（道路与铁道工程专业论文）二灰砂浆路用性能研究.pdf

摘要 近几年来，二灰稳定碎石这种优良、经济的基层材料在我国很多高等级公路 工程中使用。本文在综合大量研究文献基础上，对二灰砂浆对二灰碎石路用性能 的影响进行了分析，同时分析了细集料级配控制对二灰砂浆和二灰碎石的路用性 能的影响，并对二灰砂浆配合比的设计方法进行了研究。 本文首先以抗压强度为指标，采用多种原材料多种配合比确定石灰与粉煤灰 的最佳配比，并研究龄期对二灰配合比一强度关系的影响。其次应用k 法计算细 集料( 小于4 7 5 m ) 的级配，以抗压强度为指标，确定了结合料与细集料的最 佳配比，最后运用体积法得出控制细集料级配和不控制细集料级配两种情况下二 灰砂浆与粗集料的配比，最终确定了两种情况下二灰砂浆和二灰碎石混合料的配 合比。 运用正交试验方法确定了影响二灰砂浆强度指标的主要因素，提出了最优试 验方案，并将各因素对试验指标影响的显著性进行了分析。 在配合比设计的基础上，研究了控制细集料级配的二灰砂浆和二灰碎石混合 料的力学性能、稳定性能( 水稳性和冻稳定性) ，以及二灰碎石的抗收缩性能、 抗冲刷性能，并与不控制细集料级配的二灰砂浆和二灰碎石混合料的路用性能进 行了对比，得出实际施工中应控制细集料级配的结论。 关键词：二灰砂浆二灰碎石级配控制抗压强度路用性能 a b s t r a c t r e c e n t l y ，l i m e n ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t e sm i x t u r eh a sb e e na p p l j e dw i d e l yi n m a n yr o a de n g i n e e r i n gf o ri t se x c e l l e n ta n de c o n o m i c a lp a v e m e n tp e r f b 加a n c e 0 n t h eb a s eo fm a i l yl i t e r a t u r e s ，t h ep a p e ra i l a l y s e st h ee f f c c to fl i m e n y i n ga s hm o n a ro n l j m e f l ya s hs t a b i l j z e da g g r e g a t c s ，s t u d y i n gt h ep r o p o f t i o no fh m e f l y j n ga s hm o r t a l a tt h es 棚et i m e ，t h ee f f e c to ff m ea g 粤g a t e s 口a d a t i o nc o n t m l l e do nt h ep a v e m e n t p e r f o 咖a 1 1 c eo f b o t h1 i m e - n y i n ga s hm o n a r a i l dl i m e f l ya s hs t a b i l j z e da g g r e g a t e sa r e a n a l y z e d f i r s t ly ，t h er a t i oo fl i m et on y - a s hj sc o n f i n e db yt h eu n c o n f i n e ds t r e n g t hi n d e x w i t hu s i n go r i g i n a lm a t e “a l sa n ds o m er a t i o s ，a n dt h ee f f e c to ft h ep e r i o dp r o t e c t e dt o t h er e l a t i o nb e t w e e nr a t i oa n ds t r e n g t hi sa l s oc o n f i n e d s e c o n d l y t h eg r a d eo ff j n e a g g r e g a t e si sc a i c u l a t e db yk m e t h o d n l j r d iy ，t h er a t i oo ft h el i m e f l ya s ht of i n e a g 伊e g a t e si sa l s oc o n f i n e db yt h et e s to fu n c o n f i n e ds t r e n g t h f o u n h l y ，t h es u i t e d r a t i oo fl j m e n ya s hm o n a rt oc o a r s ea g 璺e g a t e su n d e rt h ec o n d j t j o no fb o l h c o n t i d l l i n gf i n ea g f e g a t e sa n du n c o n t r o l i i n gf i n ea g g r e g a t e si sc o n f i n e db yt h e v o l u m em e t h o d a t l a s t ，t h ep r o p o r t i o n so fb o t hl i m e f l ya s hm o n a ra i l dl i m e f l ya s h s t a b i “z e da g g r e g a t e sm i x t u r ea r ec o n f j n e d t h eo n h o g o n a le x p e d m e n t a ls t u d yi sp r e s e n t e do nt h es u i t e dc o m p o s i n go f i i m e f l ya s h 面o r t a lt h eb e s te x p e r i m e n t a ip f o j e c ti ss e i e c t e di nt h ee x p e r i m e n t s i m u l t a n e o u s ly ，t h ed i s t i n c te 丘- e c to fe v e r yf a c t o ri ss t u d i e di nt h ep a p 导l l n h j st e x l ，o nt h eb a s eo fg r a d a l i o nd e s i g n ，t h ep a v e m e n tp e 刊f o r l n a n c e so f l i m e - f l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t e sa n dl i m e - n ya s hm o r t a ru n d e rc o n t f o l l i n gf i n e a g g r e g a t e sg r a d a t i o na r es t u d i e d ，a n dc o n t r a s t e dw i t ht h em i x t u r e sw h i c ha r eu n d e r u n c o n t m l l i n g f i n e a g 争e g a t e sg r a d a t i o n ，i n c l u d i n g m e c h a l l i c a l p e d b 珊a l l c e ， s t a b l e n e s s ，a n t i - b n l s h j n gp e r f o n l l a n c e ，t h ea n t i c r a c kp e r f o 册a n c e ，a n dd r a w i n gt h e n c l u s i o no fc o n t r o l l i n gf i n ea g 铲e g a t e sg r a d a t i o n k e yw o r d s ：u m e - f l y i n ga s hm o n a r ；l j m e f l ya s hs t a b i l i z e da g f e g a t e s ；g f a d a t i o n c o n t r o u e d ；u n c o n f i n e ds t r e n g t h ；p a v e m e n tp e r f o r i i l a n c e ； 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：毒战霞 。f 年月，2 一日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：惫菇霞 别雌轹翟姨 d f 年f 月，z 日 口年月f 胡 第一章绪论 卜1 研究的目的和意义 近几年来，为了适应日益繁重的交通量，半刚性材料二灰碎石被广泛应用于 高等级公路的基层。二灰碎石具有力学性能好、工程造价低的优点，而且部分材 料利用电厂废弃物粉煤灰，利于减少环境污染。在我国己建成的高速公路中，半 刚性基层沥青路面占相当大的比重。在各种半刚性基层中，石灰粉煤灰稳定碎石 基层( 简称二灰碎石基层) 的应用最为广泛。为适应高等级公路交通流量大和重 型车辆多的特点，以无机结合料稳定粒料( 土) 类为基层，沥青混凝土为面层的 半刚性基层沥青路面被大量应用于高等级公路。这主要是因为半刚性基层材料具 有如下优点： 第一、车辆轴载的增加和交通量的增大对路面的承载能力要求越来越高，而 做为半刚性材料的二灰稳定碎石具有较高的抗压强度和刚度，还具有一定的抗弯 拉强度，且都随龄期而不断增长，因此以其为基层的沥青路面通常具有较小的变 形和较强的荷载扩散能力。 第二、二灰稳定基层刚度大、整体性强，使得其上沥青面层所受弯拉应力值 较小，从而提高了沥青面层抵抗行车荷载疲劳破坏的能力。 第三、半刚性基层材料与以前使用的道路基层材料相比有着更大的灵活性和 适应性，二灰类半刚性基层材料的广泛应用有利于我国环保事业的发展，变废为 宝，减少了环境污染。 由于半刚性基层有无可比拟的优越性，然而，随着半刚性沥清路面的大量涌 现，其早期破坏现象也日益严重。使得水泥稳定碎石( 砂砾) 和二灰稳定碎石( 砂 砾) 这两种优良、经济的基层材料在很多高等级公路工程使用中，没发挥其优良 的路用性能，有些路段甚至出现相反的情况。然而，目前我国公路路面基层旋工 规范标准单一，没有考虑到全国自然环境、地理状况、原材料特性的区域性差别 和各施工技术、设备的差异，全国采用统一的规范标准进行设计施工，也是造成 路面早期破坏的因素之一。因此半刚性基层的应用现状应从其设计、材料实验和 施工等方面进行全面系统的调查研究，总结出路用性能良好的路面基层结构组合 形式、混合料的组成设计、施工工艺和养护措施。 就二灰稳定碎石来讲，相比其它基层材料它有更多的优点和广阔的使用前 景，但是在道路的实际使用过程中还是出现了不少问题，主要是水损害和裂缝。 在交通荷载和环境的双重作用下，这种结构形式的路面会出现不同程度的收缩和 开裂，并且干缩和温缩共同作用所生成的基层裂缝还会反射到路面，破坏路面整 体结构。裂缝的存在不仅使车辆行驶质量下降，而且也破坏了路面结构的整体性 和连续性，并在一定程度上导致结构强度的削弱。另外，二次碎石早期强度低， 影响交通的尽早开放也是其一致命的缺点。 公路路面基层施工技术规范( j t j0 3 4 - - 2 0 0 0 ) 中推荐的二灰碎石基层的 集料级配中，有关二灰砂浆的部分需要注意的是，粒径处于0 4 7 5 m m ( 方孔筛) 范围的细集料含量为3 0 5 0 ，若是再加上二灰，混合料中二灰砂浆的含量将超 过5 0 ，难以使粗集料形成良好的骨架结构，这对于二灰碎石混合料的抗收缩性 能会产生不利影响，而且也不利于施工控制；由于以二灰砂浆为主体( 占优势) 的混合料对水比较敏感，使得基层在施工期以及使用期经常受到干缩裂缝的困 扰；基层二灰砂浆含量过多以及裂缝的产生，致使基层表面极易产生冲刷，并造 成沥青路面的唧泥损坏。因此，二次砂浆对二灰碎石路用性能有很大影响，对整 个路面结构也有着不可忽视的作用。 鉴于以上问题，有必要对二灰砂浆的配合比进行研究，通过调整二灰砂浆的 配合比，观察其对二灰碎石基层的路用性能的影响，并为以后的基层铺设提供一 定的理论依据。 1 - 2 国内外研究概况 二灰碎石混合料属半刚性材料，作为传统筑路材料的替代材料具有良好的路 用性能，表现为良好的板体性、水稳定性和一定的抗冻稳定性与隔热性能，且其 强度随着龄期的增长而增长，能较好地适应城市道路重交通量的需要同时解决了 环境保护问题。具有整体性强、承载力高、工程造价低，同时也能解决环境问题 等优点。早在2 0 世纪5 0 年代，已在欧美国家作为筑路材料被使用，并且呈稳定 增长的趋势。经历了7 0 年代一场能源危机之后，西欧各国加快了对粉煤灰利用 的研究步伐。在此期间对二灰碎石混合料在道路修筑中的应用、设计与施工工艺 等方面做了大量的研究工作，并将研究成果应用于道路、机场跑道、停车场等工 程的半刚性基层的修筑，取得了良好的效果，并制定了相应的使用规范。 在国内，从上世纪6 0 ，7 0 年代开始把二灰碎石应用于路面基层中，二灰碎 石的应用得到了大力推广。历经几十年的工程实践检验，现已经成为路面工程中 使用最广泛的两种半刚性基层材料之一。最初的观点认为：二灰碎石是悬浮结构， 集料大颗粒悬浮在石灰粉煤灰组成的基体中。悬浮式结构的观点产生于二灰碎石 早期出现时的使用过程中。而这种集料呈悬浮状态的二灰碎石组成结构观点正适 应于当时较低的生产和施工水平。但是在二灰碎石基层的使用过程中发现：采用 悬浮式结构的基层开裂比较严重，在路面中往往出现较多的反射裂缝。主要原因 是由于基层中二灰自身的收缩量较大，而悬浮于其中集料颗粒被二灰完全隔开不 能有效地抑n - 灰的收缩。为了减少收缩开裂，人们开始使用具有一定级配的集 料颗粒以加大混合料中集料含量，并采用强制式拌和机加强混合料的拌和，采用 重型压路机加大成型压力，以期达到显著减少二灰碎石收缩裂缝的目的。 7 0 年代末，苏州公路部门将二灰碎石混合料中集料的含量由6 0 提高到 7 5 8 0 ，并控制集料的最大颗粒尺寸为4 0 m m ( 圆孔筛) 。这一基层结构，不 仅有着较高的力学强度，而且能够基本避免收缩裂缝的产生两大优点。正因如此， 二灰稳定类基层结构得以在全国推广应用。 9 0 年代，随着重型振动压路机在道路工程中的应用，吉林省高速公路管理 局周晓龙提出了二灰碎石混合料的嵌挤式骨架模型。认为在材料组成方面，由石 灰和粉煤灰组成的结合料的质量应占混合料总质量的2 0 2 5 ，集料的质量应占 7 5 8 0 。集料的粒径可以根据当地材料的条件分为三级或四级。这种结构模型 的两个特点是：第一，以主骨料形成骨架，而不是像习惯做法那样，将主骨料悬 浮在砂和结合料组成的“砂浆”中。较强的骨架对于改善混合料的早期强度，抵 抗干缩和温缩引起的裂缝有较明显的作用；第二，结合料数量充足( 体积上占 4 0 左右) ，能够对集料形成良好的裹覆，并可能将骨架间空隙施以紧密填充。 这将有利于结构耐久性的提高。而不是像习惯做法那样，由于使用较多的细集料 和较少的结合料导致结合料的填充率降低，裹覆性较差，进而影响结构的整体性 和耐久性。 1 9 9 3 年，大粒径、无级配的三渣和二灰结石被公路路面基层施工技术规 范( j t j0 3 4 - - 9 3 ) 中的小粒径、级配型的二灰碎石所取代。这与施工机械的改 善及施工工艺的提高有着不可分割的联系。此规范一改以往路面基层工程中集料 惯用大粒径和无级配的状况，不仅适应了高等级公路机械化施工的需要，而且有 利于二灰碎石混合料力学强度和耐久性的提高以及结构的均匀性和平整度的改 善。这无疑是基层施工规范中二灰碎石混合料组成设计的突出优点。 此规范规定集料的最大粒径不应超过3 1 5 m m ( 方孔筛) ，并认为当二灰与集 料的质量比控制在1 5 ：8 5 2 0 ：8 0 之间时，集料可以起到骨架作用，而二灰则可以 起到填充作用，从而使混合料具有较高的密实度，形成密实骨架结构。以期提高 强度、减小其收缩、提高其抗冲刷能力。然而，基层施工规范中所规定的二灰碎 石混合料粗集料含量偏少和4 7 5 m r n 以下集料含量过大，从而使二灰碎石基层产 生温缩裂缝，抗冲刷能力降低，极易造成沥青路面的唧泥损坏。 二灰碎石基层的使用过程，也是人们对其组成及结构认识的深入过程，有关 二灰碎石基层材料的配合比设计及路用性能指标，随着施工机械的改进及施工方 法的提高，也在不断的变化，日趋完善。由最初应用于轻交通的石灰粉煤灰混合 料，发展到具有悬浮结构的二灰结石，且随着使用要求的提高，采用具有一定级 配的集料取代了单粒级粒料。目前由于重型振动压路机的使用，使得二灰碎石混 合料中的粗集料颗粒由以前的松散排列逐步向骨架密实型结构过渡。 2 0 0 0 年发布的公路路而基层施工技术规范( j t j0 3 4 - - 2 0 0 0 ) 对二灰碎石 混合料的集料级配范围作了明确的规定，集料级配组成采用最大密度理论，其集 料本身已形成了密实的结构。但二灰碎石混合料采用1 5 - 2 0 的石灰和粉煤灰， 无法填充全部空隙，在压实设备的作用下，必然有部分石灰、粉煤灰及部分细集 料浮在基层的表面，在水分及真空吸力的作用下，同样可能产生表面软化唧泥。 公路路面基层施工技术规范( j t j0 3 4 - - 2 0 0 0 ) 中二灰碎石的集料级配采 用方孔标准筛，并对各筛孑l 的集料通过量进行了调整。这些修正固然必要，但相 对1 9 9 3 年规范的二灰碎石结构特性并未产生质的变化。规范中的集料级配如表 卜1 所示。 公路基层施工技术规范中给出的集料颗粒组成范围表1 - 1 筛孔尺寸 3 1 51 9 09 54 7 52 3 61 1 80 60 0 7 5 ( m m ) 通过率 1 0 08 1 - 9 85 2 7 03 0 5 01 8 3 81 0 2 76 2 0o 7 ( ) 苏州市交通工程质量监督站的潘国进认为，在确保混合料强度和均匀性的前 提下，适当增加4 7 5 m m 以上粗集料的含量，力求粗集料在混合料中形成骨架； 减少4 7 5 m m 以下尤其是2 3 6 m m 以下细集料的含量，同时控制细集料与石灰、 粉煤灰之间的合理配比，以尽可能地在总量上降低二灰碎石基层的收缩系数，提 高其抗裂性能，同时增加其抗冲刷性能。也即适当调整二灰砂浆的含量，并调整 二灰砂浆的配合比，以提高二灰碎石的抗裂性能。 二灰砂浆配合比设计中，石灰加粉煤灰的含量与许多变量有关，美国通常采 用1 2 3 0 之间。但是典型的比例是2 5 4 石灰和1 0 1 5 粉煤灰。我国通常 使用两种类型的石灰粉煤灰粒料混合料。一种是密实式的，即粒料含量占8 0 8 8 ，同时具有规定的级配，石灰加粉煤灰含量为1 2 2 0 ，起填充粒料的空隙 和粘结作用。另一种是悬浮式的，即粒料仅占5 0 6 0 左右，不需要粒料具有一 定级配，粒料悬浮在石灰和粉煤灰混合料之间。 据近几年来国内外研究状况和我国有关高速公路的生产实践，要最大限度地 控制收缩裂缝，二灰碎石集料级配中的细集料就宜适当减少，同时要满足机械摊 铺的需要达到面层要求的平整度，则粗集料粒径又不能太大。查阅大量国内外最 新研究资料发现，石灰：粉煤灰：粗集料的配合比有：路面基层施工规范( j t j 0 3 4 9 3 ) 7 ：1 3 ：8 0 ：沥青路面设计规范( j t j0 1 4 9 7 ) 7 ：1 3 ：8 0 ；沪宁高速7 ：1 3 ：8 0 ； 同济大学按级配理论推算的级配7 ：1 3 ：8 0 ；哈尔滨建筑工程学院1 9 9 8 年推荐级 配7 ：1 8 ：7 5 。 - 为此本文力求通过对二灰砂浆合理配比及细集料级配的研究，来改善二灰碎 石混合料的路用性能，为今后二灰碎石混合料在道路工程中的进一步应用提供一 种可供参考的配合比。 卜3 论文研究的内容 本文以黄延高速公路工程为依托，针对陕北地区半刚性基层沥青路面的实际 使用情况，深入开展二灰砂浆配合比及细集料级配控制问题对二灰碎石基层的路 用性能的影响的研究，为使二灰碎石基层沥青路面获得优良的路用性能，二灰砂 浆混合料所应该具有的合理组成比例及细集料级配。研究内容如下： ( 一) 二灰砂浆混合料配合比设计 1 以抗压强度为指标确定石灰与粉煤灰的最佳配比； 通过正交试验以及极差分析确定二灰与细集料的配比。 细集料级配对二灰砂浆和二灰碎石的影响分析 5 1 确定不控制细集料级配时，二灰与细集料的配比； 2 应用体积法确定不控制细集料级配时二次砂浆与粗集料的配比，使二灰 砂浆充分填充到粗集料构成的骨架空隙中，使二灰碎石混合料具有最大的密实 度。 ( 三) 二灰砂浆和二灰碎石混合料路用性能研究 通过试验比较两种不同级配类型的( 本文设计级配和不控制细集料级配) 二 灰砂浆和二灰碎石混合料的各项路用性能指标。 6 第二章二灰碎石混合料组成结构分析 2 - 1二灰碎石组成结构与技术性能要求 一、二灰碎石组成结构 二灰碎石混合料的路用性能与它的结构特点有着非常密切的关系。混合料的 结构是指混合料各组成材料之间相互作用的特点，相对位置分布及相互联系的状 况。当组成二灰碎石混合料结构特点的各因素发生变化时，混合料的力学特性也 会发生变化。 混合料的结构特点取决于以下因素： 混合料各组分的比例：各档集料的通过率及间断级配或是连续级配都会 对二灰碎石混合料的结构特性产生影响。 矿质颗粒的结构特点：包括矿料颗粒的大小、形状、级配、岩性等都会 对二灰碎石混合料的结构特性产生影响； 二灰结合料：石灰与粉煤灰的比例、石灰中有效氧化钙、氧化镁的含量、 粉煤灰的细度及颗粒组成都会对混合料的结构特性有很大的影响； 二灰碎石混合料的含水量的高低及水质的好坏对二灰碎石整体结构特性 也有很大的影响。 混合料的结构强度在很大程度上取决于混合料的内摩阻力和粘结力。在混 合料中，各结构组分的含量，会对整个混合料的强度产生直接影响，从而使混合 料具有不同的变形特性。其结构特点主要有以下三种情况： 1 密实悬浮结构 这种结构形态的二灰碎石混合料，通常采用连续型密级配，骨料的颗粒尺寸 由大到小连续存在。这种结构中含有大量细料，而粗料数量少，且相互间没有接 触，不能形成骨架，粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中。三轴试验表明，该种结 构虽然具有较高的粘聚力，但摩阻角较小，其强度主要受粘结力所控制，在外部 荷载作用下，易产生破坏。由此而修筑的二灰碎石基层，受二灰性质的影响较大， 因而其抗收缩性能较差，使基层容易开裂，破坏了基层的整体性，是造成路面结 构破坏的因素之一。 图2 1密实悬浮结构图2 - 2骨架空隙结构 2 骨架空隙结构 采用连续开级配的二灰碎石混合料属于这一结构类型。在这种结构中，粗骨 料较多，而细料数量过少，因此，虽然能够形成骨架，但其残余空隙较大。三轴 试验表明，虽然此种结构粘聚力较低，但其内摩阻角较大，其强度主要取决于内 摩阻力，粘聚力相对是次要的。由此而修筑的二灰稳定碎石基层，受二灰性质的 影响较小，因而其抗收缩性能较好，但由于其空隙率太大，使基层的耐久性受到 影响。 3 密实骨架结构 密实骨架结构是综合以上两种结构类型形 成的结构。二灰碎石混合料中既有一定数量的 粗骨料形成骨架，又有根据残余空隙的多少加 入的细料的填充，从而使混合料形成较高的密 实度。对这种结构的混合料三轴试验表明，它 图2 - 3 密实骨架结构 不仅具有较高的内摩阻角，而且具有较高的粘聚力。理论上讲，属于该种结构类 型的二灰碎石混合料应该具有较优的力学性能、抗收缩性能。 由以上分析可以看出，二灰碎石混合料中各组成成分的空间位置排列不同， 会导致混合料整体性质发生变化，因此深入分析混合料内部组成结构，才能真正 设计出性能优良的二灰碎石混合料。 二、二灰碎石基层性能要求 实践证明，无论是对于沥青路面还是水泥混凝土路面，基层的材料和质量都 是影响其使用性能和使用寿命的关键因素之一。调查结果表明，高速公路和其它 公路产生的一些早期破坏均与基层质量不好有关。因此，要提高路面的修筑质量， 解决好基层问题是极其重要的一个环节。在路面结构中，基层是位于面层下的结 构层，主要起承重、扩散荷载应力以及改善路基水温状况的作用。因此，作为路 面的基层材料，一般必须满足以下几个基本要求： 1 具有足够的强度和刚度 二灰稳定碎石基层必须具有足够的强度才能承受车轮荷载的反复作用，即 在预定设计标准轴次的反复作用下，基层不会产生过多的残余变形，更不会产生 疲劳弯拉破坏。二灰稳定碎石基层材料的强度主要包括两个方面：一是石料本身 的强度，可用集料压碎值或集料磨耗值表示，也可用岩石的抗压强度表示；二是 二灰碎石混合料整体的强度，如抗压强度和抗弯拉强度。另外，基层的刚度必须 与面层的刚度相配，如基层的刚度过小，则面层会由于过大的拉应力或拉应变而 过早产生开裂破坏；如基层的刚度过大，则极易因干缩和温缩产生开裂，影响基 层的抗裂性能。 2 具有足够的水稳性和冻稳定性 路表水会通过各种途径进入路面结构中，在地下水位接近地表的地段，特别 在路基填土不高时，地下水可通过毛细作用进入土基上部和路面结构层：在冰冻 地区，由于冬季水分重分布的结果，路基上层和路面底基层都有可能处于潮湿或 过湿状态。这就要求基层材料在水的作用下，其强度、整体性和刚度不会明显的 下降，并且在冬季有定的承受冻融循环作用的能力。 3 具有足够的抗冲刷能力 国内外的调查研究表明，二灰碎石基层材料的冲刷及由之而产生的唧泥现象 是经常存在的，而这些现象均与基层材料的组成特性有关。无论冲刷作用发生在 水泥混凝土路面还是发生在沥青路面上，其冲刷过程大都是相同的：即在较大行 车荷载作用下，首先在路面各层的交界面上形成空隙( 冲刷腔) ，然后在流动水的 参与下发生冲刷作用，冲刷作用的发生进一步扩大了冲刷腔，在这个“恶性循环” 中冲刷现象越来越严重，路面的脱空现象也随之迅速增大，直至路面结构发生破 坏。因此，要求二灰稳定碎石基层材料对这种冲刷必须具有足够的抵抗能力，从 而避免出现严重的唧泥现象。 4 具有良好的抗裂性能 基层材料随着温度和湿度的变化，会产生一定的拉应变，如果超过材料允许 拉应变，基层就会开裂。基层的收缩开裂不仅破坏基层结构的整体性而降低其强 度，并且这种裂缝很容易在面层上形成反射裂缝，因此希望基层的收缩量越小越 好。二灰碎石基层材料的收缩主要包括由于失水而产生的干燥收缩和因温度降低 而产生的温度收缩两大方面。一般认为基层材料的两类收缩中以温度收缩较为重 要，这是因为： ( 1 ) 一般道路建筑条件下，路面开裂现象主要发生在低于一5 。c 的气温时， 细的横向裂缝宽度约在0 2 2 m m 。这种情况下致使路面结构层变形的主要原因 是温度收缩。 ( 2 ) 施工中若能认真地控制二灰碎石基层的水分散失，便能够减小甚至完 全消除干缩裂缝的发生。二灰碎石基层一旦被沥青面层覆盖之后，其水分散失就 变得困难。 5 具有良好的疲劳性能 疲劳是在小于材料极限强度的应力反复作用下材料所产生的累计破坏。二 灰碎石混合料在使用期间经受车轮荷载的反复作用，加之气温环境影响使其长期 处于应力应变交迭变化状态，致使其结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一 定次数后，在荷载作用下产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，裂缝迅速 发展并贯穿全截面，继而发生断裂。因此，在重交通道路、一级公路和高速公路 上，要求二灰碎石混合料还应该具有较强的抗疲劳破坏能力。 综上所述，为了使二灰碎石发挥其作为基层应起到的承重、扩散荷载应力 和改善路基水温状况的作用，二灰碎石基层必须具有良好的力学性能、水稳定性 能、耐久性能、抗冲刷性能及疲劳性能等。 2 - 2 二灰碎石混合料强度形成机理 所谓二灰碎石，是石灰、粉煤灰和碎石骨料三种主要材料，按一定的比例混 合而成，经过一系列物理化学反应形成的具有较强板体性能的混合料。理论研究 认为，在二灰稳定碎石的强度形成过程中，主要依靠结合料所发生的一系列反应， 使得集料与结合料紧密连接到一起。石灰和粉煤灰两种活性物质在混合料结合过 程中，石灰中的主要成分c a o 与粉煤灰中的s i o ：、a l 。0 3 和f e ：0 。相互作用，形成 硅酸三钙、铝酸三钙以及铁铝酸四钙等盐类，并在水的作用下形成水化硅酸钙、 水化铝酸钙以及水化铁铝酸钙等胶凝物质，并与骨料胶结，然后经过硬化，形成 具有一定刚度的物质。随着石灰、粉煤灰和水化学反应的不断进行，胶凝物质的 不断增多，表现为二灰碎石的强度随着时间的推移而逐渐增长。二灰混合料发生 的基本反应过程有： 石灰粉煤灰之间的火山灰反应 石灰自身的解离作用 石灰的结晶作用和碳化作用 这些作用的进行都是通过液相介质来完成的。从对二灰碎石强度贡献的大小 来说，石灰粉煤灰之间发生的火山灰反应是最主要的作用过程，而石灰的解离作 用是所有作用过程的基础。石灰的碳化结晶作用又进一步增加了二灰碎石的强 度。 从公路工程所做各龄期试样抗压强度与时间关系来看，二灰碎石的初期强度 增长速度相对比后期要快，主要是由于原材料混合的初期，石灰中的活性成分与 粉煤灰中的活性成分接触的较充分，进行火山灰反应的数量较多。而后期由于胶 凝物质的生成，影响了石灰与粉煤灰成分的充分“接触”，因此强度增长速度逐 渐缓下来。其强度的构成来自3 个方面： 石灰和粉煤灰在水作用下形成的水硬性胶凝物质； 骨料的嵌锁作用； 胶凝物质与骨料的粘结和固定作用。 形成二灰碎石混合料强度的另一个必要条件是压实。当混合料加水拌和后， 应及时碾压，让化学反应在压实了的混合料中进行，如果不压实或压实不充分， 化学反应照常进行，但形不成网络结构，反应后的混合料变为一堆具有一定水稳 定性的松散集合体，强度很低，不能形成板体结构。 火山灰反应是一个缓慢、长期的过程，这是使二灰稳定碎石混合料具有较高 后期强度的根本原因。当二灰中的水化硅酸钙胶体析出之后，犹如水泥一样，能 将骨料紧紧地胶接在一起，形成一个坚实的板体。并且强度随着龄期的增长而增 大。随着龄期的延长，水化产物在过饱和溶液状态下以微晶体形式析出，并由玻 璃体表面伸展到二灰稳定碎石固相间的空隙，形成二维的结晶体网状结构，且将 固相颗粒联结成一整体，形成了很高的联结强度。 2 - 3 二灰碎石混合料级配的分析 一、目前国内规范的要求 我国现行规范公路路面基层施工规范( j t j0 3 4 2 0 0 0 ) 中二灰碎石的集料 级配采用方孔标准筛，并对各筛孔的集料通过量进行了调整。其中规定，二灰稳 定级配集料用做二级及二级以上高等级公路路面基层时，混合料中集料的重量应 i ， 占8 0 8 5 ，集料的最大粒径不应超过3 1 5 m m ，其颗粒组成应符合表2 1 要求。 现行规范级配组成表2 - 1 筛孔尺寸 3 7 53 1 51 99 54 7 52 3 61 1 8o60 0 7 5 ( r a m ) 9 0 7 2 4 8 3 0 1 8 1 0 l1 0 06 - - 2 0o 7 通过率 1 0 09 06 85 03 82 7 ( )8 l 5 2 3 0 1 8 1 0 21 0 06 2 0o 7 9 87 05 03 82 7 二、目前规范中关于粒料级配存在的问题 由于二灰碎石具有优良的路用性能，它被广泛地用作各种路面结构的基层材 料，关于它的组成配合比设计存在着多种观点。遗憾的是，各种设计观点不够圆 满之处在于它们都不能形成理想的二灰碎石混合料结构。从表2 1 可以明显地看 出：粒径处于0 5l f l l l 以下范围的细集料含量为3 0 5 0 ，若是再加上二灰，二灰 碎石中细料将超过5 0 。这样的级配组成很难形成良好的粗集料骨架结构。究其 原因有以下几点： 虽然要求集料占8 0 以上，但二灰碎石混合料集料粒径偏小，o 5 m m 以 下细集料的含量过大和2 0 m m 以上的粗集料含量过少，势必造成集料形不成一个 完整、连续的骨架； 混合料中二灰及少量石粉是起胶凝而不是填隙作用，从而形成悬浮密实 型结构，这使得二灰碎石基层温缩裂缝不可避免且发展迅速； 由于以细集料为主体( 占优势) 的混合料对水的敏感性，也使得基层在 施工期以及使用期经常受到干缩裂缝的困扰； 基层细料含量过多以及裂缝的产生，致使基层表面的抗冲刷能力差而极 易造成沥青路面的唧泥损坏。 此外，由于混合料中的细料过多，压实后表面光滑，不利于与沥青面层的连 接。但是若在二灰碎石混合料中片面地提高粗集料含量，则很有可能使混合料的 7 d 强度达不到规范要求，施工难度也比较大，不易保证平整度。 三、黄延高速公路二灰碎石集料级配 ( 一) 工程概况 黄延高速公路基层结构为石灰、粉煤灰稳定碎石，设计厚度为3 4 c m ，铺筑 时分两层进行摊铺，下基层厚度为1 8 a m ，松铺系数为1 _ 3 2 ，松铺厚度为2 3 8 c m ； 上基层厚度为1 6 c m ，松铺系数为1 2 8 ，松铺厚度为2 0 5 c m 。 1 填筑材料的控制 施工中的原材料主要选用陕西蒲城产石灰、延安产粉煤灰和铜川产碎石。在 试验段施工前2 天，对施工所用的生石灰进行充分的消解，经试验测定消石灰的 钙、镁含量能够符合i i i 级灰的要求。粉煤灰在施工前经过严格的过筛确保使用中 不含有团块、腐植质或其他杂质。碎石洁净、干燥，各项技术指标检测合格，能 够满足级配要求。水为饮用水、洁净，不含有害的杂质。 2 试验段施工准备 试验段施工之前首先将底基层表面所有的浮土和杂物全部清除干净，以确保 底基层表面的整洁，并适当的进行洒水湿润。 3 机械准备 试验段施工期间，根据技术文件要求和现场实际施工需要，配置了能够满足 施工的各种机械设备。 4 含水量的控制 现场试验人员对混合料的拌和含水量进行检测试验，检查其含水量与最佳含 水量之间的差值，以确定晾晒时问和洒水量，在混合料摊铺完成后，现场试验人 员对实际施工的含水量进行测定，含水量控制在最佳含水量的2 进行碾压。 5 碾压 碾压主要采用光轮压路机进行混合料压实，主要以2 0 t 振动压路机为主，在 摊铺机将混合料摊铺成型3 0 m 后立即采用光轮压路机静压l 遍，然后用2 台光轮 压路机振压5 遍，随后使用光轮压路机静压1 遍，最后采用胶轮压路机柔面1 遍。 碾压中以进退式碾压，在全宽范围内碾压一个来回为一遍，横向重叠1 2 轮宽， 碾压速度控制在1 5 1 7 k m h ，碾压时为取得试验的相关数据，碾压三遍后开 始取样检测压实度，以后每碾压一遍取样，直到密实度不在上升或趋于平缓为止。 在同一点位进行松铺系数的检测啊。压实度取样在同一点附近、同一深度进行密 实度的检测，密实度的检测在现场与试验段同步进行，密实度以“灌砂法”取样 检测。对于基层两侧应多压2 3 遍，压路机不得在已完成或正在碾压的路段上 急刹车或“调头”。 6 离析现象的消除 混合料在从拌和站出料装车过程中，为防止混合料粗细粒料的分离，装载高 度要均匀一致，并分三次进行装料，既先装车厢的前后两边，后装车厢的中间。 摊铺机在摊铺过程中两侧设置现场补料人员，对个别混合料离析处进行清除后补 洒细料，对有缺陷的地方进行修补。 7 切缝 在旖工成型的二灰碎石上每2 0 m 预切缝，深度为6 c m ，并采用热沥青灌缝， 以减少基层的反射裂缝。 8 养生 试验段的养生采用土工布进行覆盖养生，洒水车对其进行洒水，长时问 保持结构层表面湿润，养生期为7 d 。 在基层试验段施工完成后，洒水养护一天，待基层表面无明显的水珠后 及时喷洒乳化沥青透层油养生，并限制车辆通行，防止了对透层的污染。 ( 二) 试验路验收情况 1 表面平整密实、无坑洼，无明显离析。 2 施工接茬平整、稳定。 ( 三) 配合比情况 根据试验确定二灰碎石基层配合比( 重量比) 石灰：粉煤灰：碎石= 7 ： 1 4 ：7 9 。 最大干密度p = 2 0 6 9 c m 3 最佳含水量。= 9 5 从黄延高速公路试验路的使用情况看，二灰碎石的开裂并不严重，这说明二 灰碎石粗集料含量的增加，可以减少裂缝的出现。增加粗集料的含量，可以使二 灰碎石的粗集料形成紧密嵌挤的骨架结构，而碎石的温缩系数仅是二灰温缩系数 的1 3 1 5 ，所以含碎石多的二灰碎石比含二灰多的二灰碎石裂缝出现得少。另 外从二灰碎石形成的强度机理分析：二灰碎石强度的薄弱点应该是集料与二灰结 合料的结合面上，增加粗集料的用量，减小了集料的比表面积，对强度的提高是 有益的。黄延高速公路级配见表2 2 。 黄延高速公路二灰碎石基层级配 表2 - 2 筛孔尺寸( r a m ) 3 1 51 99 5 4 7 52 3 61 1 8o 6 通过率( ) 1 0 0 9 57 l 5 34 0 2 41 7 78 o 结合本课题具体使用的石料，为研究二灰砂浆的配合比和细集料级配的控 制，采用了黄延公路工程中粗集料的级配，并进行了适当的调整作为后续试验的 级配，见表2 - 3 。 本文采用的二灰碎石级配表2 - 3 l 筛孔尺寸( m m ) 3 1 51 99 54 7 52 3 6 1 1 8o 6 通过率( ) 1 0 06 23 2 1 2 第三章石灰粉煤灰的组成设计研究 3 - 1 石灰的。性质和技术要求 一、石灰的成分及- 陛质 石灰是由石灰石、白云石、方解石等原材料锻烧而得的。我国沿海地区常用 贝壳和珊瑚烧制石灰。 石灰石的主要成分是碳酸钙( c a c o 。) ，仅含很少量的碳酸镁( m g c o 。) 。因此， 用石灰石烧制成的石灰的主要成分是氧化钙c a o ( 有效钙) ，通含有少量的氧化镁 m g o 和残渣。由于白云石的成分是碳酸钙，碳酸镁，经锻烧后，分别分解为氧化 钙和氧化镁。当氧化镁含量超过5 时，即称做镁石灰。有的地区生产的石灰中 镁的总含量占3 0 以上。生石灰遇水就开始消解，同时放出大量的热。此后，氢 氧化钙再硬化。 从化学分析和微观结构分析，通常认为：石灰加入集料中后，发生一系列的 化学反应和物理化学反应，主要有离子交换反应、c a ( o h ) 。的结晶反应和碳酸化 反应以及火山灰反应。这些反应的结果使集料颗粒絮凝，生成晶体氢氧化钙、碳 酸钙和含水硅铝酸钙等胶结物。这些胶结物逐渐由凝胶状态向晶体状态转化，致 使石灰稳定集料的刚度不断增大，强度和水稳性不断提高。 将消石灰加到集料中或将生石灰粉加到集料中并加水拌和后，集料的性质和 结构很快开始变化。开始是絮凝和絮聚，随后集料颗料就形成粗粉粒状的较大颗 粒。这种变化将依次地改变集料的压实性能。絮凝作用往往归因于离子交换。石 灰与集料拌和后，初始阶段是c a ( o h ) 。离解成c a “和o h 离子。这些离子改变着集 料矿物的表面力。这阶段进展得较快，它是造成凝胶相转化的过渡时期。一般是 游离钙离子占据其他吸附在集料矿物络合物周围的离子( 如钠离子) 。在碳化过程 中，还会产生某些能发挥轻微胶结作用的碳酸钙。石灰与集料的另一种反应是火 山灰反应。这种反应会再次引起密实的集料钙混合物缓慢的胶结。在火山灰反 应中，硅酸盐和铝酸盐元素从矿物中分离，它们的溶解度取决于p h 值。 石灰的强度有随集料中硅铝率的增大而减小的趋势，这说明硅铝率增大，集 料中扩张性晶格的集料矿物( 如蒙脱石) 增多，因而其水稳性降低，石灰能明显地 降低集料的塑性指数。 6 二、石灰的使用情况 我国早在1 9 5 4 年就开始使用石灰集料做道路路面的基层，至今己有5 2 年的 历史。石灰稳定集料在我国城市道路和公路上使用得非常广泛。几乎在我国的各 个地区都使用石灰稳定集料做路面的基层或底基层，特别在河北、河南、山东、 山西等省的城市道路和公路上，使用得更多、更广。在高等级公路中，一般，石 灰粉煤灰碎石做基层，石灰稳定集料做底基层。 使用石灰时，国内通常将生石灰块加水，使之消解为消石灰并过筛后使用。 控制向生石灰中添加的水量，可以产生三种消石灰：高钙石灰c a ( o h ) z 、单水白云 化石灰c a ( o h ) ：+ m g o 和双水化石灰( 石灰中c a o 和m g o 全部水化) c a ( 0 i ) z + m g ( o h ) ：。只有高钙消石灰和单水白云化石灰被用来稳定集料；不使用生石灰。 近十多年来，国内己开始生产袋装生石灰粉。生石灰块消解成消石灰粉，实际加 水量约为生石灰重量的6 0 8 0 ，应以能充分消解而又不过湿成团为度。工地上 可采用分层浇水法，每层生石灰块厚约5 0 c m 。消解后的石灰应保持一定的湿度， 以免干扬。 生石灰中常含有或多或少的欠火石灰和过火石灰。欠火石灰不能全部消解， 降低石灰的利用率。过火石灰的颜色变深，表面常被集料杂质融化形成的玻璃釉 状物质所包裹，消解很慢。在石灰己经硬化后，过火的石灰颗粒才逐渐消解，体 积膨胀，会引起做好的二灰碎石基层的隆起和开裂。为了消除过火石灰的危害， 一般石灰应提前7 l o d 消解( 指钙石灰) 。由于镁石灰不容易消解，在使用镁石 灰时，一定要延长消解时间，加水速度应当缓慢，陆续加入，以润湿为主，不可 用大水浸泡。消解时间以提前1 0 1 5 d 为宜，以使氧化镁得到较充分的消解。 露天堆放石灰，对石灰质量的哀减有很大影响。堆放时间越长，石灰质量降 低得越严重。石灰中有效钙含量随露天放置时