（道路与铁道工程专业论文）水泥粉煤灰稳定碎石基层沥青路面抗裂性能研究.pdf

摘要 水泥粉煤灰稳定碎石基层作为一种新型的半刚性基层类型，具有早强、高强、 减少裂缝、提前开放交通、后期强度仍有较大增长的特点，有利于承受日益增长 的交通特别是重载交通的需要。但是，目前规范还没有水泥粉煤灰稳定碎石设计 和施工方面的具体规定，设计和施工缺乏相应的指导，实际工作中只能参考水泥 稳定类和石灰粉煤灰稳定类基层的有关规定，具有很大的随意性。此外，当原材 料选择或混合料配合比设计不当时，水泥粉煤灰稳定碎石基层容易出现抗裂、抗 冲刷、抗冻性较差等缺陷。为此，有必要深入系统地开展水泥粉煤灰稳定碎石基 层材料、组成、力学特性、使用性能及防裂技术研究。 论文对于水泥粉煤灰稳定首次提出基于施工季节的基层材料含水量变化幅 度、干缩抗裂系数及强度偏差系数的水泥粉煤灰稳定碎石抗干缩开裂指标和基 于施工温度、年平均月份最大温差及温缩抗裂系数的抗温缩开裂指标；研究了 高性能水泥粉煤灰稳定碎石配合比设计方法：试验得出水泥粉煤灰稳定碎石7 d 抗压强度与抗压回弹模量关系式及7 d 抗压强度与1 8 0 d 劈裂强度的关系式，为 路面结构设计提供依据；研究了未铺沥青面层过冬阶段水泥粉煤灰稳定碎石基 层结构温度场；深入研究了水泥粉煤灰稳定碎石基层预锯缝间距、宽度、深度 的影响规律，推导出锯缝尺寸参数的计算公式，并提出锯缝尺寸的建议值：结 合实体工程提出确定水泥粉煤灰稳定碎石基层锯缝合理时间的方法。通过试验 路的修筑，总结出水泥粉煤灰稳定碎石基层的关键施工技术。 关键词：路面，基层，水泥粉煤灰稳定碎石，组成设计，路用性能，抗裂性能， 锯缝，试验路 a b s t r a c t a san e wt y p eo fs e m i r i g i db a s i s ，t h er o a d b a s eo fc e m e n ta n df l y a s h s t a b i l i z e dc r u s h e d s t o n e sh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ， s u c ha se a r l y s t r e n g t h e n i n g ， h j 幽s t r e n g t h ，l e s sc r a c k sa n de a r l y o p e n i n gt ot r a f f i c b e s i d e s ，i ta l s og r o w s m u c h i np o s t s t r e n g t ha n db e n e f i t si ns u p p o r t i n gt h ei n c r e a s i n gt r a n s p o r t a t i o n ，e s p e c i a l l yt o t h eo v e r l o a d i n gt r a n s p o r t a t i o n u n f o r t u n a t e l y ，t h e r ei sn oc o n c r e t ep r o v i s i o no nt h e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f t h ec e m e n ta n d f l y - a s hs t a b i l i z e dc r u s h e d s t o n e sr o a d b a s e i n p r e s e n ts p e c i f i c a t i o n s w i t h o u ts u c hi n s t r u c t i o n ，d e s i g na n d c o n s t r u c t i o n d e p a r t m e n t sj u s th a v et or e f e r e n c et h eg r a d a t i o ne n v e l o p ea n di n t e n s i t yi n d e xo f t h e c e m e n ts t a b i l i z a t i o no rl i m ef l y a s hs t a b i l i z a t i o ni np r a c t i c e i ti sa l s om u c ho p t i o n a l l y b e s i d e s ， w i t h o u ts u i t a b l es e l e c t i o no fr a wm a t e r i a la n dm i x t u r er a t i od e s i g n ，t h e r o a d b a s eo fc e m e n ta n df l y - - a s hs t a b i l i z e dc r u s h e d - s t o n e sa p p e a r sl e s sr e s i s t a n c et o c r a c k ，t os c o u ri nr e s i s t i n gp r o p e r t ya n dt of r e e z i n g s ow en e e dt oh a v eas y s t e m s t u d yi nm a t e r i a l ，r a t i o ，f u n c t i o n ，d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dc r a c k i n gp r e v e n t i o n t h i st o p i cm a i n l ym a k e sas y s t e mr e s e a r c ho nt h eb i t u m i n o u sp a v e m e n to f c e m e n ta n df l y - a s hs t a b i l i z e dc r u s h e d s t o n e sr o a d b a s e s ， b r i n g i n gf o r w a r dt w o i n d e x e s o n ei st h ec e m e n ta n df l y a s hs t a b i l i z e dc r u s h e d s t o n e ss h r i n k a g ec r a c k i n g r e s i s t a n c ei n d e x ， b a s i n go nt h eb a s i sm a t e r i a l sw a t e rc o n t e n tv a r i e t yi nc o n s t r u c t i o n s e a s o n 、s h r i n k a g ec r a c k i n gr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ta n ds t r e n g t hb i a sf a c t o r t h eo t h e r i n d e xi st e m p e r a t u r e s h r i n k a g ec r a c k i n gr e s i s t a n c ei n d e x ，b a s i n go nc o n s t r u c t i o n t e m p e r a t u r e ，t h eb i g g e s tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ep e ry e a ra n dt e m p e r a t u r e s h r i n k a g e c r a c k i n gr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t t h i sp a p e rc a r r yo u tt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k si n d e t a i l s ：1 ) t h em i xd e s i g nm e t h o d so fh i g h p e r f o r m a n c ec e m e n ta n df l y a s hs t a b i l i z e d c r u s h e d s t o n e s 2 ) t h er e l a t i o n sa sb a s i sf o rp a v e m e n ts t r u c t u r ed e s i g n ：o n eb e t w e e n c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dc o m p r e s s i o nm o d u l u so f r e s i l i e n c ei ns e v e nd a y s ，a n o t h e r b e t w e e ns e v e n d a yc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n d18 0 一d a ys p l i a i n gs t r e n g t h 3 ) t h e t e m p e r a t u r ef i e l do ft h er o a d b a s eo fc e m e n ta n df l y a s hs t a b i l i z e dc r u s h e d - s t o n e si n t h es t a g eo fw i n t e r ，w i t hu n p a v e db i t u m i n o u sp a v e m e n t4 ) t h ee f f e c tr e g u l a t i o n b e t w e e np r e f o r m e ds a w 、w i d t ha n dd e p t ho ft h er o a d b a s eo fc e m e n ta n df l y a s h s t a b i l i z e dc r u s h e d s t o n e s ，d e d u c i n go u tt h ec o m p u t ef o r m u l ao fs i z ep a r a m e t e ro f s a w ，a n ds u g g e s t i n gav a l u es i z eo fs a w k e yw o r d s ：p a v e m e n t ，r o a d b a s e s ，c e m e n ta n df l y a s h s t a b i l i z e dc r u s h e d s t o n e s ， m i x t u r er a t i o d e s i g n ， r o a dp e r f o r m a n c e ， c r a c k i n g r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e ，s a wk e r f i n t e r v a l 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： i 垮夕 ；露 刍 i 砌乡年厂月珂日 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 导师签名： 易叭形年j 月刁- 日 厉石 年f 月刁日 1 1问题的提出及意义 1 前言 随着国民经济的不断发展，我国公路交通状况发生了明显的变化，交通量增 长迅速，重载卡车数量显著增加，超载车辆普遍存在，新交通状况对路面基层提 出了更高的要求。为适应交通量日益增加和车辆荷载逐渐增大的需要，采用半刚 性基层路面己成为当前突出的趋势。半刚性基层材料具有良好的力学强度、板体 性和水温稳定性等特点，因此，在高等级公路建设中得到了广泛的应用，成为目 前我国高等级公路路面结构的主要基层形式。其中以水泥稳定类材料和石灰粉煤 灰稳定类材料为典型代表。 水泥稳定碎石基层作为半刚性基层的一种重要形式，具有良好的整体力学特 性和稳定性，在河南省乃至全国范围内都占有相当大的密度。与二灰稳定碎石基 层相比，施工方法较为简便，经济性要优于后者。此外，水泥稳定碎石还具有早 期强度高，疲劳性好，长期性能好等优点。然而，随着水泥稳定碎石基层沥青路 面结构的大量使用，其作为半刚性基层路面的缺陷也逐步体现出来，其中以裂缝 问题最为突出。已建高速公路的使用状况调查表明，不论南方北方，通车一年后 最迟第二年多出现大量裂缝，在以后的其它季节还会继续增加。结果，路面的整 体性和连续性遭到了破坏，更严重的是路表水通过裂缝进入路面结构，深入土基， 导致路面结构过早破坏。 对于水泥稳定碎石基层材料，公路设计者早己认识到提高其抗裂性的重要 性。但是多年的实践表明，即使是用干缩性小的水泥稳定碎石铺筑的基层，如果 设计时考虑不周全，施工时处理不当，或施工完成后没有进行及时有效的养生， 也会产生间距大小不等的横向收缩裂缝。另外，水泥稳定碎石基层内部的温度变 化和温度梯度产生的温度应力与行车荷载应力相结合，也会促使基层开裂。而这 些都会最终导致沥青面层反射裂缝的出现。 水泥粉煤灰稳定碎石是最近出现的一种半剐性基层材料，它是以粉煤灰部分 或超量取代水泥并掺有一定比例碎石而形成的。粉煤灰作为燃烟煤道中收集的烟 尘，其颗粒组成以微细玻璃质球体为主，主要化学成分为a l ：0 ，、s i o ：和f e ：0 ，。 它在水泥粉煤灰稳定碎石中的有效效应主要包括形态效应、火山灰效应和微集料 l 效应三种。其中粉煤灰的形态效应和微集料效应主要与抗裂性和耐久性有关，而 和强度最相关的火山灰效应是指粉煤灰中玻璃质的a l 。0 3 和s i o ：能和水泥水化产 生的高碱型水化硅酸钙凝胶及c a ( 0 h ) 。晶体发生反应( 即火山灰反应) ，生成低 碱型的水化硅酸钙凝胶，有利于混合料中凝胶数量的增多和结构的增密。由于水 泥水化初期产生的c a ( o h ) ：晶体较纯且易溶于水离解出大量的c a ”和o h 一，使粉 煤灰水化加快，同时水泥产生c s h 和c a h ，因此水泥粉煤灰稳定碎石具 有较高的早期强度。随着水泥粉煤灰稳定碎石在一定温度和湿度条件下养生时间 的增长，水分通过各种毛细孔供给，c a ( 叫) ：继续溶解，含有c a + 和0 h 一的溶液 通过粉煤灰表面水化胶凝物问的缝隙向里渗透，使火山灰反应继续进行，增加了 混合料中胶凝物的数量，填充了颗粒间的孔隙，使结构整体变得紧密，改善了水 泥粉煤灰稳定碎石材料的干缩和温缩性能；同时，水化粉煤灰颗粒间胶凝物相互 交叉嵌锁，增加了界面间的摩阻力，使水泥粉煤灰稳定碎石的后期强度有很大增 长。水泥粉煤灰稳定碎石相对水泥稳定碎石而言，是用粉煤灰替换了部分剂量的 水泥，不但降低了造价，而且减弱了基层初期干缩的趋势；相对于石灰粉煤灰稳 定碎石而言，提高了基层初期强度。因此，水泥粉煤灰稳定碎石具有早强、高强、 减少裂缝、提前开放交通、后期强度仍有较大增长以及利于承受日益增长的交通 特别是重载交通的特点。 正由于这些优点，水泥粉煤灰稳定碎石基层开始在中国河南、河北等省份使 用，一些研究单位也相应开展了少量关于它的强度和路用性能的研究。但是水泥 粉煤灰稳定碎石材料在有突出优点的同时也存在一些不足，目前水泥粉煤灰稳定 碎石材料在使用过程中存在的主要问题是：由于水泥粉煤灰稳定碎石的级配范围 基层规范还没有具体规定，故设计和施工单位目前只能参考水泥稳定类和二灰稳 定类基层的相应规定，这种做法显然具有很大的随意性。此外，当原材料选择或 混合料配合比设计不当时，水泥粉煤灰稳定碎石基层容易出现抗裂性不足以及抗 冲刷、抗冻性不好等缺陷。因此，对水泥粉煤灰稳定碎石基层材料有待继续深入 研究，以期减少实际使用中的不足，特别是防裂性能方面的不足，使其具有更广 泛的适用性和推广价值。 本论文将通过试验研究分析，提出抗压强度和抗裂性俱佳的水泥粉煤灰稳定 碎石基层级配设计方法及范围，并在此基础上，结合河南省气候状况、交通状况、 2 原材料状况和施工状况等因素，科学地进行有效提高水泥粉煤灰稳定碎石基层材 料抗裂性和耐久性的配合比设计方法研究，进而在施工质量能够充分保证的前提 下，进行水泥粉煤灰稳定碎石基层裂缝防治措施的研究，以期在一定程度上减少 和消除反射裂缝。 1 2 国内外研究现状 1 2 1水泥粉煤灰稳定碎石基层材料研究现状 由于粉煤灰的颗粒细，密度小，有级配和火山灰活性等特性，用石灰或水泥 稳定的粉煤灰已经用于道路路面的基层与底基层。在英国道路研究试验室，索尔 幅德和格拉斯哥大学，在六十年代初期就做了广泛的研究与发展工作，运输部( 随 后为环境部) 提出了粉煤灰一水泥基层和底基层规范。 法国自1 9 5 7 年以来，就把粉煤灰用于路面建筑，粉煤灰一水泥拌和物己在 一些干线公路用作底基层，并发现它比其他地方铺路材料更优质、更廉价。 在美国不同地区，已经有几个现场试验和验证工程对水泥粉煤灰稳定碎石基 层路面的性能作了评价。试验路段包括那些建于米苏里州的堪萨斯城，西弗吉尼 亚州的海吾德和查尔斯顿。这些现场试验的结果至今都还良好。 几个使用水泥稳定粉煤灰基层或底基层工程的史料档案现介绍如下： 英格兰兰开斯特i n c e “b ”发电站便道：预拌水泥稳定粉煤灰在1 9 7 2 年5 月用作便道的底基层，此便道承担了i n c e “b ”发电站的全部运输任务。此底基 层拌和物含有1 1 的水泥，它铺筑为一单层，最后压实到4 英寸厚( 1 0 0 毫米) 。 一层6 英寸( 1 5 0 毫米) 沥青稳定材料的基层和一层4 英寸( 1 0 0 毫米) 的沥青面层 铺筑在基层上a 英格兰斯通利皇家农业展览场地便道：在沃里斯克群斯通利的皇家农业展览 场地，有三条便道是选用水泥稳定粉煤灰作基层的，1 0 份粉煤灰和1 份水泥的 设计混合料在石灰稳定粘土路基上进行路拌，并压实到8 英寸( 2 0 3 毫米) 厚。在 每天工作结束时，基层用沥青粘结层密封，并用一层1 8 英寸( 3 毫米) 厚的沥青 砂浆封层作表面处治。 西弗吉尼亚州海吾德哈雷逊发电站便道和停车场：1 9 7 5 年，在哈雷逊发电 站用水泥稳定粉煤灰基层建造了1 0 0 0 0 码2 ( 8 4 0 0 米2 ) 的路面，作为便道和停车 场。水泥和粉煤灰在搅拌机内加水预拌，其比例为每立方英尺压实混合料中粉煤 灰占8 3 磅( 3 7 5 公斤) ，水泥占1 0 磅( 4 5 公斤) ，此基层拌和物摊铺压实到8 英寸( 2 0 3 毫米) 厚，并用乳化沥青密封。几个星期后再铺上3 英寸( 7 6 毫米) 厚的 沥青面层。所取芯样试件的1 8 0 d 强度表明：路面在严冬期间并未经受强度损失。 新泽西州纽瓦克的纽瓦克机场跑道、滑行道和停机坪：粉煤灰用于基层和底 基层之最大的单项工程是纽瓦克的跑道、滑行道和停机坪。代表性的配合比是 2 8 石灰、0 7 波特兰水泥、1 2 1 4 粉煤灰，其余是水力填砂和粗骨料。用于 这个工程的粉煤灰达两百多万吨。 国外用于水泥稳定粉煤灰混合料基层的厚度设计方法，只要求混合料经久耐 用。耐久性评定方法是以无侧限抗压强度为基础的。英国配料设计标准是以抗压 强度为基准，这些标准己在英国灰渣协会出版的水泥稳定粉煤灰基层设计指南中 加以说明。两个标准的基础为：规定的抗压强度是混合料抗冻害能力的指标。施 工方法是以欧洲稳定粉煤灰路面的技术进展和美国的验证工程为依据“1 。 近年来，水泥粉煤灰稳定碎石基层在我国的一些省份获得了应用，实践表明 它具有优良的路用性能和很好的应用前景。然而，目前公路路面基层施工技术 规范等标准和规范中没有相应的技术规定，且已有的研究结论又缺乏系统性， 因此设计和施工单位在具体应用时随意性很大。 从原理上看，水泥与粉煤灰和石灰与粉煤灰的反应机理很相似，实际上都是 氢氧化钙与粉煤灰玻璃体的反应，只不过水泥能够形成较高的早期强度。水泥稳 定粉煤灰基层和底基层代表粉煤灰的一种独特应用，在这里粉煤灰既作火山灰材 料又作骨料。除粉煤灰和水泥的天然火山灰反应继续产生后期强度外，粉煤灰和 水泥之间的力学作用很象水泥细粒土，水泥粉煤灰混合料强度随时间增长的特 性，硬化的混合料比很多水泥土混合料有较高的疲劳性能。 其实，我国在8 0 年代，就有尝试用水泥代替石灰作二灰碎石层。四浑线平 岗至三合线“1 是吉林省公路勘测设计院1 9 8 6 年设计，公路等级为二级。原设计 二灰碎石上基层配合比8 ：1 8 ：7 4 ，铁路规定生石灰雨季不能运输，只能运消解的 石灰，所以亏方量较大，检验钙镁含量有的达不到5 0 ，部分因遇雨成膏状不能 使用，经测算有效能用的石灰每吨造价1 2 0 元之多，质次价高。为保质量，保工 期，降低成本，提出用水泥代替石灰做二灰碎石层。在4 6 k 一4 6 k + 7 6 0 段计3 7 6 0 m 用水泥粉煤灰稳定碎石作上基层，其施工配合比为水泥：粉煤灰：碎石= 4 ：2 0 ：7 6 ， 效果很好。 南九公路路面基层结构设计，原采用二灰( 石灰、粉煤灰) 碎石结构，这种结 构本身是没有疑义的，在全国有条件的地方，太多数推广采用了这种结构，但南 九公路沿线石灰来源相当困难，因此此采用了低剂量的水泥来替代二灰结构中的 石灰。为此，首先在室内进行了大量的试验工作，取得了一些可靠的数据后，首 次在南九公路k o + 3 7 5 k o + 5 3 5 处辅筑试验段1 6 0 m o 。 山东省枣庄世纪大道工程路面总厚5 5 c m 。基层采用1 6 c m 厚水泥粉煤灰稳定 碎石。 江西梨园至温家圳高速公路全长2 4 4 7 4 9 k m 。该段路面基层采用水泥粉煤灰 稳定碎石，这是在国内第一次使用水泥粉煤灰稳定碎石作为高速公路路面的基 层。根据二灰稳定碎石的施工经验和相关规范，水泥粉煤灰与集料的比初步采用 2 0 ：8 0 1 5 ：8 5 。集料级配采用规范级配的中值，水泥采用水泥稳定土基层技术规 范中关于水泥的质量要求，粉煤灰采用石灰粉煤灰稳定土基层技术规范中关于粉 煤灰的质量要求，碎石采用石灰粉煤灰稳定土基层技术规范中关于碎石的质量要 求。 随着水泥粉煤灰稳定碎石更多的应用，一些研究单位也相应开展了关于它的 强度和路用性能的研究。在水泥粉煤灰稳定类混合料微观机理研究方面，交通部 科学研究院的萧赓等通过x 射线和扫描电子显微镜，分析了水泥粉煤灰级配碎石 基层混合料微观结构形成过程，揭示了其强度形成机理“1 。 在水泥粉煤灰稳定类混合料路用性能研究方面，萧赓等为了能够对水泥粉煤 灰混合料的力学特性有一个全面的定性认识，进行了1 2 组配合比的水泥粉煤灰 混合料7 d 强度及模量试验。在此基础之上，同时兼顾充分满足实际工程早期强 度和经济性的要求，选取水泥含量为4 的一组作为连续观测对象，粉煤灰含量 为1 5 的一组作为辅助观测对象。得到的结论是水泥粉煤灰级配碎石基层混合料 早期性能随粉煤灰掺加量的提高有所下降，但其后期路用性能明显优于普通水泥 稳定级配碎石混合料。在保证初期养护的条件下，其后期高强度、低模量、小收 缩的物理力学特性，及其在施工难易和经济性上有不可比拟的优势“1 。并且在水 泥粉煤灰碎石基层力学性能对沥青路面结构的影响分析一文中针对半刚性基层 由于自身较大的干缩性以及预切缝等薄弱环节的存在，会先于沥青面层产生以横 向为主的裂缝的问题，用有限元计算分析了上述情况下，水泥粉煤灰碎石基层力 学性能会对路面结构产生何种影响，从而为水泥粉煤灰碎石基层混合料的推广应 用提供了路面力学理论依据，其计算方法也具有一定的理论价值。分析得出水泥 粉煤灰基层混合料高强度、低模量的优良力学性质对沥青面层反射裂缝及基层自 身裂缝的形成和发展起到了良好的减轻和延缓作用，改善了路面结构的长期使用 性能。1 。 重庆交通学院的杨锡武等针对水泥粉煤灰混合料中路面基层的抗压、劈裂等 强度特性展开了研究，他们的试验结果显示，水泥( 石灰) 粉煤灰具有明显的早 强效果，故在高级路面设计和施工中得到应用，对保证工期，提高工程质量，适 应重型交通的发展是合理而有效的。1 。 在水泥粉煤灰稳定类混合料成型延迟时间研究方面，杨锡武等通过室内试验 和试验路施工测试，研究了这种路面基层混合料的最长成型延时间，并用x 衍射 方法分析证明了水泥粉煤灰混合料中的水泥水化进程减慢”。 张明龙在粉煤灰水泥稳定碎石在场道工程中的应用中以粉煤灰在海口美 兰机场场道基层施工中的利用为例，通过试验表明，水泥粉煤灰稳定碎石基层 ( f c 6 ) 材料比水泥稳定碎石基层材料的抗于缩性能要强，这是因为f c g 在养生期 内产生的胶凝物较多，水份容易蒸发，收缩较小，随着时间的延长，各种水份会 进一步蒸发，但因这类基层早期和晚期强度及刚度均较高，抑制了其水份蒸发引 起的收缩和收缩应力裂缝的发展。相关资料也表明，f c g 的最大干缩应变和最大 干缩系数为c g 的9 0 左右，可见f c g 的干缩性能明显优于c g 的干缩性能3 。 许昌市公路管理局的孙建民在水泥粉煤灰碎石基层集料的级配研究一文 中在总结国内外研究的基础上，提出骨架密实型水泥粉煤灰稳定碎石，以减少基 层收缩裂缝，从而提高水泥粉煤灰稳定碎石基层使用性能。与国内规范推荐水泥 稳定碎石级配比较表明，骨架密实型水泥粉煤灰稳定碎石具有优良的路用性能。 从室内初步试验结果及实体工程应用情况看，与规范级配水泥粉煤灰碎石基层相 比较，骨架密实级配水泥粉煤灰碎石基层的主要特点有：( 1 ) 强度高。由于粗集料 形成骨架结构，水泥粉煤灰与细集料形成水泥粉煤灰砂浆填充骨架空隙形成密实 结构，这种结构既发挥了水泥粉煤灰胶结料的粘结强度，又充分发挥了碎石之间 的嵌挤作用，所以这种结构的强度较高。( 2 ) 抗裂性能好，收缩裂缝少。通过增 加集料的含量，使集料形成稳定骨架结构，从而最大程度上抑制了水泥粉煤灰及 生成物的收缩，因而这种结构的收缩性能好。( 3 ) 水稳定性及抗冲刷性好。已有 的试验结果证明，影响水稳性及抗冲刷性能的主要因素是细集料，由于这种结构 细集料用量相对较少，所以其水稳性及抗冲刷性能明显优于规范中的水泥稳定碎 石。另外，粗集料由于形成了骨架，所以其表面构造深度比规范级配要大，加强 了与面层结合。综上所述，骨架密实型水泥粉煤灰碎石混合料具有优良的路用性 能，特别是具有良好的抗裂性能，可有效避免或减轻( 延缓) 半刚性基层的早期开 裂1 。 长安大学的沙爱民以水泥粉煤灰稳定碎石基层的级配范围为研究对象，以抗 压强度为控制指标，依次给出适合用水泥粉煤灰稳定的连续级配范围和间断级配 范围”。 1 2 2 水泥粉煤灰稳定碎石基层沥青路面抗反射裂缝研究现状 目前，针对半刚性基层沥青路面结构开裂问题，国内外公路工作者提出了一 些行之有效的防治措施。归纳起来。大致可以分为两个方面，第一，从半刚性基 层和沥青面层材料本身的原材料和组成设计入手，减少或延缓半刚性基层及沥青 面层开裂；第二，从半刚性基层沥青路面结构设计、层间处治以及施工工艺方面 入手，抑制或延缓基层开裂及反射裂缝的形成。 从沥青面层和基层材料本身入手，可以通过进行材料的合理组成设计，调整 结合料用量与配比，严格设计级配，以尽可能减少其收缩系数，提高其强度，增 加材料的抗裂性能。对于半刚性基层材料，英国就有通过维持良好的集料嵌锁， 而不增大沥青面层厚度，将裂缝宽度控制在一定范围内，使荷载传荷能力达到最 大的所谓开裂控制方法“1 。国内长安大学、长沙交通学院等“”1 则在半刚性基 层材料中掺入短纤维以改善其组成和性能。 从半刚性基层沥青路面结构设计、层问处治以及施工工艺方面入手，国内外 抑制或延缓基层开裂及反射裂缝形成的措施归纳起来主要有以下几种： 1 增加沥青面层厚度。通过增加沥青面层厚度以防止基层反射裂缝，国际 上通用的结论是需要将沥青面层增加至1 5 2 5 c m ，而不是按疲劳应力公式计算 得出的较薄面层。国内一些试验表明，在沥青面层厚度1 8 c m 时，半刚性沥青 路面特别是水泥稳类基层沥青路面裂缝仍较为突出。从目前国内已修筑的水泥稳 定类基层沥青路面来看，出现反射裂缝情况随着面层厚度的加大有明显的改善， 但车辙问题则随着路面厚度的增加丽增多，其主要原因是沥青面层太厚影响了路 面的高温稳定性“”1 。此外，通过较厚的沥青面层来防止和减少反射裂缝，在经 济上也是不合算的。 2 在面层与基层之间铺设应力吸收层。目前，国内外对应力吸收层材料的 研究主要集中在低弹性模量，高韧性的应力吸收材料上，用这种材料铺设的应力 吸收层从结构的角度延缓了裂缝尖端的应力集中，因此取得了较为明显的防裂效 果。国外曾采用橡胶沥青、改性沥青应力吸收中间层防止反射裂缝，具有一定效 果啪1 。但在“七五”国家科技攻关项目正定试验路采用s b s 聚合物改性沥青应力 吸收膜5 o m m ，对其上5 c m 厚沥青面层不具明显防裂效果。“。国外还有用软沥青 混凝土作为中间层o “，实践表明它对气候寒冷情况下防止反射裂缝较为有效，成 功的关键在于沥青粘度和中间层厚度的合理选择。目前，国内外尚有采用开级配 沥青混凝土或沥青碎石作中间层，但严格讲，沥青碎石仍具有较高模量，能传递 裂缝尖端的高应力及应变，虽然该层较厚时具有较好防裂作用，但不经济。俄罗 斯在l o 1 4 c m 厚的沥青混凝土下设置乳化沥青处理集料防裂中间层或集料中间 层o “。s t r a t a 系统是美国k o c h 公司专门针对反射裂缝而开发的，其胶结料采用 高弹性的聚合物材料，集料最大粒径为9 5 m m ，混合料弹性模量较低，承受变形 的能力较强。湖北武黄高速公路在国内首次大面积的引进s t r a t a 应力吸收层系 统，从运营一年的情况看，其防裂效果明显o ”。 3 在面层与基层之间加铺格栅。格栅包括聚丙烯或聚酯土工格栅、玻璃格 栅和金属格栅。土工格栅的厚度为0 8 m m l l m m ，模量为9 0 0 m p a 2 5 0 0 m p a ，临 界应力和应变与土工织物相近。金属格栅的厚度为2 m m 4 m m ，其模量可达到 8 0 0 0 m p a 1 0 0 0 0 m p a 。格栅作为刚度大的夹层对于降低沥青面层内因温度下降而 引起的应力和应变的作用不如软夹层，但对于降低荷载产生的应力应变的作用则 远大于软夹层。八十年代初，英国诺丁汉大学布朗教授经过三、四年的试验和研 究，将塑料格栅应用于沥青路面，他通过对比加铺和未加铺土工格栅的沥青路面， 认为前者比后者可以推迟疲劳裂缝出现达1 9 倍，减少车辙5 0 。在北美、欧 洲和远东进行的大量足尺试验表明，从减少反射裂缝和车辙的角度看，加铺土工 格栅可以使路面结构的使用寿命平均提高3 倍以上，而就疲劳开裂而言，可以延 长使用寿命1 0 倍。我国引进并生产土工格栅时间并不长，在铁路、机场、道路 等工程中已开始应用，也对格栅在沥青路面中的应用进行了初步探讨。一些科研 单位和院校使用塑料格栅对沥青路面的抗开裂、抗车辙性能做过室内研究，证明 格栅能有效地减少沥青路面车辙，并对阻止半刚性基层沥青路面的反射裂缝有一 定的效果。”2 ”。 4 在基层和面层之间铺设级配碎石层。采用具有一定厚度的优质级配碎石 作为上基层，而半刚性材料作为下卧层，这种上柔下剐式的“组合基层”在很大 程度上能够防止和减少半刚性基层反射裂缝，同时级配碎石基层还能充当具有排 水功能的基层。目前国内将级配碎石作为半刚性基层与沥青面层之间的中间层的 设计尚不多见，但在美国、澳大利亚以及南非作为减少沥青路面反射裂缝的措施 获得了较多应用，厚度为1 0 1 5 c m ，效果较好m ”1 。在国内，“七五”国家科 技攻关项目正定试验路“”、西安试验路1 的观测结果均加以证实。但是与其他方 法相比，增加级配碎石层的经济性较差。在石料丰富的地区，这种方法是可行的， 但在石料匮乏时，实旋起来有一定的难度。 、5 让基层在施工过程中产生很多的微细裂缝。捷克斯洛伐克在水泥稳定材 料结硬过程中，用反复碾压的方法人为地创造微细裂缝网；科威特在新铺的水泥 土基层上用重型钢轮压路机碾压，故意使水泥土基层预先开裂；在法国，目前正 在研究的方法是在水泥稳定碎石基层的下部2 3 内每隔2 m 安置一块波纹状塑料 诱发横缝板，板的形状能保证裂缝有良好的传荷能力。”。以上这些方法均是出于 两点考虑：强度高的水泥稳定类基层在自身干缩、温缩的作用下，会产生较宽 的裂缝，而这些宽缝很有可能反射到路面；微细裂缝的传荷能力好，也不会反 射到路面，而且人工创造的微细裂缝网会大大减轻甚至完全消除宽缝的出现。 以上的研究方法和结论对提高水泥粉煤灰稳定碎石混合料的推广和应用提 供了理论基础，起到了积极的作用。但由于问题的影响因素众多，十分复杂，因 此，在水泥粉煤灰稳定碎石基层设计方案或技术路线上还存在很多问题： ( 1 ) 一些工程中采用了相似于二灰碎石配合比方式，即水泥：粉煤灰：集 料= 5 ：1 5 ：8 0 或6 ：1 4 ：8 0 等，水泥、粉煤灰和集料比例相加之和为1 0 0 。通 过试验发现，这种配合比方式中粉煤灰掺量过多，粗集料较少，混合料完全形成 了悬浮结构，早期强度很低，严重影响工程进度，会导致收缩量增大，对抗裂性 不利。重庆交院采用的配合比方式则与水泥稳定碎石相似，胶结料：集料- 5 ：1 0 0 或1 0 ：1 0 0 等，即胶结料外掺，集料比例为1 0 0 。在这种配合比方式中，粉煤灰 被认为是胶结料，与水泥一样外掺。虽然集料含量高，可以得到较大的干密度， 但已有研究表明，在水泥稳定类材料中掺入粉煤灰后，发生化学反应的粉煤灰较 少，而大部分粉煤灰作为细集料填充空隙，即粉煤灰并不完全是胶结料，完全将 其视为胶结料进行配合比设计是不合理的，而且，在这种配合比方式中，即使水 泥剂量固定为4 或5 ，粉煤灰掺量不同，直接导致水泥在混合料中占的比例不 同，也给设计和旋工带来不便。 因此，需从粉煤灰在混合料中的作用机理和工程实际角度对水泥粉煤灰稳定 碎石配合比设计方法进行研究。 ( 2 ) 对水泥粉煤灰稳定碎石的抗裂性能评价应该考虑到施工季节基层材料 含水量变化幅度、强度偏差系数、施工温度、年平均月份最大温差等影响因素。 ( 3 ) 关于在半刚性基层上进行锯缝和贴缝处理以防止反射裂缝问题，国内 外均作过一些研究。那么，针对水泥粉煤灰稳定碎石基层温度场、预锯缝合理尺 寸、合理时间、土工织物和a p p 改性沥青油毡贴预锯缝宽度及技术指标有待进行 研究讨论。 ( 4 ) 目前尚无水泥粉煤灰稳定碎石的施工方法、旌工关键技术以及质量管 理措旖等一整套系统而全面的技术。 1 3 本文主要研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 半刚性基层防裂性调查研究 通过对河南省境内现有典型路段水泥稳定碎石基层使用状况以及国内外半 刚性基层防裂性研究成果进行全面调查，深入分析半刚性基层特别是水泥稳定碎 石基层的开裂原因，总结出防止和减少基层开裂和沥青面层反射裂缝的方法和措 施，以作为本研究的借鉴。 ( 2 ) 水泥粉煤灰稳定碎石基层抗裂性能研究 为了有效减少基层开裂，提高沥青路面使用寿命，本部分对水泥粉煤灰稳定 碎石基层收缩的理论机理与抗裂参数进行深入研究，系统分析半刚性材料常用的 抗裂指标，并推荐水泥粉煤灰稳定碎石的抗裂指标：对国内外已做过的水泥粉煤 灰稳定碎石配合比设计进行分析和总结，并采用抗于缩开裂指标和抗温缩开裂指 标评价不同配合比水泥粉煤灰稳定碎石的抗裂性能。 ( 3 ) 水泥粉煤灰稳定碎石基层合理组成设计研究 鉴于现行基层规范还没有水泥粉煤灰稳定碎石具体的规定，实际工作中有很 大的随意性，本部分在以往经验的基础上对水泥粉煤灰稳定碎石基层的材料组成 设计作进一步研究。充分考虑了其力学性能，同时也考虑到混合料的抗裂性能， 并系统地对其进行分析，提出水泥粉煤灰稳定碎石的合理组成设计。 ( 4 ) 锯缝处理措施在防治水泥粉煤灰稳定碎石基层沥青路面反射裂缝中的 应用研究 本部分将深入分析并总结国内外关于反射裂缝产生和发展机理以及预锯缝 和贴缝处理措施的研究成果；从水泥粉煤灰稳定碎石基层沥青路面施工时间的实 际状况及施工季节最不利情况出发，按未铺沥青面层和已铺沥青面层两阶段对水 泥粉煤灰稳定碎石基层沥青路面温度场进行分析，并按未铺沥青面层阶段基层受 外界气温和辐射影响的实际情况，推导未铺沥青面层阶段路面结构温度场近似计 算公式；通过分析水泥粉煤灰稳定碎石基层温缩裂缝形成规律，采用力学分析和 工程实体经验相结合的方法，进行水泥粉煤灰稳定碎石基层温缩应力、预锯缝间 距、预锯缝宽度近似计算公式以及预锯缝深度与温差关系式的推导，并给出锯缝 深度的建议值和从水泥粉煤灰稳定碎石基层养生阶段强度增长特性、温度变化规 律和芯样完整率与基层强度增长关系入手确定锯缝合理时间的方法。 、 1 3 2 研究的技术路线 本论文研究的技术路线如下： 1 通过对典型路段水泥稳定碎石基层使用状况以及国内外半刚性基层防裂 性研究成果进行全面调查，深入分析半刚性基层特别是水泥稳定碎石基层的开裂 原因，总结出有效防止和减少基层开裂和沥青面层反射裂缝的方法和措施，以作 为论文研究的依据。 2 对水泥粉煤灰稳定碎石基层收缩的理论机理与抗裂参数进行深入研究， 系统分析半刚性材料常用的抗裂指标，采用抗干缩开裂指标和抗温缩开裂指标并 通过干、温缩试验评价不同配合比的水泥粉煤灰稳定碎石的抗裂性能。充分考虑 其力学性能、路用性能、抗裂性能，并对其进行综合分析，提出水泥粉煤灰稳定 碎石的合理组成设计方法。 3 深入分析并总结国内外关于反射裂缝产生和发展机理以及预锯缝处理措 施的研究成果，从水泥粉煤灰稳定碎石基层沥青路面施工时间的实际状况及施工 季节最不利情况出发，按未铺沥青面层和己铺沥青面层两阶段对水泥粉煤灰稳定 碎石基层沥青路面温度场进行分析，并按未铺沥青面层阶段基层受外界气温和辐 射影响的实际情况，推导未铺沥青面层阶段路面结构温度场近似计算公式；通过 分析水泥粉煤灰稳定碎石基层温缩裂缝形成规律，采用力学分析和工程实体经验 相结合的方法，进行水泥粉煤灰稳定碎石基层温缩应力、预锯缝间距、预锯缝宽 度近似计算公式以及预锯缝深度与温差关系式的推导，并给出锯缝深度的建议 值。从水泥粉煤灰稳定碎石基层养生阶段强度增长特性、温度变化规律和芯样完 整率与基层强度增长关系入手，确定锯缝合理时间的方法。 技术路线可见下框图： 技术工作流程图 2 水泥稳定碎石基层路面使用状况及开裂原因分析 2 1 水泥稳定碎石基层路面使用状况调查 为切实的了解水泥稳定碎石基层沥青路面的使用状况和开裂破坏的原因，论 文就河南省此基层的使用情况进行了调查分析。通过资料的收集，河南省高等级 公路水泥稳定碎石基层路面结构使用状况见表2 1 。 表2 1河南省高等级公路水泥稳定碎石基层路面使用状况 公路名称 里程k m 面层结构基层、底基层结构 商丘开封段4 c m 中粒式沥青混凝土1 5 c m 水泥稳定碎石 高速公路 1 1 3 5 a m 粗粒式沥青混凝土1 5 c m 水泥稳定土 ( 省界宁陵段)7 c m 热拌沥青碎石2 5 2 7 c m 石灰稳定土 商丘开封段4 c m 中粒式沥青混凝土2 0 c m 水泥稳定碎石 高速公路 9 l 5 c m 粗粒式沥青混凝土 1 5 c m 水泥稳定土 ( 宁陵开封段)7 c m 热拌沥青碎石2 0 2 5 c m 石灰稳定土 洛阳三门峡段4 c m 中粒式沥青混凝土 2 0 c m 水泥稳定碎石 高速公路 4 6 5 c m 租粒式沥青混凝土 3 5 4 0 c m 石灰稳定土 ( 渑池陕县段)7 c m 热拌沥青碎石 洛阳三门峡段4 c m 中粒式沥青混凝土 2 0 c m 水泥稳定碎石 高速公路 2 9 3 5 c m 粗粒式沥青混凝土 3 0 3 5 c m 石灰、粉煤灰稳定土 ( 陕县三门峡段)7 c m 热拌沥青碎石 郑州开封 8 1 5 c m 中粒式沥青混凝土1 5 c m 水泥稳定碎石 高速公路2 2 c m 振碾混凝土1 5 c m 石灰稳定士 郑州新郑5 c m 中粒式沥青混凝土1 5 c m 水泥稳定碎石 高速公路 4 8 2 2 c m 振碾混凝土1 5 c m 水泥石灰稳定土 新郑许昌 4 6 2 5 c m 水泥混凝土面板 1 5 c m 水泥稳定碎石 高速公路1 5 c m 水泥石灰稳定土 许昌漯河 4 9 2 5 c m 水泥混凝土面板 1 5 c m 水泥稳定碎石 高速公路1 5 c m 石灰粉煤灰稳定土 新乡郑州黄河公路 4 7 2 4 c m 水泥混凝土面板 1 5 c m 水泥、石灰稳定碎石 大桥一级公路1 5 c m 石灰稳定土 从表2 1 可以看出，河南省高等级公路很大一部分应用了水泥稳定碎石做基 层，这些和全国的情况是一致的。同时可以了解到并非所有采用水泥稳定碎石基 层修筑的路面都获得了预期的效果。采用现行施工规范所暴露出来的基层粒料偏 细、收缩性大、反射裂缝严重等问题也日益突出。 1 4 2 2 现有典型路段调查分析 作者于2 0 0 4 年3 月对河南省商丘、许昌、平顶山、南阳各地进行了实地调 研，具体情况如下阐述。 2 2 1 郑永路商丘段使用状况 1 概况 该路为三级公路，实测日平均混合交通量仅为1 0 9 6 辆。厚度为2 6 c m ，面层 为1 5 c m 沥青封层+ 3 c m 沥青表处。 水泥稳定碎石基层施工时间为1 9 9 8 年5 月，施工持续时间为6 0 天，施工期 间平均温度为2 8 5 ，实际水泥用量为6 。基层采用6 4