无机结合料稳定类混合料.ppt

6.无机结合料稳定类混合料 定义： 在各种粉碎或原来松散的土、或矿质碎（砾）石、 或工业废渣中，掺入一定数量的无机结合料（如石灰 、水泥）及水，经拌和得到的混合料，经压实及养生 后，具有一定的强度和稳定性，在广义上统称为无机 结合料稳定类混合料，或无机结合料稳定土。 路面基层材料的类型 粒料类：级配型集料、填隙碎石 结合料稳定类：有机结合料沥青 无机结合料水泥、石灰、工业废渣 无机结合料 石灰稳定类 水泥稳定类 水泥石灰稳定类 石灰工业废渣稳定类 面层 基层 混合料 矿质碎（砾）石、或工业废渣等 细粒土、中粒土、粗粒土 结合料稳定类技术特性 优点：整体性强、承载能力大、较为经济 强度和刚度介于刚性混凝土和柔性粒料材料之间 材料品种水泥混凝土粒料半刚刚性材料 模量4104102103 缺点：耐久性差、平整度低、易产生干缩裂缝、起尘等 主要内容 v无机结合料稳定类混合料的技术特性强 度形成机理及其影响因素、收缩特性等 v无机结合料稳定类混合料的组成设计（实验 法 击实试验、计算法填充理论） 6.1 石灰稳定土 石灰土：用石灰稳定细粒土得到的混合料 石灰稳定集料：用石灰稳定中粒土和粗粒土得到的混合料 石灰砂砾土天然砂砾土、级配砂砾（无土） 石灰碎石土天然碎石土、级配碎石（包括未筛分碎石） 结构类型 骨架密实式：粒料80% 悬浮式：粒料50% 6.1.1 石灰 6.1.1.1石灰的生产、消化与硬化 1. 石灰的煅烧：CaCO3CO2CaO（生石灰） 欠火石灰 过火石灰陈伏 2. 石灰的消化：CaOH2OCa(OH)2（ 消石灰粉） 水化反应进行速度快 消化时体积急剧膨胀：过火石灰陈伏 3. 石灰的磨细生石灰粉 提高“过火石灰”的利用率 克服“过火石灰”对体积不安定的危害 4. 石灰的硬化：Ca(OH)2 结晶硬化 碳酸化硬化：CO2Ca(OH)2 CaCO3 石灰不宜在长期潮湿的环境中或有水环境中使用 6.1.1.2 石灰的品质要求 1）石灰的化学品质 f-CaO f-MgO含量判定石灰质量 CO2含量 2）石灰的技术要求 未消化残渣含量 细度活性 游离水含量 3) 石灰的技术标准（教材P191） 建材行业标准（JC）：优等品，一等品和合格品 道路行业标准（JTJ03493）：3个等级 6.无机结合料稳定类混合料 定义： 在各种粉碎或原来松散的土、或矿质碎（砾）石、 或工业废渣中，掺入一定数量的无机结合料（如石灰 、水泥）及水，经拌和得到的混合料，经压实及养生 后，具有一定的强度和稳定性，在广义上统称为无机 结合料稳定类混合料，或无机结合料稳定土。 无机结合料稳定混合料半刚性基层材料 石灰 水泥 工业废渣 砂砾土 碎石土 矿渣集料 细粒土 中粒土 粗粒土 6.1 石灰稳定土 石灰土：用石灰稳定细粒土得到的混合料 石灰稳定集料：用石灰稳定中粒土和粗粒土得到的混合料 石灰砂砾土天然砂砾土、级配砂砾（无土） 石灰碎石土天然碎石土、级配碎石（包括未筛分碎石） 结构类型 骨架密实式：粒料80% 悬浮式：粒料50% 石灰稳定土 石灰土 石灰集料 悬浮式 密实式 6.1.2 石灰稳定土的技术性质 6.1.2.1 石灰稳定土的强度 1) 强度形成机理石灰与细粒土 q离子交换反应 q石灰自身硬化 q火山灰反应 q机械压实 q 离子交换反应 石灰中Ca+ +、OH土中Na+、K+交换 减薄吸附水膜、土粒聚凝、易于压实 1) 强度形成机理石灰与细粒土 q 石灰硬化胶结作用 CaCO3 CO2CaO（生石灰） CaOH2O Ca(OH)2（消石灰） Ca(OH)2 结晶硬化 碳酸化硬化：CO2Ca(OH)2 CaCO3 1) 强度形成机理石灰与细粒土 q 火山灰反应复习 反应条件：碱活性激发剂Ca(OH)2 石灰 活性物质Al2O3 、SiO2粘土 Al2O3H2O Ca(OH)2 水化铝酸钙 SiO2H2O Ca(OH)2 水化硅酸钙 1) 强度形成机理石灰与细粒土 1）反应条件 具有活性物质：活性SiO2和活性Al2O3 具有活性激发剂：激发活性材料潜在活性的物质 Ca(OH)2溶液（碱性激发剂） CaSO42H2O溶液（硫酸盐激发剂） 2）反应机理 SiO2 Ca(OH)2H2O CaO SiO2mH2O 不定型水化硅酸钙（凝胶） Al2O3 Ca(OH)2H2O CaO Al2O3nH2O 不定型水化铝酸钙（凝胶） Al2O3 CaSO42H2O 水化硫铝酸钙（钙矾石） 火山灰反应（又称二次反应） q 机械压实颗粒靠拢、形成紧密稳定结构 总结： 初期：离子交换 压实作用 中、后期：氢氧化钙的结晶和碳酸化反应 火山灰反应 1) 强度形成机理 2) 石灰稳定土强度的影响因素 石灰的质量与剂量、土质、养生条件与龄期 石灰质量（活性：f-CaO含量、细度） 剂量 土粘土矿物成分（Al2O3、SiO2） 比表面积塑性指数IP 集料 图6-1 含水量石灰消解、火山灰反应 最佳含水量：压实图6-2 养生条件温度、湿度 龄期时间 图6-1 矿质混合料类型与强度的关系 单纯用石灰稳定无粘性或无塑性指数的集料，效果远不如用石灰 土稳定的效果： w石灰稳定粉质粘土的强度石灰稳定砂质粘土 w石灰稳定砂质粘土石灰稳定均质砂 在适宜的含水量下压实，可以取得最佳的压实效果 最大干密度最佳含水量:压实功最佳含水量最大密实度 细料含量最佳含水量最大密实 度 石灰剂量最佳含水量最大密实 度 含水量与干密度的关系 3) 强度指标 抗压强度无侧限抗压强度 配合比设计、施工质量控制 劈裂抗拉强度 结构计算与验算 抗折强度 6.1.2.2 收缩特征及其影响因素 1）温缩：因温度变化而造成的收缩 新生凝胶矿物热胀冷缩程度大 2）干缩：因含水量变化而造成的收缩 新生凝胶矿物产生干缩的主要因素 图6-3 收缩程度：石灰土悬浮式粒料密实式粒料 改善措施：选择材料、控制含水量、施工压实、养生条件 6.1.2.3 耐久性 收缩裂缝 图6-4 水稳定性：软化、冲刷 图6-5 抗冻性 石灰土和悬浮式石灰粒料禁止用作高等级路面的基层 只宜作为高等级路面的底基层，或一般交通量道路的基层 砂砾体积率与干缩系数的关系 石灰稳定砂砾干缩系数石灰 土 随着粒料含量，干缩系数 沥青路表翻浆 6.1.3 石灰稳定类混合料组成材料的质量要 求 石灰：3级以上消石灰 生石灰 (磨细生石灰高速公路和一级公路) 土：塑性指数范围宜为1520 硫酸盐含量不得超过0.8 有机质含量不得超过30 集料：级配碎石、未筛分碎石、砂砾、碎石土、砂砾土、煤矸石、粒状矿渣 w 为无塑性指数的粒料或不含粘土的集料时：+15左右粘性土 w 级配良好（当级配不好时，宜外加某种集料改善其级配） w 最大粒径 w 压碎值 水 6.1.4 石灰稳定类混合料的组成设计 6.1.4.1 设计要求 确定混合料中组成材料比例 石灰土：石灰剂量=石灰质量/干土质量 石灰集料：石灰：土：碎石（或砂砾） 确定混合料的最大干密度max和最佳含水量0 6.1.4.2 石灰土配合比设计方法（实验法） 1）确定石灰土中的石灰剂量 2) 石灰稳定集料的配合比设计 步骤1：确定石灰土的最佳含水量和最大干密度 石灰剂量范围的确定 石灰土的击实试验 注：括号中数据为内插值 试件计算干密度max压实度（现场干密度/最大干密度 ） 石灰剂剂量 () 最佳含水量 0 () 最大干密度 max ( g/cm3) 计计算干密度 i ( g/cm3) 抗压压强度 R(MPa ) 518.71.711.640.24 （7）（19.4）（1.68 ）1.610.76 920.11.651.581.24 （11）（20.9）（ 1.62 ）1.561.70 1321.81.581.522.12 击实试验及强度检验结果 步骤2：强度检验 试件计算干密度max压实度 （现场干密度/最大干密度） 抗压强度试验：试件成型试件养生抗压强度表 计算强度特征参数 强度平均值： 强度变异系数： 步骤3：确定石灰剂量 计算石灰土的配制强度： 绘制强度与石灰剂量关系试验曲线 石灰剂量与试件7d抗压强度的关系曲线 2) 石灰稳定集料的配合比设计 w石灰土：碎石（或砾石）1：4 w按照石灰土强度确定石灰剂量 w强度测试、记录 6.2 石灰工业废渣稳定土 （石灰粉煤灰稳定土） q常用工业废渣品种粉煤灰、煤渣、高炉矿渣、钢渣以 及其它冶金矿渣、煤矸石等 q矿物组成特点活性Al2O3、SiO2或CaO，具有水硬性 q石灰粉煤灰稳定土 二灰石灰粉煤灰 二灰土石灰粉煤灰稳定细粒土 二灰集料(或粒料)石灰粉煤灰稳定砂砾、碎石、矿渣 、煤矸石等 q结构类型：悬浮式粒料50% 密实式粒料80% 6.2.1 石灰粉煤灰稳定土的技术性质 6.2.1.1 强度特征 强度形成机理 w石灰自硬、粉煤灰材料的火山灰反应 w石灰粉煤灰的填充作用 w集料的骨架作用 w机械压实 强度特点 w较高的强度和稳定性 w早期强度较低，有着较高的后期强度 强度的主要影响因素 w粒料比例 w粉煤灰掺量越高早期强度越低，但不影响后期强度 w养生温度 养生温度（养生温度（）202030304040 强强度（度（MPaMPa ） A A组组组组1.351.35 - - 5.855.85 B B组组组组1.601.603.033.036.786.78 6.2.1.2 收缩特征 粒料含量 悬浮式二灰粒料密实式二灰粒料 密实式二灰粒料平均干缩系数为5510-6，温缩系数为4.210 -6 悬浮式二灰粒料平均干缩系数为10910 -6 ，温缩系数为6.710 -6 结合料剂量 粉煤灰用量：石灰剂量一定，粉煤灰用量干缩系数和温缩系数 石灰剂量：粉煤灰用量一定，石灰剂量干缩系数和温缩系数 排序 石灰土石灰砂砾石灰粉煤灰二灰稳定砂砾 6.2.1.3 耐久性 稳定性、抗冻性有较石灰稳定类有显著的改善 温度收缩系数比石灰稳定类有所减小 二灰土收缩性虽小于石灰土和水泥土，但仍具有相 当的干缩变形，不允许应用于高等级道路的上基层 6.2.2 石灰粉煤灰稳定土组成材料的质量要 求 石灰和粉煤灰: 石灰质量：3级或3级以上消石灰或生石灰 粉煤灰：SiO2Al2O3Fe2O370% 烧失量20% 比面积2500 cm2/g 湿粉煤灰的含水量35% 土: 塑性指数1220的粘性土（亚粘土） 土中土块的最大尺寸15 mm，有机质含量10 集料: 最大粒径和压碎值 级配 6.2.3 石灰粉煤灰稳定土的配合比设计 目的：确定石灰剂量 确定石灰与粉煤灰的比例 确定结合料与集料的比例 实验法存在问题：工作量大剂量352152个试件 试验结果不准确：最大干密度偏小 98% 96% 石灰剂量 强 度 6.3 水泥稳定土 分类 w水泥土水泥稳定砂性土、粉性土和粘性 土 w水泥砂水泥稳定砂 w水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾水泥稳定 级配碎石、未筛分碎石、砂砾等 6.3.2 水泥稳定类土的组成材料及其技术要 求 6.3.2.1 水泥 普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥复习 终凝时间较长 6.3.2.2 土与集料 w适宜材料：级配碎石、未筛分碎石、砂砾、碎石土、砂砾土 、煤矸 石和各种粒状矿渣 w不宜材料：塑性指数较大的细粒土 有机质含量超过2或硫酸盐含量超过0.25的土 w集料的颗粒组成：级配 w集料最大粒径和压碎值要求：与二灰稳定土相同 2.3 常用硅酸盐水泥 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 生 料 熟 料 水泥石 主要化学 成分 主要矿矿物 成分 主要水化产产物（比例） CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 C3S C2S C3A C4AF CaSO42H2O 水化硅酸钙钙（ 70） Ca(OH)2 （ 20) 三硫型水化铝铝酸钙钙（钙矾钙矾 石7%) 硫型水化铝铝酸钙钙 三硫型水化铁铝铁铝 酸钙钙 单单硫型水化铁铝铁铝 酸钙钙 水泥强度等级和标号 意义：强度是水泥的重要技术性质之一 也是划分水泥强度等级的主要依据 强度等级 强度试验条件：水泥:标准砂1:3、水灰比0.5，试件 4416，标准养护、测定3d与28d抗压强度与抗折强度 型号：早强型R和普通型（根据3d强度） 强度等级： 硅酸盐水泥42.5、42.5R、52.5、52.6R、62.5、62.5R 普通水泥32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.6R 表1硅酸盐水泥各龄期强度值 影响强度等级因素：熟料矿物 C3S、C2S，强度 细度大，水化反应快并充分，强度高 2.3.3 道路硅酸盐水泥 1）作用和使用要求 用途：供道路面层和机场道面结构专用 主要技术要求：抗折强度高 干缩性小 耐磨性好 2.3.3 道路硅酸盐水泥 2）矿物组成对技术性能的影响 抗折强度高：C3S、C4AF、C3A、f- CaO。 干缩性小（抗渗、抗冻）：C3A，C4AF 耐磨性好： C4AF，C3S，C3A，强度高 2.3.3 道路硅酸盐水泥 3）化学品质要求（高铁低铝） C3S：5160%，以提高早期强度，尽早放开交通 ； C2S：不宜过多，其早期强度过低 C3A5%，考虑到其水化生成物耐腐蚀性较差 C4AF16%，提高水泥的抗折强度 控制碱含量 6.3 水泥稳定土 水泥稳定土的特点 具有较其它稳定土高的强度、刚度和稳定性 与水泥混凝土的比较 材料组成：水泥用量较低、允许混合料中含土 施工方法：机械摊铺、碾压 技术特性 ：强度小、耐久性差、抗裂性低 6.3.1 水泥稳定类土的技术性质 6.3.1.1 强度的形成与影响因素 强度形成 w水泥硬化 w火山灰反应 w离子交换 会影响水泥的水化，使强度增长速度缓慢 w机械压实 6.3.1 水泥稳定类土的技术性质 强度的主要影响因素 组成材料 w水泥剂量：相同材料时水泥剂量强度 w土质图6-8 w集料级配 改善级配可以明显增加水泥稳定集料的强度 养生温度图6-8 延迟时间：从加水拌和开始到碾压终了的时间 图6-9延迟时间与水泥砂砾强度和干密度 图6-8 土质、养生温度与强度的关系 w相同养生温度： Ip强度 w相同龄期时： 养生温度强度 延迟时间与水泥砂砾强度和干密度 w延迟时间越长，稳定土 强度和密度的损失越大。 w在土质不变时，用终凝 时间短的水泥时，延迟时间 对混合料强度损失的影响大 。 w