高速公路沥青路面大修工程中GTM法的应用.pdf

总654期2023年第24期（8月 下）0 引言沥青混合料路用性能与其设计方法直接相关，当前沥青路面运行过程中出现的早期破坏，主要是由于设计阶段沥青用量过大、现场空隙率大、混合料密度低、级配不良所致。与马歇尔设计方法不同，GTM（Gyratory TestingMachine）法所设计出的沥青混合料密度高、沥青用量小，能有效避免沥青路面使用过程中因交通荷载较大及外部降雨等原因而频繁出现的松散、坑槽、水损、车辙、推移等病害。为考察GTM沥青混合料使用情况及路用性能，以具体病害沥青路面为例，对基于GTM法的混合料设计及路面结构施工进行分析，并对施工效果进行跟踪观测。1 工程概况某高速公路沥青路面大修工程试验段设置在桩号K216+640K218+467段，试验段共按照三种路面结构设计和施工，左右幅对称摊铺。不同试验段路面结构采用与主线其余路段相同的混合料类型，原材料也相同。其中上面层以及中下面层分别采用70#和50#基质沥青。2 GTM试验过程GTM（旋转压实剪切试验机）可高效模仿汽车在公路沥青路面行驶过程中轮胎和路面作用的实际过程，通过充气型滚轮并提前设定垂直压力，改变旋转角度等处理，向试验材料施加圆周形压力，最终将试验材料旋转至压实状态，以模拟行车对沥青路面所施加的压应力和剪应力，据此确定沥青路面设计密度及沥青用量。当前 GTM已经成为美国 ASTM规范中所采用的沥青混合料配合比设计及质量控制标准方法1。GTM（旋转压实剪切试验机）试验过程中，将1个圆柱形钢模装上沥青混合料后置入夹盘内，开机后试件同时受到上部滚球活塞和下部千斤顶的压力，该试验集剪切、压实及模拟行车作用过程于一体。GTM既具备SHARP计划中旋转压实机揉压能力，又具备从上盘旋转角度推算混合料抗剪强度的自动分析能力2。待将试件压实至平衡状态，便能检测出沥青混合料密度、抗剪安全系数、压实稳定值，且试件材料抗剪强度越大，则倾斜角越小。倾斜角的大小主要通过角度传感器绘制角曲线进行反映，当沥青材料填满混合料空隙后，在继续压实的情况下，混合料会出现塑性变形，角曲线呈上升趋势，抗剪强度下降。所以当GTM处于每旋转100转且试件单位重量变化量不大于0.016 g/cm时，混合料即达到压实平衡状态，应立即停止压实试验。GTM试验中，主要以试件达到压实平衡状态的密度、旋转压实稳定度和抗剪安全系数等指标确定最佳沥青用量3。其中，旋转压实稳定度是最终应变和压实期间最小应变值之比，处于压实平衡状态的试件，旋转压实稳定度不大于1，该指标主要用于体现沥青混合料达到压实平衡状态后是否会出现塑性变形。3 配合比设计3.1 GTM混合料配合比该试验段采用GTM法进行混合料设计时，试验系统压强控制在0.7 MPa，试件尺寸为150100 mm。通过实测法获得混合料最大理论密度。将预估油石比设定为中值，并以0.5%的间隔选择至少5个不同油石比成型混合料试件并进行GTM试验，进行混合料试件沥青饱和度、矿料间隙率、空隙率、毛体积相对密度、旋转压实稳定度、抗剪安全系数等参数取值的测定和收稿日期：2023-05-21作者简介：余道辉（1980），男，高级工程师，从事公路工程施工管理工作。高速公路沥青路面大修工程中GTM法的应用余道辉，涂黎明（江西省交通工程集团有限公司，江西 南昌 330000）摘要：基于马歇尔设计方法下沥青混凝土路面在运行过程中普遍出现的病害，以具体大修工程为例，对旋转压实剪切试验系统（GTM）设计方法在沥青混合料拌和及路面施工中的应用进行研究。研究结果表明，GTM沥青混合料及施工技术对于重载交通量大、车辙等病害严重的沥青路面较为适用，配合以大吨位双钢轮压路机和胶轮压路机增加压实功，能显著提升路面压实度及抗病害性能。关键词：高速公路；沥青路面；GTM法中图分类号：U416.2文献标识码：B32交通世界TRANSPOWORLD计算。以油石比为横坐标，上述各项参数为纵坐标绘制曲线图。计算毛体积相对密度最大值、抗剪安全系数最大值、目标空隙率、沥青饱和度中值的油石比1、2、3、4，并取其均值为OAC1；如试验所选用的油石比范围未涵盖沥青饱和度所要求的范围，则取1、2、3的均值为OAC1；而当抗剪安全系数及毛体积相对密度未出现峰值，则直接取目标空隙率对应的油石比3为OAC1；以上各项参数均满足技术标准的油石比的 中 值 为 OAC2。OAC1与 OAC2的 均 值 即 为 最 佳 油石比4。按照以上思路，该公路试验段所使用的 AC-16C、AC-20C、ATB-25 等混合料的配合比设计结果具体见表1。表1 沥青混合料配合比设计结果混合料AC-16CAC-20CATB-25GTM设计值最佳油石比（%）4.23.53.5空隙率（%）2.512.903.0124沥青饱和度（%）81.8071.3470.606080矿料间隙率（%）10.2010.1010.5310旋转稳定系数1.021.001.001.05抗剪安全系数1.731.711.621.30旋转压实稳定度、抗剪安全系数是GTM沥青混合料的关键控制指标，表1中的设计结果显示，这两项指标取值均满足设计要求，意味着混合料油石比较为合理，抗剪能力基本满足沥青路面维修养护目标。此外，根据表中试验结果可以看出，采用GTM试验所确定出的最佳油石比比马歇尔试验的沥青混合料油石比低0.6%1.0%，空隙率也有所降低。这种与马歇尔混合料高油石比、高空隙率属性截然相反的试验结果使得混合料组成体系及混合料性能均出现重要变化。GTM设计方法的理论体系、试验原理及控制指标与马歇尔方法明显不同，但该公路工程施工单位对马歇尔设计方法较为熟悉，且并未配备 GTM 试验设备，为便于施工及监理过程的顺利进行，基于工程材料现状及施工实际，同时提出试验段沥青混合料马歇尔控制标准，具体见表2。表2 试验段沥青混合料马歇尔控制标准混合料AC-16CAC-20CATB-25稳定度/kN888空隙率（%）47474.57.5沥青饱和度（%）507045655264矿料间隙率（%）121110流值/（0.1 mm）154515401540试件尺寸/mm101.663.5101.663.5101.663.5双面击实次数/次7575753.2 GTM混合料性能该沥青混合料的高温稳定性能通过车辙试验验证，水稳性则通过肯塔堡浸水飞散试验和冻融劈裂试验验证。浸水分散试验主要通过浸水处理模拟沥青材料老化过程，并施以反复的机械冲击磕碰和打磨，检测试件矿料的嵌挤能力、老化沥青材料的抗剥离能力、黏结能力，确定沥青用量以及因老化沥青黏结性能不足而引发集料脱落、散失的程度。总之，浸水分散试验能较为完整真实地模拟沥青混凝土材料水损全过程。应用普通沥青材料所制成的GTM沥青混合料能在较低沥青用量下具备较好的抗水损性和抗车辙性能。4 沥青混合料施工工艺及质量控制4.1 沥青混合料生产及运输GTM混合料拌和质量主要与原材料性能、生产级配、温度、拌和时间等有关，混合料质量直接影响沥青路面施工质量。拌和楼必须具备控制冷料仓流量的功能，根据沥青混凝土性能，应同时配置至少4个振动筛。此外，拌和楼还应具备温度检测能力，普通沥青、改性沥青加热温度分别控制在 155170、170185，矿料加热温度应比沥青高出1020；同时将普通沥青混合料和改性沥青混合料出厂温度控制在160170 和 170180。GTM 混合料拌和时间应为 3550 s，其中，干拌和时间不得短于5 s。GTM混合料运输与普通沥青混合料基本一致，按照前、后、中的次序向车厢装料，装满后应覆盖篷布并加盖毡布保温，拌和楼生产能力及自卸车运输能力均必须满足连续摊铺的需要。4.2 摊铺及碾压摊铺前彻底清理下承层；使用配备自动找平装置、振动熨平板等初压装置的高性能摊铺机进行摊铺；为控制混合料离析，通过 2台摊铺机以梯队形式前进摊铺；所确定出的摊铺速度必须与混合料生产能力相匹配。考虑到 GTM 沥青混合料密度大，为提升压实度，必须采用相匹配的碾压工艺。摊铺机按照 23 m/min的速度摊铺后直接进入复压阶段，使用2台双钢轮压路机全幅紧跟碾压，初次碾压采用静压模式，此后则全部改为高频低幅强振碾压；同时由2台30 t以上的轮胎压路机按照不超出4m的距离紧跟双钢轮压路机同步碾压，各自均碾压 4 遍；最后由 2 台 DD110 型压路机终压，达到提升平整度、消除轮痕的目的。该高速公路沥青路面大修段所采用的以上碾压方式大幅提升碾压施工效率，所耗用的碾压时间仅为普通混凝土碾压施工时间的50%，故能在混合料温度较高情况下有效压实，压实度有保证。在混合料温度较高状态下进行碾压，避开混合料温度位于95110 的碾压敏感区，防止推移问题的出现。33总654期2023年第24期（8月 下）5 应用效果5.1 路用性能检测该大修公路段于2019年4月中旬通车，并于2020年5月和2021年5月进行试验段平整度、车辙、抗滑性能等的跟踪观测。根据观测结果，试验段经过2个自然年的通车运营，路面情况良好，且无任何病害产生。试验段车辙检测结果见表3，根据表中检测结果，工后、运行1年及2年后，AC-16C、AC-20C、ATB-25等三种路面结构下试验段主车道、慢车道沥青路面车辙深度均不超出36 mm，满足规范要求。表3 试验段车辙深度检测结果单位：mm检测时间行车方向车道类型结构1结构2结构3均值增加值均值增加值均值增加值工后上行线慢车道4.25.25.4下行线5.56.56.52020年5月上行线慢车道5.81.85.10.25.80.4下行线6.40.67.00.46.30.02021年5月上行线主车道4.44.23.9下行线3.83.74.1试验段沥青路面平整度检测结果见表4，根据表中结果，该大修公路试验段主车道、慢车道沥青路面在工后、运行1年及2年后，三种路面结构平整度指数均值均位于2.0 m/km以下，最大值也未超出3.5 m/km，符合规范要求。随着运行时间的推延，路面行驶质量并未出现明显衰减，表现出较强的性能优势。表4 试验段沥青路面平整度指数检测结果单位：m/km检测时间行车方向车道类型结构1结构2结构3均值最大值均值最大值均值最大值工后上行线慢车道1.42.51.42.31.51.9下行线1.32.61.31.61.81.82020年5月上行线慢车道1.62.41.41.81.51.8下行线1.42.51.31.71.51.72021年5月上行线主车道2.03.41.52.11.72.0下行线1.62.11.51.81.81.9试验段沥青路面抗滑性能检测结果见表5，根据结果，试验段三种路面结构下，工后及运行1年、2年后，主车道和慢车道沥青路面横向力系数均值全部位于5466之间；最小值则位于5462之间，均满足规范要求；且运行1年及2年后，沥青路面横向力系数基本未出现明显衰减，路面抗滑性能优异。5.2 经济性评价在该高速公路沥青路面大修施工过程中，主要采用的是GTM混合料，其与马歇尔设计沥青混合料相比，大幅节省原材料成本，越多层位采用GTM混合料，原材料成本节省也就越多。该公路大修段施工成本统计情况见表6，根据表中结果，试验段不同路面结构采用GTM沥青混合料后，可节省成本25.38元/m2，考虑到大修段总长度后总成本比采用马歇尔设计沥青混合料共可节省74.164万元，经济效益显著。表6 公路大修试验段施工成本节省情况统计单位：元/m2路面结构结构1结构2结构3原材料成本节省4.38.213.1拌和、运输及摊铺成本节省000压实成本增加0.040.080.10成本节省合计4.268.1213.06 结束语本文分析结果表明，GTM法成型的混凝土试件密实度高，沥青用量节省，应用于实际工程施工后，现场压实度明显提高，为解决早期病害提供了可行路径；与马歇尔法相比，GTM混合料虽然不满足现行规范体积指标，但路用性能优良，说明现行规范所规定的体积指标并未涵盖所有路用性能最优的设计结果。通过现有压实设备及碾压工艺的改进，完全可以取得较优的GTM混合料施工效果；该大修路面竣工通车2年来，经历了重载交通、夏季高温和冬季严寒，路面仍平整密实，路用性能优良，既有车辙病害得到根除。参考文献：1 柴金玲，栗威.基于GTM的沥青混合料配合比设计方法试验研究J.材料导报，2020，34（S2）：1283-1287.2 李正中，张朝清，张亮，等.基于GTM方法的高模量沥青混合料设计研究J.西部交通科技，2019（3）：5-9，13.3 叶平，黄丹红，李聪.基于GTM法的沥青混合料配合比设计及路用性能研究J.广东建材，2018，34（6）：21-23.4 杨博.基于GTM旋转压实参数的AC-13高温性能评价指标研究J.湖南交通科技，2017，43（2）：68-71，171.表5 试验段沥青路面横向力系数检测结果检测时间行车方向车道类型结构1结构2结构3均值最小值均值最小值均值最小值工后上行线慢车道666163606662下行线6159595860582020年5月上行线慢车道666063596661下行线5958585759592021年5月上行线主车道605760566056下行线57545855585534