關于瀝青面層GTM旋轉成型施工方案的探討

秦曉峰

(河北省唐山市樂亭縣交通局)

1 瀝青面層材料設計現狀

隨著我國經濟的快速發展，重載交通已成為高等級公路的主要運輸形式，也成為控制路面結構及材料設計的關鍵設計因素。瀝青路面在此大環境下的早期破壞現象十分嚴重，與此相關的大量研究表明，就瀝青面層混合料本身而言，產生這些早期破壞現象的主要原因如下。

(1)車轍：發生早期車轍損壞的瀝青路面普遍存在的問題是瀝青用量偏大，混合料密度偏低。

(2)泛油：早期損壞中的泛油現象主要發生在輪跡帶上。發生車轍的路段常常伴隨有泛油現象，因此車轍與泛油的成因大體相同。

(3)松散：造成松散的主要原因是空隙率過大以及瀝青與集料間的粘結力相對不足。

(4)水損壞：瀝青混合料的設計密度偏小、空隙率過大、施工壓實度不夠，以及因級配不良導致的離析是造成水損壞的主要原因。

綜上所述，就瀝青混合料自身質量而言，當前瀝青路面早期損壞的主要原因可總結為瀝青用量過大、混合料密度偏低、壓實度低、現場空隙率大以及級配不良等。施工管理水平參差不齊固然是產生這些問題的重要原因之一，事實證明，目前通用的瀝青混合料設計方法確實有很多方面需要改進。

(1)室內成型方式與現場碾壓方式不匹配。

(2)以體積參數為控制指標難以實現設計意圖及協調各種矛盾。

(3)壓實標準偏低。

(4)規范規定的級配范圍太寬。

而合理的瀝青混合料設計方法至少需要考慮以下幾個方面。

①體積參數合理、準確。

②瀝青混合料的成型方式應該要最大限度地模擬路面實際成型過程。

③瀝青混合料的設計指標應該與瀝青路面的工作特性有一定的聯系。

④設計的瀝青混合料應該便于施工、易于壓實。

2 GTM設計方法基本原理

GTM采用了和應力有關的推理方法進行混合料的力學分析和設計，克服了馬歇爾等經驗方法不足。GTM方法可較真實地模擬實際路面材料的受力狀況以及預測材料到服務期限末的應力應變力學性質，從而避免了路面材料的早期破壞。

GTM一個重要的特性是能夠直接反映出顆粒狀塑性材料中可能出現的塑性過大的現象，GTM成型試驗的目的還在于模擬路面行車荷載作用下瀝青混合料的最終壓實狀態即平衡狀態，并測試分析試樣在被壓實到平衡狀態過程中剪切強度SG和最終塑性形變的大小，以判斷混合料組成是否合理。

綜上所述，GTM主要有以下特點。

(1)GTM試驗應用推理的方法，采用應力應變原理進行設計，以試驗結束時的機器角與壓實過程中的最小機器角的比值GSI作為確定最佳瀝青用量的參數，使得最佳油石比的確定與混合料力學性能聯系起來，相對馬歇爾方法，設計思想更為先進。

(2)GTM采用旋轉成型方式，精確模擬現場碾壓工況，能夠得到與現場混合料混凝土時選擇不同的設計壓強，從而使設計方法更為合理。

(3)利用GTM設計瀝青混凝土時，充分考慮行車荷載的實際狀況，設計瀝青混凝土時選擇不同的設計壓強，從而使設計方法更為合理。

(4)與Superpave成型方式不同，GTM不固定壓實功，而是以極限平衡狀態作為旋轉結束條件，以避免路面出現因交通荷載作用產生的二次追密。

3 比如樂港路工程

路線全長19.3 km，公路等級為一級公路，該工程采用原料是基質瀝青采用山東齊魯石化生產的70#A級瀝青，集料為石灰巖粗、細集料及石灰巖礦粉。

(1)采用優化的設計級配范圍大幅度減小，使得瀝青混合料級配在較窄的級配范圍內波動，從而保證級配的變化對瀝青混合料性能不產生大的影響。采用配合比設計，采用GTM旋轉成型方法設計AC-20型瀝青混合料。

試件成型條件為：垂直壓力0.7 MPa;拌和溫度160～165℃;成型溫度140～145℃;控制方式為極限平衡狀態。

表1 GTM試驗結果及與馬歇爾試驗結果對比表

由表1可以看出，判斷瀝青混合料這種粒狀塑性材料是否會出現塑性變形過大現象的指標GSI(穩定系數)隨油石比的增加而增大，油石比等于4.0%時，GST值最大，當油石比大于4.0%，隨油石比的增加，GST值減小。綜合考慮GTM試驗結果并參考體積參數的大小及變化趨勢，將AC-20型瀝青混合料最佳油石比確定為4.0%。還可以看出，在最佳油石比4.0%下，GTM試件密度為馬歇爾試件密度的1.016倍，即如果以GTM試件密度的98%控制現場壓實度，則現場壓實度將達到馬歇爾試件密度的99.6%以上，如此高的壓實度現場是否能夠達到則需在施工過程中加以驗證。

(2)混合料路用性能驗證。GTM方法與馬歇爾方法設計的瀝青混合料路用性能對比結果見表2。

表2 不同方法設計的AC-20型瀝青混合料路用性能

由表2可以明顯看出，雖然GTM旋轉成型方法設計的瀝青混合料體積參數不滿足規范要求。但其路用性能卻遠遠優于滿足規范體積參數要求的馬歇爾方法設計的瀝青混合料，這充分說明現行規范規定的體積參數指標并未涵蓋所有路用性能最優的設計結果，即游離于規范規定的體積指標之外的瀝青混合料可能具有更為優良的路用性能。

(3)與GTM方法相匹配的施工工藝及施工質量。

①級配及油石比檢驗。

試驗過程中為保證取樣的代表性及合理性，均于攤鋪機后取混合料進行抽提篩分試驗。

②碾壓工藝。

由于GTM旋轉成型方法設計的瀝青混合料密度較大，為保證達到較高的壓實度，特根據試驗段施工情況總結出GTM方法相匹配的碾壓工藝：攤鋪機攤鋪速度2～3m/min，取消初壓，直接進入復壓階段，2臺DD110雙鋼輪壓路機各占半幅緊跟攤鋪機碾壓，初次前進碾壓為靜壓，后均采用高頻低幅振壓，2臺30t以上的輪胎壓路機同時前進及后退，共碾壓8遍(鋼輪4遍、輪胎壓路機4遍)。最后用2臺DD110壓路機終壓，以消除輪跡及調整平整度。

提出的碾壓方式有如下優點。

①大幅度提高了碾壓效率，總的碾壓時間僅為通常碾壓工藝的一半，因此能夠保證混合料在高溫下得到有效壓實(數據顯示復壓可在140℃以上完成)，提高了壓實度。

②對壓路機可進行有效的管理，防止出現漏壓現象，碾壓遍數易于控制，碾壓段數清晰，工藝流暢。

③由于在高溫下進行碾壓，避開了瀝青混合料碾壓敏感區(95～110℃)，避免了推移現象的發生。

(4)表面層表觀及壓實度。

按照GTM優化級配設計的瀝青路面比較粗糙且均勻，正常施工路段未出現明顯的離析現象。

由上述統計結果還可以看出，以GTM旋轉成型試件密度為標準密度，現場空隙率代表值為4.3%，是十分理想的現場空隙率值，完全可以確保瀝青路面具有良好的路用性能。

(5)表面層路用性能檢驗。

施工過程中隨機取樣，對瀝青混合料的抗車轍能力及抗水破壞能力進行檢驗。

(6)實體工程應用結論。

經過實體工程施工檢驗，結合室內研究成果及現場鋪筑效果，得出以下結論。

①GTM旋轉成型方式及設計指標科學、合理。設計的瀝青混合料合理地增大了混合料的密度，減少了瀝青用量，使得現場壓實度得以適當提高，而且級配范圍較窄，為解決我國高速公路早期破壞提供了可行的設計方法。

②與馬歇爾方法相比，GTM旋轉成型方法設計的瀝青混合料雖然不滿足規范要求的體積指標，卻仍具有優良的路用性能，說明現行規范規定的體積指標并未涵蓋所有路用性能最優的設計結果，即游離于規范規定的體積指標之外的瀝青混合料仍可能具有更為優良的路用性能。

③實體工程表明，以現在的壓實設備，采用合理的碾壓工藝，完全可以將GTM設計優化結果成功實施于實際工程，以GTM成型試件密度作為現場壓實度的控制標準。根據GTM設計結果鋪筑的瀝青路面具有優良的路用性能。

［1］ 公路瀝青路面施工技術規范(JTGF40-2004)［S］.

［2］ 公路工程技術標準(JTGB01-2003)［S］.

［3］ 公路瀝青路面設計規范(JTGD50-2004)［S］.