公路半刚性基层材料结构理论、多指标控制设计方法及工程应用课件

1、公路半刚性基层材料结构理论、多指标控制设计方法及工程应用 长安大学 沙爱民 2010 年 04 月09日 基层路基面层基层是公路路面的主要承重层,基层的使用寿命决定着整个公路路面的使用寿命。大背景:公路建设快速发展。 减少路面早期损坏，延长路面使用寿命。供车辆安全、平稳行驶主要起承重作用+拌合、摊铺水泥 或石灰砂石材料或工业废渣 半刚性基层压实、养生 半刚性基层在我国应用极广，占到基层用量的85%（各级公路基层）至95%（高速公路基层）以上。 图1 各级公路基层类型 图2 高速公路基层类型沥青路面早期损坏成因的“内忧外患”超载问题?施工质量问题?路面结构设计方法问题? 路面结构类型（半刚性基层

2、沥青路面） 设计理论体系（指标与方法）半刚性基层的“问题”强度高且容易开裂半刚性基层容易发生水损坏半刚性基层的耐久性需要考证 半刚性基层何去何从?半刚性基层强度高抗裂性好抗冲刷性能强 国外对半刚性基层的开裂与冲刷损坏主要是通过增加面层厚度和控制面层的渗水来避免和减少，效果有限，成本较高。 国内曾采取过在基层中通过设置应力吸收层、铺设土工布、预锯缝以及封层等方式减少基层自身收缩开裂和冲刷现象以及对面层的影响，效果不明显，且易引起新的破坏现象。研究内容理论依据试验手段设计方法工程应用理论依据强度问题半刚性基层的可设计强度值域很宽:0.512MPa半刚性基层材料的强度不仅靠结合料的剂量,更应要靠良好

3、的集料级配.在一定条件下可以做到高强又不开裂.高强度半刚性材料应该是结构设计的要求的结果,而且应该是有界限的.土 类级配良好的砾石-砂-粘土，砂或砾石粉质砂，砂质粘土粉质-砂质粘土，级配差的砂粉土，粉质粘土，级配很差的砂重粘土7d无侧限抗压强度（MPa）2.810.51.73.50.71.70.351.050.7弯拉模量（103MPa）72173.573.51.4水泥剂量（干土重%）5791013水泥稳定土的无侧限抗压强度和弯拉模量 收缩开裂问题温度或干燥收缩是材料的“天性”。及时的保湿养生可以避免干燥收缩裂缝。控制细料含量可以显著减小温度收缩开裂可能。干缩系数成分收缩系数（10-6）水泥石1

4、020集料花岗岩79玄武岩68石灰石6白云石710砂 岩1112水泥石和集料的收缩系数 冲刷问题半刚性基层表面的非紧密联结的细料在动水压力泵吸作用下的脱离是形成冲刷的主要原因。不产生或减小冲刷途径： 减少细料含量 增加结合强度 消减动水压力冲刷试验疲劳问题半刚性基层材料是一应力敏感性材料： 疲劳曲线较为平缓 超载对半刚性基层的寿命影响要更大于沥青面层 同样应力比条件下，半刚性基层比普通沥青面层具有更长的疲劳寿命。 半刚性基层的长寿命 路面基层一般要求应具有足够的强度和稳定性；在冰冻地区应具有一定的抗冻性；应具有较小的收缩（温缩及干缩）变形；较强的抗冲刷能力。材料组成设计目标材料组成设计新方法多

5、指标： 适宜强度 较小收缩 较小冲刷 材料组成设计新理念考虑结构： 结构决定性能 试验手段振动压路机结构振动压路机结构示意图1手动葫芦 2机架 3导向柱 4上车系统 5偏心块 6减振块 7下车系统 8压头 9钢模套环 10钢模 11钢模底盘 12传动轴 13电动机 14变频器 室内振动压实成型设备示意图室内振动压实机结构振动法、静压法集料破碎情况对比静压法振动法振动法确定压实标准试验方法一、目的和适用范围本试验方法适用于在室内对水泥、石灰、石灰粉煤灰稳定粒料土基层材料进行振动压实试验，以确定这些材料的含水量干密度关系曲线，确定其最佳含水量和最大干密度。试验集料的最大粒径应控制在31.5mm以内

6、，最大不得超过37.5mm。二、仪器设备三、试料准备四、试验步骤 五、计算及制图振动法成型试件试验方法一、目的和适用范围 本试验方法适用于采用振动压实方法成型无机结合料稳定粒料的各种试件，其中包括用于测试无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量的圆柱体试件和用于温缩系数、干缩系数、抗折强度以及抗折回弹模量测试的梁式试件。二、仪器设备三、试料准备四、试件制作步骤五、注意事项及相关说明 1温度补偿片 2温度补偿应变片 3屏蔽线 4接线柱 5应变仪 6测试应变片 7试件 收缩系数测试接线示意 半刚性基层材料收缩方法 1计算机 2接口线 3接线柱 4应变仪 5屏蔽线 6环境箱 7试件 8应变片 收缩

7、系数测试系统温缩系数测定试验温缩系数测定方法一、目的和适用范围 水泥、石灰等无机结合料稳定细粒土或粒料所形成的半刚性基层材料的温度收缩性能通常用温度收缩系数表征。材料的温度收缩系数是指下降单位温度条件下，材料产生的收缩应变量。本试验方法适用于在室内测定半刚性基层材料的温度收缩系数。二、仪器设备三、试料准备四、成型标准确定五、试件制备六、试件养生七、试验步骤八、计算各具体温度区间的温度收缩系数 一、目的和适用范围 水泥、石灰等无机结合料稳定细粒土或粒料所形成的半刚性基层材料的干燥收缩性能通常用干燥收缩系数表征。材料的干燥收缩系数是指减少单位含水量条件下，材料产生的干燥应变量。本试验方法适用于在室

8、内测定半刚性基层材料的干燥收缩系数。 二、仪器设备三、试料准备四、成型标准确定五、试件制备六、试件养生七、试验步骤八、计算某一具体含水量区间的干燥收缩系数：干缩系数测定方法基层冲刷试验现有设备状况1钢桶 2试件 3水 4配重 5振动台顶面 6振动台 法国振动台试验装置 澳大利亚振动台试验装置 1旋转刷 2试件法国旋转刷试验装置 1钢桶 2水 3混凝土垫块 4试件 5振动台顶面 6振动台利用MTS进行冲刷试验压头向下运动压头向上运动室内冲刷试验机 1机架 2皮带 3固定偏心块 4活动偏心块 5 配重箱 6冲刷头 7冲刷桶 8导向柱 9电机 10框架 11分动齿轮 12配重块 13水 14试件 1

9、5钢夹道路冲刷试验机示意图激振力调节原理示意图1活动偏心块 2销孔 3固定偏心块抗冲刷性能试验方法一、 目的和使用范围本试验方法适用于水泥稳定类、石灰稳定类、二灰稳定类等基层材料进行抗冲刷试验。本试验方法包括：按照室内击实试验所确定的最大干密度和最佳含水量，采用静力压实或振动成型法制备试件，试件为圆柱体，高度与直径之比为11。二、仪器设备三、试件形状、尺寸四、试料准备五、压实标准的确定六、试件制备七、试件养生八、试验步骤九、试验结果处理材料种类养生龄期水泥稳定类28天二灰稳定类90天设计方法 设计方法结构类型选择控制指标、标准选择法试验法路面基层类型材料组成水泥稳定类、石灰粉煤灰稳定类、 水泥

10、混凝土类、沥青稳定类、 无结合料粒料类；力学行为半刚性、柔性、刚性；结构组成骨架密实结构、骨架孔隙结构、 悬浮密实结构、均匀密实结构。V1 V2 V1 V2 V1 V2 提出了结构类型划分的物理概念和检验标准。 提出半刚性基层材料四种结构类型： 均匀密实结构 悬浮密实结构 骨架密实结构 骨架孔隙结构均匀密实结构 悬浮密实结构 骨架密实结构 骨架孔隙结构 不同结构类型半刚性基层材料粗集料压密后的孔隙体积细集料和结合料压密后的总体积各结构类型基层的特点悬浮密实型混合料中的粗集料用量一般在50左右，细集料含量较多，抗弯拉性能较好，适用于各等级公路的基层和底基层。骨架密实型混合料中的粗集料用量一般在7

11、5以上，细集料含量较少，压实混合料的嵌挤强度较高，抗裂性、抗冲刷性较好，宜用于高速公路和一级公路的基层。骨架孔隙结构型混合料与骨架密实型混合料相比具有较高的孔隙率，适用于有较高路面内部排水要求的基层。均匀密实型混合料建筑费用较低，可用作二级及二级以下公路路面的基层或底基层，不能用作高速公路和一级公路的基层。水泥稳定碎石基层材料体积参数测定结果试验项目单位以9.5mm划分以4.75划分以2.36划分粗集料空隙体积cm3409.05724.31760.36细集料部分(含水泥、水)体积cm31981.851345.68990.00混合料结构类型悬浮悬浮悬浮粗集料骨架试验级配粗集料试验级配表 筛孔孔径

12、 （ mm）31.526.5 19.016.013.29.54.75连续级配a10088675847300b10087645243260c10085594837220多级嵌挤d10085352015100e1009578271370f1008872645550单级级配g1000h1000i1000 x 混合料中水泥的用量（g）y 混合料中细料的用量（g） W粗料装满标准容器后粗料的质量（g） 水泥、细集料 水泥、细集料的最大干密度（g/ cm3） A 混合料中预定水泥计量（%） B 通过试验确定出的粗集料空隙体积（cm3）骨架密实水泥稳定碎石组成计算结构类型的选择选择结构类型骨架孔隙结构骨架密

13、实结构悬浮密实结构车辆组成道路等级、面层类型气候条件路用性能检验确定混合料配比是否满足要求推荐使用否是交通量混合料设计方法 半刚性基层材料混合料组成设计方法分两种，即选择法和试验法。 选择法 选择法适用于常见的水泥稳定碎石、二灰稳定碎石材料。对于这些材料，当其集料级配得到改善，或混合料结构类型由悬浮密实型向骨架密实型改变后，其路用性能也会随之改善，当其强度满足规范要求后其他性能也能满足相应要求。 试验法 实践中会因材料和施工设备等条件的变化提出超出常规的新的材料级配组成；并且，随着半刚性基层材料的发展，在各地的实践中采用了许多外加成分和新材料，如在混合料中加入各种填加剂、纤维、早强剂以及当地的

14、工业废渣等。这些材料使用经验很少，仅从7天的抗压强度指标难以评判这些新材料的其他路用性能，对于它们需要进行充分的室内试验论证其可用性。 选择法水泥稳定碎石悬浮密实结构水泥稳定碎石级配范围筛孔尺寸(mm)31.526.519.016.09.54.752.361.180.60.30.150.075上限100100998877493527181372下限100948873572917126420骨架密实结构水泥稳定碎石级配范围筛孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150333下限100825645

15、34190细集料上限10010010090592552下限10090755030800骨架孔隙结构水泥稳定碎石级配范围 筛孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150335下限10082564534190细集料上限100100100100844052下限100908575601500 骨架密实型水泥稳定类集料级配 （JTG D50-2006）层位通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%）31.519.09.504.752.360.60.075基层100688638582232162881503悬

16、浮密实型水泥稳定类集料级配 （JTG D50-2006）层位通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%）37.531.519.09.504.752.360.60.075基层1009010060802949153262005底基层10093100759050702950153562005试 验 法一、原材料二、试验方法 1. 试件成型方法 2. 抗压强度 3. 收缩系数测定 4. 抗冲刷性能试验 三、多指标控制设计指标及标准表81 水泥稳定碎石基层 公路等级指标高速、一级公路二级、二级以下公路抗压强度（MPa）32收缩系数平均干缩系数（1/%）7010-68510-68010-69510-6平均温缩系数（1/）（+5515）6.510-67.510-67.510-69.010-630min冲刷量 （g）4252表82 石灰、粉煤灰稳定碎石基层 公路等级指标高速、一级公路二级