GTM在重载交通沥青路面施工中的应用

程同华

(河北省交通规划设计研究院)

1 现 状

我国在相当长的时期内以传统的马歇尔试验方法进行沥青混合料的配合比设计,并且施工过程中用马歇尔的各项指标来控制沥青面层的施工,其实马歇尔的设计与控制方法已经不能满足现有的交通状况,击实功的偏小使得路面不能达到行车荷载作用下的最终密度,造成路面早期病害的出现。用马歇尔设计出的混合料在进行改性沥青混合料试验时常出现荷载稍微增加,变形却持续增加的现象,这可能是由于马歇尔方法设计的混合料沥青含量偏大,抗变形能力不足,在超负荷荷载作用下容易发生不可逆变形。并且不能对生产出的沥青混合料的级配做出第一反应,在控制施工的时候,使得问题的出现和解决存在时间上的不一致,造成施工质量的下降。

2 GTM的优点

GTM是以汽车轮胎实际的接地压强来模拟汽车对路面的作用而开发的一种新的设计和施工管理方法,能最大程度的模拟汽车在公路上行驶时轮胎与路面的相互作用,能够模拟施工阶段压路机对混合料的压实机理,最终达到设计和施工标准。其特点是将试件的压实成型与剪切试验在一台试验机上同时完成,而不像常规马歇尔试验采用先锤击成型试件,而后再做物理力学性能试验。另外当今的重载交通马歇尔设计方法已不再适应了,如果单纯增加击实功,只能造成集料颗粒的破碎。而GTM试验一个沥青含量的试件大约需要 0.5h,能够及时得出试验数据来指导施工。这样设计和生产出的用于铺筑道路的混合料能够最大程度抵抗车辙的出现,使生产出的混合料的抗剪强度大于受到的剪应力,从而延长路面的使用寿命。

从试验的角度考虑,马歇尔设计方法的试模存在一定的不足,有的时候不能满足最大粒径不超过试模尺寸 1/4的要求,这样成型出来的试件试验数据的波动性较大,使得试验结果的准确性受到影响。而 GTM拥有 3种钢模,分别是102mm×152mm,152mm×254mm和 203mm×305mm,试模尺寸放大了,成型试样的代表性和试验数据的准确性都得到了提高。

3 GTM用于控制质量的指标

(1)稳定值 GSI(Gyratory Stability Index):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时很多时侯表现为不稳定的混合料。

(2)抗剪安全系数 GSF(Gyratory Shear Factor):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需承受的剪应力的比值。规定 GSF不小于 1.3,试件一旦达和超过了最佳沥青用量之后,抗剪强度的下降就会在剪应变的记录上直接反映出来。按照T=PtanФ+C的强度原理,此项指标实际上与马歇尔试验的稳定度指标含义相当。

(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达到一定的密度来控制。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。实际施工过程中以平衡状态(所谓平衡状态是指每旋转 100次试件密度变化率为 0.016g/cm3)来控制施工。

(4)旋转压实指数(Gyratory Compactibility Index,简称GCI):指 GTM试验时,试件在 30转时密度与 60转时密度的比值。表征材料容易压实的程度,可以作为确定碾压工艺的参考。

4 实际应用

4.1 检验级配

GTM旋转压实剪切试验机对沥青混合料的级配是非常敏感的,尤其是关键筛孔的变化通常会引起力学指标 GSI、GSF的波动。在传统的施工控制环节中,施工单位采用马歇尔试验来检验当天的混合料的一些指标,但是马歇尔试验不能及时反映出混合料的级配状况,不能及时得出混合料的力学指标状况,当天施工只能靠个人的经验来判断,这无疑会给施工质量埋下一个潜在的隐患。GTM从根本上解决了这一个问题,在 2h内就可以得出结果,以试验的各项指标来及时调整沥青拌和楼的生产配比,表 1是某标段 GTM检验级配的结果。

表 1 GTM检验级配的结果

表 1中GSI＞1.12的两个级配中关键筛孔的通过率都偏大,其中 0.075mm筛孔的通过率更是超出了施工规范的要求;另外 19mm、16mm、13.2mm筛孔都接近或是超出要求级配的上限,该混合料总体来说属于偏细,GTM试验机能够比较敏感的反映出来;另外两个级配中关键筛孔通过率的改变也同样直观的反映在试验数据上。所以可以在较短的时间内通过GTM试验来检验级配合理与否,能够迅速、直观的得出生产出的混合料的级配与要求的最佳级配差别在什么地方。

4.2 检验油石比

油石比的定义是沥青质量与矿料质量的比值,施工过程中能否控制好油石比,将很大程度上影响混合料的质量,同时关系到成本的问题,所以现场施工也需要及时的了解这一情况。

取当天生产的某一级配的热沥青混合料进行 GTM试验,GTM试验机能够通过 GSI、GSF这两个指标来检验沥青含量的大小。当沥青含量超过最佳沥青用量的时候,GSI这一指标的数值会增加,曲线呈上升态势;GSF抗剪切指标的数值会下降,曲线呈下降态势。这就说明沥青用量偏大了,应当作出适当调整。

4.3 确定标准密度以评价压实度

目前确定标准密度的方法有试验段法、最大理论密度法、马歇尔法。这几种方法都存在其自身的弊端。

(1)马歇尔。

马歇尔试验确定标准密度是我国公路行业常用的方法之一,从每天生产的沥青混合料中取出代表性样品,双面各击实 75次成型试件,然后测试试件的毛体积密度,该方法简单易行,但是存在一定的弊端。首先是击实功的大小问题,目前高速公路的设计标准已经提高,按照马歇尔的击实方式换算的话已经不能满足现在高速公路的需求,在击实时间内,击实功已经明显不够,如果按照马歇尔成型试件的密度评价路面压实效果,显然是人为把质量评定标准降低,这样铺筑的路面难免在运行期过早出现病害,而且马歇尔成型方式和路面的碾压成型原理存在根本上的差异,这就为两者之间的联系制造很大的麻烦,具体说就是已经不能和现代高速公路的质量评定标准相匹配。另外由马歇尔试验得出的相关数据评价沥青混合料的性能也存在一定的局限性,它不能直接用来评价和反映混合料的性能。现在高速公路的施工质量如果按照马歇尔的方式来控制压实度很容易达到,说明路面质量还可以再提高,这就需要一种新的控制方法。

(2)试验段。

正式施工之前,施工单位要做 200～300m的试验段,用来确定施工工艺和施工组织管理方法是否合适,检验拌和设备的性能如何。这些都要通过试验段的质量检测结果来评定。试验段是大家认为组织最合理的施工段,认为这是最理想状态下的能够达到的最好的施工水平,在正常施工阶段肯定要比试验段的效果差,所以也可以以试验段的路面钻芯试件的密度来作为该级配的生产标准密度。

熟悉施工的都知道,正常生产和试验段存在很大的差异。包括设备的配置、设备的利用率、拌和楼的稳定与否,以及原材料的变化等都会影响生产出来的沥青混合料级配的稳定,铺筑的路面质量的好与坏。每天的生产级配都是在变化的,即便按试验段的方式来控制,摊铺成型的路面质量也是不一样的,所以这就为评价路面压实效果带来麻烦。也就是说这一标准密度对于不同施工段起的作用是不一样的,对这一施工段来说可能标准就高了;对另外一施工段来说可能又低了。也就是说不能及时拿出一个合理并且实际的标准密度来控制压实度,路面的压实评定很难进行。

(3)最大理论密度法。

试验规程上可行的试验方法有抽真空和溶剂法,这两种方法都能够实测普通沥青混合料的最大相对理论密度,但是对于改性沥青混合料的最大理论相对密度实测就存在一定的难度,因为改性沥青的黏度比较大,拌和后的沥青混合料有很大的粘性,在人工分散颗粒这一环节就存在很大的困难,这一点对于普通沥青来说也是有很大误差的,试验结果的离散性比较大,对于试验数据的准确使用不容易把握;另外,不同的试验人员实测出的最大相对理论密度的数值也是存在很大差异的。换句话说,现有的试验条件不能够把沥青混合料真实的最大理论密度测试出来,因此,这种方法也存在一个很大的弊端,对于施工过程的压实质量控制所起的作用缺乏一定的说服力。

(4)GTM方法。

GTM旋转压实仪的平衡状态控制方法可以得出沥青混合料的最大密度,在需要的压强下使得试件达到最大程度的密实,这就是用当天生产的沥青混合料做GTM旋转压实,得出相应的沥青混合料成型试件的密度。用这一密度来评价该天所铺筑路面的压实度,样品的代表性比较强,可以得出准确、切合实际的密度来指导施工,评价沥青路面的施工质量;另外该方法能够及时得出数据,而且试件的成型方式与路面的碾压最接近,更能和现场施工的实际情况相吻合,这样得出的试验数据指导性更强,更有说服力的。表 2是GTM与马歇尔的试验对比。

表 2 GTM与马歇尔试验对比

从以上数据分析,混合料的马歇尔击实密度仅为 GTM旋转压实得出密度的 97.0%～97.6%,如果能够达到 GTM标准密度的 97%,那么路面将在很大程度上减少路面病害的出现。如果仍然以马歇尔的密度来评价压实度的话,换算成和GTM相对比的压实度数据,这一数据如果按照 GTM的要求,那么现场实测芯样的密度必须接近马歇尔密度的100%,甚至超百才能达到 GTM施工要求的下限,但是压实度是很多人不想见到的。可想而知这一差距将会对路面的施工质量产生多大的影响。

现场施工是 GTM路面的一个相当重要的环节,施工工艺中重点强调 30 t以上胶轮压路机的作用,这与运行期的路面碾压是一样的,胶轮压路机的揉搓碾压与 GTM的旋转压实非常相似,在实际工程中,胶轮使用的好坏会直接影响到路面压实度。马歇尔在这一点上是无法比拟 GTM的,所以说用马歇尔击实成型试件得出的密度来控制压实度在原理上来说是欠缺的,只是基于我国的现状,可以用马歇尔来检验。

GTM成型试件混合料的温度为现行规范的复压温度,复压对于路面起到了至关重要的作用,因此这就对现场施工组织管理提出了要求,可能由于试验数据的偏大让施工单位感到压力很大,其实这只是问题的一个方面,还有一个更为重要而又易被忽视,一直未能充分开发的重大潜力,那就是在现场如何组织施工管理,加强高温碾压作业的控制。如果能做到这一点,将会使运行期路面的病害发生率降到最低。

GTM是一种新的确定标准密度的手段和方法,经过几条高速公路的现场使用得出了一套行之有效的施工管理经验,而且也取得了相当大的成功,所以现场GTM试验不仅是提供标准密度,更提高了路面的施工质量,延长了路面的使用寿命。

这归功于GTM模拟的合理性、数据的准确性、施工的规范性、管理的及时性。

5 GTM施工沥青混凝土的检测

通过试验路的施工总结,GTM设计和施工沥青混凝土建议采用以下方法进行检测。

(1)级配控制:每天生产的配合比中沥青混凝土级配尽可能地接近生产级配,实际生产中以生产配比为主,并控制主要筛孔。4.75mm筛孔控制在 ±2%,2.36 mm筛孔控制在±2%,0.075mm筛孔控制在 ±1%。

(2)施工油石比:进行抽提试验,满足设计要求。

(3)试件密度:现场钻取芯样,做试件的毛体积密度。

(4)压实度控制:将 GTM做出的密度作为标准密度,路面压实度达到 97%以上。

6 结束语

(1)GTM路面的设计与施工管理是确保工程质量的两个重要环节,施工管理在后期发挥重要的作用。

(2)GTM设计的沥青路面高密度、低油量在现场施工中是可以做到的。

(3)现场 GTM试验能够准确、及时的动态管理的生产,减少施工的盲目性,提高工作效率。

(4)GTM在重载交通沥青路面施工中能够减少病害的出现,提高路面的质量,延长道路的使用寿命。

(5)专业人员通过 GTM现场检测和管理,在几条高速公路的实践中取得了相当大的成功,这是令人欣喜的,为我国的交通事业的发展树立了一面旗帜。

[1] 公路沥青路面施工技术规范(JTJF40-2004)[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] 公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ052-2000)[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3] 沙庆林.高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施.