天津海滨大道AC20沥青混合料GTM设计方法及施工工艺.docx

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天津海滨大道AC20沥青混合料GTM设计方法及施工工艺

天津海滨大道AC-20沥青混合料GTM设计方法及施工工艺

2009-03-19　　中国公路网　　李文深周卫峰　

摘要：

在详细分析马歇尔配合比设计方法不足的基础上，提出采用能够模拟现场碾压工况并以力学参数为设计指标的GTM设计方法进行沥青混合料配合比设计，分析对比了GTM与马歇尔方法设计结果，提出了与GTM方法相匹配的施工工艺。

研究结果表明，与马歇尔设计结果相比，GTM方法设计的沥青混合料路用性能大幅度提高。

实体工程表明，尽管GTM设计的混合料油石比较低、压实度标准较高，但使用现有的施工设备，施做的路面压实度完全可以达到较高标准，压实度达到98％以上。

　　关键词：

公路工程GTM路用性能沥青混合料

　　就沥青混合料而言，沥青路面早期损坏的主要原因可总结为沥青用量过大、混合料密度偏低、压实度低、现场空隙率大及级配不良等。

施工管理水平参差不齐是产生这些问题的重要原因之一，但当全国不同施工管理水平下铺筑的沥青路面频繁出现诸如水损坏及车辙等早期破坏现象时，我们就不得不从根源上重新审视通用的沥青混合料设计方法是否与这些破坏现象有关。

事实证明，目前混合料设计方法确有很多方面需要改进。

（1）室内成型方式与现场碾压方式不匹配

　　众所周知，室内试验要准确、有效地预测与控制现场施工质量，首先要求试件成型方式能够最大限度地模拟施工工况，使室内成果与现场实际应用效果有可比性；其次要求各种性能评价指标切实反映面层在其服务环境下的服务质量。

如今现场大量使用振动压路机及轮胎压路机，而室内成型方式却采用马歇尔击实方法，由此导致用马歇尔方法优化的配比（包括级配、油石比、密度等）在现场压实条件下路用性能并不理想。

（2）以体积参数为控制指标难以实现设计意图及协调各种矛盾

　　对于连续密级配沥青混合料，规范规定击实功为双面击实75次，并主要以体积参数（空隙率、间隙率、饱和度等）作为控制指标确定最佳沥青用量。

但一方面现行试验规程规定的试验方法难以使沥青混合料体积参数计算结果精确（即使相对精确也不可能），另一方面，大量的研究表明，体积参数与混合料路用性能之间不存在广泛的相关性

（1），也就是说，满足了马歇尔体积参数的沥青混合料未必有好的路用性能。

　　（3）压实标准偏低压实度达到较高标准对沥青混合料高温抗车辙能力、抗水破坏能力及抗疲劳能力均有显著改善

（2）。

由于马歇尔击实成型方式与现场碾压方式不匹配，造成混合料的密度较低。

用它控制施工往往造成路面的密度偏小，空隙率过高，由此导致的后果是混合料未被充分压实，在交通荷载作用下很快产生由于抗剪强度小及追密而出现车辙。

　　（4）规范规定的级配范围太宽

　　规范规定的混合料级配范围太宽。

此范围内，不同级配的混合料力学性能有很大差异，且现行规范中沥青混合料配合比设计方法对于矿料级配设计缺少有针对性的级配优化，也是发生早期车辙损坏的原因之一。

　　如上所述，沥青混合料出现早期破坏现象与室内成型方式及设计指标的不合理、压实度标准偏低、级配不良等有密切关系。

因此为防止早期破坏，进一步提高混合料路用性能，现实的措施是在合理的级配范围内，适当降低沥青用量、提高压实度标准。

但最佳级配范围如何确定，沥青用量降低多少，压实度标准提高到什么程度，却需要以科学的方法去开发能够模拟现场压实工况的室内试件成型方式并提出切实可行的施工控制标准。

　　针对以上问题，根据天津市市政工程研究院研究成果（3），天津海滨大道采用能够模拟现场碾压工况的、以力学参数作为设计标准的GTM方法进行沥青混合料配合比设计，科学地解决了以上问题，并在施工中总结了与GTM方法相匹配的施工工艺，取得了良好的使用效果。

　　1.GTM设计方法

　　GTM（GyratoryTestingMachine）采用了和应力有关的推理方法进行混合料的力学分析和设计，克服了马歇尔方法以体积参数作为设计指标的不足。

GTM一个重要的特性是能够直接反映出颗粒状塑性材料中可能出现的塑性变形过大的现象，依据这一原理预测在设定的垂直应力下所设计的沥青混合料的最大允许沥青含量。

GTM成型试验在于模拟路面行车荷载作用下沥青混合料的最终压实状态即平衡状态，并测试分析试样在被压实到平衡状态过程中剪切强度SG和最终塑性形变大小，以判断混合料组成是否合理。

压实试件的最终塑性形变大小用旋转稳定系数GSI（GyratoryStabilityIndex）表示，是表征试件受剪应力作用的变形稳定程度的参数。

试验中变化沥青用量分别进行GTM压实试验，然后绘制GSI与沥青用量的关系曲线，以确定混合料的最大沥青用量。

另外GTM还可提供试件的最大密度--试件处于平衡状态时的密度，安全系数GSF--抗剪强度与最大剪应力之比值，静态剪切模量，抗压模量等。

GTM方法设计步骤如下：

（1）确定GTM旋转参数。

根据研究成果，GTM旋转基准角选用标准基准角，最终状态为平衡状态。

设计时可根据预测交通荷载的大小选择垂直压力，一般选取垂直压力为0.7MPa。

（2）原材料选择。

原材料质量必须符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

　　（3）实测集料有效相对密度。

　　（4）初拟设计级配及工程级配范围。

根据原材料筛分结果进行级配配合，以优化级配范围中值作为初拟级配目标。

　　（5）设计级配及工程级配范围的确定。

根据最大公称粒径不同按照研究成果确定粗细集料控制筛孔，将合成级配分为粗集料部分及细集料部分（细集料不包括0.075mm以下部分），试验确定粗集料松装密度及细集料插捣密度。

计算粗细集料的选择密度，根据实测集料毛体积相对密度、有效相对密度按照填充理论计算粗细集料比例，并作为最终设计结果。

由于粗细集料比例与初拟级配可能有所不同，有可能导致级配控制参数改变，因此重新微调原材料比例，使最终设计级配各参数满足要求。

最后根据建议偏差范围，以设计级配为中值确定工程设计级配范围。

　　（6）试验温度。

按照《公路沥青路面施工技术规范》的要求确定试验温度。

　　（7）旋转试验及最大油石比的确定。

根据经验初选3～5组油石比，间隔0.3％～0.4％，进行旋转试验，成型GTM旋转试件，并在旋转过程中采集沥青混合料力学参数，根据GSI变化规律，以GSI突变点对应的油石比作为设计最大油石比，同时应确保GSF大于1。

　　（8）根据测定GTM旋转试件毛体积相对密度及实测集料有效相对密度计算理论最大相对密度并据此计算空隙率、饱和度、矿料间隙率等体积参数。

　　2.配合比设计实例

　　以海滨大道AC-20型沥青混合料为研究对象，详细介绍GTM设计方法、施工工艺及工程质量。

　　2.1原材料

　　沥青采用I-D级SBS改性沥青，检测结果表明所用沥青满足JTGF40-2004《沥青路面施工技术规范》规定的技术要求。

　　集料为石灰岩粗、细集料及石灰岩矿粉，试验结果表明，集料各项指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》关于高速公路及一级公路沥青混合料用集料的质量技术要求。

　　2.2级配设计

　　根据天津市市政工程研究院研究成果），针对工程用集料级配组成，提出的工程级配范围见图1。

与规范级配范围相比具有如下特点：

　　⑴设计级配范围大幅度减小，使得沥青混合料级配在较窄的级配范围内波动，从而保证级配的变化对沥青混合料性能不产生大的影响。

（2）4.75mm通过率降低，粗集料含量适当增加，本次设计级配处于规范规定的粗型密级配范围内，因而使设计的混合料能形成骨架密实结构混合料。

⑵19mm～4.75mm集料所占比例较大，粗集料自身组成合理，可避免现场摊铺及碾压时产生离析。

⑶细集料相对较粗，即细集料用量较少，可避免细集料自身组成不良带来的负面影响。

　　2.3配合比设计及结果

　　采用GTM方法设计AC-20型沥青混合料。

试件成型条件为：

垂直压力0.8MPa；拌和温度160℃；成型温度140℃～145℃；控制方式为极限平衡状态。

　　选择油石比3.7%、4.0%、4.3%、4.6%，，成型GTM试件。

按表干法测定试件毛体积相对密度，根据沥青浸渍法实测合成级配矿料混合料的有效相对密度（见表1）并计算沥青混合料最大理论相对密度。

GTM试件体积参数及马歇尔试验结果见表2，GTM试验结果见表3。

由表3，判定沥青混合料这种粒状塑性材料是否会出现塑性变形过大现象的指标GSI（稳定系数）随油石比的增加而增大，当油石比大于4.0%，GSI大幅度增大，曲线已呈急剧增加趋势，表明混合料中的沥青已过量，试件的塑性变形过大；从反映沥青混合料抗剪强度方面的参数GSF（安全系数）随油石比的变化情况来看，油石比等于4.0%时，GSF值最大，当油石比大于4.0%，随油石比的增加，GSF值减小。

综合考虑GTM试验结果并参考体积参数的大小及变化趋势，将AC-20型沥青混合料最佳油石比确定为4.0%。

由表3还可看出，最佳油石比4.0%下，GTM试件密度为马歇尔试件密度的1.02倍，即如以GTM试件密度的98％控制现场压实度，则现场压实度将达到马歇尔试件密度的100％以上，如此高的压实度现场是否能够达到则需在施工过程中加以验证。

2.4路用性能

　　GMT方法与马歇尔方法设计的沥青混合料路用性能对比结果见表5。

　　由表5，虽然GMT方法设计的沥青混合料体积参数不满足规范要求，但其路用性能却优于满足规范体积参数要求的马歇尔方法设计的沥青混合料，说明现行规范规定的体积参数指标并未涵盖所有路用性能最优的设计结果，即游离于规范规定的体积指标之外的沥青混合料可能具有更为优良的路用性能。

　　2.5设计总结

　　由设计结果及路用性能验证结果可以看出，GTM方法以旋转压实方式及平衡状态为结束条件成型试件，以沥青混合料力学参数作为标准设计最佳油石比，其成型方式及设计指标科学、合理。

与马歇尔方法相比，设计的沥青混合料增大了密度，减少了沥青用量，使得现场压实度适当提高，级配范围较窄，如此以来，为解决我国高速公路早期破坏提供了可行的设计方法。

但其设计结果能否在施工中实现则需验证。

　　3.与GTM方法相匹配的海滨大道施工工艺及施工质量

　　3.1碾压工艺

　　由于GTM方法设计的沥青混合料密度较大，为保证达到较高的压实度，提出与GTM方法相匹配的碾压工艺：

　　摊铺机摊铺速度2～3m/min，取消初压，直接进入复压阶段，两台双钢轮压路机各占半幅紧跟摊铺机碾压，初次前进碾压为静压，后均采用高频低幅强震，两台30吨以上的轮胎压路机紧跟（距离小于4m）双钢轮压路机同步碾压，即钢轮压路机与轮胎压路机同时前进及后退，共碾压8遍（钢轮4遍、轮胎压路机4遍）。

两台DD110压路机终压，以消除轮迹及调整平整度。

　　提出的碾压方式有如下优点：

（1）大幅度提高了碾压效率，总的碾压时间仅为通常碾压工艺的一半，因此能够保证混合料在高温下得到有效压实（数据显示复压可在140℃以上完成），提高了压实度。

（2）对压路机可进行有效的管理，防止出现漏压现象，碾压遍数易于控制，碾压段落清晰，工艺流畅。

（3）由于在高温下进行碾压，避开了沥青混合料碾压敏感区（95℃～110℃），避免了推移现象的发生。

　　3.2级配及油石比控制

　　图2为中面层施工中不同日期的抽提筛分结果。

试验过程中为保证取样的代表性及合理性，均于摊铺机后取混合料进行抽提筛分试验。

试验结果表明，虽然GTM设计优化级配范围较窄，但以现有的拌和、摊铺设备，完全能够达到GTM设计的级配范围要求。

中面层油石比控制准确，不同日期的抽提结果统计分析表明，油石比平均为4.07％，满足4.0%±0.1％的要求。

　　图2海滨大道中面层AC-20级配检测图

　　3.3中面层表观及压实度

　　按照设计级配施工的沥青路面比较粗糙且均匀，正常施工路段未出现明显的离析现象。

中面层施工压实度统计结果见表6，统计结果表明，以现有的碾压设备，完全能够将GTM方法设计的沥青混合料压实到较高的水平，以海滨大道压实效果为佐证，可将中面层压实标准确定为GTM密度的98％以上。

　　表6中面层压实效果统计分析结果

　　是十分理想的现场空隙率值，可确保沥青路面具有良好的路用性能。

　　3.4中面层路用性能

　　施工过程中对沥青混合料抗车辙能力进行检验，结果如表7，表明生产的沥青混合料具有优良的路用性能。

　　5.结论

（1）GTM方法成型方式及设计指标科学、合理。

设计的沥青混合料合理地增大了密度，减少了沥青用量，使得现场压实度适当提高，级配范围较窄，为解决我国高速公路早期破坏提供了可行的设计方法。

（2）与马歇尔方法相比，GTM方法设计的沥青混合料虽不满足规范要求的体积指标，却仍具有优良的路用性能，说明现行规范规定的体积指标并未涵盖所有路用性能最优的设计结果，即游离于规范规定的体积指标之外的沥青混合料仍可能具有更为优良的路用性能。

　　（3）实体工程表明，以现有的压实设备，采用合理的碾压工艺，完全可以将GTM设计优化结果成功实施于实际工程，根据GTM设计结果铺筑的沥青路面具有优良的路用性能。

　　参考文献：

（1）周卫峰，基于GTM的沥青混合料配合比设计方法研究［D］.长安大学，2006.6

（2）周卫峰，魏如喜，赵可，SMA的GTM设计方法、路用性能及施工工艺［J］.中国市政工程，2003.5，23～26.

　　（3）沙庆林，高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施（上）【J】，国外公路，2000，03，1～4。

　　（4）沙庆林，高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施（下）【J】，国外公路，2000，04，1～5。