态时是否失去弹性,是对沥青混合料稳定性的量度,与沥青混合料的永久变形有关:该指标由最终旋转角除以中间最小旋转角确定,对于不稳定的混合料,由于沥青混合料的塑性流动,旋转角在压实过程中增大,对于稳定的混合料不会有多大的增加。压实稳定值接近 1.0时一般表现为稳定的混合料,而该值超过 1.1时很多时候表现为不稳定的混合料,GSI＜1.05较合适。

(2)抗剪安全系数GSF(GYRATORYSHEARFACTOR):检测沥青混合料被压实平衡状态时抗剪强度是否达到沥青路面所需的剪应力。它是指沥青混合料被压实到平衡状态时的抗剪强度与行车荷载作用下随发的剪应力的比值,应大于 1。

(3)密度:GTM设计沥青混合料时可以通过控制旋转次数、控制试件的高度或者使混合料压实到平衡状态来达到一定的密度。通过美国工程兵团的试验研究,认为当混合料压实到平衡状态时,与实际路面在设计荷载的作用下的最终密度相当。

GTM设计沥青混凝土的设计步骤以下。

(1)设计沥青混凝土的密度。即选择五个沥青用量在要求的温度下旋转成型至平衡状态,测得试件的密度。

(2)根据上一步测得的密度按实际路面要求的压实度成型试件,再放置至室温,然后在 60℃条件下养护 6h以上,然后再压实到平衡状态测定试件的应变比和抗剪强度。

GTM设计沥青混凝土较传统马歇尔试验方法设计沥青混凝土的优越性有以下几点。

(1)GTM试验采用科学推理的方法,采用应力应变原理进行设计,并且采用试验时在一定的压力下对试件揉搓旋转成型,使其对试件的作用和汽车轮胎与路面的作用力十分相似,并且在旋转成型过程中减少骨料的破碎。

(2)GTM拥有型号为 10.5cm×15.2cm、15.2cm×25.4cm、20.3cm×30.5cm的三种试模,在进行沥青混凝土配合比设计时,可根据沥青混凝土的类型选择试模。尤其对于粒径大于 26.5cm的粗粒式沥青混凝土更显出其优越性。

(3)GTM与公路实际情况联系更紧密。利用 GTM设计沥青混凝土时,充分考虑了公路行车荷载的实际情况,根据每条公路的情况设计沥青混凝土时选择不同的设计压强,因而设计的沥青混凝土更合理。

(4)因为用GTM试验确定的沥青混合料中自由沥青的数量少,因此减少车辙、壅包等病害产生,而且它的水稳性能、低温抗裂性能都显著提高。

2 工程实际应用

在 2002年正港线的施工中,我们与省厅科研所合作部分路面采用了 GTM设计的沥青混凝土,其余段落则采用传统马歇尔试验设计的沥青混凝土。下面将GTM设计的AC-16I与马歇尔设计的 AC-16I进行相关指标对比,见表 1、表 2。

表 1 GTM设计

表 2 马歇尔设计

比较 0.7MPa时通过 GTM得出的最佳油石比、密度与马歇尔试验结果可得前者用油量较后者低,而密度却比后者高,由此可以知道马歇尔试验仅靠垂直击打得出的标准密度,达不到路面实际压实 后的密度这就是按照现今规范做出的路面出现车辙等早期破坏的原因。

从动稳定度试验结果可看出,依据 GTM试验结果制作的试件的动稳定远远大于依据马歇尔试验结果制作的试件的动稳定度。从 60min的最终变形也可以发现,用 GTM试验结果制作的试件的变形值均低于据马歇尔试验结果制作的试件。这说明 GTM试验方法确定配合比的沥青混凝土抗车辙能力远远强于马歇尔试验确定的配合比。

表 3 动稳定度试验结果对比

通过首次对 GTM设计的沥青混凝土进行施工,结合有关专家的意见,总结了一些初步的经验。

GTM设计的沥青混凝土密度较高,用油量较马歇尔设计方法的要低,材料之间的内摩阻力较大,因此对于保证GTM设计的沥青混凝土的质量关键是压实。

(1)要用重型压路机进行碾压,并且采用强震,在碾压过程中紧跟摊铺机。在施工中要采用重型轮胎压路机进行初压,如果没有重型轮胎压路机,可以采用震动压路机进行初压,但是在初压时压路机开震。

(2)沥青混合料是通过高温情况下沥青的润滑进行碾压的,当沥青混凝土降低到一定温度不管采用什么样的压实机械,也管碾压多少遍都不会起到多大作用,因此在压实过程中,一定要保证高温压实,并且保证沥青混凝土的高温状态。

(3)轮胎压路机对于沥青混凝土尤其是 GTM设计的沥青混凝土的压实作用是非常重要的。GTM设计的沥青混凝土一般要求采用重型的轮胎压路机进行初压,一是考虑轮胎压路机在碾压过程中不需要撒水,保证了施工碾压温度;二是考虑轮胎压路机进行初压能形成一个揉搓的碾压状态,可达到较高的压实度;三是考虑利用轮胎压路机进行初压的沥青路面防渗水性能较好,这一点在工程实践中已经充分证实。

(4)沥青路面的施工,压路机手的素质是非常重要的。一些压路机手素质不高,在进行压实过程中忽快忽慢,并且不能保证要求的碾压速度,这严重影响了路面压实。

GTM设计的沥青混凝土,关键在于压实,通过加强对施工中细节问题的注意,规范碾压工艺,组织紧张有序的施工碾压,完全可以达到更高标准的压实质量。