土木工程材料_无机结合料稳定材料

1、.第11章无机结合料稳定材料本章导学学习目的：目前我国的沥青混凝土路面或水泥混凝土路面95以上采用无机结合料稳定材料作为基层或底基层，通过本章的学习应了解无机结合料稳定材料的组成设计、强度、干缩、温缩的特性，为工程服务。教学要求：为了提高对无机结合料稳定材料的认识，应首先说明我国路面结构的实际情况，例如国内主要高速公路的路面无机结合料稳定材料的使用情况及分类。 结合无机结合料稳定材料的特点，简要说明无机结合料稳定材料的强度特性、疲劳特性、干缩特性和温缩特性。 无机结合料稳定材料的强度、组成设计方法与材料品种等关系密切，应注意通过不同实例进行讲解。11.1无机结合料稳定材料的应用11.1.1无机

2、结合料稳定材料的应用与分类（一）总述1、在粉碎的或原状松散的土中掺入一定量的无机结合料(包括水泥、石灰或工业废渣等)和水，经拌和得到的混合料在压实与养生后，其抗压强度符合规定要求的材料称为无机结合料稳定材料，以此修筑的路面称为无机结合料稳定路面。 无机结合料稳定路面具有稳定性好、抗冻性能强、结构本身自成板体等特点，但其耐磨性差，广泛用于修筑路面结构的基层和底基层。 粉碎的或原状松散的土按照土中单个颗粒(指碎石、砾石、砂和土颗粒)粒径大小和组成，将土分成细粒土、中粒土和粗粒土。不同的土与无机结合料拌和得到不同的稳定材料。例如石灰土、水泥土、石灰粉煤灰土、水泥稳定碎石、石灰粉煤灰稳定碎石等。2、无

3、机结合料稳定基层具有强度大、稳定性好及刚度大等特点，被广泛用于修建高等级公路沥青路面和水泥混凝土路面的基层或底基层。七、五期间，国家组织开展了“高等级公路无机结合料稳定材料基层、重交通道路沥青面层和抗滑表层的研究”，其中无机结合料稳定基层材料的强度和收缩特性、组成设计方法是主要的研究内容之一。在此基础上，结合近15年来无机结合料稳定基层的设计、施工和使用的经验，根据实际使用效果，提出无机结合料稳定材料设计、施工及管理要点，为高等级公路无机结合料稳定基层的设计与施工提供了理论依据和技术保证。（二）无机结合料稳定基层沥青路面无机结合料稳定基层用于高速公路的沥青路面结构，其合理性主要表现在具有较高的

4、强度和承载能力。一般来说，无机结合料稳定基层材料具有较高的抗压强度和抗压回弹模量，并具有一定的抗弯拉强度，且它们都具有随龄期而不断增长的特性，因此无机结合料稳定基层沥青路面通常具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力。 由于无机结合料稳定基层的刚度大，使得其上的沥青层弯拉应力值较小，从而提高了沥青面层抵抗行车疲劳破坏的能力，甚至可以认为无机结合料稳定基层上的沥青面层不会产生疲劳破坏。也就是可以认为无机结合料稳定基层沥青路面的承载能力完全可以由无机结合料稳定基层材料层来满足，而不需要依靠厚沥青面层，沥青面层可仅起功能性作用，这就鼓励人们去减薄面层。 但无机结合料稳定基层沥青路面的使用实践证明，如果面层

5、不够厚，无机结合料稳定基层因温缩或干缩而产生的裂缝会很快反射到沥青路面的面层。初期产生的裂缝对行车无明显影响，但随着表面雨水或雪水的浸入，在行车荷载反复作用下，会导致路面承载力下降，产生冲刷和唧泥现象，加速沥青路面的破坏，影响沥青路面的使用性能。 七五后我国高速公路进入快速增长期，高速公路建设从无到有，目前已经达到1.6万公里，还即将建设2万多公里的高速公路。而无机结合料稳定材料仍将是基层、底基层的主要材料。如表111和11-2为我国高速公路无机结合料稳定基层沥青路面结构类型。国内主要的高速公路沥青路面结构（七五前） 表11-1 路名长度（km）沥青面层厚度(cm)和类型基层厚度(cm)和类型

6、底基层厚度(cm)和类型沪嘉高速公路20.512(6km).17(6km)46石灰粉煤灰碎石20砂砾莘松高速公路18.912和1745石灰粉煤灰碎石 广佛高速公路15.74中粒式沥青混凝土+5粗粒式沥青混凝土4中粒式沥青混凝土+5粗粒式沥青混凝土 +6沥青碎石25水泥级配碎石或水泥石屑(31) 2528水泥石屑或水泥土西临高速公路204中粒式沥青混凝土+5粗粒式沥青混凝土+6沥青碎石20石灰粉煤灰砂砾25水泥级配碎石或水泥石屑(31) 20石灰粉煤灰土,2528水泥石屑或水泥土+20砂砾改善层(特殊不良路段);25石灰粉煤灰土沈大高速公路 3754中粒式沥青混凝土+5粗粒式沥青混凝土

7、或5+5+520水泥砂砾或水泥矿渣砂砾或矿渣京津塘高速公路142.52023中粒式沥青混凝土，粗粒式沥青混凝土和沥青碎石205水泥粒料(碎石或砾石)或石灰粉煤灰碎石2535石灰土或水泥土、水泥石灰土、石灰粉煤灰土京石高速公路(北京段)141235石灰粉煤灰砂砾 京石高速公路(河北石家庄一新乐)  3中粒式沥青混凝土+5沥青碎石 12水泥碎石或12石灰粉煤灰碎石 43石灰土国内主要的高速公路沥青路面结构类型（七五后） 表11-2 路名表面层厚度(cm)中面层厚度（cm）底面层厚度（cm）基层厚度（cm）和材料底基层厚度（cm）和材料总厚度京石.定州-涿州5中AC 5

8、粗AC15二灰碎石40石灰土65涿州-北京5中AC 7.5粗AC15二灰碎石40石灰土67京石.北京三期3.5细AC4.5中AC7BM20水泥砂砾 20二灰砂砾55北京四期3.5细AC4.5中AC7BM40二灰砂砾20石灰砂砾75广州-花县(软土地段)3中AC 4中AC1820水泥碎石2534水泥石屑5259广州-深圳4中AC8密粗AC+10密BM10MB23水泥碎石23级配碎石+2232末筛分碎石110路肩100海南东干线4中AC4粗AC4BM20水泥碎石 20水泥碎石52济南青岛5中SAC 4中SAC 6粗AC 5粗AC7BM6BM 34水泥砂砾20水泥砂砾20水泥砂砾

9、 15石灰土26石灰土26石灰土 676461 青岛-黄岛4中AC 5粗AC20水泥碎石22RCC+15水 25水泥碎石15石灰土 54郑州-开封4中AC  泥碎石 56郑州新郑4中AC  22RCC+15水泥碎石 15石灰土56郑州洛阳4中AC5粗AC6BM22RCC+15水泥碎石 24石灰土69佛山开平3抗滑AC7中AC8BM25水泥石屑15、23、28级配碎石58、66或 7深圳汕头3抗滑AC5中AC6粗AC25水泥石屑28、32、38级配碎石67、71、77沪宁江苏段4AK-16A6粗AC-25I6粗AC-25I28二灰碎石3

10、0二灰碎石25二灰碎石33二灰土 成都重庆 12    西安-铜川4中AC 8BM21二灰砂砾22二灰土51西安宝鸡4中AC 8BM二灰砂砾 二灰土  杭州宁波5中AC 7粗AC25或28或34二灰碎石 20二灰20级配碎石57、60、66南京南通、扬州段4中SLH 6粗LH6BM20二灰碎石33石灰土69石家庄安阳4中SLH 5粗SLH6LH-3020水泥碎石+20二灰碎石2040石灰土75石家庄太原河北段5LH 4LH 5LM7LH6BM 18二灰碎石土或22二灰碎石或25二灰碎石2025石

11、灰土2025石灰土50555765 （三）水泥路面水泥混凝土路面结构层组合较为简单，一般由混凝土面板、基层或垫层组成。水泥混凝土路面基层直接位于面层板之下，是保证路面整体强度、防止唧泥和错台、延长路面使用寿命的重要结构层。目前基层类型主要采用无机结合料稳定基层，如水泥稳定粒料、工业废渣稳定粒料等基层。中等以下交通的道路，除上述类型外，还可采用石灰稳定类基层。11.1.2无机结合料稳定材料的分类（一）水泥稳定材料在破碎的或原来松散的土（包括各种粗、中、细粒土）中，掺入足量的水泥和水，经拌和得到的混合料，在压实和养生后，当其抗压强度符合规定要求的混合料成为水泥稳定材料。 根据土的颗粒组成不同，可以

12、将水泥稳定材料具体分为以下几类：1水泥稳定粗粒土：指被水泥稳定的土的最大粒径小于37.5mm，且其中小于31.5mm的颗粒含量不少于90。2水泥稳定中粒土：指被水泥稳定的土的最大粒径小于26.5mm，且其中小于19mm的颗粒含量不少于90。3水泥稳定细粒土：制被水泥稳定的土的最大粒径小于9.5mm，且其中小于2.36mm的颗粒含量不少于90。用水泥稳定砂性土、粉性土和粘性土等细粒土得到的混合料简称为水泥土；用水泥稳定砂得到的混合料简称为水泥砂；用水泥稳定粗粒土和中粒土得到的混合料，视所用原料情况简称为水泥碎石（级配碎石和未筛分碎石）、水泥砂砾等。同时用水泥和石灰综合稳定某种土而得到的混合料，简

13、称为综合稳定土。 水泥稳定材料是一种经济实用的筑路材料，具有较优良的性能，可用于各种交通类别道路的基层和底基层。由于以水泥为主要胶结材料，通过水泥的水化、硬化将集料粘结起来，因此水泥稳定土具有良好的力学性能和板体性。其强度随养护龄期的增加而增加，并且早期的强度较高；同时其强度的可调范围较大，由几个兆帕到十几个兆帕。水泥稳定土的水稳定性和抗冻性也较其它稳定材料好。所不足的是，水泥稳定土在温度、湿度变化时，易产生裂缝，而影响面层的稳定性；当细颗粒含量高、水泥用量大时开裂更为严重。水泥稳定土作为一种筑路材料，国际上已有了几十年的使用历史。1937年美国成功的铺筑了3.2km的水泥稳定土基层。随后，水

14、泥稳定土在很多国家的道路和机场工程中，都得到了广泛的使用。70年代初，我国在援外工程中，也不同程度的采用了水泥稳定土，作为沥青表面处治面层的基层。1974年我国在辽宁的沈扶南线公路上铺筑了10多公里的水泥稳定土（砂砾），作为高等级沥青面层的基层，这是我国公路上第一次正是较大规模的在路面的基层中使用水泥稳定土。自80年代初以来，水泥稳定土已被广泛用于我国各个省、市自治区的二级和高等级道路上。它不仅被用作沥青路面的基层，还被用作水泥混凝土路面的基层。七五期间。我国开始建设高速公路，多数都采用了水泥稳定粒料（碎石和砾石）作为基层，有些高速公路还采用水泥稳定土作为底基层。摊铺1摊铺2碾压（二）石灰稳定

15、材料在粉碎的或原来松散的土(包括各种粗、中、细粒土)中，掺入足量的石灰和水，经拌和得到的混合料，在压实及养生后，当其抗压强度符合规定的要求时，称为石灰稳定材料。 用石灰稳定细粒土得到的混合料简称石灰土。用石灰稳定中粒土和粗粒土得到的混合料，视所用原材料而定，原材料为天然砂砾土时简称石灰稳定砂砾土。原材料为天然碎石土时简称石灰稳定碎石土。用石灰土稳定级配砂砾(砂砾中无土)和级配碎石(包括未筛分碎石)时，也分别简称石灰稳定砂砾土和石灰稳定碎石土。 用石灰稳定土铺筑的路面基层和底基层，分别称石灰稳定土基层和石灰稳定土底基层，或分别简称石灰稳定基层和石灰稳定底基层。也可在基层或底基层前标以具体简称，如

16、石灰稳定碎石土基层、石灰稳定土底基层等。 石灰土在我国道路上的应用已有几十年历史。在缺乏砂石材料地区，广泛应用石灰土做各种路面的基层和底基层。 石灰稳定土具有良好的力学性能，并有较好的水稳性和一定程度的抗冻性，它的初期强度和水稳性较低，后期强度较高。由于干缩、温缩系数较大，易产生裂缝。石灰稳定土适用于各级公路路面的底基层，可用作二级和二级以下公路的基层，但石灰土不应用作高级路面的基层。在冰冻地区的潮湿路段以及其它地区的过分潮湿路段，不宜采用石灰土做基层。在只能采用石灰土时，应采取措施防止水分侵入石灰土层。此外，石灰常与其它结合料(如水泥)一起综合稳定土，此时，石灰起着一种活化剂的作用。有时，在

17、加石灰的同时，还掺加工业废渣(粉煤灰、煤渣等)或少量的化学添加剂(如CaCl2、NaOH、Na2CO3等)以改善石灰和土之间的相互作用和石灰稳定土的硬化条件。（三）石灰工业废渣稳定材料工业废渣包括：粉煤灰、煤渣、高炉矿渣、钢渣(已经过崩解达到稳定)及其他冶金矿渣、煤矸石等。一定数量的石灰和粉煤灰或石灰和煤渣与其他集料相配合，加入适量的水(通常最佳含水量)，经拌和、压实及养生后得到的混合料，当其抗压强度符合规范规定的要求时，称石灰工业废渣稳定材料。 石灰工业废渣材料可分为两大类：石灰粉煤灰类和石灰其他废渣类。用石灰粉煤灰稳定细粒土(含砂)、中粒土和粗粒土时，视具体情况可分别简称二灰土、二灰砂砾、

18、二灰碎石、二灰矿渣等。其中砂砾、碎石、矿渣、煤矸石等可能是中粒土也可能是粗粒土，都统称为集料。 石灰工业废渣稳定材料同样是一种经济实用的筑路材料，具有较优良的性能，可用于各种交通类别道路的基层和底基层。由于以石灰为活性激发剂，石灰工业废渣为主要胶结材料，早期强度较低，但是后期强度与水泥稳定材料基本类似，因此石灰工业废渣稳定材料具有良好的力学性能和板体性。石灰工业废渣稳定材料在温度、湿度变化时也易产生裂缝，当细颗粒含量高时开裂更为严重。石灰工业废渣稳定材料的抗水损害的能力较水泥稳定同样材料抗水损害的能力差，但是其在温度、湿度变化时产生的温缩、干缩系数较水泥稳定同样材料的温缩、干缩系数小。 石灰工

19、业废渣可适用于各级公路的基层和底基层。但二灰土不应用作高级沥青路面的基层，而只用作底基层。在高速和一级公路上的水泥混凝土面板下，二灰土也不应用作基层。11.2无机结合料稳定材料力学性能11.2.1无机结合料稳定材料的强度特性11.2.1.1水泥稳定材料（一）水泥稳定土的强度作用原理/水泥的水化作用1水泥稳定土的强度作用原理在利用水泥来稳定土的过程中，水泥、土和水之间发生了多种非常复杂的作用，从而使土的性能发生了明显的变化。这些作用可以分为：（1）化学作用：如水泥颗粒的水化、硬化作用，有机物的聚合作用，以及水泥水化产物与粘土矿物之间的化学作用等等。（2）物理化学作用：如粘土颗粒与水泥及水泥水化产

20、物之间的吸附作用，微粒的凝聚作用，水及水化产物的扩散、渗透作用，水化产物的溶解、结晶作用等等。（3）物理作用：如土块的机械粉碎作用，混合料的拌和、压实作用等等。2水泥的水化作用在水泥稳定土中，首先发生的是水泥自身的水化反应，从而产生出具有胶结能力的水化产物，这是水泥稳定土强度的主要来源。水泥的水化反应简式如下所示。硅酸三钙： 硅酸二钙： 铝酸三钙： 铁铝酸四钙： 水泥水化生成的水化产物，在土的孔隙中相互交织搭接，将土颗粒包复连接起来，使土逐渐丧失了原有的塑性等性质，并且随着水化产物的增加，混合料也逐渐坚固起来。但水泥稳定土中水泥的水化与水泥混凝土中水泥的水化之间还有所不同。这是因为：（1）土具

21、有非常高的比表面积和亲水性；（2）水泥稳定土中的水泥含量较少；（3）土对水泥的水化产物具有强烈的吸附性；（4）在一些土中常存在酸性介质环境。由于这些特点，在水泥稳定土中，水泥的水化硬化条件较混凝土中差得多；特别是由于粘土矿物对水化产物中的Ca(OH)2具有极强的吸附和吸收作用，使溶液中的碱度降低，从而影响了水泥水化产物的稳定性；水化硅酸钙中的C/S会逐渐降低析出Ca(OH)2，从而使水化产物的结构和性能发生变化，进而影响到混合料的性能。因此在选用水泥时，在其它条件相同时，应优先选用硅酸盐水泥，必要时还应对水泥稳定土进行“补钙”，以提高混合料中的碱度。（二）离子交换作用/化学激发作用/碳酸化作用

22、1、离子交换作用土中的粘土颗粒由于颗粒细小、比表面积大，因而具有较高的活性，当粘土颗粒与水接触时，粘土颗粒表面通常带有一定量的负电荷，在粘土颗粒周围形成一个电场，这层带负电荷的离子就称为电位离子；带负电的粘土颗粒表面，进而吸引周围溶液中的正离子，如K+、Na+等，而在颗粒表面形成了一个双电层结构，这些与电位离子电荷相反的离子就称为反离子。在双电层中电位离子形成了内层，反离子形成外层。靠近颗粒的反离子与颗粒表面结合较紧密，当粘土颗粒运动时，结合较紧密的反离子将随颗粒一起运动，而其它反离子将不产生运动；由此在运动与不运动的反离子之间便出现了一个滑移面。 在硅酸盐水泥中，硅酸三钙和硅酸二钙占主要部分

23、，其水化后所生成的氢氧化钙所占的比例也较高，可达水化产物的25，大量的氢氧化钙溶于水以后，在土中形成了一个富含Ca2+的碱性溶液环境。当溶液中富含Ga2+时，因为Ca2+的电价高于K+、Na+等离子，因此与电位离子的吸引力较强，从而取代了K+、Na+，成为反离子，同时Ca2+也双电层电位的降低速度加快，如图所示。因而使电动电位减小、双电层的厚度降低，使粘土颗粒之间的距离减小，相互靠拢，导致土的凝聚，从而改变土的塑性，使土具有一定的强度和稳定度。这种作用就称为离子交换作用。2、化学激发作用钙离子的存在不仅影响到了粘土颗粒表面双电层的结构，而且在这种碱性溶液环境下，土本身的化学性质也将发生变化。土

24、的矿物组成基本上都属于硅铝酸盐，其中含有大量的硅氧四面体和铝氧八面体。在通常情况下，这些矿物具有比较高的稳定性，但当粘土颗粒周围介质的PH值增加到一定程度时，粘土矿物中的部分SiO2和Al2O3的活性将被激发出来，与溶液中的Ca2+进行反应，生成新的矿物，这些矿物主要是硅酸钙和铝酸钙系列，如 、 、 、 等，这些矿物的组成和结构与水泥的水化产物都有很多类似之处，并且同样具有胶凝能力。生成的这些胶结物质包裹着粘土颗粒表面，与水泥的水化产物一起，将粘土颗粒凝结成一个整体。因此，氢氧化钙对粘土矿物的激发作用，将进一步提高水泥稳定土的强度和水稳定性。3、碳酸化作用水泥水化生成的Ca(OH)2，除了可与

25、粘土矿物发生化学反应外，还可以进一步与空气中的CO2发生碳化反应并生成碳酸钙晶体。其反应如下：碳酸钙生成过程中产生体积膨胀，也可以对土的基体起到填充和加固作用；只是这种作用相对来讲比较弱，并且反应过程缓慢。11.2.1.2石灰稳定材料（一）绪论/离子交换作用/氢氧化钙的碳酸化反应1、绪论石灰加入土中后，由于石灰与土的相互作用，使土的性质得到了改善，以满足工程的要求。在初期，主要表现在土的结团，塑性降低，最佳含水量的增加和最大干密度的减小等。在后期，由于结晶结构的形成，提高了板体性、强度和耐久性。土是由许多颗粒(包括粘土胶体颗料)组成的分散体系，它的化学组成和矿物成分很复杂。所以石灰加入土中后，

26、除了产生物理吸附作用外，还要产生复杂的物理化学作用和化学作用。作用的程度与外界因素(湿度、温度等)有关，因湿度、温度的不同而有差异，因此，对石灰稳定土作用原理的研究是一个复杂的综合性课题。国内外研究资料表明，石灰与土的作用可以归纳为以下四种反应过程。2、离子交换作用石灰加入土中后，氢氧化钙能够溶解于水，所以其进入溶液内并离解成带正电荷的钙离子和带负荷的氢氧根离子。Ca(OH)2Ca2+2OH- 同样，石灰中的氢氧化镁离解成镁离子和氢氧根离子。当土中的粘土胶体颗粒的扩散层大都是一价的K+、Na+等离子时，由离子Ca2+和Mg2+与土的吸附综合体中的低价阳离子K+、Na+进行交换作用。交换的结果使

27、得胶体扩散层的厚度减薄，电动电位降低，使范德华引力增大，颗粒之间结合得更紧密，这样就加强了石灰土的凝聚结构，其结果导致土的分散性、湿坍性和膨胀性降低。这种离子交换作用，在初期进行得很迅速，随着Ca2+和Mg2+离子在土中的扩散逐步地进行，这是土加入石灰后初期性质得到改善的主要原因。3、氢氧化钙的碳酸化反应石灰加入土中后，氢氧化钙从空气中吸收水分和二氧化碳可以生成不溶解的碳酸钙，此种反应称为氢氧化钙的碳酸化反应，简称碳化反应。其化学反应式为：Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O 碳酸化反应实际上是二氧化碳与水形成碳酸，然后与氢氧化钙反应生成碳酸钙，所以这种反应不能在没有

28、水分的全干状态下进行。碳酸钙是具有较高的强度和水稳性的结晶体。碳酸钙晶粒或是互相共生，或与土粒等共生，从而对土起到一种胶结作用，使土得到加固。此外，当发生碳化反应时，碳酸钙固相体积比氢氧化钙固相体积要稍有增大。使石灰土更加紧密。从而使它坚固起来。石灰土的碳化反应主要取决于环境中二氧化碳的浓度，CO2可能由混合料的孔隙渗入，或随雨水渗入，也可能由土本身产生，但数量不多，所以碳酸化反应是一个最慢的过程，特别是当表面生成一层碳酸钙层后，阻碍CO2进一步渗入。因此，碳化过程更加缓慢。氢氧化钙的碳酸化反应是个相当长的缓慢的反应过程，也是形成石灰土后期强度的主要原因之一。（二）火山灰反应/氢氧化钙的结晶反

29、应/总述1、火山灰反应石灰加入土中后，氢氧化钙与土中的活性氧化硅和氧化铝作用，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。此种反应称为火山灰反应。其反应式为：活性SiO2+xCa(OH)2+mH2OxCaOSiO2nH2O活性AI2O3+xCa(OH)2+mH2OxCaOAI2O3nH2O 生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙的化学组成是不固定的，其类型和结晶程度不仅与石灰土中CaO/SiO2或CaO/Al2O3的比值有关，而且与温度、湿度等有关。它们具有水硬性，是一种强度较高、水稳性较好的反应生成物。由于它们的形成、长大以及晶体之间互相接触和连生，使得土颗粒之间的联结得到加强，即增加了土颗粒之间的固化凝聚力，因此提

30、高了石灰土的强度和水稳定性，并促使石灰土在相当长的时期内增长强度。2、氢氧化钙的结晶反应石灰加入土中后，氢氧化钙溶解于水，形成Ca(OH)2的饱和溶液，随着水分的蒸发和石灰土反应的进行，特别是石灰剂量较高时，有可能会引起土中溶液某种程度的过饱和。Ca(OH)2晶体即从过饱和溶液中析出，从而产生Ca(OH)2的结晶反应。其反应可用下式表达。Ca(OH)2+nH2OCa(OH)2nH2O此种反应使Ca(OH)2由胶体逐渐成为晶体，晶体相互结合，并与土粒等结合起来形成共晶体。结晶的Ca(OH)2溶解度较小(其溶解度与不定形的Ca(OH)2相比，几乎小一半)，因而促使石灰土强度和水稳定性有所提高。3、

31、总述综上所述，石灰土强度提高的主要原因是石灰土中的离子交换反应以及石灰、石灰与土发生化学反应的结果。在石灰土的四种不同反应中，离子交换反应的速度快，它们发生在石灰加入土中后的较短一段时间内，是石灰土初期发生的主要反应。石灰土的离子交换反应首先使得土的凝聚结构得到了加强，从而改善了土的初期性质。而后三种化学反应即氢氧化钙的碳酸化反应、火山灰反应和氢氧化钙的结晶反应，主要生成以下几种结晶程度不一的反应生成物：碳酸钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙和氢氧化钙等。随着这些结晶体的大量生成，使石灰土的结构进一步强化。在石灰土的硬化过程中，生成的晶体彼此交叉、接触，在土粒之间由于晶体连生而形成了牢固的结晶结构网。

32、结晶结构不同于凝聚结构的地方在于粒子之间的相互作用力不是分子间力，而是化学键力，因而其具有大得多的强度。由于作用力性质的变化，所以结晶结构网破坏以后不具有触变复原的性能。由此可见，石灰或石灰与土的化学反应对强度的影响更为显著，它们贯穿着石灰土强度发展始终。当然，三种化学反应在石灰土硬化过程中所起的作用又有所不同，火山灰反应是在长时期范围内继续获得强度的一种反应，这种反应引起强度的增长随着土的类型和气候不同而有很大的变化。反应最慢的是氢氧化钙的碳酸化反应，它是石灰土后期强度继续增长的主要原因之一。11.2.1.3石灰工业废渣稳定材料（一）粉煤灰粉煤灰是以煤为燃料的火力发电厂排出的一种工业废料。在

33、火力发电厂的锅炉中，磨成一定细度的煤粉在11001600的高温下剧烈燃烧，其不可燃烧部分随尾气排出，经收尘器收集下来的细灰就称为粉煤灰。煤粉在高温燃烧过程中，煤粉中所含的粘土质矿物呈熔化状态，在表面张力的作用下形成液滴，当随尾气排出炉外时，由于经受急速冷却，而形成粒径为150微米的球形颗粒。并且由于煤粉中某些物质的分解、挥发产生气体，而使熔融的玻璃颗粒形成空心的玻璃球，有时玻璃球的球壁还呈蜂窝状结构，因此粉煤灰的密度要比同矿物组成的其它矿物小得多，通常在19002400Kg/m3左右，松散密度为6001000Kg/m3左右，比表面积在27003500cm3/g；高钙粉煤灰密度较大，一般为250

34、02800Kg/m3，松散容重为8001200Kg/m3。粉煤灰颗粒除了空心玻璃球状外，还有开口的大颗粒，以及空心玻璃球中包裹着鱼卵装的许多小颗粒，也有的细小而致密的颗粒在烟气中相互撞击，粘结而成葡萄状的组合颗粒等等。 粉煤灰随着含碳量和铁含量的不同，颜色可以由灰白到黑色，其外观和颜色均与水泥类似，使用过程中应注意加以区分，避免错用。根据收尘的方法不同，粉煤灰的生产又分为干排法和湿排法，干排法是利用压缩空气输送除尘器收集下来的粉煤灰,，湿排法是利用水进行输送。干排粉煤灰颗粒较细，活性较高；而湿排粉煤灰颗粒粗大，同时由于部分活性成分已先行水化，因此活性较低。（二）粉煤灰的颗粒组成与性能粉煤灰的颗

35、粒组成是影响粉煤灰质量的主要指标。粉煤灰的粒径分布与原煤种类、煤粉细度以及燃烧条件等有关。当在水泥浆中加入部分粉煤灰时，由于球形粉煤灰颗粒可以在水泥浆中起到润滑作用，因此可以起到降低用水量的作用。粉煤灰中表面光滑的球形颗粒含量越多，其需水量就越小。通常认为，粉煤灰颗粒越细，其球形颗粒含量越高，组合颗粒越少，因此需水量较小；同时粉煤灰颗粒较细时，其比表面积较大，水化反应界面增加，因此活性较高。当粉煤灰平均粒径较大，组合颗粒又多时，其需水量必然增加，同时活性也下降。一般认为，粒径范围在530微米的粉煤灰颗粒，其活性较好。我国规定，粉煤灰的细度以80微米的方孔筛上的筛余量不大于8为宜。当粉煤灰颗粒较

36、粗时，可以进行粉磨，将粗大多孔的组合颗粒打碎，使粒径减小、比表面积增加；而较细的球形颗粒由于很难磨碎，仍保持原来的形状，因此通过粉磨可以有效的改善粉煤灰的质量。同时也可以将大于0.2mm的粉煤灰颗粒作为集料使用。（三）粉煤灰的化学组成粉煤灰的化学组成主要为氧化硅、氧化铝，两者总含量可达60以上，我国大多数粉煤灰的化学成分如下：粉煤灰的化学组成 表11-3 成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3 烧失量含量(%)40601540310250.52.5<2120粉煤灰的化学成分属于CaO-Al2O3-SiO2体系，但随着煤种、煤粉细度以及燃烧条件的不同，粉煤灰的化学成分也有较大的

37、波动。粉煤灰的活性取决于Al2O3、SiO2的含量。美国、印度、土耳其、韩国等国家的粉煤灰规范中，对低钙粉煤灰中的SiO2+Al2O3+Fe2O3含量都规定为不小于70，日本规范中规定SiO2的含量应在45以上。我国的粉煤灰中SiO2+Al2O3+Fe2O3含量都大于70。粉煤灰中的CaO过去常认为是次要组分，并不重视。近十年来，对它的重要性才有了较明确的认识。CaO对粉煤灰的活性极为有利，有些粉煤灰由于原料特殊，其中CaO含量可达3445，加水后粉煤灰可自行水化。通常CaO含量在5以下的粉煤灰称为低钙粉煤灰；CaO含量在515之间的粉煤灰称为中钙粉煤灰；CaO含量在15以上的粉煤灰称为高钙粉

38、煤灰。有时为了生产高钙粉煤灰，在煤粉燃烧时，甚至可以采用“人工增钙”的方法。在低钙粉煤灰中，CaO基本上固溶于玻璃相中，在高钙粉煤灰中，CaO除大部分被固溶外，还有一部分是以游离态存在的。在低钙粉煤灰中，CaO含量虽然不多，但与CaO结合的富钙玻璃相的活性仍明显提高；在高钙粉煤灰中，游离的CaO可以起到激发玻璃相活性的作用，但游离CaO通常呈死烧状态，有时会引起安定性不良。 粉煤灰的烧失量主要是指粉煤灰中未燃尽的煤的含量，通常用粉煤灰在9001000下，灼烧30分钟后的重量损失表示。烧失量过大，说明燃烧不充分，对粉煤灰的质量影响较大。由于炭粒粗大、多孔，具有较强的饱水能力，且炭粒的大气稳定性较

39、差，当粉煤灰中的含碳量大时，其需水量也必然增加，而使材料的强度下降、收缩增加，耐久性下降。并且未燃尽的煤粉遇水后会在表面形成一层憎水层阻碍水分向粉煤灰内部的渗入，从而影响到粉煤灰的水化反应。同时炭粉也是造成材料体积变化和大气稳定性差的原因。我国规定，粉煤灰的烧失量不应大于8，过大时可用浮选法等处理，以改善质量。 粉煤灰中水分的存在往往会使其活性降低，易于结团。因此应加以控制，使用前也应进行测定。湿排粉煤灰中含水量可达45以上，露天堆放的干排粉煤灰，为了避免扬尘，常进行洒水，使粉煤灰的含水量增加。（四）石灰粉煤灰的水化活性粉煤灰的活性是指粉煤灰的火山灰性质。天然的或人造的火山灰材料，本身并无胶凝

40、性能。但是，常温下当有水存在时，这些粉状材料能与石灰发生化学反应，生成具有胶凝性能的水硬性水化产物，材料的这一性能称为火山灰性质。从粉煤灰的化学组成可以看出，粉煤灰和硅酸盐水泥同属于SiO2-Al2O3-CaO系统，性能上有很多相似之处；粉煤灰中玻璃相也是在高温下形成的亚稳相，因此在适当条件下，也具有通过水化而向稳定相转化的趋势。 由于粉煤灰中的CaO含量较少，所以通常不能自行水化。但在适宜的激发条件下，粉煤灰的活性可以发挥出来，激发条件包括生石灰、熟石灰、水泥水化生成的Ca(OH)2、石膏、碱性物质等，特别是Ca(OH)2，由于活性非常高，因此对粉煤灰具有明显的激发效果。其主要的反应如下：（

41、a）CaO+H2OCa(OH)2（b）Ca(OH)2+CO2CaCO3+H2O（c）Ca(OH)2+SiO2+H2OxCaOySiO2zH2O（c）Ca(OH)2+Al2O3+H2OxCaOyAl2O3zH2O（d）Ca(OH)2+SiO2+Al2O3+H2OxCaOyAl2O3zSiO2wH2O（e）Ca(OH)2+SO42-+Al2O3+H2OxCaOyAl2O3zCaSO4wH2O（五）粉煤灰的技术要求a含碳量含碳量粉煤灰的含碳量是用800900下的烧失量来表示的。由于粉煤灰中碳含量过多会影响粉煤灰的活性，所以规范中规定粉煤灰的烧失量不应超过20。美国的一些州规定粉煤灰的烧失量不得超过1

42、0，而我国一些地区的粉煤灰虽然烧失量高达18，但与石灰一起稳定集料和土，仍能达到规定的强度要求。b氧化物含量氧化物含量是指粉煤灰中的SiO2、Al2O3、Fe2O3在粉煤灰中的总含量。粉煤灰中的氧化物含量对二灰混合料的强度有明显影响，因此规范中规定氧化物含量应大于70。c细度粉煤灰的颗粒细度直接影响与石灰和水泥混合后，反应的速度和反应生成物的数量，从而影响混合料的强度，粉煤灰的颗粒越细，比表面积越大，粉煤灰的活性越强，从而混合料也就越高；规范中规定粉煤灰的比表面积宜大于2500m2/g。d含水量粉煤灰在储存和运输过程中，为了防止扬尘造成污染，经常会洒入适量的水。如粉煤灰的含水量过多，易造成粉煤

43、灰活性降低和混合料计量上的不准确；规范中规定粉煤灰的含水量不易超过35。11.2.2温度与时间对无机结合料稳定材料强度的影响（一）无侧限抗压强度试验/试件制备/强度测试无侧限抗压强度试验的主要目的是通过测试无机结合料稳定材料试件的无侧限抗压强度是否满足需要，以确定所需的结合料剂量。1、 试件制备无侧限抗压强度试验都采用高:直径1:1的圆柱体试件，采用静力压实法制备试件；根据土的最大粒径不同，采用不同尺寸的试模：细粒土：试模的直径×高50mm×50mm；中粒土：试模的直径×高100mm×100mm；粗粒土：试模的直径×高150mm×15

44、0mm。对于同一组无机结合料剂量的混合料，每组所需制备的试件数量（即平行试验的数量）与土的种类及操作的水平有关。对于无机结合料稳定细粒土，每组至少应制备6个试件；对于无机结合料稳定中粒土和粗粒土，每组至少应分别制备9和13个试件。 试件制备时，首先称取一定量的风干的土样，按最佳含水量计算出所需加水量，将水均匀的洒在土样中，重复拌和均匀后，放在密闭的容器中浸润备用，浸润时间与击实试验相同。 在浸润后的试料中，按预定的水泥剂量，掺入水泥并充分拌和均匀，同样应在1小时内制备成试件，否则应予以作废。根据试件的大小，称取一定质量的试料，称取质量 ，式中d 为混合料的干密度， 为试件体积V， w为混合料的

45、含水量。 将试模的下压柱放在试模的下部，但需外露2cm左右，将称好的试料按规定方法倒入试模中，并均匀插实，然后将上压柱放入试模中，也外露2cm左右。将这个试模，包括上下压柱，放在反力框架内的千斤顶上或压力机上，加压直到上下压柱都压入试模中为止，维持压力1分钟。解除压力后，取下试模进行脱模；用水泥稳定有粘结性的材料时，制件后可以立即脱模，用水泥稳定无粘结性的材料时，最好过几小时后再脱模，以确保试件不在脱模过程中破坏。2、 强度测试试件从试模中脱出并称量后，应立即放到密封湿气箱和恒温室中进行保温养生，但大、中试件应先用塑料薄膜包复。养生时间视需要而定，作为工地控制，通常都只取7天。整个养生期间的温

46、度，在北方地区应保持20，在南方地区应保持25±2。养生期的最后一天，应将试件浸泡在水中进行养护，浸泡前应再次称量试件的质量。在养生期间，试件的质量损失应符合下列规定：小试件质量损失不超过1克，中试件质量损失不超过4克，大试件质量损失不超过10克，超过此规定的试件应予以作废。 将已浸水一昼夜的试件从水中取出，吸干试件表面的可见自由水，并称量试件的质量和高度。将试件放在材料强度试验仪上，以1mm/min的变形速度进行加载，记录试件破坏时的最大压力P（N）。从破坏的试件内部取有代表性的样品测定其含水量。（二）结果分析试件的无侧限抗压强度Rc采用下列相应公式进行计算：对于小试件： 对于中试

47、件： 对于大试件： 式中：A为试件截面积。 计算出试验结果的平均值 和偏差系数CV（），在若干次平行试验中的偏差系数应符合下列规定，对于不符合规定的应重新做，并应增加平行试件数量。表11-4 试件尺寸小试件中试件大试件CV（）不大于101520取试件平均强度 ，满足如下公式的试件中的最小剂量，作为稳定土所需的无机结合料剂量：式中：Rd为设计抗压强度，其值见下表；Cv为试验结果的偏差系数（以小数计）；Z为标准正态分布表中，随保证率（或称置信度）而变的系数：对于高速公路和一级公路应取保证率为95，相应Z1.645；一般公路应取保证率为90，相应Z1.282。不同稳定材料的强度标准如表115117。

48、水泥稳定土的强度标准 表115 公路等级一级和高速公路二级和二级以下公路使用的层位基层底基层基层底基层抗压强度（MPa）351.52.52.531.52.0注：设计累计标准轴次小于12×106的高速公路用低限值；设计累计标准轴次大于12×106的高速公路用中限值；主要行驶重载车辆的高速公路应用高限值。某一高速公路应采用一个值，而不是某一个范围。 二级以下公路用低限值；二级公路用中限值；主要行驶重载车辆的公路应用较高的值。某一具体公路应采用一个值，而不是某一个范围。石灰稳定土的强度标准(MPa) 表11-6公路等级二级和二级以下公路高速和一级公路基层0.8 0.8底基层0.5

49、0.7注：在低塑性土(塑性指数小于7)地区，石灰稳定砂砾土和碎石土的7天浸水抗压强度应大于0.5MPa(100g平衡锥测液限)。 低限用于塑性指数小于7的粘性土，高限用于塑性指数大于7的粘性土。二灰混合料的强度标准(MPa) 表11-7公路等级二级和二级以下公路高速和一级公路基层0.60.8 0.81.1 底基层0.50.6注：设计累计标准轴次小于12106的高速公路用低限值；设计累计标准轴次大于12106的高速公路用中限值；主要行驶重载车辆的高速公路应用高限值。某一高速公路应采用一个值，而不是某一个范围。（三）环境温度的影响、龄期的影响1、环境温度的影响环境温度起高，无机结合料稳定材料内部的

50、化学反应就越快和越强烈，因此其强度也越高。试验证明，无机结合料稳定材料的强度在高温下形成和发展得很快，当温度低于5到0时无机结合料稳定材料的强度就难于形成和基本上没有增长。而当温度低于0时，如无机结合料稳定材料遭受反复冻融，其强度还可能下降，在伴随有自由水侵入的情况下，无机结合料稳定材料甚至会遭受破坏。 因此，无机结合料稳定材料基层应在温度大于5的条件下进行施工，并在第一次冰冻（-3-5）到来之前半个月（水泥稳定土）到一个月（石灰稳定土和石灰粉稳定土）停止施工。2、龄期的影响无机结合料稳定材料的化学反应要持续一个相当长的时间才能完成。即使是早期强度高的水泥稳定土，在水泥终凝后，水泥混合料的硬结

51、过程也常延续到一至两年以上。因此，在大致相同的环境温度下，无机结合料稳定材料的强度和刚性（回弹模量或弹性模量）都随龄期而不断增长。尤其是具有慢凝性质的石灰粉煤灰稳定材料和石灰稳定材料的硬结过程相当长。 由于材料的强度不仅与材料品种有关，而且与试验与养生条件有关。根据公路工程无机结合料稳定材料试验规程的规定，材料组成设计以7天的无侧限抗压强度为准。而路面设计中不仅要求材料的抗压弹性模量，而且要求材料的抗拉强度或间接抗拉强度（劈裂强度）、材料在标准条件下参数及在现场制件条件下的参数、材料强度与模量与时间的变化关系等。所以一般规定水泥稳定材料设计龄期为三个月，石灰或二灰稳定材料设计龄期六个月。11.

52、3无机结合料稳定材料的疲劳性能11.3.1无机结合料稳定材料疲劳强度的试验方法由于无机结合料稳定材料的抗拉强度远小于其抗压强度，路面结构在交通荷载的重复作用下的破坏类型主要为弯拉破坏，因此路面结构设计主要由材料的抗弯拉疲劳强无机结合料稳定材料疲劳强度的试验方法无机结合料稳定材料抗拉强度试验方法主要有直接抗拉试验、劈裂试验和弯拉试验。常用的疲劳试验有弯拉疲劳试验和劈裂疲劳试验，目前主要采用弯拉疲劳试验。对劈裂强度试验，分有压条与无压条两种。无压条时：对于小试件，其劈裂强度计算公式为： 对于中试件，其劈裂强度计算公式为： 对于大试件，其劈裂强度计算公式为： 有压条时：对于小试件，其劈裂强度计算公式

53、为： 对于中试件，其劈裂强度计算公式为： 对于大试件，其劈裂强度计算公式为： 对梁式试件，应首先测定材料的弯拉强度，根据不同的重复应力与极限强度之比(f/s)由疲劳试验得到疲劳寿命Nf，再通过回归就可得到某种材料的疲劳方程。11.3.2疲劳试验的数据处理无机结合料稳定材料的疲劳寿命主要取决于材料品种和重复应力与极限强度之比(f/s)，通常认为，当f/s小于50%，可经受无限次重复荷载作用而不会出现疲劳断裂，一般设定的重复应力与极限强度之比(f/s)大于0.5。疲劳性能通常用f/s与达到破坏时重复作用次数(Nf)绘制的散点图来说明。f/s与Nf之间关系通常用双对数疲劳方程(lgNf=a+blgf

54、/s)及单对数疲劳方程(lgNf=a+bf/s)表示。根据试验不同的无机结合料稳定材料不同概率水平下的疲劳方程如下。水泥碎石：50%概率水平： 95%概率水平： 二灰砂砾：50%概率水平： 95%概率水平： 石灰土：50%概率水平： 95%概率水平： 水泥土：50%概率水平： 95%概率水平： 二灰土：50%概率水平： 95%概率水平： 以上公式表明在一定的应力条件下材料的疲劳寿命取决于：（1）材料的强度和刚度。强度愈大、刚度愈小，其疲劳寿命就愈长。（2）由于材料的不均性，无机结合料稳定材料的疲劳方程还与材料试验的变异性有关。不同的保证率(到达疲劳寿命时出现破坏的概率)得出的不同的疲劳方程也不

55、同。（4）石灰粉煤灰稳定材料的疲劳曲线都位于水泥砂砾疲劳曲线之上。它说明石灰粉煤灰稳定的抗疲劳性能优于水泥砂砾，或在相同应力水平下，前者能承受更多的荷载反复作用次数。（5）石灰粉煤灰稳定材料疲劳关系线的斜率略小于水泥砂砾的疲劳关系线。它说明，应力水平的少量变化，对石灰粉煤稳定材料的疲劳寿命影响更大。11.4无机结合料稳定材料的干缩与温缩11.4.0总述水泥（石灰或石灰粉煤灰）与各种细料土（中粒土或粗粒土）和水经拌和、压实后，由于蒸发和混合料内部发生水化作用，混合料的水分不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶间层间水的作用和碳化收缩作用等会引起无机

56、结合料稳定材料产生体积收缩。由于水泥水化作用混合料水分减少而产生的收缩约占总收缩的17%。无机结合料稳定材料产生体积干缩的程度或干缩性（最大干缩性应变和平均干缩系数）的大小与下述一些因素有关：结合料的含量、小于0.5mm的细土含量和塑性指数、小于0.002mm的粘粒含量和矿物成分、制作（室内试件）含水量和龄期等。 描述材料干缩（或温缩）主要用干缩（或温缩）应变、干缩系数、干缩（或温缩）量、失水量、失水率和平均干缩（或温缩）系数。 干缩（或温缩）应变(d 或t )是水份损失（或温度改变）引起试件单位长度的收缩量(×-6)； 干缩系数（d ）是某失水量时，试件单位失水率的干缩应变(×-6)； 平均干缩（或