GTM在重載交通瀝青路面施工中的應用

程同華

(河北省交通規劃設計研究院)

1 現 狀

我國在相當長的時期內以傳統的馬歇爾試驗方法進行瀝青混合料的配合比設計,并且施工過程中用馬歇爾的各項指標來控制瀝青面層的施工,其實馬歇爾的設計與控制方法已經不能滿足現有的交通狀況,擊實功的偏小使得路面不能達到行車荷載作用下的最終密度,造成路面早期病害的出現。用馬歇爾設計出的混合料在進行改性瀝青混合料試驗時常出現荷載稍微增加,變形卻持續增加的現象,這可能是由于馬歇爾方法設計的混合料瀝青含量偏大,抗變形能力不足,在超負荷荷載作用下容易發生不可逆變形。并且不能對生產出的瀝青混合料的級配做出第一反應,在控制施工的時候,使得問題的出現和解決存在時間上的不一致,造成施工質量的下降。

2 GTM的優點

GTM是以汽車輪胎實際的接地壓強來模擬汽車對路面的作用而開發的一種新的設計和施工管理方法,能最大程度的模擬汽車在公路上行駛時輪胎與路面的相互作用,能夠模擬施工階段壓路機對混合料的壓實機理,最終達到設計和施工標準。其特點是將試件的壓實成型與剪切試驗在一臺試驗機上同時完成,而不像常規馬歇爾試驗采用先錘擊成型試件,而后再做物理力學性能試驗。另外當今的重載交通馬歇爾設計方法已不再適應了,如果單純增加擊實功,只能造成集料顆粒的破碎。而GTM試驗一個瀝青含量的試件大約需要 0.5h,能夠及時得出試驗數據來指導施工。這樣設計和生產出的用于鋪筑道路的混合料能夠最大程度抵抗車轍的出現,使生產出的混合料的抗剪強度大于受到的剪應力,從而延長路面的使用壽命。

從試驗的角度考慮,馬歇爾設計方法的試模存在一定的不足,有的時候不能滿足最大粒徑不超過試模尺寸 1/4的要求,這樣成型出來的試件試驗數據的波動性較大,使得試驗結果的準確性受到影響。而 GTM擁有 3種鋼模,分別是102mm×152mm,152mm×254mm和 203mm×305mm,試模尺寸放大了,成型試樣的代表性和試驗數據的準確性都得到了提高。

3 GTM用于控制質量的指標

(1)穩定值 GSI(Gyratory Stability Index):指瀝青混合料在壓實到平衡狀態時是否失去彈性,是對瀝青混合料穩定性的量度,與瀝青混合料的永久變形有關。該指標由最終旋轉角除以中間最小旋轉角確定,對于不穩定的混合料,由于瀝青混合料的塑性流動,旋轉角在壓實過程中增大,對于穩定的混合料不會有大的增加。壓實穩定值接近 1.0時一般表現為穩定的混合料,而該值超過 1.1時很多時侯表現為不穩定的混合料。

(2)抗剪安全系數 GSF(Gyratory Shear Factor):指瀝青混合料被壓實到平衡狀態時的抗剪強度與行車荷載作用下需承受的剪應力的比值。規定 GSF不小于 1.3,試件一旦達和超過了最佳瀝青用量之后,抗剪強度的下降就會在剪應變的記錄上直接反映出來。按照T=PtanФ+C的強度原理,此項指標實際上與馬歇爾試驗的穩定度指標含義相當。

(3)密度:GTM設計瀝青混合料時可以通過控制旋轉次數、控制試件的高度或者使混合料壓實到平衡狀態達到一定的密度來控制。通過美國工程兵團的試驗研究,認為當混合料壓實到平衡狀態時,與實際路面在設計荷載的作用下的最終密度相當。實際施工過程中以平衡狀態(所謂平衡狀態是指每旋轉 100次試件密度變化率為 0.016g/cm3)來控制施工。

(4)旋轉壓實指數(Gyratory Compactibility Index,簡稱GCI):指 GTM試驗時,試件在 30轉時密度與 60轉時密度的比值。表征材料容易壓實的程度,可以作為確定碾壓工藝的參考。

4 實際應用

4.1 檢驗級配

GTM旋轉壓實剪切試驗機對瀝青混合料的級配是非常敏感的,尤其是關鍵篩孔的變化通常會引起力學指標 GSI、GSF的波動。在傳統的施工控制環節中,施工單位采用馬歇爾試驗來檢驗當天的混合料的一些指標,但是馬歇爾試驗不能及時反映出混合料的級配狀況,不能及時得出混合料的力學指標狀況,當天施工只能靠個人的經驗來判斷,這無疑會給施工質量埋下一個潛在的隱患。GTM從根本上解決了這一個問題,在 2h內就可以得出結果,以試驗的各項指標來及時調整瀝青拌和樓的生產配比,表 1是某標段 GTM檢驗級配的結果。

表 1 GTM檢驗級配的結果

表 1中GSI＞1.12的兩個級配中關鍵篩孔的通過率都偏大,其中 0.075mm篩孔的通過率更是超出了施工規范的要求;另外 19mm、16mm、13.2mm篩孔都接近或是超出要求級配的上限,該混合料總體來說屬于偏細,GTM試驗機能夠比較敏感的反映出來;另外兩個級配中關鍵篩孔通過率的改變也同樣直觀的反映在試驗數據上。所以可以在較短的時間內通過GTM試驗來檢驗級配合理與否,能夠迅速、直觀的得出生產出的混合料的級配與要求的最佳級配差別在什么地方。

4.2 檢驗油石比

油石比的定義是瀝青質量與礦料質量的比值,施工過程中能否控制好油石比,將很大程度上影響混合料的質量,同時關系到成本的問題,所以現場施工也需要及時的了解這一情況。

取當天生產的某一級配的熱瀝青混合料進行 GTM試驗,GTM試驗機能夠通過 GSI、GSF這兩個指標來檢驗瀝青含量的大小。當瀝青含量超過最佳瀝青用量的時候,GSI這一指標的數值會增加,曲線呈上升態勢;GSF抗剪切指標的數值會下降,曲線呈下降態勢。這就說明瀝青用量偏大了,應當作出適當調整。

4.3 確定標準密度以評價壓實度

目前確定標準密度的方法有試驗段法、最大理論密度法、馬歇爾法。這幾種方法都存在其自身的弊端。

(1)馬歇爾。

馬歇爾試驗確定標準密度是我國公路行業常用的方法之一,從每天生產的瀝青混合料中取出代表性樣品,雙面各擊實 75次成型試件,然后測試試件的毛體積密度,該方法簡單易行,但是存在一定的弊端。首先是擊實功的大小問題,目前高速公路的設計標準已經提高,按照馬歇爾的擊實方式換算的話已經不能滿足現在高速公路的需求,在擊實時間內,擊實功已經明顯不夠,如果按照馬歇爾成型試件的密度評價路面壓實效果,顯然是人為把質量評定標準降低,這樣鋪筑的路面難免在運行期過早出現病害,而且馬歇爾成型方式和路面的碾壓成型原理存在根本上的差異,這就為兩者之間的聯系制造很大的麻煩,具體說就是已經不能和現代高速公路的質量評定標準相匹配。另外由馬歇爾試驗得出的相關數據評價瀝青混合料的性能也存在一定的局限性,它不能直接用來評價和反映混合料的性能。現在高速公路的施工質量如果按照馬歇爾的方式來控制壓實度很容易達到,說明路面質量還可以再提高,這就需要一種新的控制方法。

(2)試驗段。

正式施工之前,施工單位要做 200～300m的試驗段,用來確定施工工藝和施工組織管理方法是否合適,檢驗拌和設備的性能如何。這些都要通過試驗段的質量檢測結果來評定。試驗段是大家認為組織最合理的施工段,認為這是最理想狀態下的能夠達到的最好的施工水平,在正常施工階段肯定要比試驗段的效果差,所以也可以以試驗段的路面鉆芯試件的密度來作為該級配的生產標準密度。

熟悉施工的都知道,正常生產和試驗段存在很大的差異。包括設備的配置、設備的利用率、拌和樓的穩定與否,以及原材料的變化等都會影響生產出來的瀝青混合料級配的穩定,鋪筑的路面質量的好與壞。每天的生產級配都是在變化的,即便按試驗段的方式來控制,攤鋪成型的路面質量也是不一樣的,所以這就為評價路面壓實效果帶來麻煩。也就是說這一標準密度對于不同施工段起的作用是不一樣的,對這一施工段來說可能標準就高了;對另外一施工段來說可能又低了。也就是說不能及時拿出一個合理并且實際的標準密度來控制壓實度,路面的壓實評定很難進行。

(3)最大理論密度法。

試驗規程上可行的試驗方法有抽真空和溶劑法,這兩種方法都能夠實測普通瀝青混合料的最大相對理論密度,但是對于改性瀝青混合料的最大理論相對密度實測就存在一定的難度,因為改性瀝青的黏度比較大,拌和后的瀝青混合料有很大的粘性,在人工分散顆粒這一環節就存在很大的困難,這一點對于普通瀝青來說也是有很大誤差的,試驗結果的離散性比較大,對于試驗數據的準確使用不容易把握;另外,不同的試驗人員實測出的最大相對理論密度的數值也是存在很大差異的。換句話說,現有的試驗條件不能夠把瀝青混合料真實的最大理論密度測試出來,因此,這種方法也存在一個很大的弊端,對于施工過程的壓實質量控制所起的作用缺乏一定的說服力。

(4)GTM方法。

GTM旋轉壓實儀的平衡狀態控制方法可以得出瀝青混合料的最大密度,在需要的壓強下使得試件達到最大程度的密實,這就是用當天生產的瀝青混合料做GTM旋轉壓實,得出相應的瀝青混合料成型試件的密度。用這一密度來評價該天所鋪筑路面的壓實度,樣品的代表性比較強,可以得出準確、切合實際的密度來指導施工,評價瀝青路面的施工質量;另外該方法能夠及時得出數據,而且試件的成型方式與路面的碾壓最接近,更能和現場施工的實際情況相吻合,這樣得出的試驗數據指導性更強,更有說服力的。表 2是GTM與馬歇爾的試驗對比。

表 2 GTM與馬歇爾試驗對比

從以上數據分析,混合料的馬歇爾擊實密度僅為 GTM旋轉壓實得出密度的 97.0%～97.6%,如果能夠達到 GTM標準密度的 97%,那么路面將在很大程度上減少路面病害的出現。如果仍然以馬歇爾的密度來評價壓實度的話,換算成和GTM相對比的壓實度數據,這一數據如果按照 GTM的要求,那么現場實測芯樣的密度必須接近馬歇爾密度的100%,甚至超百才能達到 GTM施工要求的下限,但是壓實度是很多人不想見到的。可想而知這一差距將會對路面的施工質量產生多大的影響。

現場施工是 GTM路面的一個相當重要的環節,施工工藝中重點強調 30 t以上膠輪壓路機的作用,這與運行期的路面碾壓是一樣的,膠輪壓路機的揉搓碾壓與 GTM的旋轉壓實非常相似,在實際工程中,膠輪使用的好壞會直接影響到路面壓實度。馬歇爾在這一點上是無法比擬 GTM的,所以說用馬歇爾擊實成型試件得出的密度來控制壓實度在原理上來說是欠缺的,只是基于我國的現狀,可以用馬歇爾來檢驗。

GTM成型試件混合料的溫度為現行規范的復壓溫度,復壓對于路面起到了至關重要的作用,因此這就對現場施工組織管理提出了要求,可能由于試驗數據的偏大讓施工單位感到壓力很大,其實這只是問題的一個方面,還有一個更為重要而又易被忽視,一直未能充分開發的重大潛力,那就是在現場如何組織施工管理,加強高溫碾壓作業的控制。如果能做到這一點,將會使運行期路面的病害發生率降到最低。

GTM是一種新的確定標準密度的手段和方法,經過幾條高速公路的現場使用得出了一套行之有效的施工管理經驗,而且也取得了相當大的成功,所以現場GTM試驗不僅是提供標準密度,更提高了路面的施工質量,延長了路面的使用壽命。

這歸功于GTM模擬的合理性、數據的準確性、施工的規范性、管理的及時性。

5 GTM施工瀝青混凝土的檢測

通過試驗路的施工總結,GTM設計和施工瀝青混凝土建議采用以下方法進行檢測。

(1)級配控制:每天生產的配合比中瀝青混凝土級配盡可能地接近生產級配,實際生產中以生產配比為主,并控制主要篩孔。4.75mm篩孔控制在 ±2%,2.36 mm篩孔控制在±2%,0.075mm篩孔控制在 ±1%。

(2)施工油石比:進行抽提試驗,滿足設計要求。

(3)試件密度:現場鉆取芯樣,做試件的毛體積密度。

(4)壓實度控制:將 GTM做出的密度作為標準密度,路面壓實度達到 97%以上。

6 結束語

(1)GTM路面的設計與施工管理是確保工程質量的兩個重要環節,施工管理在后期發揮重要的作用。

(2)GTM設計的瀝青路面高密度、低油量在現場施工中是可以做到的。

(3)現場 GTM試驗能夠準確、及時的動態管理的生產,減少施工的盲目性,提高工作效率。

(4)GTM在重載交通瀝青路面施工中能夠減少病害的出現,提高路面的質量,延長道路的使用壽命。

(5)專業人員通過 GTM現場檢測和管理,在幾條高速公路的實踐中取得了相當大的成功,這是令人欣喜的,為我國的交通事業的發展樹立了一面旗幟。

[1] 公路瀝青路面施工技術規范(JTJF40-2004)[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(JTJ052-2000)[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3] 沙慶林.高速公路瀝青路面的水破壞及其防治措施.