程同華

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)

1 現(xiàn) 狀

我國在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)以傳統(tǒng)的馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì),并且施工過程中用馬歇爾的各項(xiàng)指標(biāo)來控制瀝青面層的施工,其實(shí)馬歇爾的設(shè)計(jì)與控制方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的交通狀況,擊實(shí)功的偏小使得路面不能達(dá)到行車荷載作用下的最終密度,造成路面早期病害的出現(xiàn)。用馬歇爾設(shè)計(jì)出的混合料在進(jìn)行改性瀝青混合料試驗(yàn)時(shí)常出現(xiàn)荷載稍微增加,變形卻持續(xù)增加的現(xiàn)象,這可能是由于馬歇爾方法設(shè)計(jì)的混合料瀝青含量偏大,抗變形能力不足,在超負(fù)荷荷載作用下容易發(fā)生不可逆變形。并且不能對生產(chǎn)出的瀝青混合料的級配做出第一反應(yīng),在控制施工的時(shí)候,使得問題的出現(xiàn)和解決存在時(shí)間上的不一致,造成施工質(zhì)量的下降。

2 GTM的優(yōu)點(diǎn)

GTM是以汽車輪胎實(shí)際的接地壓強(qiáng)來模擬汽車對路面的作用而開發(fā)的一種新的設(shè)計(jì)和施工管理方法,能最大程度的模擬汽車在公路上行駛時(shí)輪胎與路面的相互作用,能夠模擬施工階段壓路機(jī)對混合料的壓實(shí)機(jī)理,最終達(dá)到設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)。其特點(diǎn)是將試件的壓實(shí)成型與剪切試驗(yàn)在一臺試驗(yàn)機(jī)上同時(shí)完成,而不像常規(guī)馬歇爾試驗(yàn)采用先錘擊成型試件,而后再做物理力學(xué)性能試驗(yàn)。另外當(dāng)今的重載交通馬歇爾設(shè)計(jì)方法已不再適應(yīng)了,如果單純增加擊實(shí)功,只能造成集料顆粒的破碎。而GTM試驗(yàn)一個(gè)瀝青含量的試件大約需要 0.5h,能夠及時(shí)得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)施工。這樣設(shè)計(jì)和生產(chǎn)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(xiàn),使生產(chǎn)出的混合料的抗剪強(qiáng)度大于受到的剪應(yīng)力,從而延長路面的使用壽命。

從試驗(yàn)的角度考慮,馬歇爾設(shè)計(jì)方法的試模存在一定的不足,有的時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較大,使得試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)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(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性都得到了提高。

3 GTM用于控制質(zhì)量的指標(biāo)

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

(2)抗剪安全系數(shù) GSF(Gyratory Shear Factor):指瀝青混合料被壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度與行車荷載作用下需承受的剪應(yīng)力的比值。規(guī)定 GSF不小于 1.3,試件一旦達(dá)和超過了最佳瀝青用量之后,抗剪強(qiáng)度的下降就會(huì)在剪應(yīng)變的記錄上直接反映出來。按照T=PtanФ+C的強(qiáng)度原理,此項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際上與馬歇爾試驗(yàn)的穩(wěn)定度指標(biāo)含義相當(dāng)。

(3)密度:GTM設(shè)計(jì)瀝青混合料時(shí)可以通過控制旋轉(zhuǎn)次數(shù)、控制試件的高度或者使混合料壓實(shí)到平衡狀態(tài)達(dá)到一定的密度來控制。通過美國工程兵團(tuán)的試驗(yàn)研究,認(rèn)為當(dāng)混合料壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí),與實(shí)際路面在設(shè)計(jì)荷載的作用下的最終密度相當(dāng)。實(shí)際施工過程中以平衡狀態(tài)(所謂平衡狀態(tài)是指每旋轉(zhuǎn) 100次試件密度變化率為 0.016g/cm3)來控制施工。

(4)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)指數(shù)(Gyratory Compactibility Index,簡稱GCI):指 GTM試驗(yàn)時(shí),試件在 30轉(zhuǎn)時(shí)密度與 60轉(zhuǎn)時(shí)密度的比值。表征材料容易壓實(shí)的程度,可以作為確定碾壓工藝的參考。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 檢驗(yàn)級配

GTM旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切試驗(yàn)機(jī)對瀝青混合料的級配是非常敏感的,尤其是關(guān)鍵篩孔的變化通常會(huì)引起力學(xué)指標(biāo) GSI、GSF的波動(dòng)。在傳統(tǒng)的施工控制環(huán)節(jié)中,施工單位采用馬歇爾試驗(yàn)來檢驗(yàn)當(dāng)天的混合料的一些指標(biāo),但是馬歇爾試驗(yàn)不能及時(shí)反映出混合料的級配狀況,不能及時(shí)得出混合料的力學(xué)指標(biāo)狀況,當(dāng)天施工只能靠個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)來判斷,這無疑會(huì)給施工質(zhì)量埋下一個(gè)潛在的隱患。GTM從根本上解決了這一個(gè)問題,在 2h內(nèi)就可以得出結(jié)果,以試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)來及時(shí)調(diào)整瀝青拌和樓的生產(chǎn)配比,表 1是某標(biāo)段 GTM檢驗(yàn)級配的結(jié)果。

表 1 GTM檢驗(yàn)級配的結(jié)果

表 1中GSI＞1.12的兩個(gè)級配中關(guān)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(guī)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(xì),GTM試驗(yàn)機(jī)能夠比較敏感的反映出來;另外兩個(gè)級配中關(guān)鍵篩孔通過率的改變也同樣直觀的反映在試驗(yàn)數(shù)據(jù)上。所以可以在較短的時(shí)間內(nèi)通過GTM試驗(yàn)來檢驗(yàn)級配合理與否,能夠迅速、直觀的得出生產(chǎn)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(yàn)油石比

油石比的定義是瀝青質(zhì)量與礦料質(zhì)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(zhì)量,同時(shí)關(guān)系到成本的問題,所以現(xiàn)場施工也需要及時(shí)的了解這一情況。

取當(dāng)天生產(chǎn)的某一級配的熱瀝青混合料進(jìn)行 GTM試驗(yàn),GTM試驗(yàn)機(jī)能夠通過 GSI、GSF這兩個(gè)指標(biāo)來檢驗(yàn)瀝青含量的大小。當(dāng)瀝青含量超過最佳瀝青用量的時(shí)候,GSI這一指標(biāo)的數(shù)值會(huì)增加,曲線呈上升態(tài)勢;GSF抗剪切指標(biāo)的數(shù)值會(huì)下降,曲線呈下降態(tài)勢。這就說明瀝青用量偏大了,應(yīng)當(dāng)作出適當(dāng)調(diào)整。

4.3 確定標(biāo)準(zhǔn)密度以評價(jià)壓實(shí)度

目前確定標(biāo)準(zhǔn)密度的方法有試驗(yàn)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(yàn)確定標(biāo)準(zhǔn)密度是我國公路行業(yè)常用的方法之一,從每天生產(chǎn)的瀝青混合料中取出代表性樣品,雙面各擊實(shí) 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(shí)功的大小問題,目前高速公路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)提高,按照馬歇爾的擊實(shí)方式換算的話已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在高速公路的需求,在擊實(shí)時(shí)間內(nèi),擊實(shí)功已經(jīng)明顯不夠,如果按照馬歇爾成型試件的密度評價(jià)路面壓實(shí)效果,顯然是人為把質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)降低,這樣鋪筑的路面難免在運(yùn)行期過早出現(xiàn)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(lián)系制造很大的麻煩,具體說就是已經(jīng)不能和現(xiàn)代高速公路的質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)相匹配。另外由馬歇爾試驗(yàn)得出的相關(guān)數(shù)據(jù)評價(jià)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(jià)和反映混合料的性能。現(xiàn)在高速公路的施工質(zhì)量如果按照馬歇爾的方式來控制壓實(shí)度很容易達(dá)到,說明路面質(zhì)量還可以再提高,這就需要一種新的控制方法。

(2)試驗(yàn)段。

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

熟悉施工的都知道,正常生產(chǎn)和試驗(yàn)段存在很大的差異。包括設(shè)備的配置、設(shè)備的利用率、拌和樓的穩(wěn)定與否,以及原材料的變化等都會(huì)影響生產(chǎn)出來的瀝青混合料級配的穩(wěn)定,鋪筑的路面質(zhì)量的好與壞。每天的生產(chǎn)級配都是在變化的,即便按試驗(yàn)段的方式來控制,攤鋪成型的路面質(zhì)量也是不一樣的,所以這就為評價(jià)路面壓實(shí)效果帶來麻煩。也就是說這一標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)拿出一個(gè)合理并且實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)密度來控制壓實(shí)度,路面的壓實(shí)評定很難進(jìn)行。

(3)最大理論密度法。

試驗(yàn)規(guī)程上可行的試驗(yàn)方法有抽真空和溶劑法,這兩種方法都能夠?qū)崪y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(shí)測就存在一定的難度,因?yàn)楦男詾r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(huán)節(jié)就存在很大的困難,這一點(diǎn)對于普通瀝青來說也是有很大誤差的,試驗(yàn)結(jié)果的離散性比較大,對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確使用不容易把握;另外,不同的試驗(yàn)人員實(shí)測出的最大相對理論密度的數(shù)值也是存在很大差異的。換句話說,現(xiàn)有的試驗(yàn)條件不能夠把瀝青混合料真實(shí)的最大理論密度測試出來,因此,這種方法也存在一個(gè)很大的弊端,對于施工過程的壓實(shí)質(zhì)量控制所起的作用缺乏一定的說服力。

(4)GTM方法。

GTM旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的平衡狀態(tài)控制方法可以得出瀝青混合料的最大密度,在需要的壓強(qiáng)下使得試件達(dá)到最大程度的密實(shí),這就是用當(dāng)天生產(chǎn)的瀝青混合料做GTM旋轉(zhuǎn)壓實(shí),得出相應(yīng)的瀝青混合料成型試件的密度。用這一密度來評價(jià)該天所鋪筑路面的壓實(shí)度,樣品的代表性比較強(qiáng),可以得出準(zhǔn)確、切合實(shí)際的密度來指導(dǎo)施工,評價(jià)瀝青路面的施工質(zhì)量;另外該方法能夠及時(shí)得出數(shù)據(jù),而且試件的成型方式與路面的碾壓最接近,更能和現(xiàn)場施工的實(shí)際情況相吻合,這樣得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)性更強(qiáng),更有說服力的。表 2是GTM與馬歇爾的試驗(yàn)對比。

表 2 GTM與馬歇爾試驗(yàn)對比

從以上數(shù)據(jù)分析,混合料的馬歇爾擊實(shí)密度僅為 GTM旋轉(zhuǎn)壓實(shí)得出密度的 97.0%～97.6%,如果能夠達(dá)到 GTM標(biāo)準(zhǔn)密度的 97%,那么路面將在很大程度上減少路面病害的出現(xiàn)。如果仍然以馬歇爾的密度來評價(jià)壓實(shí)度的話,換算成和GTM相對比的壓實(shí)度數(shù)據(jù),這一數(shù)據(jù)如果按照 GTM的要求,那么現(xiàn)場實(shí)測芯樣的密度必須接近馬歇爾密度的100%,甚至超百才能達(dá)到 GTM施工要求的下限,但是壓實(shí)度是很多人不想見到的?？上攵@一差距將會(huì)對路面的施工質(zhì)量產(chǎn)生多大的影響。

現(xiàn)場施工是 GTM路面的一個(gè)相當(dāng)重要的環(huán)節(jié),施工工藝中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào) 30 t以上膠輪壓路機(jī)的作用,這與運(yùn)行期的路面碾壓是一樣的,膠輪壓路機(jī)的揉搓碾壓與 GTM的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)非常相似,在實(shí)際工程中,膠輪使用的好壞會(huì)直接影響到路面壓實(shí)度。馬歇爾在這一點(diǎn)上是無法比擬 GTM的,所以說用馬歇爾擊實(shí)成型試件得出的密度來控制壓實(shí)度在原理上來說是欠缺的,只是基于我國的現(xiàn)狀,可以用馬歇爾來檢驗(yàn)。

GTM成型試件混合料的溫度為現(xiàn)行規(guī)范的復(fù)壓溫度,復(fù)壓對于路面起到了至關(guān)重要的作用,因此這就對現(xiàn)場施工組織管理提出了要求,可能由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏大讓施工單位感到壓力很大,其實(shí)這只是問題的一個(gè)方面,還有一個(gè)更為重要而又易被忽視,一直未能充分開發(fā)的重大潛力,那就是在現(xiàn)場如何組織施工管理,加強(qiáng)高溫碾壓作業(yè)的控制。如果能做到這一點(diǎn),將會(huì)使運(yùn)行期路面的病害發(fā)生率降到最低。

GTM是一種新的確定標(biāo)準(zhǔn)密度的手段和方法,經(jīng)過幾條高速公路的現(xiàn)場使用得出了一套行之有效的施工管理經(jīng)驗(yàn),而且也取得了相當(dāng)大的成功,所以現(xiàn)場GTM試驗(yàn)不僅是提供標(biāo)準(zhǔn)密度,更提高了路面的施工質(zhì)量,延長了路面的使用壽命。

這歸功于GTM模擬的合理性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、施工的規(guī)范性、管理的及時(shí)性。

5 GTM施工瀝青混凝土的檢測

通過試驗(yàn)路的施工總結(jié),GTM設(shè)計(jì)和施工瀝青混凝土建議采用以下方法進(jìn)行檢測。

(1)級配控制:每天生產(chǎn)的配合比中瀝青混凝土級配盡可能地接近生產(chǎn)級配,實(shí)際生產(chǎn)中以生產(chǎn)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(jìn)行抽提試驗(yàn),滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)試件密度:現(xiàn)場鉆取芯樣,做試件的毛體積密度。

(4)壓實(shí)度控制:將 GTM做出的密度作為標(biāo)準(zhǔn)密度,路面壓實(shí)度達(dá)到 97%以上。

6 結(jié)束語

(1)GTM路面的設(shè)計(jì)與施工管理是確保工程質(zhì)量的兩個(gè)重要環(huán)節(jié),施工管理在后期發(fā)揮重要的作用。

(2)GTM設(shè)計(jì)的瀝青路面高密度、低油量在現(xiàn)場施工中是可以做到的。

(3)現(xiàn)場 GTM試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確、及時(shí)的動(dòng)態(tài)管理的生產(chǎn),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(xiàn),提高路面的質(zhì)量,延長道路的使用壽命。

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

[1] 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)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(yàn)規(guī)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.