基于GTM法的水泥稳定碎石力学性能研究

引　言

众所周知，以水泥稳定碎石为代表的半刚性材料是中国目前使用最为广泛的基层材料，因为其力学性能优良、使用成本较低、原材料来源广泛和施工工艺简单等优点，水泥稳定碎石在未来十几年内仍将是中国使用最为广泛的基层材料。

目前水泥稳定碎石在设计和施工方面存在一些问题，例如室内成型方式与实际道路受力状态存在一定差异；设计指标和施工检测指标相关性不足；对矿质石料级配的要求没有体现石料本身形状的差异性等。因此本课题将对水泥稳定碎石的成型方式和在GTM法条件下的无侧限抗压强度和劈裂强度的关系进行研究，为水泥稳定碎石基层性能的优化尽绵薄之力。

GTM法和振动成型法论述

GTM法

GTM(美国工程兵旋转压实仪)主要是通过模拟行车作用来成型试件。GTM试验机通过旋转底座带动试模旋转，同时对试件施以垂直压力(该力通过实际测试交通流对路面的压力而确定)，从而使得试件达到平衡状态，既最终密度。该方法基于实际路面状况进行设计，与实际路面结构具有较高的吻合度。

GTM法步骤

(1)将拌和好的试料装入试模，放入GTM控制室中进行缓慢的压实。(2)在成型试件的过程中，其处于不断运动的状态。在旋转过程中，试模在预先设定的旋转基准角的带动下，以恒定的速率在旋转底座上旋转，且运功轨迹线为圆锥状。(3)控制室的顶端与试料顶端保持重合，并且压头对试料施以预先设定的垂直压力。

GTM旋转参数的确定

根据GTM法成型方式可知，GTM的参数主要有垂直压力与旋转底座的旋转基准角。

(1)垂直压力的确定。GTM垂直压力的确定主要依据设计车辆轮胎与地面接触的压强，将所能达到的极限平衡状态作为压实的最终状态。研究中根据实际交通状况，选取垂直压力为0.8MPa，并且将最终的压实状态选为压实结束的条件。

(2)旋转基准角的确定。旋转基准角是指GTM压头在设定垂直压力下，转动3~4圈所对应的机器角度。旋转基准角是保证混合料压实程度的重要参数，与其他旋转压实设备不同，GTM的基准角的确定要兼顾多个方面。本研究选用系数为1，劈裂强度为0.6，得到的旋转基准角为3°。

振动成型法

振动成型原理

振动成型法是通过高频振动使待压实材料处于流体状态进而压实的方法。因为可以最大程度地减小材料颗粒之间的摩阻力，使颗粒相互嵌挤密实，同时与目前施工现场普遍使用的振动压路机作用原理一致，所以该方法成为了研究水泥稳定碎石的重要方向。

振动成型设备的参数选择

目前应用于水泥稳定碎石基层室内压实的振动成型设备种类较多，本文采用的设备主要参数设定有静面压力、偏心块夹角、振动频率、振幅及激振力。按照以往的研究经验，振动频率设定为31Hz，偏心块夹角为30°，静面压力为140kPa，振幅为1.4mm，激振力为7610kN，振动总时间为2min。

试验材料制备及方案设计

试验材料制备

水泥

试验采用山东济宁P.O42.5缓凝水泥。

集料

试验中所有集料取自山东济宁石料厂的石灰岩，分为19~37.5mm、9.5~19mm、4.75~9.5mm、石屑4种粒径级。

试验方案设计

为了保证试验结果的科学性，同时减少繁重的试验工作量，本课题组制定了如下的试验方案。

首先对GTM法和振动成型法制作的试件的力学强度进行对比，评价2种方法的优劣性；然后采用其中力学强度较好的成型方法对水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度和劈裂强度进行研究，并建立两者的联系，保证设计参数与施工参数的一致性。

水泥稳定碎石力学特性及影响因素

成型方式对水泥稳定碎石强度的影响分析

按照98%的压实度分别采用GTM法与振动法成型试件，测其不同龄期的抗压强度与劈裂强度。其中GTM法的无侧限抗压强度、劈裂强度分别为RWG、RPG；振动成型法的无侧限抗压强度、劈裂强度分别为RWZ、RPZ。

可以看出，GTM法成型的水泥稳定碎石试件的力学强度明显高于振动法成型试件的力学强度。结合养生龄期可以看出，GTM法与振动法RWG/RWZ、RPG/RPZ分别为1.16~1.36、1.15~1.35，平均为1.23与1.26。由此可以得出，基于GTM法的水泥稳定碎石无侧限抗压强度、劈裂强度较振动法分别提高了23%、25%。

造成这一结果的主要原因，是由于GTM法以对路面的实际压力进行测试为前提，在成型试件时通过模拟路面实际加载情况而确定，使的碎石混合料重新排列组成，从而使试件达到平衡状态。振动法由于受到试模的限制，达不到使材料液化进而重新排列的目的，因此GTM法更加符合路面的实际情况。

龄期对水泥稳定碎石强度的影响分析

龄期是研究水泥稳定碎石力学强度增长的重要依据，课题组分别对3.5%、4%和4.5%水泥剂量下的试件分别进行了7d、28d和90d的无侧限抗压强度和劈裂强度试验。

可以得出，水泥稳定碎石无侧限抗压强度、劈裂强度均随着养生龄期的增长而不断增大，并且在前28d强度增长速率较快，后期逐渐缓慢，到90d趋于稳定。由此可以得出，水泥稳定碎石前期的养生至关重要。

水泥剂量对水泥稳定碎石强度的影响分析

水泥稳定碎石的增强效应是指水泥稳定碎石的力学强度随着水泥剂量增长率与水泥剂量增量的比值。

可得，水泥稳定碎石的无侧限抗压强度与劈裂强度的水泥增强效应随着龄期的增长逐步减小。以90d水泥稳定碎石力学强度作为效应稳定点，水泥剂量从3.5%~4%增加到4%~4.5%，其无侧限抗压强度分别增加16%与8%，劈裂强度分别增加17%与10%。由此可知，3.5%~4%的水泥增强效应明显优于4%~4.5%，因此建议实际施工中选用水泥剂量在3.5%~4%。

水泥稳定碎石力学强度关系

基于GTM法的水泥稳定碎石的无侧限抗压强度与劈裂强度在不同因素影响下具有大致相同的变化规律，鉴于此，对二者关系进行研究。

可得，基于GTM法水泥稳定碎石在不同龄期、不同水泥剂量下的无侧限抗压强度与劈裂强度的比值RWG/RPG范围为9.82~10.58，平均值为10.21。

得到通过测试不同龄期的无侧限抗压强度而获得相应的劈裂强度参考值，该相关关系的确定对于快速获取路面结构设计参数具有重要意义。

结　语

(1)相对于振动成型法而言，GTM法可以使材料形成更高的强度，无侧限抗压强度提高23%，劈裂强度提高25%，并且其成型机理可以真实地反映道路结构的实际受力状态。

(2)水泥稳定碎石无侧限抗压强度、劈裂强度均随着养生龄期的增长而不断增大，并且在前28d强度增长速率较快，后期逐渐缓慢，到90d趋于稳定。由此可以得出，水泥稳定碎石前期的养生至关重要。

(3)水泥稳定碎石的无侧限抗压强度与劈裂强度的水泥增强效应随着龄期的增长逐步减小。以90d水泥稳定碎石力学强度作为效应稳定点，水泥剂量在3.5%~4%和4%~4.5%时，其无侧限抗压强度分别增加16%与8%，劈裂强度分别增加17%与10%。由此可知，3.5%~4%的水泥增强效应明显优于4%~4.5%，因此建议实际施工中选用水泥剂量为3.5%~4%。

(4)基于GTM法水泥稳定碎石在不同龄期、不同水泥剂量下的无侧限抗压强度与劈裂强度的比值RWG/RPG范围为9.82~10.58，平均值为10.21。

欢迎访问公众号官方网站——中国沥青路面网，中国最大、最权威的行业交流网站。网站定位决策者浏览的网站，为相关决策提供前瞻技术与信息支撑。我们愿意通过“中国沥青路面网”分享行业决策经验与相关资讯，共同提升行业水平。域名如下：www.asphaltpavement.cn；中文域名：沥青路面.中国，沥青路面.cn。行业QQ群号：193697702。