基于GTM法的水泥穩定碎石力學性能研究

李金京+劉占良

摘要：為了研究GTM法和振動成型法對于水泥穩定碎石的無側限抗壓強度和劈裂強度的影響，分析了以GTM法成型、摻入不同劑量和齡期水泥的水泥穩定碎石的無側限抗壓強度和劈裂強度的變化規律。結果表明：加強水泥穩定碎石前期的養生至關重要；水泥穩定碎石的無側限抗壓強度和劈裂強度的水泥增強效應隨著齡期的增長逐漸減小；GTM法比振動成型法具有一定的優越性，且成型的試件具有更小的離散性，可以真實地反映路面的實際受力狀態，可以進行大力推廣。

關鍵詞：GTM法；振動成型法；水泥穩定碎石；抗壓強度

中圖分類號：U414文獻標志碼：B

Abstract： In order to study the impact of different molding methods， including GTM and vibratory molding method， on the unconfined compressive strength and splitting strength of cement stabilized macadam， the varying pattern of unconfined compressive strength and splitting strength of cement stabilized macadam molded by GTM with different cement content and ages was analyzed. The results show that early preservation is very important to cement stabilized macadam； with the increase of age of cement， the unconfined compressive strength and splitting strength diminish； specimens molded by GTM show smaller discreteness and truly reflect pavement's actual stress state.

Key words： GTM； vibratory molding method； cement stabilized macadam； compressive strength

0引言

眾所周知，以水泥穩定碎石為代表的半剛性材料是中國目前使用最為廣泛的基層材料，因為其力學性能優良、使用成本較低、原材料來源廣泛和施工工藝簡單等優點，水泥穩定碎石在未來十幾年內仍將是中國使用最為廣泛的基層材料[12]。

目前水泥穩定碎石在設計和施工方面存在一些問題，例如室內成型方式與實際道路受力狀態存在一定差異；設計指標和施工檢測指標相關性不足；對礦質石料級配的要求沒有體現石料本身形狀的差異性等[34]。因此本課題將對水泥穩定碎石的成型方式和在GTM法條件下的無側限抗壓強度和劈裂強度的關系進行研究，為水泥穩定碎石基層性能的優化盡綿薄之力。

1GTM法和振動成型法論述

1.1GTM法

GTM（美國工程兵旋轉壓實儀）主要是通過模擬行車作用來成型試件。GTM試驗機通過旋轉底座帶動試模旋轉，同時對試件施以垂直壓力（該力通過實際測試交通流對路面的壓力而確定），從而使得試件達到平衡狀態，既最終密度。該方法基于實際路面狀況進行設計，與實際路面結構具有較高的吻合度[5]。

1.1.1GTM法步驟

（1） 將拌和好的試料裝入試模，放入GTM控制室中進行緩慢的壓實。

（2） 在成型試件的過程中，其處于不斷運動的狀態。在旋轉過程中，試模在預先設定的旋轉基準角的帶動下，以恒定的速率在旋轉底座上旋轉，且運功軌跡線為圓錐狀。

（3） 控制室的頂端與試料頂端保持重合，并且壓頭對試料施以預先設定的垂直壓力。

1.1.2GTM旋轉參數的確定

根據GTM法成型方式可知，GTM的參數主要有垂直壓力與旋轉底座的旋轉基準角。

（1） 垂直壓力的確定。

GTM垂直壓力的確定主要依據設計車輛輪胎與地面接觸的壓強，將所能達到的極限平衡狀態作為壓實的最終狀態。研究中根據實際交通狀況，選取垂直壓力為0.8 MPa，并且將最終的壓實狀態選為壓實結束的條件。

（2） 旋轉基準角的確定。

旋轉基準角是指GTM壓頭在設定垂直壓力下，轉動3～4圈所對應的機器角度。旋轉基準角是保證混合料壓實程度的重要參數，與其他旋轉壓實設備不同，GTM的基準角的確定要兼顧多個方面。本研究選用系數為1，劈裂強度為06，得到的旋轉基準角為3° 。

1.2振動成型法

1.2.1振動成型原理

振動成型法是通過高頻振動使待壓實材料處于流體狀態進而壓實的方法。因為可以最大程度地減小材料顆粒之間的摩阻力，使顆粒相互嵌擠密實，同時與目前施工現場普遍使用的振動壓路機作用原理一致，所以該方法成為了研究水泥穩定碎石的重要方向。

1.2.2振動成型設備的參數選擇

目前應用于水泥穩定碎石基層室內壓實的振動成型設備種類較多，本文采用的設備主要參數設定有靜面壓力、偏心塊夾角、振動頻率、振幅及激振力。按照以往的研究經驗，振動頻率設定為31 Hz，偏心塊夾角為30°，靜面壓力為140 kPa，振幅為14 mm，激振力為7 610 N，振動總時間為2 min[6]。

2試驗材料制備及方案設計

2.1試驗材料制備

2.1.1水泥

試驗采用山東濟寧P.O42.5緩凝水泥，技術指標見表1。

2.1.2集料

試驗中所有集料取自山東濟寧石料廠的石灰巖，分為19～37.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、石屑4種粒徑級。集料各項技術指標見表2，礦料級配見表3。

2.2試驗方案設計

為了保證試驗結果的科學性，同時減少繁重的試驗工作量，本課題組制定了如下的試驗方案。

首先對GTM法和振動成型法制作的試件的力學強度進行對比，評價2種方法的優劣性；然后采用其中力學強度較好的成型方法對水泥穩定碎石材料的無側限抗壓強度和劈裂強度進行研究，并建立兩者的聯系，保證設計參數與施工參數的一致性[79]。

3水泥穩定碎石力學特性及影響因素

3.1成型方式對水泥穩定碎石強度的影響分析

按照98%的壓實度分別采用GTM法與振動法成型試件，測其不同齡期的抗壓強度與劈裂強度，見表4。其中GTM法的無側限抗壓強度、劈裂強度分別為RWG、RPG；振動成型法的無側限抗壓強度、劈裂強度分別為RWZ、RPZ。

由表4可以看出，GTM法成型的水泥穩定碎石試件的力學強度明顯高于振動法成型試件的力學強度。結合養生齡期可以看出，GTM法與振動法RWG/RWZ、RPG/RPZ 分別為116～136、115～135，平均為123與126。由此可以得出，基于GTM法的水泥穩定碎石無側限抗壓強度、劈裂強度較振動法分別提高了23%、25%。

造成這一結果的主要原因，是由于GTM法以對路面的實際壓力進行測試為前提，在成型試件時通過模擬路面實際加載情況而確定，使的碎石混合料重新排列組成，從而使試件達到平衡狀態。振動法由于受到試模的限制，達不到使材料液化進而重新排列的目的，因此GTM法更加符合路面的實際情況[10]。

3.2齡期對水泥穩定碎石強度的影響分析

齡期是研究水泥穩定碎石力學強度增長的重要依據，課題組分別對35%、4%和4.5%水泥劑量下的試件分別進行了7 d、28 d和90 d的無側限抗壓強度和劈裂強度試驗，試驗結果如表5、6所示。

從表5、6可以得出，水泥穩定碎石無側限抗壓強度、劈裂強度均隨著養生齡期的增長而不斷增大，并且在前28 d強度增長速率較快，后期逐漸緩慢，到90 d趨于穩定。由此可以得出，水泥穩定碎石前期的養生至關重要[11]。

3.3水泥劑量對水泥穩定碎石強度的影響分析

水泥穩定碎石的增強效應是指水泥穩定碎石的力學強度隨著水泥劑量增長率與水泥劑量增量的比值。

由表5、6可得，水泥穩定碎石的無側限抗壓強度與劈裂強度的水泥增強效應隨著齡期的增長逐步減小。以90 d水泥穩定碎石力學強度作為效應穩定點，水泥劑量從3.5%～4%增加到4%～4.5%，其無側限抗壓強度分別增加16%與8%，劈裂強度分別增加17%與10%。由此可知，3.5%～4%的水泥增強效應明顯優于4%～4.5%，因此建議實際施工中選用水泥劑量在35%～4%。

4水泥穩定碎石力學強度關系

基于GTM法的水泥穩定碎石的無側限抗壓強度與劈裂強度在不同因素影響下具有大致相同的變化規律，鑒于此，對二者關系進行研究。表7為不同齡期、不同水泥劑量下RWG、RPG以及RWG/RPG。

由表7可得，基于GTM法水泥穩定碎石在不同齡期、不同水泥劑量下的無側限抗壓強度與劈裂強度的比值RWG/RPG范圍為9.82～10.58，平均值為10.21，由此可以建立二者之間的關系為

RPG=RWG/10.21（1）

由式（1）得到通過測試不同齡期的無側限抗壓強度而獲得相應的劈裂強度參考值，該相關關系的確定對于快速獲取路面結構設計參數具有重要意義。

5結語

（1） 相對于振動成型法而言，GTM法可以使材料形成更高的強度，無側限抗壓強度提高23%，劈裂強度提高25%，并且其成型機理可以真實地反映道路結構的實際受力狀態。

（2） 水泥穩定碎石無側限抗壓強度、劈裂強度均隨著養生齡期的增長而不斷增大，并且在前28 d強度增長速率較快，后期逐漸緩慢，到90 d趨于穩定。由此可以得出，水泥穩定碎石前期的養生至關重要。

（3） 水泥穩定碎石的無側限抗壓強度與劈裂強度的水泥增強效應隨著齡期的增長逐步減小。以90 d水泥穩定碎石力學強度作為效應穩定點，水泥劑量在35%～4%和4%～45%時，其無側限抗壓強度分別增加16%與8%，劈裂強度分別增加17%與10%。由此可知，35%～4%的水泥增強效應明顯優于4%～45%，因此建議實際施工中選用水泥劑量為3.5%～4%。

（4） 基于GTM法水泥穩定碎石在不同齡期、不同水泥劑量下的無側限抗壓強度與劈裂強度的比值RWG/RPG范圍為9.82～10.58，平均值為10.21，由此建立二者之間的關系為RPG=RWG/1021。

參考文獻：

[1]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破杯現象及預防[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]肖秋生.半剛性基層施工變異性分析[J].廣東土木與建筑，2004（1）：5056.

[3]郭愛國.高速公路瀝青路面早期破壞原因分析[J].巖石力學與工程學報， 2004，23（51）：46344638.

[4]沈金安，李福普，陳景.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].北京：人民交通出版社， 2004.

[5]馬俊華.GTM法瀝青穩定碎石ATB-30配合比設計[J].交通標準化，2010（1）：5761.

[6]張濤，朱天福.振動法在水泥穩定碎石基層配合比設計中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2010，27（5）：4345.

[7]李頔.基于振動法的級配碎石設計標準與設計方法研究[D].西安：長安大學，2010.

[8]胡力群.半剛性基層材料結構類型與組成設計研究[D].西安：長安大學，2004.

[9]JTG E51—2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].

[10]李明杰.水泥穩定碎石強度影響因素的試驗研究 [J].公路交通科技，2010，27（4）：611.

[11]呂松濤，鄭健龍，仲文亮.養生期水泥穩定碎石強度、模量及疲勞損傷特性[J].中國公路學報，2015，28（9）：915.

[責任編輯：高甜]