半刚性基层振动成型法

1、振动法设计抗裂型振动法设计抗裂型水泥稳定碎石基层水泥稳定碎石基层长安大学公路学院长安大学公路学院 陈忠达陈忠达 Tel:02982335657Tel:0298233565713709293286主要内容主要内容当前工程施工中一些现象当前工程施工中一些现象 当前设计方法分析及对策当前设计方法分析及对策 水稳基层收缩裂缝机理水稳基层收缩裂缝机理 水稳基层材料组成结构对收缩性能影响分析水稳基层材料组成结构对收缩性能影响分析骨架密实型水稳基层材料组成设计方法骨架密实型水稳基层材料组成设计方法半刚性材料振动设计法半刚性材料振动设计法实体工程应用情况实体工程应用情况 已应用的实体

2、工程已应用的实体工程经济社会效益分析经济社会效益分析骨架密实型水稳基层离析控制技术研究骨架密实型水稳基层离析控制技术研究现场质量控制技术现场质量控制技术当前工程施工中的一些现象 当前工程施工中的一些现象 新旧沥青路面设计规范对比新旧沥青路面设计规范对比振动法设计水泥稳定碎石首次列入规范振动法设计水泥稳定碎石首次列入规范级配对比：骨架密实型级配首次列入规范级配对比：骨架密实型级配首次列入规范水泥剂量：最大水泥剂量由原来的水泥剂量：最大水泥剂量由原来的6.06.0降低为降低为5.55.531.531.519199.59.54.754.752.362.360.60.60.0750.0759797版版

3、100100888899995757777729294949171735358 822220 07 70606版悬浮密实版悬浮密实1001009090100100 6060808029294949151532326 620200 05 50606版骨架密实版骨架密实100100686886863838585822223232161628288 815150 0当前设计方法的缺点当前设计方法的缺点虽然提出了振动法，但如何利用振动法来设计水泥稳虽然提出了振动法，但如何利用振动法来设计水泥稳定碎石材料组成目前还没有明确和统一的操作规程。定碎石材料组成目前还没有明确和统一的操作规程。这就限制了振动法的

4、应用。因此，目前还是沿用重型这就限制了振动法的应用。因此，目前还是沿用重型击实法和静压成型试件法进行材料组成设计，这种击击实法和静压成型试件法进行材料组成设计，这种击实方式和室内成型方式与现场碾压方式不匹配。实方式和室内成型方式与现场碾压方式不匹配。随着新规范提出振动法设计水泥稳定碎石，各仪器厂随着新规范提出振动法设计水泥稳定碎石，各仪器厂商为了占据市场，也纷纷推出了各自的振动仪，各厂商为了占据市场，也纷纷推出了各自的振动仪，各厂家仪器振动原理不一，致使能满足使用要求的仪器并家仪器振动原理不一，致使能满足使用要求的仪器并不多。不多。当前设计方法的缺点当前设计方法的缺点重型击实方法重型击实方法

5、重型击实法是根据八十年代主流压路机重型击实法是根据八十年代主流压路机12t12t15t15t提出来的，显然不能适应现在普遍使用提出来的，显然不能适应现在普遍使用202022t22t压路机压路机，导致确定的最大干密度与，导致确定的最大干密度与202022t22t压路机相比偏低，压路机相比偏低，出现现场压实度超百现象也就不足为奇。出现现场压实度超百现象也就不足为奇。 重型击实法确定最大干密度和最佳含水量本身试重型击实法确定最大干密度和最佳含水量本身试验方法存在问题验方法存在问题当前设计方法的缺点当前设计方法的缺点质量控制指标单一质量控制指标单一 沥青路面两大破坏车辙和开裂，与基层有关的自然是开裂。

6、沥青路面两大破坏车辙和开裂，与基层有关的自然是开裂。导致基层开裂的两大因素是荷载产生的疲劳开裂和温缩与干缩开导致基层开裂的两大因素是荷载产生的疲劳开裂和温缩与干缩开裂，纵观现有高速公路路面开裂，更主要的原因在于温缩与干缩裂，纵观现有高速公路路面开裂，更主要的原因在于温缩与干缩引起的开裂，而非荷载型裂缝。也就是说高速公路至少在引起的开裂，而非荷载型裂缝。也就是说高速公路至少在54cm54cm以以上厚基层和底基层，其强度不是主要问题，主要问题在于减少基上厚基层和底基层，其强度不是主要问题，主要问题在于减少基层的温缩与干缩引起的开裂。层的温缩与干缩引起的开裂。 然而，现场能否取出完整芯样已成为目前默

7、认评价基层质量然而，现场能否取出完整芯样已成为目前默认评价基层质量好坏的重要指标。而影响取芯因素有内因和外因之分好坏的重要指标。而影响取芯因素有内因和外因之分 外因：养生期间温度、湿度和取芯机等外因：养生期间温度、湿度和取芯机等 内因：级配类型、水泥剂量、含水量、压实度等内因：级配类型、水泥剂量、含水量、压实度等当前设计方法的缺点当前设计方法的缺点设计水泥剂量偏大设计水泥剂量偏大 重型击实法确定最佳含水量偏高，静压成型时有多余的重型击实法确定最佳含水量偏高，静压成型时有多余的水流出，带着了部分水泥浆，而造成试件内实际水泥剂水流出，带着了部分水泥浆，而造成试件内实际水泥剂量要低于加入水泥剂量；量

8、要低于加入水泥剂量； 静压成型时骨架结构有可能被破坏，导致形成骨架的集静压成型时骨架结构有可能被破坏，导致形成骨架的集料被压碎，而压碎面内是不可能有粘结材料的，结果出料被压碎，而压碎面内是不可能有粘结材料的，结果出现天然薄弱面，而降低强度。现天然薄弱面，而降低强度。 现场振动压实表面有可能存在集料被压碎现象，但是内现场振动压实表面有可能存在集料被压碎现象，但是内部是不可能发生的；现场含水量高，至多出现弹簧现象部是不可能发生的；现场含水量高，至多出现弹簧现象，水不可能带走水泥，水不可能带走水泥。当前设计方法的缺点当前设计方法的缺点规范级配存在问题规范级配存在问题 新规范虽然提到了骨架密实级配，并

9、给出了级配范围，新规范虽然提到了骨架密实级配，并给出了级配范围，但工程实践证明，按规范提供的级配施工出来的基层并不但工程实践证明，按规范提供的级配施工出来的基层并不能实现骨架密实结构的目标，只能是一种骨架空隙结构。能实现骨架密实结构的目标，只能是一种骨架空隙结构。关于最大粒径问题关于最大粒径问题 最初的出发点：平整度和机械磨损。最初的出发点：平整度和机械磨损。 新旧规范均要求最大粒径不得超过新旧规范均要求最大粒径不得超过31.5mm31.5mm，工程实践表，工程实践表明，明，37.5mm37.5mm的效果优于的效果优于31.5mm31.5mm。 建议在基层最大粒径放宽至建议在基层最大粒径放宽至

10、37.5mm37.5mm。 当前基层中出现问题的解决方案当前基层中出现问题的解决方案振动法确定最大干密度和最佳含水量提高压实度标准振动法确定最大干密度和最佳含水量提高压实度标准振动法成型试件测试抗压强度确定水泥剂量振动法成型试件测试抗压强度确定水泥剂量合理的骨架密实级配范围研究合理的骨架密实级配范围研究科学的现场质量控制技术科学的现场质量控制技术水稳基层收缩裂缝机理水稳基层材料温度收缩机理水稳基层材料温度收缩机理 固相外观胀缩性：由于组成固相不同的矿物、结晶、非结晶体相互嵌挤、相互固相外观胀缩性：由于组成固相不同的矿物、结晶、非结晶体相互嵌挤、相互胶结而具有不同的热胀缩性。当温度变化时，必然产

11、生内应力，宏观外部的热胀缩性胶结而具有不同的热胀缩性。当温度变化时，必然产生内应力，宏观外部的热胀缩性应该是固相颗粒之间的相互牵制、约束、相互作用的综合效应。应该是固相颗粒之间的相互牵制、约束、相互作用的综合效应。 就水稳基层材料的主要矿物组成可分为原材料矿物和新生胶结物两大类。原材就水稳基层材料的主要矿物组成可分为原材料矿物和新生胶结物两大类。原材料一般具有较小的热胀缩性，其中粉煤灰的热胀缩性最小；而新生胶结物则具有较大料一般具有较小的热胀缩性，其中粉煤灰的热胀缩性最小；而新生胶结物则具有较大热胀缩性。热胀缩性。 水对热胀缩性的影响：扩张作用、毛细管水的表面张力作用、冰冻作用水对热胀缩性的影

12、响：扩张作用、毛细管水的表面张力作用、冰冻作用1 1 12 2 21 12 2rFVFVFV FV水稳基层收缩裂缝机理影响水稳基层材料温度收缩的因素影响水稳基层材料温度收缩的因素 含水量：含水量：在干燥和饱水情况下有较小值，而在非饱水含水量下有较大值；在干燥和饱水情况下有较小值，而在非饱水含水量下有较大值； 集料含量：集料含量：随集料含量增加，在随集料含量增加，在“趋近趋近”作用和作用和“稳定稳定”作用双重影响下，水作用双重影响下，水稳基稳基 层材料将会有一个在某种含水量下、温度下较稳定、且趋近于集料层材料将会有一个在某种含水量下、温度下较稳定、且趋近于集料 的热胀缩系数。的热胀缩系数。 水泥

13、剂量：水泥剂量：结构性影响作用过程使材料整体温度收缩值变小，而水化物增多而结构性影响作用过程使材料整体温度收缩值变小，而水化物增多而 引起基层材料温度收缩系数增大引起基层材料温度收缩系数增大 温度：温度：热胀缩性随温度的降低而有所降低热胀缩性随温度的降低而有所降低 水稳基层收缩裂缝机理水稳基层干燥收缩机理水稳基层干燥收缩机理 水分的迁移：毛细孔中水的蒸发 固相表面的吸附水蒸发和解附 毛细管张力作用 吸附水和分子间力作用 层间水作用和碳化收缩作用 02lnpmpR t r 00011 (1)mpUKpUppKpp02lnRtPprmP 9.8N/CM（P）引力引力斥力斥力净力相对湿度平毛细管半径

14、10 毛细管张力图6-2-2 半刚性材料中毛细管半径r、毛细管张力及相对湿度关系曲线图6-2-3 分子间力的作用与颗粒间距离的关系)相 对 湿 度吸 湿干 燥图 6-2-1 半 刚 性 材 料 相 对 湿 度 与 含 水 量 w关 系 9.8N/CM（P）引力引力斥力斥力净力相对湿度平毛细管半径10 毛细管张力图6-2-2 半刚性材料中毛细管半径r、毛细管张力及相对湿度关系曲线图6-2-3 分子间力的作用与颗粒间距离的关系 分子间力的作用与 相对湿度与含水量的关系 半刚性材料中毛细管半径r、 颗粒间距离的关系 毛细管张力及相对湿度关系曲线 吸附水和分子间力作用收缩力P1层间水作用平平毛细管张力

15、作用干缩系数d图6-2-5 d-w（或P/P0）变化规律图6-2-4 干缩作用过程示意图干缩作用过程示意图 d-w（或P/P0）变化规律 水稳基层收缩裂缝机理影响水稳基层材料干燥收缩的因素影响水稳基层材料干燥收缩的因素 集料含量集料含量: :集料含量适宜时，可提高整体材料的强度，降低干燥收缩值。集料含量适宜时，可提高整体材料的强度，降低干燥收缩值。 龄龄 期期: :龄期增加，胶结物不断生成，整体材料孔隙率下降，强度增加，龄期增加，胶结物不断生成，整体材料孔隙率下降，强度增加， 干缩减小。干缩减小。 施工质量施工质量: :压实度小、含水量过大，会使材料中孔隙率增加，强度降低压实度小、含水量过大，

16、会使材料中孔隙率增加，强度降低 环境因素环境因素: :高温和相对湿度小的环境将会导致产生较大的干燥收缩高温和相对湿度小的环境将会导致产生较大的干燥收缩 水稳基层材料组成结构 对收缩性能影响分析图2.8 实际结构状态对于图2.7理想状态而言，隔离层厚度为零，所以混合料收缩变形很小，水泥浆在混合料中仅以一种形式存在于集料间的框架内，即图中阴影a1部分。相对于理想状态而言，超出集料框架空隙以外的水泥浆称为“富余”水泥浆，而正是由于“富余”水泥浆的存在，在实际状态下，水泥浆以两种形式分布于集料间（图2.8），一部分存在于集料围成的空隙a2内，另一部分则以b2形式存在于集料的隔离层内。“富余”水泥浆的多

17、少是影响水稳碎石收缩变形大小的重要因素。“富余”水泥浆增加，则集料间的隔离层厚度增加，收缩变形增大，水稳基层的收缩变形就加剧。由以上由以上“富余富余”水泥浆水泥浆导致水稳基层材导致水稳基层材料缩裂的过程可知，减少水稳基层材料料缩裂的过程可知，减少水稳基层材料的收缩裂缝，就应尽量减少的收缩裂缝，就应尽量减少“富余富余”水水泥浆泥浆的存在。那么如果混合料中的粗集的存在。那么如果混合料中的粗集料形成骨架，而用料形成骨架，而用水泥浆水泥浆与细集料形成与细集料形成的水泥砂浆填充粗集料的空隙，使的水泥砂浆填充粗集料的空隙，使“富富余余”水泥浆水泥浆在收缩时受到细集料的约束在收缩时受到细集料的约束，同时控制

18、，同时控制水泥浆水泥浆的用量，这样就能有的用量，这样就能有效地减少水稳基层材料产生的裂缝。如效地减少水稳基层材料产生的裂缝。如图图2.92.9所示。所示。 水稳基层材料组成结构 对收缩性能影响分析图2.9 约束结构 减少水稳基层材料的收缩裂缝，就应尽量减少减少水稳基层材料的收缩裂缝，就应尽量减少“富余富余” 水泥浆的存在。水泥浆的存在。那么如果混合料中的粗集料形成骨架，而用水泥浆与细集料形成的水泥砂浆填充那么如果混合料中的粗集料形成骨架，而用水泥浆与细集料形成的水泥砂浆填充粗集料的空隙，使粗集料的空隙，使“富余富余” 水泥浆在收缩时受到细集料的约束，同时控制水泥水泥浆在收缩时受到细集料的约束，

19、同时控制水泥浆的用量，这样就能有效地减少水稳基层材料产生的裂缝。浆的用量，这样就能有效地减少水稳基层材料产生的裂缝。 水稳基层材料组成结构 对收缩性能影响分析骨架密实型 水稳基层材料组成设计方法 材料组成设计的指导思想材料组成设计的指导思想：水稳基层材料强度主要来源于集料：水稳基层材料强度主要来源于集料颗粒的内摩阻力和填充料的粘结力，除了使水稳基层材料中的粗集料颗粒的内摩阻力和填充料的粘结力，除了使水稳基层材料中的粗集料紧密排列，形成良好的骨架结构之外，密实的水泥砂浆应填满骨架间紧密排列，形成良好的骨架结构之外，密实的水泥砂浆应填满骨架间隙，并将骨架粘结成为整体，这样的结构型式是水稳基层充分发

20、挥优隙，并将骨架粘结成为整体，这样的结构型式是水稳基层充分发挥优良路用性能的必要条件。良路用性能的必要条件。 (a)(a)悬浮密实结构悬浮密实结构 (b)(b)骨架孔隙结构骨架孔隙结构 (c(c）骨架密实结构）骨架密实结构半刚性基层材料典型结构示意图半刚性基层材料典型结构示意图骨架密实型 水稳基层材料组成设计方法设计过程分为三个部分：设计过程分为三个部分： 第一部分是粗集料级配的设计，采用逐级填充方法使粗集料形第一部分是粗集料级配的设计，采用逐级填充方法使粗集料形成骨架结构；成骨架结构； 第二部分是细集料级配的设计，采用理论计算方法使细集料与第二部分是细集料级配的设计，采用理论计算方法使细集料

21、与结合料形成具有较强的粘聚力；结合料形成具有较强的粘聚力； 第三部分是粗集料和细集料之间比例的设计，通过试验与理论第三部分是粗集料和细集料之间比例的设计，通过试验与理论计算将细集料填充于粗集料中的空隙内，使组合后的混合料能够形计算将细集料填充于粗集料中的空隙内，使组合后的混合料能够形成骨架密实结构。成骨架密实结构。 粗集料级配确定粗集料级配确定 （1）根据现行基层施工技术规范，试验时确定主骨料规格D0为1931.5mm，利用公式=M/V计算其振实或插捣密度；（2）记D0的用量为100，D0的下一级粒径记为D1（9.519mm），以D0用量的5%为步长，将粒径为D1的集料逐级填充到D0中，建立填

22、充数量与插捣或振实密度关系曲线。在插捣或振实密度关系曲线上选取插捣或振实密度较大的几组D1用量，作为D1用量。（3）D1的下一级粒径记为D2（4.759.5mm），同样以D0用量的5%为步长，将粒径为D2的集料与粒径为D0、D1的混合料拌和均匀后进行插捣或振实，并建立填充数量与插捣或振实密度关系曲线，确定D2用量。（4）依次类推，即可确定粗集料的级配。 骨架密实型 水稳基层材料组成设计方法骨架密实型 水稳基层材料组成设计方法粗集料级配确定粗集料级配确定 1.621.641.661.681.701.721.7415202530354045509.519mm粒径集料掺量（%）密度（g/cm3）1.

23、741.761.781.801.821.841.8615202530354045504.759.5mm粒径集料掺量（%）密度（g/cm3）D0:D1=70:30D0:D1=65:35D0:D1=60:40粗集料的级配比例确定为70:30:40 骨架密实型 水稳基层材料组成设计方法 细集料级配的确定细集料级配的确定 细集料级配主要由I法和室内试验相结合，着重考虑其强度和收缩性而定 1.001.201.401.601.802.002.200.50.550.60.650.70.750.8I7d无侧限抗压强度（MPa）3842465054580.50.550.60.650.70.750.8ICBR(%

24、)88.599.51010.51111.5120.550.60.650.70.75i温缩系数（10-6）5055606570750.550.60.650.70.75i干缩系数（10-6）骨架密实型 水稳基层材料组成设计方法 细集料级配的确定细集料级配的确定 细集料的级配按I法确定，I值取为0.65。 骨架密实型 水稳基层材料组成设计方法 粗集料与细集料最佳比例研究粗集料与细集料最佳比例研究 012345655:4560:4065:3570:3075:25粗细集料比例抗压强度（MPa）筛孔（筛孔（mmmm）各档集料在不同筛孔各档集料在不同筛孔(mm)(mm)的通过率（）的通过率（）31.531.

25、519199.59.54.754.752.362.361.181.180.60.60.0750.075骨架密实型骨架密实型SJSJ100100909084847070545444443838282828281818181810107 70 0悬浮密实型悬浮密实型GFGF100.0100.08989727267674747494929293535171722228 87 70 0骨架密实型 水稳基层材料组成设计方法悬浮密实结构 骨架密实结构 骨架空隙结构 骨架密实型 水稳基层材料组成设计方法半刚性材料振动设计法原材料检测：原材料检测：包括水泥、碎石、石灰、粉煤灰等。包括水泥、碎石、石灰、粉煤灰等

26、。骨架密实级配的确定：骨架密实级配的确定：根据原材料筛分结果，确定特定根据原材料筛分结果，确定特定工程的骨架密实结构级配范围，并确定目标级配。工程的骨架密实结构级配范围，并确定目标级配。振动法确定最大干密度和最佳含水量：振动法确定最大干密度和最佳含水量：根据确定的振动根据确定的振动参数，用振动法确定半刚性材料的最佳含水量及最大干参数，用振动法确定半刚性材料的最佳含水量及最大干密度。并与重型击实法结果进行对比。密度。并与重型击实法结果进行对比。振动法成型试件振动法成型试件: :标准养生后进行无侧限抗压强度试验，标准养生后进行无侧限抗压强度试验，确定最佳水泥剂量。同时进行静压法无侧限抗压强度试确定

27、最佳水泥剂量。同时进行静压法无侧限抗压强度试验，与振动法设计结果进行对比。验，与振动法设计结果进行对比。 压实功一定的情况下，随着含水量增大，直至达到最大含压实功一定的情况下，随着含水量增大，直至达到最大含水量时，水起润滑作用，干密度逐渐增大；继续增大含水水量时，水起润滑作用，干密度逐渐增大；继续增大含水量，起阻碍作用，干密度反而减小。量，起阻碍作用，干密度反而减小。 压实功增大，最大干密度增大，最佳含水量降低压实功增大，最大干密度增大，最佳含水量降低 重型击实法是根据八十年代主流压路机重型击实法是根据八十年代主流压路机12t12t15t15t提出来的提出来的，显然不能适应现在普遍使用，显然不

28、能适应现在普遍使用202022t22t压路机，导致确定的压路机，导致确定的最大干密度与最大干密度与202022t22t压路机相比偏低，出现现场压实度超压路机相比偏低，出现现场压实度超百现象也就不足为奇。百现象也就不足为奇。 振动击实仪更好地模拟了现场的压实作用振动击实仪更好地模拟了现场的压实作用 重型击实法本身试验方法存在问题重型击实法本身试验方法存在问题 振动法确定最大干密度和最佳含水量振动法确定最大干密度和最佳含水量 将各规格的集料烘干，按比例配料将各规格的集料烘干，按比例配料6.0kg6.0kg 按按4.04.0含水量加水充分拌和含水量加水充分拌和 按四分法约取按四分法约取5.5kg5.

29、5kg边插捣边装料至边插捣边装料至15mm15mm15mm15mm试模齐平，试模齐平，连同试模称重，记为连同试模称重，记为m m1 1 将试模放置振动台振动将试模放置振动台振动100s100s，取下连同试模称重，记为，取下连同试模称重，记为m m2 2，根据根据m m1 1m m2 2不超过不超过30g30g确定最佳含水量。若超过说明含水量确定最佳含水量。若超过说明含水量太大，降低含水量重复上述步骤。若没超过太大，降低含水量重复上述步骤。若没超过30g30g，继续加大，继续加大含水量重复上述步骤。将试模移至脱模器脱出试件，量取含水量重复上述步骤。将试模移至脱模器脱出试件，量取试件高度和重量，计

30、算湿密度和干密度试件高度和重量，计算湿密度和干密度 重型击实法确定最大干密度偏低重型击实法确定最大干密度偏低 重型击实法确定最佳含水量偏高，静压成型时有多余的水流重型击实法确定最佳含水量偏高，静压成型时有多余的水流出，带着了部分水泥浆，而造成试件内实际水泥剂量要低于出，带着了部分水泥浆，而造成试件内实际水泥剂量要低于加入水泥剂量；加入水泥剂量； 静压成型时骨架结构有可能被破坏，导致形成骨架的集料被静压成型时骨架结构有可能被破坏，导致形成骨架的集料被压碎，而压碎面内是不可能有粘结材料的，结果出现天然薄压碎，而压碎面内是不可能有粘结材料的，结果出现天然薄弱面，而降低强度。弱面，而降低强度。 振动法避免了集料被压碎的现象，显然强度要高于静压法成振动法避免了集料被压碎的现象，显然强度要高于静压法成型的试件。型的试件。 现场振动压实表面有可能存在集料被压碎现象，但是内部是现场振动压实表面有可能存在集料被压碎现象，但是内部是不可能发生的；现场含水量高，至多出现弹簧现象，水不可不可能发生的；现场含水量高，至多出现弹簧现象，水不可能带走水泥。能带走水泥。 经济社会效益分析 节约水泥稳定碎石基层材料费约节约水泥稳定碎石基层材料费约6 6。水泥剂量水泥剂量至少至少降低降低1.0%1.0%，水泥价格水泥价格350350元元/ /吨