半刚性道路基层材料组成设计与优化

半刚性道路路基层材料料组成设计计与优化长安大学沙沙爱民内容水泥稳定类类基层技术术要点二灰稳定类类基层技术术要点水泥稳定碎碎石基层抗抗裂性问题题二灰稳定类类基层早强强问题稳定类基层层抗冲刷问问题稳定集料基基层配合比比体积设计计法路面基层一一般要求应具有足够够的强度和和稳定性；；在冰冻地区区应具有一一定的抗冻冻性；应具有较小小的收缩(温缩及干干缩)变形形；较强的抗冲冲刷能力。。路面基层类类型材料组成—水泥稳定类类、石灰粉粉煤灰稳定定类、水泥混凝土土类、沥青青稳定类、、无结合料粒粒料类；力学行为—半刚性、柔柔性、刚性性；结构组成—骨架密实结结构、骨架架孔隙结构构、悬浮密实结结构、均匀匀密实结构构。各结构类型型基层的特特点悬浮密实型型混合料中中的粗集料料用量一般般在50％％左右，细细集料含量量较多，抗抗弯拉性能能较好，适适用于各等等级公路的的基层和底底基层。骨架密实型型混合料中中的粗集料料用量一般般在75％％以上，细细集料含量量较少，压压实混合料料的嵌挤强强度较高，，抗裂性、、抗冲刷性性较好，宜宜用于高速速公路和一一级公路的的基层。骨架孔隙结结构型混合合料与骨架架密实型混混合料相比比具有较高高的孔隙率率，适用于于有较高路路面内部排排水要求的的基层。均匀密实型型混合料建建筑费用较较低，可用用作二级及及二级以下下公路路面面的基层或或底基层，，不能用作作高速公路路和一级公公路的基层层。水泥稳定类类基层技术术要点水泥稳定类类基层技术术要点概念与分类类水泥土水泥砂水泥砂砾水泥碎石水泥稳定类类基层技术术要点原材料及其其技术要求求水泥－种类类、终凝时时间、标号号集料－最大大粒径、级级配土－塑性指指数水泥种类普通硅酸盐盐水泥、矿矿渣硅酸盐盐水泥以及及火山灰质质硅酸盐水水泥均可用用于水泥稳稳定土。快快硬水泥、、早强水泥泥以及已受受潮变质的的水泥不宜宜使用。终凝时间宜选用终凝凝时间在6小时以上上的水泥，，以适应工工艺要求。。标号宜选用低标标号或一般般标号(如325、425)水泥。集料最大粒粒径要求集料颗粒径径愈大，拌拌和机、平平地机和摊摊铺机等施施工机械愈愈易磨损，，粗细集料料愈易产生生离析，铺铺筑层的平平整度也愈愈难达到要要求。施工工中应尽可可能采用最最大粒径较较小的集料料，以适应应机械施工工。最大粒径要要求愈小，，石料的加加工量愈大大。我国目前对对公路路面面所用集料料的最大粒粒径规定得得较宽。集料级配要要求级配状况愈愈好，愈有有利于取得得好的稳定定效果，且且节约水泥泥。土的的均均匀匀系系数数应应大大于于5。。土的的塑塑性性要要求求适宜宜用用水水泥泥稳稳定定的的土土的的范范围围应应当当是是相相当当宽宽，，砾砾石石、、砂砂、、粉粉砂砂、、细细砂砂土土、、粉粉质质细细砂砂土土、、粉粉土土、、贫贫粘粘土土、、直直到到重重粘粘土土，，都都可可以以用用水水泥泥稳稳定定。。但是是，，要要达达到到规规定定的的强强度度，，水水泥泥剂剂量量随随粉粉粒粒和和粘粘粒粒含含量量的的增增加加而而增增大大。。土土质质过过粘粘情情况况下下，，因因相相应应稳稳定定要要求求所所用用水水泥泥的的剂剂量量过过高高而而不不经经济济。。因因此此，，对对于于二二级级及及其其以以下下等等级级的的公公路路用用水水泥泥稳稳定定的的土土，，液液限限宜宜不不大大于于40，，塑塑性性指指数数宜宜不不大大于于17；；对对于于高高级级、、一一级级公公路路，，液液限限宜宜不不大大于于25，，塑塑性性指指数数宜宜不不大大于于6。。水泥泥稳稳定定粒粒径径较较均均匀匀的的砂砂时时，，难难于于碾碾压压密密实实。。宜宜在在砂砂中中添添加加少少量量塑塑性性指指数数小小于于12的的粘粘性性土土(亚亚砂砂土土)、、或或石石灰灰土土(土土的的塑塑性性指指数数较较大大量量)、、或或添添加加20%～～40%的的粉粉煤煤灰灰以以改改善善土土的的颗颗粒粒分分布布。。塑性指数数大于17的土土，宜采采用石灰灰稳定，，或用水水泥和石石灰综合合稳定。。水泥稳定定类基层层技术要要点混合料组组成设计计方法（一）强强度标准准确定半刚性、、刚性（二）原原材料检检验（三）室室内试验验步骤水泥稳定类基基层技术要点点结构形成过程程水泥自身的凝凝结硬化作用用水泥水化产物物与土之间的的作用水泥稳定类基基层技术要点点路用性能及技技术参数（一）强度（二）变形特特性（三）体积变变化（四）压实特特性影响水泥土强强度的因素有有土质、水泥泥成分和剂量量、成型含水水量、工艺过过程、养生条条件等1.土质的影影响土的矿物成分分对水泥稳定定土的性质具具有重要的影影响。除有机机质或硫酸盐盐含量高的土土以外，各种种砂砾土、砂砂土、粉土和和粘土均可用用水泥稳定，，但是稳定效效果不同。要达达到到规规定定的的强强度度，，稳稳定定土土所所需需水水泥泥剂剂量量随随粉粉粒粒和和粘粘粒粒含含量量的的增增加加而而增增高高。。稳定重粘土水水泥用量过高高而不经济，，并且难于粉粉碎和拌和。。级配良好的的土用水泥稳稳定时，水泥泥用量低，并并可取得满意意和稳定效果果。一般限定适用用范围为土的的液限不大于于40，塑性性指数不大于于20。2.水泥的影影响对于同一种土土，水泥矿物物成分是决定定水泥土强度度的主导因素素。在通常的的情况下，硅硅酸盐水泥的的稳定效果较较好，而铝酸酸盐水泥则较较差。当水泥的矿物物成分相同时时，水泥土的的强度随着水水泥比表面和和活性的增大大而提高。水泥土的强度度一般地随着着水泥剂量的的增加，水泥泥土的强度增增加，不存在在最佳水泥剂剂量。存在一一个经济用量量。3.含水量的的影响当水泥稳定土土混合料中含含水不足时，，水泥就要与与土争水。水水泥正常水化化所需要的水水量约为水泥泥重量的20%。水泥土的含水水量不适宜时时，也不能保保证大土团被被粉碎和水泥泥在土中的均均匀分布，更更不能保证达达到最大压实实度的要求。。水泥土的含水水量-密实度度关系与素土土一样，对于于一定的压实实功能，存在在一个能达到到最大密实度度的最佳含水水量。但相应应于最大密实实度的最佳含含水量不一定定就是相应于于强度最高的的含水量。一般对于砂性性土，最高强强度的含水量量较最佳密实实度的含水量量为小；而对对于粘性土，，则相反。4.成成型工工艺影影响水泥、、土和和水拌拌和得得愈均均匀，，水泥泥土的的强度度和稳稳定性性愈高高。拌拌和不不均匀匀会使使在水水泥剂剂量少少的地地方强强度不不能满满足设设计要要求，，而在在水泥泥剂量量多的的地方方则裂裂缝增增加。。从开始始加水水拌和和到完完成压压实的的延迟迟时间间，对对水泥泥土的的密实实度和和强度度有很很大的的影响响。湿湿拌时时间或或湿拌拌结束束后延延迟压压实前前的闷闷料时时间过过长，，水泥泥就会会产生生部分分结硬硬作用用。这这一方方面影影响到到水泥泥土的的压实实度，，从而而影响响到强强度。。规定定水泥泥土必必须在在加水水拌和和后2小时时内压压实完完毕。。5.养养生条条件影影响水泥稳定土需需要湿治养生生，使在混合合料中能维持持足够的水分分，以满足水水泥水化的需需要。养生温温度愈高，水水泥土的强度度增长得愈快快。水泥土的强度度随龄期而增增长。在初期期1～2个月月期间内，水水泥土的抗压压强度与龄期期的对数间大大致呈直线关关系。直线的的斜率取决于于水泥剂量、、养生温度、、密实度及压压实时的含水水量。水泥稳定土混混合料延迟成成型时间对干密度影响响水泥稳定土不不同延迟时间间成型的最佳佳含水量、最最大干密度试试验结果表明明：（1）在不同同水泥剂量下下均随着延迟迟时间的增加加，水泥稳定定土的最佳含含水量在增大大，最大干密密度在降低。。并且，随着着延迟时间的的增加，最大大干密度的降降低幅度在增增大。（2）同一种种土，相同延延迟时间条件件下，随着水水泥剂量的增增加，最大干干密度降低幅幅度减小。混合料延迟成成型时间对抗抗压强度的影影响1）两种土质质在不同水泥泥剂量下均随随延迟成型时时间的加长，，7天龄期的的抗压强度降降低，并且，，强度损失幅幅度随延迟成成型时间的加加长而增大。。2）同一种土土，相同延迟迟时间条件下下，随水泥剂剂量的增大，，抗压强度仍仍增大。但随随着水泥剂量量的增大，强强度损失幅度度减小。3）相同水泥泥剂量和延迟迟时间条件下下，土－2的的强度损失比比土－1小得得多。二灰稳定类基基层技术要点点二灰稳定类基基层技术要点点概念与与分类类二灰土土二灰集集料二灰砂砂砾二灰碎碎石二灰矿矿渣二灰稳稳定类类基层层技术术要点点原材料料及其其技术术要求求石灰－－种类类、等等级、、保存存粉煤灰灰－种种类硅铝型型、高高钙型型；干干灰、、湿灰灰－技术术要求求活性成成分含含量～～硅、、铝、、铁的的氧化化物含炭量量～烧烧失量量细度～～比表表面积积集料－－最大大粒径径、级级配土－塑塑性指指数二灰稳稳定类类基层层技术术要点点混合料料组成成设计计方法法（一））强度度标准准确定定（二））原材材料检检验（三））确定定混合合料比比例原原则1。石石灰与与粉煤煤灰2。二二灰与与土（四））室内内试验验步骤骤二灰稳稳定类类基层层技术术要点点结构形形成过过程石灰的的水化化解离离作用用离子交交换作作用与与絮凝凝团聚聚作用用石灰与与粉煤煤灰和和土之之间的的火山山灰作作用石灰自自身的的结晶晶与碳碳化作作用二灰稳稳定类类基层层技术术要点点路用性性能及及技术术参数数（一））强度度（二））疲劳劳性质质（三））体积积变化化（四））耐久久性水泥稳稳定碎碎石抗抗裂性性问题题水泥泥稳稳定定碎碎石石材材料料的的收收缩缩性性能能取取决决于于材材料料的的组组成成配配比比，，合合适适的的材材料料配配合合比比可可以以显显著著地地减减少少结结构构层层的的收收缩缩和和增增加加结结构构层层的的抗抗裂裂性性。。水水泥泥稳稳定定碎碎石石的的级级配配和和水水泥泥剂剂量量的的变变化化将将影影响响其其温温缩缩、、干干缩缩性性。。1、、收收缩缩试试验验研研究究方方案案在进行收收缩试验验研究时时，水泥泥稳定碎碎石配合合比方案案采用五五种级配配、三种种水泥剂剂量。这这五种级级配是在在原规范范规定级级配范围围内的细细化，即即原级配配范围的的上限、、中限、、下限和和上顶下下底以及及下顶上上底；三三种水泥泥剂量取取常用剂剂量即4％、6％和8％。2、水泥泥稳定碎碎石温度度收缩特特性分析温度度收缩系系数测试试结果，，可得出出以下规规律：1）各龄龄期材料料的温度度收缩系系数随温温度区间间的变化化规律无论是短短龄期还还是长龄龄期，总总体来看看，高温温区0℃℃～60℃的温温度收缩缩系数大大于低温温区-30℃～～0℃的的温度收收缩系数数。并且且，随着着温度的的下降，，温缩系系数有减减小的趋趋势2）温度度收缩系系数随集集料级配配的变化化规律龄期相同同和水泥泥剂量相相同条件件下，根根据水泥泥稳定碎碎石基层层在低温温段、高高温段和和总体上上的平均均温度收收缩系数数变化情情况，可可以得出出平均温温度收缩缩系数大大小排序序如下：：上限-6＞从下下顶到上上底-6＞中限限-6＞＞从上顶顶到下底底-6＞＞下限-6（3）不不同龄期期而相同同配合比比的水泥泥稳定碎碎石材料料的温缩缩规律从28天天龄期到到90天天，温温缩系数数增加明明显，从从90天龄期期到180天，，温缩系系数增加加幅度较较小。（4）相相同配比比、不同同水泥剂剂量的水水泥稳定定碎石材材料的温温缩规律律由水泥剂剂量与温温缩系数数的关系系曲线可可知，6％水水泥剂量量的温缩缩系数最最小。在在相同同龄期条条件下，，随着水水泥含量量的增加加，水泥泥稳定碎碎石中的的胶结物物含量增增加有正正反两方方面效应应：胶结结物含量量增加产产生的材材料颗粒粒间的约约束和牵牵制作用用利于降降低材料料的温缩缩系数；；胶结物物含量增增加带来来的次生生矿物含含量的增增加倾向向于增加加材料的的温缩系系数。所所以，在在某一水水泥剂量量如6％％时温缩缩系数最最小。3、水泥泥稳定碎碎石干燥燥收缩特特性分析温度度收缩系系数测试试结果，，可得出出以下规规律：1）水泥泥稳定碎碎石干燥燥收缩系系数随含含水量的的变化规规律水泥稳定定碎石材材料的干干燥收缩缩系数随随含水量量的变化化是一近近似凸型型抛物线线，有一一最大干干燥收缩缩系数。。水泥稳稳定碎石石材料，，大约在在含水量量为1～～4％时时，干燥燥收缩系系数最大大。这一一变化趋趋势也可可以从填填料的毛毛细管张张力作用用，吸附附水和分分子间力力作用以以及层间间水的收收缩力作作用的干干燥收缩缩效应得得到解释释。2）最大大干燥收收缩系数数对应含含水量与与配合比比的变化化关系最大干缩缩系数所所对应的的含水量量随集料料变粗逐逐渐减小小。即：：上限-6＞从下下顶到上上底-6＞中限限-6＞＞从上顶顶到下底底-6＞＞下限-6。3）最大大累计干干缩应变变和平均均干缩系系数随配配合比的的变化规规律累计干缩缩应变、、平均干干缩系数数按照:上限-6→从下下顶到上上底-6→中限限-6→→从上顶顶到下底底-6→→下限-6的顺序在在逐渐减减小。由上限-6>中中限-6>下下限-6的规规律可见见，干缩缩性与集集料的级级配类型型也有一一定的相相关性。。至于从下下顶到上上底-6＞中限限-6＞＞从上顶顶到下底底-6，，说明由由小于0.075mm以下的填填料含量量所决定定的干缩缩力对干干缩系数数的影响响大于级级配类型型对干缩缩系数的的影响。。4）水泥泥稳定碎碎石材料料干缩系系数随龄龄期增长长的变化化规律随龄期的的增加，，同一配配合比的的水泥稳稳定碎石石材料的的干燥收收缩值在在变小。。5）水泥泥稳定碎碎石材料料干缩系系数随水水泥剂量量的变化化规律相同龄期期，相同同配合比比的水泥泥稳定碎碎石材料料随着水水泥剂量量的增加加，干缩缩系数增增大。二灰稳定定类材料料早强问问题二灰稳稳定类类基层层早强强技术术分析析掺加水水泥掺加粗粗骨料料预拌闷闷料掺加早早强剂剂早强剂剂原理理碱对粉粉煤灰灰的加加速溶溶解作作用；；碱性介介质对对强度度形成成过程程的保保证作作用；；早强剂剂自身身的硬硬凝作作用。。路面基基层冲冲刷问问题路面基基层冲冲刷过过程接缝、、裂缝缝处雨雨水下下渗基基层层顶面面湿软软行车荷荷载作作用下下唧泥泥面面层底底面脱脱空弯弯拉应应力过过大而而破坏坏唧泥原原因：：动水水压力力水泥混混凝土土路面面、沥沥青混混凝土土路面面、水水泥混混凝土土桥面面冲刷刷破坏坏在MTS上实现现的冲冲刷试试验装装置试验条条件对对抗冲冲刷性性能的的影响响规律律（a）水泥土土（b）水泥砂砂砾作用力力相同同、作作用频频率不不同条条件下下的冲冲刷量量随时时间的的变化化试验条条件对对抗冲冲刷性性能的的影响响规律律（a）水泥土土（b）水泥砂砂砾相同作作用力力和作作用次次数条条件下下冲刷刷量随随频率率的变变化试验条条件对对抗冲冲刷性性能的的影响响规律律（a）水泥土土（b）水泥砂砂砾作用频频率相相同、、作用用力不不同条条件下下的冲冲刷量量随时时间的的变化化试验条条件对对抗冲冲刷性性能的的影响响规律律（a）水泥土土（b）水泥砂砂砾相同作作用频频率和和作用用次数数条件件下冲冲刷量量随作作用力力大小小的变变化综合路路面基基层实实际冲冲刷状状态和和室内内试验验的可可实现现性和和敏感感性，，推荐荐标准准冲刷刷试验验条件件是：：作用用力为为0.5MPa，作用频频率为为10Hz；；作用总总时段段为30min。稳定细细粒土土基层层材料料试验验结果果与分分析（a）石灰土土（b）水泥土土（c）二灰土土稳定细细粒土土的冲冲刷试试验条条件：：0.5MPa10Hz稳定粗粗粒土土基层层材料料试验验结果果与分分析（a）水泥砂砂砾（b）二灰砂砂砾（c）水泥碎碎石（d）二灰碎碎石稳定粗粗粒土土的冲冲刷试试验条条件0.5MPa；10Hz结论1．无无机结结合料料（石石灰、、水泥泥、二二灰））稳定定细粒粒土的的冲刷刷量随随冲刷刷时间间的延延长而而线性性增长长；稳稳定粗粗料土土的冲冲刷量量随冲冲刷时时间的的延长长呈曲曲线增增长，，早期期增长长速率率大，，后期期增长长速率率减缓缓。2．无机结结合料稳定定细粒土在在相同时段段内的冲刷刷量均随着着结合料剂剂量的增大大而减小。。常用结合合料剂量下下，二灰土土、水泥土土较好，石石灰土较差差。相同水水泥剂量与与集料级配配条件下，，水泥或二二灰碎石的的抗冲刷性性能优于石石灰或二灰灰砂砾。其其中，水泥泥稳定条件件下该规律律更明显。。3．随着压压实度降低低，半刚性性基层材料料的抗冲刷刷能力显著著下降。4．透水性性基层材料料一方面具具有良好的的抗冲刷能能力，另一一方面因大大孔隙的影影响，材料料结构强度度和整体性性降低。5．无机结结合料稳定定粗粒土的的抗冲刷性性能与其抗抗压强度大大小的关系系不及稳定定细粒土密密切。稳定集料基基层配合比比体体积设设计方法稳定集料基基层配合比比体体积设设计法步骤骤（一）、集集料级配的的确定骨架密实型型混合料的的集料级配配应按逐级级填充方法法，通过试试验确定。。（二）、集集料空隙率率的确定1、确定集集料的配合合比根据设计级级配范围及及各规格集集料的级配配情况确定定集料的配配合比。如如：1号料料：2号料料：3号料料=w1：w2：w3(内掺配合比比)2、测定各各档集料的的视密度和和吸水率按集料试验验规程分别别测定各档档集料的视视密度,如如1号料、、2号料、、3号料的的视密度分分别记为ρ1、ρ2、ρ3，合成集料的的视密度ρ集料=1/(w1/ρ1+w2/ρ2+w3/ρ3)；按集料试验验规程分别别测定各档档集料的吸吸水率。如如1号料、、2号料、、3号料的的吸水率分分别为X1、X2、X3，则合成集料料的吸水率率w集料料=（（X1*w1+X2*w2+X3*w3）/100。。3、、测测定定集集料料的的堆堆积积密密度度以以及及压压实实密密度度测定定按按配配合合比比合合成成的的集集料料润润湿湿时时堆堆积积密密度度PD、振实实密密度度PZ4、、计算算集集料料的的空空隙隙率率集料料堆堆积积空空隙隙率率：：VvD=(1-ρρD/ρρ集料料)*100%集料料振振实实空空隙隙率率：：VvZ=(1-ρρZ/ρρ集料料)*100%（二二））、、结结合合料料组组成成与与密密度度的的确确定定对于于石石灰灰粉粉煤煤灰灰稳稳定定集集料料，，根根据据经经验验或或通通过过不不同同比比例例的的二二灰灰强强度度试试验验确确定定石石灰灰、、粉粉煤煤灰灰之之间间的的比比例例。。通过击实实试验测测定上述述比例条条件下的的二灰的的最大干干密度Dmax二灰和最佳含含水量w二灰（三）、、混合料料重量配配合比的的确定1、石灰灰、粉煤煤灰的用用量计算算混合料中中二灰用用量的体体积百分分率（Vv二灰）应在集集料的堆堆积空隙隙率（VvD）与振实空空隙率（（VvZ）之间，设设计时可可按振实实空隙率率（VvZ）计算，即即取Vv二灰=VvZ。试拌试铺铺时若发发生离析析或摊铺铺困难时时可增大大二灰用用量，但但最大体体积百分分率不应应大于集集料的堆堆积空隙隙率（VvD）。1m3混合料中中二灰的的重量W二灰=1×Vv二灰×Dmax二灰根据二灰灰之间的的比例可可计算出出Dmax二灰中石灰W石灰和粉煤灰灰重量W粉煤灰。2、集料料用量计计算按振实密密度（VvZ）计算单位位体积混混合料集集料的重重量。1m3混合料中中集料的的重量W集料=1×ρZ其中，1号料W1=W集料×w1/1002号料W2=W集料×w2/1003号料W3=W集料×w3/1003、混合合料的重重量配合合比按1m3混合料集