GTM法（精选6篇）
GTM法 篇1
0 引言
GTM旋转试验机是美国工程兵团在20世纪60年代发明的,它把混合料成型压实试验机、力学剪切试验机和车辆模拟机合并成为一台试验机,最大限度的模拟了汽车对路面的实际作用情况,以推理的方法来设计沥青混合料。它根据汽车轮胎对路面的实际作用压强来设计沥青混合料的剪切强度大于其所受的剪应力,并使其应变控制在适当的范围内,从而减少沥青路面在重载交通下出现车辙、推移、壅包等破坏。
GTM一个重要的特征是能够直接反映出颗粒状塑性材料中可能出现的塑性过大的现象,这时材料会呈现过饱和状态。或许是因为过度压实,也或许是因为空隙中填充过多的介质沥青混合料中的沥青。当沥青含量一定时,这种现象可以通过GTM滚轮压力的下降和旋转角度的增加显示出来。依据这一原理可以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,同时GTM还可以对路面的取样进行试验,以此来确定未来某时在已知轮胎与路面接触压力的交通影响作用下,是否会造成由于混合料的不断密实而使其塑性过大,是否会对路面造成破坏。
1 GTM试验方法
1)确定GTM试验混合料的设计压强及各种矿料比例。2)依据沥青混合料的最大公称粒径选择合适的GTM试模,试验直径应不小于最大公称粒径的4倍。3)选择5个沥青用量进行GTM试验,沥青用量间隔为0.3%。4)确定沥青混合料的拌合温度:根据粘温曲线确定,一般选择表观粘度在(0.17±0.02)Pa·s范围内的温度作为拌合温度。5)采用平衡状态法进行GTM试验,确定每个沥青用量下的技术指标。6)确定设计沥青用量:a.根据GTM试验结果,绘制沥青用量、密度、稳定值GSI和旋转剪切系数GSF的关系曲线。b.选择1.3≤1.05GSF≤GSI时的沥青用量作为设计沥青用量。7)从密度曲线上查出设计沥青用量对应的密度作为目标配合比标准密度。
2 确定目标配合比
GTM试验方法配合比设计采用三步法进行。一般分为目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段和生产配合比验证阶段。
1)目标配合比设计阶段:对工程实际使用的原材料进行试验,检验合格后,进行GTM配合比设计,优选矿料级配,确定设计沥青用量,进行车辙试验,低温弯曲试验,冻融劈裂试验等配合比设计检验,均符合要求后,以此作为目标配合比,供拌和楼确定各冷料仓的供料比例、进料速度及试拌使用。
2)生产配合比设计阶段:按照目标配合比确定好冷料比例及进料速度后,在热料仓取料进行材料的级配试验,取料时应将每个热料仓的热量放出,用装载机接下放到硬化的场地充分拌匀,取有代表的热仓料进行级配试验,确定热料仓的配合比,并取目标配合比设计的沥青用量±0.3%等3个沥青用量进行GTM试验和试拌,通过室内GTM试验和拌合机取样试验,综合确定生产配合比的最佳沥青用量及标准密度,同时选择适宜的筛孔尺寸和安装角度,尽量使各热料仓的供料大体平衡。
3)生产配合比验证阶段:拌合机按生产配合比结果进行试拌,铺筑试验段,并取样进行GTM验证,同时从路上钻芯检测空隙率大小,由此确定生产用的标准配合比。标准配合比的矿料合成级配中,至少应包括0.075 mm,2.36 mm,4.75 mm及公称最大粒径筛孔的通过率接近优越的工程设计级配范围中值,并避免在0.3 mm～0.6 mm处出现“驼峰”,对确定的标准配合比,高速公路及一级公路宜再次进行车辙试验和水稳定性检验,二级及以下公路不需要进行比对检测。
4)确定施工级配允许波动范围:依据标准配合比及热拌沥青混合料的频度和质量要求中各筛孔的允许波动范围,制定施工用的级配控制范围,用以检查沥青混合料的生产质量(见表1)。
5)经设计确定的目标配合比在施工过程中不得随意变更。生产过程中应加强跟踪检测,严格控制进场材料的质量,如遇材料发生变化并经检测沥青混合料的级配,GTM技术指标不符合要求时,应重新进行配合比设计。
3 GTM试验方法与马歇尔方法相比优越性
GTM试验方法与马歇尔试验方法是截然不同的设计方法,随着社会的发展,GTM试验方法在不久的将来会替代马歇尔试验方法。马歇尔试验方法与GTM试验方法是不可比的,没有可比性,原因是设计的原理不同,马歇尔试验是把沥青混合料锤击成型试件,通过对试件的物理力学性能试验确定沥青用量及沥青混合料密度,这不仅与行车对路面的实际作用不符,而且其锤击成型试件的击实功与其相应的密度与现在重交通荷载作用下的冷面所受的行车压实功其相应密度已不相匹配,而单纯地提高马歇尔试验的击实次数会导致石料破坏,影响荷载能力,马歇尔试验目前已不适应路面材料及路面技术发展的要求。GTM法设计最大限度的模拟了汽车对路面的实际作用,以推理的方法来设计沥青混合料,重载、超载运输条件下都进行了充分的考虑,在耐久性能方面远远高于马歇尔法,具体表现见表2。
4结语
GTM试验法作为创新型公路行业重点实施项目,结合GTM法级配技术在沥青混凝土路面中的推广应用,我们要把这项技术应用好,发挥它的作用,必须从原材料、混合料设计、施工工艺等方面进行有针对性的质量控制,确保GTM法施工质量适应公路发展的要求。
参考文献
[1]王胜利.谈GTM沥青混合料设计方法及在施工中的问题[J].山西建筑,2008,34(25):188-189.
GTM法 篇2
1.1 GTM胶粉沥青砼路面简介
胶粉沥青是将废旧轮胎加工成细粉颗粒, 以大于15%的比例掺合到沥青中去, 再加入改性剂或其他聚合物而得到的路用胶凝材料。
GTM胶粉沥青砼是利用美国工程兵旋转剪切试验机 (GYRATORY TESTING MACHINE, 简称GTM) 进行混合料配合比设计, 采用胶粉沥青拌合生产、经摊铺、碾压成型后得到的路面沥青混合料。GTM进行沥青混合料配合比设计, 于1978年列入美国ASTM规范, 在2003年进行了修订。它最大限度的模拟了汽车对路面的实际作用情况, 以推理的方法来设计沥青混合料, 使沥青混合料的剪切强度大于其所受的剪应力, 并使应变控制在适当的范围内, 可以减少沥青路面在重载交通下出现车辙、推移、拥包等破坏。
本公司从2009年开始, 结合安徽省地域特点, 逐步推广应用该项新技术、新材料。2010年在蚌埠市南出口公路S207蚌西路改造工程、蚌埠市龙子湖周边道路工程等几项工程中应用, 取得良好效果。胶粉沥青砼地域气候适用性广, 安徽全省范围皆可应用, 适用于各种等级新建和改建公路和城市道路路面各结构层位。
1.2 性能特点
1.2.1 改善了路用性能
橡胶粉用于沥青混合料有利于改善沥青砼的高温稳定性、疲劳性能、水稳定性和低温性能等路用性能, 提高了路面质量, 延长了使用寿命。
1.2.2 降低了建设成本
相比于普通沥青和SBS改性沥青, 胶粉沥青混合料每吨能降低成本50～70元。
1.2.3 节能环保
对废旧轮胎的废物利用, 减轻了其带来的环境压力, 符合我国当前建设节约型社会和发展循环经济的政策, 是资源再生的有效途径之一, 有很高的社会效益。对降低城市道路的行车噪音亦有明显效果。
2 工艺原理
采用GTM法进行配合比设计及作为施工质量控制的标准, GTM旋转压实密度一般为马歇尔击实密度的1.02～1.04倍, 这就能够有效地避免了因室内成型方法与施工实际成型方式不符造成的压实度超百现象, 提高了压实标准, 从而进一步提高沥青路面的使用性能。
胶粉沥青砼施工分生产、运输、摊铺、碾压四个阶段, 最核心的环节是温度控制和碾压方式的选择。胶粉沥青施工温度较普通沥青提高了20～25℃, 比其他改性沥青提高了10～15℃。胶粉的掺量不小于15% (内掺) 或17.6% (外掺) , 本文介绍的采用内掺法得到的成品胶粉沥青。
3 施工要点
3.1 配合比设计
3.1.1 GTM沥青混合料配合比设计原则
配合比设计压强由设计单位根据道路预计交通辆中有代表性的车辆轮胎接地压强确定。设计的密级配沥青混合料粉胶比宜控制在1.2～1.6范围内, 采用GTM平衡状态时确定的最佳沥青用量和标准密度, 矿料级配采用连续密级配沥青混合料。
3.1.2 GTM配合比设计试验步骤
GTM试验方法配合比设计采用三步法进行, 分为目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段和生产配合比验证阶段。
目标配合比设计阶段:对实际使用的原材料检验合格后, 进行配合比设计, 优选矿料级配、确定设计沥青用量, 进行车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验等配合比设计检验, 均符合要求后, 以此作为目标配合比, 供拌和楼确定各冷料仓的供料比例、进料速度及试拌使用。
生产配合比设计阶段:按照目标配合比确定好冷料比例及进料速度后, 在热料仓取料进行材料的级配试验, 取料时应将每个热料仓的热料放出, 用装载机接下放到硬化的场地充分拌匀, 取有代表性的热仓料进行级配试验, 确定热料仓的配合比。并取目标配合比设计的沥青用量及±0.3%等三个沥青用量进行GTM试验和试拌, 通过室内GTM试验和拌和机取样试验, 综合确定生产配合比的最佳沥青用量及标准密度, 由此确定的最佳沥青用量与目标配合比设计的结果的差值不宜大于±0.2%。同时选择适宜的筛孔尺寸和安装角度, 尽量使各热料仓的供料大体平衡。
生产配合比验证阶段:拌和机按生产配合比结果进行试拌、铺筑试验段, 并取样进行GTM验证, 同时从路上钻芯检测空隙率大小, 由此确定生产用的标准配合比。试拌试铺必须由项目法人、施工、监理等有关单位各方共同实施, 由此确定的标准配合比必须得到监理工程师批准。标准配合比的矿料合成级配中, 至少应包括0.075mm、2.36mm、4.75mm及公称最大粒径筛孔的通过率接近优选的工程设计级配范围的中值, 并避免在0.3～0.6mm处出现“驼峰”。对确定的标准配合比, 宜再次进行车辙试验和水稳定性检验。
确定施工级配允许波动范围。根据标准配合比及质量管理要求中各筛孔的允许波动范围, 制定施工用的级配控制范围, 用以检查沥青混合料的生产质量。经设计确定的标准配合比在施工过程中不得随意变更。生产过程中应加强跟踪检测, 严格控制进场材料的质量, 如遇材料发生变化并经检测沥青混合料的级配、GTM技术指标不符要求时, 应重新进行配合比设计。
3.2 施工准备
路面施工前, 仓面应干燥清洁, 测量施工环境温度, 大气温度应不低于10℃, 地表温度应不低于15℃, 雨天和大风不得施工。
3.3 沥青混合料拌和工艺
采用DG-4000S型间歇式拌和楼进行沥青混合料的拌和, 拌和时间根据试拌确定的为50S (干拌时间6S, 湿拌时间44S) ;拌和楼逐盘打印在线检测, 避免小于0.075mm颗粒含量偏低现象出现, 拌和楼各热料仓用量为5#仓:4#仓:3#仓:2#仓:1#仓:矿粉=27%:21%:19%:12%:17%:4%, 沥青用量下面层为4.4%, 上面层为5.1%。胶粉沥青基质沥青采用70#道路石油沥青。
3.4 沥青砼运输、摊铺工艺
3.4.1 摊铺机作业情况及找平方式
采用ABG423和LTU90SC摊铺机梯队铺筑, 两台摊铺机相距10～30m, 靠近中分带的主机在前, 摊铺机拼宽8m, 因中央分隔带路缘石较高, 走钢丝较为困难, 经现场研究决定左侧在路缘石上铺设铝合金条, 路缘石上画上摊铺线随时调整, 中间走平衡梁;靠近路肩的副机在后, 摊铺机拼宽7.5m, 中间在摊铺好的层面上走“雪撬”, 左侧采用架设钢丝进行找平, 两台摊铺机摊铺层的纵向接缝采用热接缝。
3.4.2 料车卸料方式
在摊铺机前有三辆运输车辆时可以开始摊铺, 车辆在离摊铺机10～30cm处停住, 避免撞击摊铺机, 卸料过程上运料车挂空档, 依靠摊铺机推动前进, 倒料时, 起顶不要一次起的过高, 待摊铺机受料斗料满后, 缓慢均匀地向摊铺机的料斗内卸料, 避免卸料时有混合料溢出。
3.4.3 摊铺温度
两台摊铺机配15辆自卸车循环作业, 在运料车到达摊铺现场时, 有专人用插入式数控温度计测量并记录每辆料车混合料的到场温度和摊铺温度。
3.4.4 摊铺速度及初步振捣夯实方法
摊铺机选择摊铺速度为2～2.5m/min, 做到缓慢均匀, 不间断地摊铺。摊铺机就位后, 先预热40～50分钟, 使熨平板温度达到100℃以上;开始摊铺后, 有专人检查厚度及平整度, 为使振夯频率与振幅相配套, 使摊铺面层有足够的初始强度, 确定夯锤3级。
3.5 消除铺面离析的技术
做好摊铺机熨平板的预热, 并在熨平板底抹植物油, 使熨平板底不毛糙。
摊铺机调整到最佳工作状态, 调好螺旋布料器两端的自动料位器, 使料门开度、链板送料器的速度和螺旋布料器的转速相匹配, 螺旋布料器内混合料表面略高于螺旋布料器2/3为度, 使熨平板的挡板前混合料的高度在全宽范围内保持一致, 避免摊铺层出现离析现象。
在摊铺过程中保持匀速前进, 尽量减少收斗次数, 缩短收斗时间, 避免摊铺收斗离析现象。
3.6 沥青混合料的压实工艺
胶粉改性沥青砼对温度特别敏感, 如碾压过慢, 胶粉沥青温度下降, 压实就很困难, 故采用的压实方案为:初压采用2台双钢轮压路机并排按照两台摊铺机摊铺宽度紧跟摊铺机由路肩向中分带处进行碾压, 碾压遍数均为2遍, 压路机碾压采用前进振动、后退振动, 坚持“高频、低幅、及时碾压”的原则, 速度控制如下表所述:
初压温度均在160℃以上, 复压温度均在140℃以上, 碾压终了温度均不低于120℃。
3.7 沥青砼面层松铺系数
通过对铺筑前下承层测点的高程, 摊铺后同一测点的高程, 以及碾压结束后同一测点高程的检测计算, 反复进行了比对校核, 实测松铺系数为1.2。
3.8 施工缝处理方法
纵向施工缝采用热接缝, 在前部摊铺机留下10～20cm宽暂不碾压, 作为后铺部分的高程基准面, 并有10cm左右的摊铺层重叠, 以热接缝形式在最后作跨接缝碾压以消除缝迹。
横向施工缝采用平接缝, 切缝时间在混合料摊铺碾压结束尚未完全冷却硬化之前进行。用三米直尺沿纵向位置, 在摊铺段端部的直尺呈悬臂状态, 以摊铺层与直尺脱离接触定出接缝位置, 用人工刨齐, 形成垂直的接缝面, 并用沥青涂抹, 待下次施工时用压路机进行横向碾压。碾压时压路机位于已压实的路面上, 错过新铺层15cm左右, 然后每压一遍, 向新铺层移动20cm左右, 直至全部在新铺层上, 再改为纵向碾压。横缝处要求横向接缝平顺、紧密。
4 结语
2010年9月, 经蚌埠市交通运输局组织的技术鉴定, 以及在安徽省科学技术情报研究所进行技术查新, 胶粉改性沥青施工技术在省内属领先水平, 由此关键技术形成的工法被评为2010年安徽省级工法。
摘要：废旧轮胎胶粉颗粒掺入到沥青砼中形成的磨耗层, 改善了路面使用性能, 延长了路面使用寿命, 在道路寿命期内节省了维修养护资金并保持了道路良好的服务水平, 还使废旧轮胎得到废物利用, 减小了环境压力, 具有广阔的应用前景。本文着重分析利用GTM法进行沥青砼配合比试验, 而后施工的关键技术。
关键词：GTM法,胶粉沥青砼配合比设计,施工
参考文献
[1]公路沥青路面施工技术规范 (JTG F40-2004) .人民交通出版社, 2004.
[2]公路改性沥青路面施工技术规范 (JTJ 036-98) .人民交通出版社, 1998.
GTM法 篇3
关键词：全球定位系统,车辆监控,通用分组无线服务
本文设计的车载监控终端是车辆定位监控系统的一部分, 车辆定位监控系统是融合了GPS全球定位技术、GSM/GPRS全球移动通信技术、GIS地理信息处理技术以及数据处理技术, 结合行业的特殊应用所开发的一套远程监控管理系统。
利用该系统可以远程无线监控、调度所有在GPRS/GSM网络覆盖范围内的警用车辆、急救车辆、消防车辆、出租车辆、租赁车辆、民用车辆等移动目标。移动目标的位置信息、车辆信息及各类报警数据均由GPRS信道传送到远程数据处理中心, 并可根据需要进行语音监听或通话。
1 GTM 900I的功能特点
1.1 GTM 900I简介
GTM 900I无线模块是华为公司最新推出的一款三频段GSM/GPRS无线模块, 其提供了5×5键盘接口、串行LCD接口、4路ADC、14路双向GPIO、1个串口、以及并行总线等丰富的硬件资源。GTM 900I还提供了1MByte的用户代码空间、300KByte的用户RAM空间、160KByte的用户文件系统空间等丰富的存储器资源方便用户进行应用程序开发[1]。
使用华为GSM 900I模块可以完全省去外围单片机、SRAM以及FLASH等硬件资源, 降低外围电路复杂度, 增强系统稳定性。模块内置SOCKET接口和强有力的TCP/IP协议栈, 数据业务处理便捷, 轻易实现行业GPRS应用。还提供远程更新功能, 实现用户程序的更新。
1.2 GTM 900I软件开发方法
用户的软件进程框架, 华为已经构架好, 应用程序开发者只需要添加适当代码即可。用户进程软件框架如图1所示。
用户进程采用事件驱动, 正常情况下只有以下2种情况发生, 应用代码才能运行。
(1) 有事件发生, 比如按键、AT命令到来等。
(2) 定时器超时。
其余时刻用户进程必须处于空闲状态, 那么就要求应用程序必须满足如下两个条件:
(1) 代码中不能有死循环。
(2) 采用状态机工作方式。
系统将在相应事件发生的时候调用对应的事件回调函数通知用户进行处理, 尤其是“用户任务启动函数”, 在用户进程初始化完毕后开始执行, 推动整个用户进程的后续处理, 一般的处理是初始化一些AT命令, 或者激活SIM卡[2]。
2 硬件系统设计
整个系统由GPS全球定位系统、移动终端、GSM/GPRS网络和远程监控中心几部分组成:GPS全球定位系统主要用来接收卫星的定位信号, 并解算出车载机当前的地理位置;无线通信系统采用GPRS移动通信系统, 主要用于实时将经移动终端通信控制设备编码后的移动车辆的经度、纬度、速度、运动方向、时间、车辆状态以及报警等信息上传至监控中心, 并将监控中心对移动端的控制命令下发至移动端;监控工作站将接收到的车辆位置和状态信息进行适当的数据处理后将车辆的位置及其轨迹在电子地图上显示出来。从而达到对移动车辆的实时监控的目的。同时监控中心也可向移动终端发送指令实现对车辆的调度管理[3]。
本设计中的移动终端是车辆定位监控系统的核心, 主要由GPS接收单元、GPRS通信单元、主控制器单元、中文液晶显示屏与键盘组成的人机交互单元组成。其结构框图如图2所示。
2.1 GPRS通信单元和主控制单元
本设计中使用GTM 900I模块作为GPRS通信单元和主控制单元, 其实时采集车辆的开关量信号、模拟信号、GPS信息、按键信息、在GPRS网络状态良好的情况下, 优先通过GPRS通信方式将车辆所在位置、速度、车号等信息传输到监控中心并接收来自监控中心的指令。与此同时, GTM 900I按固定时间间隔向远程监控中心发送心跳包, 检查GPRS网络连接状态, 当出现网络拥塞、GPRS未覆盖或者中心工作人员误操作导致TCP/IP连接断开时, 会切换到SMS方式直至TCP/IP重新建立连接[4]。
2.2 GPS接收单元
GPS模块是GPS接收单元的主要组成部分, 通过天线接收来自GPS卫星的定位信号, 经过变频、放大、滤波等一系列处理过程, 实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定、测量, 产生计算位置的数据信息 (包括纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等) [5]通过标准串口与GTM 900I进行通信, GTM 900I循环接收GPS模块发来的定位信息, 经过解算后提取出用户感兴趣的数据信息 (如纬度、经度、高度、速度、日期、时间等) [6], 并加上包头形成一个数据包通过无线信道发送至监控中心, 并可根据换算的速度信息和经纬度信息, 实现超速报警、区域监控、规定路线行驶等功能。
2.3 人机交互单元
GTM 900I模块本身提供5×5按键输入, 只需要很少的外围电路即可实现的4×5键盘, 并且模块提供的API中提供键盘扫描函数, 软件实现也相当方便。显示屏主要是将监控中心下发的公共消息及调度消息等文本消息显示在液晶屏幕上。本设计中利用GTM 900I模块的SPI接口来控制的LCD模块。通过显示屏刷新回调函数实时刷新屏幕显示[7]。
2.4 麦克与扬声器单元
本设计中的麦克与扬声器单元实现与远程监控中心的通话功能, 远程中心可以下发通话、监听指令或通过终端内预置得电话号码进行语音通信。GTM 900I模块提供语音信号线, 只需经过放大、滤波即可获得音质良好的语音信号。
3 系统软件
本系统的软件工作流程如图3所示。
为了启动应用程序进程, 必须提供InitUserProcess () 函数供GTM 900I主动模块调用, 在这个函数内部必须调用华为提供的一个API:user func addr regist () 实现各种回调函数入口地址的注册[8]。
AT命令的两个回调函数主要功能是将AT命令的返回的字符串返回给用户处理;通过这两个回调函数可以实现AT指令应答的确认, GPRS网络数据的接收, 检查网络状态等功能。
按键事件回调函数与LCD刷屏回调函数分别实现了按键信息的获取与显示屏的定时刷新功能。
ACD事件回调函数, 定时获取设备电压与内部电池电压信息, 主要用于断电报警功能。
串口接收事件回调函数用于接收GPS模块发送的数据, 对数据进行解析、效验、判断GPS信息的有效性, 若有效则保存到GPS信息接收队列, 等待定时器超时事件回调函数进行处理[9]。
定时器超时时间回调函数设置100ms定时中断处理模块、每隔200ms采集一次开关量数据并处理、每隔500ms判断GPS信息接收队列并对其进行处理、每次进入定时中断处理模块会对GPRS网络连接进行判断并按照固定时间将GPS信息发送至远程监控中心, 具体流程如图4所示。
4 结论
本系统充分利用了GTM 900I模块提供的A/D转换、UART、SPI、GPIO等硬件资源, 及其内部丰富的存储空间, 因此, 其结构紧凑, 不论是软件还是硬件的开发复杂度都大大降低, 提高了开发效率, 降低了生产成本及维护难度, 并且产品体积明显减小、可靠性增强。该车载移动终端经过严格的工程测试和长时间的试运行, 工作稳定、性能可靠, 目前已批量生产。
参考文献
[1]华为技术有限公司.GTM900产品概述.http://www.szght.com/download.asp?BigClassName=产品技术文档&Smallclassname=Huawe%20GTM900.2008;10—16
[2]华为技术有限公司.GTM900AT命令手册[EB/OL].http://www.szght.com/download.asp?BigClassName=产品技术文档&Smallclassname=Huawe%20GTM900.2008;10—17
[3]李明峰, 冯宝红, 刘三枝.GPS定位技术及其应用.北京:国防工业出版社, 2006
[4]王惠南.GPS导航原理与应用.北京:科学出版社, 2003
[5]徐绍铨, 张华海, 杨志强.GPS测量原理及应用. (第3版) .武汉:武汉大学出版社, 2008
[6]文志成.GPRS网络技术.北京:电子工业出版社, 2005
[7]陈颖新.GPRS无线抄表系统设计与实现.机电技术, 2008 (01) :58—59
[8]马军, 许晨霞.基于GIS、GPS、GSM和GPRS的保险查勘车监控调度系统的应用技术和实现.河北理工大学学报 (自然科学版) , 2009 (01) :53—58
GTM法 篇4
目前国内外评价沥青混合料高温稳定性的方法主要有:马歇尔稳定度试验、蠕变试验, 以及轮辙模拟试验[1]等, 但各方法均存在一些明显的缺点:如马歇尔稳定度试验法, 其作为一种经验方法, 虽然简单、容易掌握, 但马歇尔方法的设计指标 (稳定度和流值) 与实际路面相关性不好;蠕变试验, 尤其是动态三轴压缩剪切蠕变试验比较接近沥青路面的三向受力状态, 且可测得蠕变劲度模量、回弹模量、泊松比、永久变形与荷载作用次数的关系等, 但由于人员及设备要求较高, 很难在工程中推广应用。而单轴压缩蠕变试验虽然易于推广使用, 但受力图式没有考虑侧限的影响, 对强度主要来源于沥青胶浆粘结力的悬浮-密实型沥青混合料来说, 方法可行, 但对内摩阻力起主要作用的嵌挤骨架-密实型或嵌挤骨架-空隙型沥青混合料而言, 该试验并不理想;轮辙模拟试验一般包括车辙试验、大型环道或直道试验等。室内小型往复式轮辙试验, 设备简单、原理直观, 被许多国家接受, 但车辙试验仅是一种工程模拟, 其评价指标动稳定度是一个经验性指标, 不能作为力学计算、车辙预估。以变形曲线45min和60min之间的斜率为依据的动稳定度, 固然反映了HMA抗车辙的性质, 但并没有包括永久变形从压密、剪切到流动的全过程, 因此会出现虽然动稳定度值相同, 但沥青混合料永久变形有很大差异的现象[2]。环道或直道试验是一种大型的足尺路面结构在实际车轮和交通荷载作用下的试验, 其试验结果与实际路面结构的关系密切, 是一种实际路面结构的加速加载试验方法, 可用于验证试验, 但试验成本高, 试验周期长, 仅适用于科学研究。
综上所述, 各种评价沥青混合料高温稳定性的试验方法均有一定的适用性和局限性。而由GTM试验机的工作原理可知, 它也可用来评价沥青混凝土的高温性能, 而且可能是目前最先进的试验方法之一。基于此, 本研究通过对不同沥青混合料GTM旋转压实参数试验研究, 并将其与相应的三轴重复荷载蠕变劲度模量指标进行对比分析, 找出各旋转压实试验参数与蠕变劲度模量之间的对应关系, 从而推荐出方便可行的沥青混合料高温稳定性评价指标。
1试验方法和原材料的选取
GTM (GyratoryTestingMachine) , 是美国工程兵于上世纪60年代为解决空军重型轰炸机机场跑道的设计而研究发明的, 并于1978年列入了美国ASTM规范。它最大限度地模拟了汽车对路面的实际作用, 完全利用力学的应力应变原理, 以推理的方法来设计沥青混凝土。GTM采用旋转压实法成型试件, 并在成型过程中测出混合料的力学指标, 即表征试件受剪应力作用的变形稳定程度的参数GSI (GyratorsStabilityIndex) , 以及用来检验沥青混合料被压实到平衡状态时的抗剪切强度是否达到沥青路面所需的剪应力的GSF (GyratoryShearFactor) 指标[3,4]。可见, GTM的主要目的是用来设计耐高温稳定性的沥青混合料。此外, GTM试验还可得到沥青混合料压至平衡状态的压实曲线。
目前, 用来评价沥青混合料高温稳定性的方法较多。近年来, 国际上采用蠕变试验研究沥青混合料的高温特性较为活跃, 在各种蠕变试验的方法中, 又当属三轴重复荷载蠕变试验受力模式清晰, 与现场的模拟程度较高[5—9]。因此, 本次采用了英国进口的Cooper试验机对几种沥青路面常用的AC 13、AC 20型混合料进行了40℃温度下的三轴重复荷载蠕变试验, 并以加载末期的蠕变劲度模量指标评价沥青混合料抗高温稳定性能。试验时, 每个试件共加载600个脉冲;单个脉冲的加载和卸载时间分别为0.2s和0.8s;应力激励水平取0.7MPa, 围压采用0.1MPa。
为更真实地模拟现场实际情况, 本次试验采用的原材料全部取自广州市某路面施工拌合现场, 各种不同粗、细级配曲线均由几种规格石料筛分后配制而成, 结果见表1。结合料采用泰国进口的泰普克70#-A级道路石油沥青;粗、细集料分别为珠海华实石场生产的花岗岩碎石和石屑, 矿粉为石灰石矿粉。蠕变试件全部采用GTM成型, 旋转参数设置为垂直压力0.7MPa, 机器角为0.8° (采用油压滚轴) 。试件成型控制为极限平衡状态, 试件尺寸Υ10×10cm, 成型温度为 (140～145) ℃。
注:表中F、M、C分别代表所配制各类型混合料的细型、中型和粗型级配。
2试验结果及分析
虽然, 从理论上讲, GTM试验得到的GSI和GSF两项指标能够表征沥青混合料的抗高温剪切变形能力, 但实际效果如何仍有待考究。而GTM试验过程得到的沥青混合料压实曲线中包含了大量的有用信息, 希望通过解读压实曲线, 得到一些表征沥青混合料抗高温稳定性能的参数。根据本次试验研究结果, 各级配沥青混合料GTM旋转压实过程中的密实度与旋转次数呈对数关系, 且相关系数R 2均在0.96以上[10]。考虑到GTM设计的沥青混合料现场压实后的密度通常为室内旋转压实最终密度的97%左右。为此, 拟采用GTM试验得到的GSI、GSF、GSF/GSI、旋转压实至平衡状态下的旋转次数N, 以及表征压实曲线的K1和K2等几个参数来评价沥青混合料的抗高温稳定性能, 其中K1表示从开始压实至97%密实度间的压实曲线平均斜率, 而K2表示从97%密实度至最终压实状态间的压实曲线平均斜率, 压实曲线全部采用对数曲线进行拟合。另外, 为考察各评价指标的关联性, 在对各沥青混合料进行GTM旋转压实成型及参数测试后, 又进行了相应的三轴重复荷载蠕变试验。
所选AC 13、AC 20型混合料采用GTM法成型试件时的旋转剪切压实试验参数, 及其相应的三轴重复荷载蠕变试验结果如表2、表3所示, 加载末期蠕变劲度模量与GTM旋转压实各参数的相关性分析结果如表4, 及图1—图3所示。
从表4和图1—图3可以得到以下结论。
(1) AC-13M和AC-20M两种级配沥青混合料蠕变劲度模量均随油石比的增加呈直线下降趋势, 且线性相关性较好, 回归系数R值分别达0.947 9和0.980 3。
(2) 在GTM旋转压实各参数中, 与沥青混合料蠕变劲度模量线性相关性最好的为压实曲线前阶段平均斜率K1, 其次为压实曲线后阶段平均斜率K2, 线性相关系数R均在0.90以上, 表明GTM旋转压实曲线的速率能够较好地表征沥青混合料的高温稳定性能。
(3) GTM旋转压实参数GSI与沥青混合料的加载末期蠕变劲度模量相关性较差, 而GSF与其相关性也一般, 但GSF/GSI指标的相关性相对较好;此外, 混合料的最终旋转压实次数N与其蠕变劲度模量指标也表现出了良好的相关性。
3结语
现有各种评价沥青混合料高温稳定性的试验方法均有一定的适用性和局限性, 而通过GTM旋转剪切压实试验得到的压实曲线参数K1 (从开始压实至97%密实度间的压实曲线平均斜率) 可以较好的表征沥青混合料的抗高温稳定性能, 其与三轴重复荷载蠕变试验的蠕变劲度模量指标具有较高的相关性, 线性相关系数在0.90以上, 可以作为评价沥青混合料抗高温稳定性能的一种简易而实用方法。然而, GTM旋转剪切压实试验的传统力学指标GSI、GSF与沥青混合料的蠕变劲度模量的相关性一般, 但GSF/GSI指标、以及混合料的最终旋转压实次数N与其相关性相对较好。
参考文献
[1]解晓光, 王哲人.沥青碎石混合料永久变形评价方法的研究.公路交通科技, 2005;22 (5) :5—9
[2]陈忠达, 袁万杰, 薛航.沥青混合料高温性能评价指标.长安大学学报 (自然科学版) , 2006;26 (5) :1—4
[3] ASTM D3387-83 (2003) .Standard Test Method for Compactionand Shear Properties of Bituminous Mixtures by Means of the U.S.Corps of Engineers Gyratory Testing Machine (GTM) .
[4]于洪兴.采用GTM设计的沥青混合料高温稳定性研究.天津:河北工业大学, 2005
[5]陈祥义, 吴剑.国外沥青混合料抗车辙性能试验方法评价.中外公路, 2007;27 (1) :141—146
[6] Nevelt G, Thanfold H.Evaluation of the resistance to deformation ofdifferent road structures and asphalt mixtures determined in the pave-ment-rutting tester.Proceedings of the Association of Asphalt PavingTechnologists, 1988;57 (1) :320—345
[7] NCHRP Synthesis of Highway Practice 291:Evaluation of PavementFriction Characteristics.TRB, National Research Council, Washing-ton, D C., 2000
[8] Williams C R, Prowell B D.Comparison of laboratory wheel-trackingtest results to WesTrack performance.In:Transportation Research Re-cord:Journal of the Transportation Research Board, No.1681, TRB, National Research Council, Washington, D.C., 2000
[9] Brown E R, Kandhal P S, Zhang J.Performance testing for hot mixasphalt.NCAT Report No.2001-05, Auburn, Ala.November 2001
GTM法 篇5
关键词：沥青混合料,GTM,试件,矿料级配
1 沥青混合料目标配合比设计的主要过程
美国工程兵旋转压实剪切试验机 ( GTM) 是一种新型的沥青混凝土配合比设计设备, 该试验机采用类似于施工中压路机作用的揉搓方法压实沥青混合料, 并且模拟了现场压实设备与随后交通的作用。无论采用马歇尔试验法或美国旋转压实剪切试验机方法中的哪一种来设计沥青混凝土配合比, 沥青混凝土目标配合比设计过程都主要分为以下几个步骤: 第一步: 根据规范或设计文件的要求进行原材料检测。第二步: 根据工程的气候条件、交通条件、公路等级、所处的层位合理地确定矿料级配范围。第三步: 按不同的油石比成型条件确定油石比。不同的设计方法确定油石比所依据的指标是不同的, 马歇尔试验法确定油石比的主要指标是空隙率、密度、沥青饱和度、矿料间隙率、稳定度、流值, 以体积指标为主, 辅以力学指标; 旋转压实剪切试验机方法确定油石比的主要指标是试件压实到平衡状态时的密度以及抗剪安全系数。
2 矿料级配范围的调整原则
在沥青混凝土配合比设计的过程中, 合理地确定级配范围是非常关键的一步。这也是沥青混合料设计的基础, 没有良好的级配范围, 无论用什么方法成型试件, 都不会设计出良好的沥青混合料。
不管采用哪一种级配范围, 所设计的沥青混合料的结构类型都是悬浮密实、骨架空隙、骨架密实三者中的其中一种。在三种沥青混合料的结构类型中, 骨架密实结构是路用性能最好的混合料结构类型, 它兼顾骨架空隙和悬浮密实两种结构的特点, 不仅粗集料数量较高, 且因断去了中间尺寸的集料, 故有相当数量的细集料填密骨架的空隙, 形成了间断骨架密实结构。这种结构密度较大, 粘聚力较高, !摩阻角较高, 高温、低温路用性能较好。骨架密实结构在道路工程中越来越受到重视, 适合于重交通和高温的地区。
要想设计出密实骨架型沥青混合料, 首先要对密实骨架型结构层有明确的定义。通常认为, 只要是细集料+矿粉+沥青+预留的设计空隙率体积之和介于关键性筛孔尺寸4. 75 mm或2. 36 mm以上粗集料在松散堆积状态下的最大空隙体积率和经振实 ( 或捣实) 状态下的最小空隙体积率之间, 即可称为密实骨架型结构层。对于本标段的下面层AC-25 沥青混合料来讲, 4. 75 mm筛孔为关键性筛孔尺寸, 根据以往施工经验, 关键性筛孔尺寸以上的粗集料在松散状态下的干密度与最大理论密度相比, 空隙体积率多为45% 左右, 在振实状态下的干密度与最大理论密度相比, 空隙体积率多为40% 左右。也就是讲, 当细集料+矿粉+沥青+预留的设计空隙率体积之和介于40% ~ 45% 之间时, 可以认为沥青混合料为骨架密实型结构。
本标段所设计的沥青混合料需要符合重交通、高温的要求特性, 在关键性筛孔尺寸的通过率确定后, 以下几个筛孔尺寸的通过率也是主要的控制点, 按照相关规范确定的级配调整原则, 并结合以往的施工经验, 下面层的级配应该按照以下的思路去调整设计。
2. 1 矿粉用量的确定
沥青混合料的密度和稳定度, 随矿粉用量的增加而提高, 沥青混合料的软化程度同样随着矿粉用量的增加而提高, 有利于提高沥青混合料的抗高温性能。但矿粉用量也不是越多越好, 如果沥青混合料中矿粉用量过多, 比表面积增加, 需要沥青用量增多, 此时由沥青和矿粉形成的沥青胶泥裹覆在矿料表面的厚度加大, 沥青混合料的抗高温性能降低, 碾压过程中不易稳定, 而且容易产生推移裂纹。通常情况下, 我们取规范规定范围3% ~ 7% 的中值即5% 。
2. 2 1 /2 最大公称尺寸筛孔通过率的确定
较高的1 /2 最大公称尺寸筛孔的通过率, 能使中间料的用料量增加, 在施工的过程中将产生较少的离析现象, 有利于碾压密实。要配置出S形曲线, 1 /2 最大公称尺寸筛孔的通过率宜在规范规定的级配范围的中值和上限之间选取, 对于AC-25 来讲, 即在66% ~ 76% 之间。
2. 3 最大公称尺寸筛孔通过率的确定
为使沥青混合料构成骨架作用, 减少离析现象, 确保具有抗高温稳定性, 同时兼顾低温抗裂性能的需要, 应尽量减少超最大公称尺寸筛孔的用量, 建议最大公称尺寸筛孔通过率控制在中值与100% 之间, 即98% 左右。
2. 4 0. 3 mm ~ 0. 6 mm之间通过率的确定
在调整矿料级配的过程中, 要严格注意0. 3 mm ~ 0. 6 mm之间的用量, 尽量避免“驼峰”现象的出现, 之所以严格控制这两档料的通过率, 是因为这两档料的增加会使矿料级配曲线靠近最大理论密度线, 靠近最大理论密度线的矿料级配, 生产出的沥青混合料对沥青用量非常敏感, 当沥青用量稍有微小变化, 特别是在炎热高温下, 沥青混合料很容易发生塑性变形。通常在规范规定范围的下限取值。
3 下面层目标配合比矿料级配分析
下面层目标配合比由天津市市政设计院采用GTM方法设计, 各种数据见表1 ~ 表3。
mm
在100 g沥青混合料中, 关键性筛孔4. 75 mm以上粗集料的体积为: 15. 51÷2. 722+19. 85÷2. 72+27. 55÷2. 715 =23. 14。
细集料的体积为:8.77÷2.687+23.31÷2.672=11.98。
填料的体积为:1.33÷2.89=0.47。
沥青的体积为:3.66÷1.011=3.62。
则沥青混合料的绝对体积为:23.14+11.98+0.47+3.62=39.21。
由于沥青混合料的空隙体积为2. 1% , 故沥青混合料的总体积为: 39. 21÷ ( 1-0. 021) = 40. 05。
关键性筛孔尺寸4. 75 mm以上粗集料占沥青混合料总体积百分率为: 23. 14÷40. 05 =57. 8% 。
关键性筛孔尺寸4. 75 mm以下细集料+填料+沥青+空隙率的体积之和为: 1-0. 578 = 42. 2% , 大于粗集料在捣实状态下的空隙率, 小于粗集料在松散状态下的空隙率, 属于骨架密实结构。
最大公称尺寸为26. 5 mm筛孔的通过率为98. 9% , 接近规范规定范围的中值与上值的平均值, 有利于矿料级配形成S形级配。
矿粉的用量为5% , 等于规范规定范围的中值。
1 /2 最大公称尺寸筛孔通过率为64. 4% , 接近规范规定范围的中值66. 5% 。
0. 3 mm ~ 0. 6 mm之间的通过率差值为3. 8% , 小于规范规定的这两种料中值的差值6. 5% , 用量偏小。
通过对下面层混合料的初步体积分析, 不仅可以发现其结构类型为骨架密实类型, 而且几个主要的筛孔尺寸通过率都符合规范在重交通高温下对沥青混合料级配范围的调整原则, 属于典型的S形级配曲线, 能提供良好的路用性能。
4 施工中要加大对矿料级配的控制
通过对下面层矿料级配的分析可知, 采用GTM的方法来设计沥青混合料配合比, 也必须合理科学的选择矿料级配范围, 而且其级配的调整思路与采用马歇尔方法来设计沥青混合料配合比时级配调整思路是一样的, 任何一种设计方法, 都离不开良好的矿料级配范围。
由于GTM还处在试验阶段, 施工单位都没有旋转压实剪切试验机, 在日常的施工中, 也不能按照设计方法去成型试件, 检测抗剪系数, 但可以通过常规的试验来检测沥青混合料的含油量、矿料的级配。如果能保证施工中的配合比接近目标配合比, 现场的压实度达到GTM试件的密度, 相信可以保证现场的施工质量达到设计的预期效果。
良好的矿料级配是沥青混合料路用性能的基础和保证, 所以不管用哪种方法设计沥青混合料, 对混合料级配的检测和控制都是动态质量管理的主要内容。
5 结语
对GTM试件的体积分析可知, 其混合料类型为骨架密实结构, 而且几个关键筛孔通过率的调整原则与采用马歇尔方法来设计沥青混合料的调整原则一样, 为两头细、中间粗的S形级配。这充分说明确定良好的级配范围是设计沥青混合料配合比的最重要的一步, 也只有在良好级配的基础上才能设计出路用性能良好的沥青混凝土, 在正常的施工中, 要加大对沥青混合料矿料级配的控制, 确保施工质量。
参考文献
[1]周卫峰, 魏如喜, 赵可.SMA的GTM设计方法[J].中国市政工程, 2003 (5) :15-22.
GTM法 篇6
关键词：公路,GTM试验,Marshall试验,击实,碾压
1 引言
GTM(Gyratory Testing Machine)旋转压实剪切试验是上世纪60年代美国工程兵最先为解决空军重型轰炸机机场跑道的设计而研究发明的。80年代后期,又将这一试验理论和方法运用到现代高速公路在车辆荷载骤增条件下,防止路面产生车辙、泛油和破坏变形等病害的针对性设计。美国ASTM规范已将该法列为沥青混凝土试验标准和内容之一。
上世纪90年代,国内部分省与研究机构引进了这种试验设备,并前后在石(家庄)太(原)、宣(化)大(同)和(北)京沪(上海)等高速公路路面工程中,进行了对比实验和施工应用。但是,GTM实验设计的内容、理论方法究竟有哪些先进和创新之处;又如何将这种实验设计的新标准—高密度、低油石比付诸于实施,仍是一个有待探讨的问题。
2 GTM试验的创新点
GTM试验是一种能近似模拟车辆荷载对道路的作用状态,并跟踪路面材料实际受力状况进行沥青混合料组成设计的方法。它将沥青混合料试件的压实成型与剪切试验在一台试验机上同步完成,采用实际行车轮胎下的最大接触压强作为试件成型的垂直压强,通过试验机的上、下压板和与之保持一定倾斜角的卡盘,以滚珠旋转的形式对试模中的试件作出旋转与揉搓压实,并逐渐达到平衡状态。此时每100转,密度变化为1lb/m3(0.016g/cm3)时,即可视为达到了平衡状态,或达到了汽车和在长期作用路面所能产生的最终(大)密度。此即模拟行车对路面力学作用的特点之处。
GTM试验主要通过以下三项指标来确定和优化最佳沥青用量与最大密度。
(1)应变比:
测量试件在压实过程中出现的塑变。当压实达到平衡状态时,通过试件的最终高度求得最终应变与试验中最小应变之比,也即旋转压实的稳定值(GSI)应接近或小于1。实际上与Marshall试验中的流值涵义类似。
(2)抗剪强度:
当压实达到平衡状态时,试件测得的静态抗剪强度与行车荷载作用下的最大剪应力之比,也即抗剪安全系数(GSF)应大于1.3。试件一旦达到或超过了最佳沥青用量,抗剪强度下降就会在剪应变计上记录并直接反映出来。按照T=Ptgφ+c强度原理,实际上此项试验指标含义与Marshall稳定度相当。
(3)最大密度:
指压实混合料达到平衡状态时的密度。在一定程度上,也能同时反映出与空隙率、饱和度之间关系的物理指标。大量的Marshall试验结果表明,在最大密度和最佳沥青含量的范围附近,试件的空隙率、饱和度一般都能够得到满足,如果出现异常,多是由于如集料的相对密度、视比重,或试件的毛体积、密度等基础试验数据不准确所致。所以,针对GTM试验设计,在选择最佳沥青用量上,突出了应变比、抗剪强度、最大密度这三大指标的测试与控制。
GTM试验与传统的Marshall试验相比,不仅在理论上有所不同,而且GTM模拟实际轮胎最大压力下旋转揉搓成型试件的方法远优于Marshall的锤击成型模式。当前道路行车荷载接触压力不断增大,一般的“东风”和“解放”货车满载时,接触压强可达0.7～0.8MPa,至于像(北)京张(家口)、宣(化)大(同)等这样晋煤与蒙煤运输通道的高速公速,据观测统计:3轴类货车(40～60t)约占到总交通量的66%,4轴类货车(>60t)约占到40%,5轴类货车(>75t)约占到5%。经测算这类货车的轮胎压力已高达1.0～1.1MPa,而我国现行的标准为0.7MPa,显然目前的Marshall双面各75次击实试验设计远不能满足实际行车使用的要求,往往难以避免车辙、泛油等弊端的产生。
GTM试验认为,Marshall锤击成型的击实功及其相应的密度与目前重载交通作用下路面压实功和密度已不相适应,而且,在试验设计中远非单纯地提高击实次数所能见效,因为过多的击实次数会导致石料颗粒破碎。从试验的角度上讲,Marshall试模内径为101.6mm,击成的试件高度63.5mm,当集料粒径大于26.5mm时,需要做等量替代,以维持最大骨料尺寸不超过试模尺寸的3/4,由于试件尺寸小,成型试样的代表性受到一定的局限,实验后的数据波动、离散以及数据的准确性受到很大的影响。而GTM则有内径高度分别为102×152mm、152×254mm和203×305mm三种钢模,因此,试模尺寸的放大,不仅试验选择有了较大的余地,而且试样的代表性、试验数据结果的准确性都会有相应的提高。
3 GTM与Marshall试验结果比较分析
1992年在TRB年会的学术报告文献中,曾论述了F15飞机在机场跑道上采用两种不同试验设计方法所做的现场冲击荷载试验比较数据。其中,飞机的左轮和右轮分别作用在通过GTM和Marshall混合料设计的跑道上,经过5817次反复冲击后采集的数据表明,GTM设计的跑道未出现任何车辙现象;而Marshall设计的跑道上则出现了平均为3.0cm的车辙。表1是美国工程兵分别采用GTM(垂直压强=2.1MPa)与Marshall两种试验设计方法实验数据的对比结果;表2是河北省交通科学研究所在两条高速公路实验路段中得出的比较数据。
注:①美国级配3/4in属粒径偏细型,接近我国AC-13I型。 由表1和表2很明显看出,随着不同垂直压强的提高,压实度呈现有规律地增大,最佳油石比则相应地呈下降趋势。以石(家庄)太(原)高速公路铺筑AC-16I型为例,在Marshall与垂直压强为0.9MPa的GTM试验设计之间,两者在密度上,GTM大约要高出3%左右,最佳油石比则降低0.9%;(北)京沪(上海)高速公路的Marshall与垂直压强为0.7～0.8MPa的GTM试验设计之间,后者的密度大约高出1.0%,最佳油石比平均低0.6%左右。
因此,与Marshall试验设计相比,GTM试验设计所提供的这种高密度、低油量指标已经是一个相当可观的质量标准与提高幅度,而沥青混合料各项物理力学性能的提高,几乎都可归结于提高沥青混合料成型压强后的高密度、低油石比来获得。
4 关于最大密度与最佳油石比
从沥青混合料理论组成设计上,GTM试验揭示了在重荷载交通条件下,沥青混凝土的压实密度可有更大幅度的提高,相应地最佳油石比也可达到更小值这一内在物理机理和规律。如图1是由实际施工中收集的数据加以整理后分析绘制的曲线图。图1中的曲线包括两种数据情况,一种是石(家庄)太(原)高速公路AC-16I、SAC-16与(北)京沪(上海)高速公路AC-25I、AC-20I和AC-16I五种结构形式的实测点数据,分别得到在GTM和Marshall不同垂直压强下,最大密度与最佳油石比曲线,其中,Marshall标准相当于GTM0.6MPa的压强水平;另一种是通过沥青混合料密度与油石比计算出的2%和3%空隙率曲线。虽然上述这些不同类型的沥青混凝土试验数据来自于不同时期和不同结构层位以及集料来源、石质强度与硬度各异,但仍可清楚地看出他们之间的内在联系。
也就是,沥青混合料在外力的作用下,颗粒之间产生移动、压紧、相互填充与相互嵌挤;特别是在一定温度条件下,沥青油膜所产生的润滑作用会进一步促进混合料之间的这种重新排列,使单位体积内的集料颗粒质量不断增加,空隙体积不断缩小。当采用单位压(击)实功变化时,所得到的最大密度也随之不同,因此,压(击)实功越重,密度则越大,最佳含油量相应减少;反之,压(击)实功越小,密度也越小,最佳含油量则相应增大。从图1中曲线发生规律可见,在进入较高密度区间,与2%、3%空隙率曲线交会,并进入2%～3%空隙率区间。
图2为分别汇集了三条高速公路的密度与油石比、空隙率与油石比的试验数据曲线,也同样呈现出这一压实的内在规律性。即在分别给定的0.7MPa与0.8MPa垂直压强条件下,也反映出最大密度随压强的增大而增大,最佳油石比随压强的增大而减小。图中有几条进入1%以下区间,虽然实际试验数据许多因素影响存在误差,但从优选最佳状态下的空隙率结果来看,大体变化在1.9%～2.9%之间,饱和度在80%～84%,已接近或超过了Marshall标准的限值,这是一个值得研究的新动向。
Marshall试验表明,在轻重不同压(击)实功作用下,沥青混合料即使达到了相应的最大密度最佳油石比用量状态,仍会残留有大于3%的空隙率。如当压(击)实功较小时,集料颗粒间的密实程度趋小而空隙率偏大,此时要满足集料颗粒间的裹覆、填充所需要的沥青用量也会相应增加。当采用提高试件垂直压强之后,集料间的密实性就会增强,间隙率也随之减小,因而,可继续较小的沥青用量就能满足裹覆、填充的需要。正如图1曲线所反映出来的规律性,最大密度与最佳油石比曲线与2%、3%空隙率等值线呈现出有规律的上升,并在一定的密度与油石比范围内出现交会。但究竟保持一个什么数量的递增规律,曲线的正确走向以及在何种情况下出现重合等等,影响因素甚多,目前,由于这方面的试验经验与数据积累仍不足以充分说明,仅从理论上推算可知,密度域集料的相对密度有直接的关系。当集料来源不同,也会因石质的改变而变化。所以,图1和图2中的空隙率曲线只能反映出一个大体的规律性。由于GTM和Marshall两种试验设计方法在密度、油石比标准上所产生的差异,反映在力学强度指标方面也有所不同,如表2所示,在高温稳定度上,GTM约大于Marshall的2～3倍以上;在低温稳定度上,GTM的-10℃劈裂抗拉强度约高于Marshall的20%左右;在水稳定性上,若以冻融循环与未经冻融循环后的劈裂抗拉强度之比的冻融系数来衡量,Marshall为89%～95%,GTM为95%～101%,表明重交通荷载需要更高的密实度、车辙稳定度、水稳定性和较低的含油量。而产生车辙的根源正在于试验设计方法不能与当前剧增行车荷载作用下的压实功相匹配所致。
从沥青、矿粉胶浆、沥青薄膜对集料的裹覆粘结理论来看,沥青薄膜越薄,应体现出粘结力越强。然而,由于集料颗粒的表面并非具有那种规则平整的粘合面,而是凹凸不平与相互交错和嵌挤的压密,因而,就需要有一定的填充与裹覆。由此可推理,GTM在继续增加荷载压强标准的条件下,最佳油石比的递减变化不可能是一个单一的量变规律上的延伸,而应该存在一个质变上的渐近界限。譬如,重型飞机场跑道与频繁高速行驶汽车的路面在受力环境和使用上有许多不同,尤其是沥青表面层直接承受大气与行车荷载作用,应该有一个最佳的、最低的沥青用量限制,这将涉及到空隙率、饱和度、集料间隙率等一系列指标和理论上的探索;而当前所迫切研究的应该是GTM在何种适当压强条件下、试验设计的标准以及在生产应用中如何进一步提高压实质量的问题。
5 工程实际应用
GTM试验揭示了提高荷载的压实功,不仅可以获得更大的最大密度与更小的最佳油石比这一压实机理的内在潜能和规律,同时也明确地向沥青路面施工提出了更高、更严格的压实密度指标。
如表1中美国空军工程兵在2.1MPa条件下的试验结果,由Marshall的最佳沥青含量5.3%降低到GTM的3.8%,减少沥青用量1.5%,节约沥青用量28%。这样小的油石比指标,给矿料级配的选型、施工碾压以及后期行车效果等实践应用带来一系列新的问题。据河北省道路交通荷载实际情况,GTM采用垂直压强0.7～0.9MPa范围进行试验设计是恰当地选择标准,压实度需要提高1.0%～3.0%左右。如何看待这一问题,向更高的压实度目标靠近,就是要压得早、碾压及时,高温碾压。
压得早、碾压及时体现一个高温碾压和“趁热打铁”的做法。沥青混凝土需要在高温条件下通过沥青的润滑作用来达到充分压实。温度是压实第一要素,不仅要趁热压实,还要保热压实,这是一个非常重要的施工工艺问题。特别是近年来沥青靣层的沥青标号不断提高,由AH-90、AH-70以至到改性沥青的应用,沥青硬度提高,更需要在高温下紧跟摊铺机及时碾圧。
河北省在多条高速公路面层铺筑中,重点也是放在了如何在保温、保热状态下,进行紧张有序的压实作业。其中,在(北)京沪(上海)高速公路路面铺筑中,要求压路机全部更换新喷咀,以便在碾压过程中能够尽量减少压路机的喷水量,防止混合料温度降低太快。做到高温碾压、保热压实和严格压实程序控制方面取得了明显效果。
参考文献
[1]尚新鸿,赵伟,常安.GTM法在重载交通公路沥青路面大中修设计中的应用[J].中外公路,2008,28(4):73.
[2]庄海清,张可强,叶勤.GTM设计的沥青混合料在高速公路中的应用[J].中国市政工程,2009(4).
[3]何兆益,张政国,黄刚.沥青稳定碎石混合料设计方法对比试验研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2008,27(6).
[4]王国清.旋转剪切压实法(GTM)混合料设计与施工技术指南[M].人民交通出版社,2006.5.
[5]尚新鸿,舒国明,马立峰.GTM在解决石太高速公路车辙病害中的应用[J].中外公路,2009,29(2).
[6]张周平,李聚立,宋继增.沥青混合料GTM设计方法及工程质量研究[J].黑龙江工程学院学报,2008(1).
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