第15章-无机结合料稳定材料及路面(整理)

第十五章无机结合料稳定路面第一节概述第二节无机结合料稳定材料的特性第三节石灰稳定类基层/底基层第四节水泥稳定类基层/底基层第五节工业废渣稳定类基层/底基层主要内容第一节概述1、无机结合料稳定材料及其特点定义：在粉碎的或原状松散的土中掺入一定量的水泥、或石灰、或工业废渣等无机结合料及水，拌和得到混合料经压实和养生后，得到的抗压强度符合规定的材料。由于无机结合料稳定材料的刚度处于柔性材料(如沥青混合料)和刚性材料(如水泥混凝土)之间，所以也称为半刚性材料，由其铺筑的结构层称为半刚性层。板体性好，具有一定的抗拉强度；稳定性好，抗冻性强；强度和刚度随着龄期而增长；经济性好；干缩温缩大，耐磨性差，抗疲劳性也稍差。无机结合料稳定材料的特点2、无机结合料稳定材料的种类1）原材料①土（广义）：细粒土、粗粒土、巨粒土②无机结合料：水泥、石灰、工业废渣等2）无机结合料稳定种类：细粒土：二灰土、水泥土、石灰土、水泥石灰土、三灰土粗粒土：二灰碎石土、二灰稳定碎石（二灰碎石）、水泥碎石土、水泥稳定碎石、二灰砂、水泥砂无土：二灰、二渣、水泥矿渣等1、无机结合料稳定材料的应力—应变特性1）强度和模量随龄期增长而变化，不同种类材料的强度变化规律也不同；2）有较好的板体性，具有一定的抗拉性能；3）用抗压强度与抗压回弹模量、劈裂强度与劈裂回弹模量、抗弯拉强度与抗弯拉弹性模量、干缩与温缩等来衡量材料的性能；4）应力—应变特性与原材料和结合料的性质与用量、混合料的含水量及密实度以及龄期、温度等有关。第二节无机结合料稳定材料的特性无机结合料稳定材料的强度与时间和温度有关。所以要按不同龄期（7d、28d、90d、180天等）和不同的温度(淮河以北地区20℃、淮河以南地区25℃)来测定试件的强度，抗压和劈裂测定用圆柱体试件。2、无机结合料稳定材料的设计龄期设计龄期：不同无机结合料稳定材料的强度和模量随龄期增长的速度不同，因此，在路面结构设计时的参数设计龄期，水泥稳定类材料的龄期：90天；石灰或者二灰稳定类的龄期：180天；水泥粉煤灰稳定类：120天。设计指标：由于半刚性基层材料的抗拉强度远小于其抗压强度，因此抗拉强度（劈裂强度）是路面结构设计的主要指标，抗压强度是材料组成设计的次要指标。材料组成设计7天的抗压强度。3、无机结合料稳定材料的疲劳特性所谓疲劳是指在荷载反复作用下，材料的极限强度会随着作用次数的增加而降低的现象；一般有劈裂疲劳和小梁疲劳试验。我国无机结合料稳定材料的疲劳一般采用劈裂疲劳。单对数双对数半刚性材料可以进行小梁弯拉疲劳试验，但是一般认为其变异性较大。室内小梁弯拉疲劳试验设备照片（三分点加载）同时由于劈裂试验更能反映材料在路面结构中的受力状态，因此实际常采用劈裂疲劳试验。劈裂试验示意图1）通过不同应力比(应变水平)疲劳试验可测绘出疲劳曲线；2）在一定的应力（应变水平）水平条件下，材料的疲劳寿命取决于材料的强度和刚度，强度愈大刚度愈小，疲劳寿命就愈长；跟试验温度的变化关系不大。3）σf/σs<50%时，原则上可至无穷加荷次数，但材料本身变异性大，实际试验中因材料的不均匀性，疲劳寿命要小得多。二灰砂砾（小梁）应力强度比疲劳寿命曲线4、无机结合料稳定材料的干缩和温缩无机结合料稳定材料拌和压实后，由于失水干燥，或降温影响而收缩。由此可引起收缩应力及开裂破坏。一般衡量材料的体积变化相对较难，因此，实际中往往采取一维单向变化测定来反映材料的收缩性能，通过收缩应变及收缩系数来表征材料的收缩性能大小。5）干缩试验试件：100mm×100mm×400mm梁式试件，标准养护条件下养护7天；条件：温度为25℃，湿度50％左右；检测：第1天为6小时一次，第2～5天为12小时一次，之后24小时一次，直到含水量基本不变为止；6）温缩试验试件：100mm×100mm×400mm梁式试件，标准养护条件养护28天；温度范围：+55℃～-25℃，每10℃为一个温度区段时间设定：降温时间10min（即1℃/min），恒温120min。WGD高低温交变环境箱数据采集系统7、无机结合料稳定材料的收缩特性①干燥收缩湿度在材料使用过程中总有变化，但一般更多考虑的是材料在成型之初的湿度降低影响。1）收缩机理(原因)♦毛细管作用♦吸附作用♦分子间力作用♦矿物晶体或凝胶体层间水作用♦碳化收缩作用7、无机结合料稳定材料的收缩特性2）干缩影响因素：无机结合料稳定材料的干缩特性的大小与结合料的类型、剂量、被稳定材料的类别、粒料含量、小于0.6mm细颗粒含量、试件含水量和龄期等有关。3）几种材料的干缩比较对稳定粒料类，三类半刚性材料的干缩特性的大小次序为：石灰稳定类>水泥稳定类>石灰粉煤灰稳定类对于稳定细粒土，三类半刚性材料的收缩性的大小排列为：石灰土>水泥土和水泥石灰土>石灰粉煤灰土4）干缩的发生与预防①选择稳定剂种类与用量；②控制材料成型时的含水量及成型时机；③保湿养生。②温度收缩1）收缩原理：由固相、液相和气相组成。半刚性材料的外观胀缩性是三相的不同温度收缩性的综合效应表现。一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略，原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小，粉粒以下的颗粒温度收缩较大。2）无机结合料稳定材料的温缩影响因素无机结合料稳定材料温度收缩的大小与结合料类型和剂量、被稳定材料的类别、粒料含量、龄期等有关3）不同材料的温缩比较石灰土砂砾（16.7×10-6）>悬浮二灰粒料（15.3×10-6）>密实式二灰粒料（11.4×10-6）和水泥砂砾（5～7％水泥剂量为10～15×10-6）4）温缩的发生时节及控制时节：冬季低温控制：选择材料种类与配比经过一定龄期的养生，半刚性材料的变形以温度收缩为主。半刚性基层修建初期，同时受到干燥收缩和温度收缩的综合作用。8、施工注意事项（1）注意无机结合料稳定材料类型选择稳定细粒土如石灰土、水泥土、石灰水泥土及二灰土不宜用作高等级道路沥青路面的基层，原因在于：①稳定细粒土的干缩和温缩性均较稳定粗粒土的干缩和温缩性大很多，因此稳定细粒土基层可能会产生相对更加严重的收缩裂缝，并反射到沥青面层上形成反射裂缝；②裂缝产生后，雨水的浸入会加剧稳定细粒土基层及沥青路面的病害；（2）注意施工季节；（3）注意材料组成设计；（4）注意施工含水量、压实度、强度等控制在规定的范围；（5）注意养生与保湿；（6）注意减少施工车辆的养生期间的作用。③稳定细粒土基层对施工环境和工序的要求更加严格，会导致施工污染或者施工质量差等不利情况。第三节石灰稳定类基层/底基层1、石灰稳定（底）基层在粉碎的土或原状松散的土（包括各种粗、细粒土）中，掺入适量的石灰和水，按照一定技术要求，经拌和，在最佳含水量下摊铺、压实及养生，以达到（底）基层抗压强度。用石灰稳定细粒土得到的混合料简称石灰土，所做成的基层称石灰土基层（底基层）。石灰稳定不但具有较高的抗压强度，而且也具一定的抗弯强度，且强度随龄期逐渐增加。因此，一般可用于低等级公路的基层或底基层。石灰稳定土因其水稳定性较差，不应做高速公路或一级公路的基层，必要时可以用作底基层。在冰冻地区的潮湿路段以及其他地区的过分潮湿路段，也不宜采用石灰土做基层2、石灰稳定材料的强度形成机理1）离子交换作用土具有胶体性质，表面带负电荷，并吸附钠离子、钾离子和氢离子，石灰中的钙离子会与其发生离子交换作用，形成钙土，减小了土颗粒表面水膜厚度，分子引力增加。2）碳酸化作用生成的碳酸钙是坚硬的晶体，具有较高的强度和水稳性，对土的胶结作用使土得到了加固。石灰土表面钙化后，形成硬壳层，进一步阻碍了二氧化碳的进入，碳化过程十分缓慢，是形成石灰土后期强度的主要原因。3）结晶作用经过结晶作用，消石灰逐渐由胶体转化为晶体，晶体间能够相互结合，与土形成共晶体，从而使得土粒胶结成整体。4）火山灰作用土中充分的硅、钙离子是火山灰作用的前提，同时必须增加土的碱性；火山灰作用生成物具有水硬性性质，是构成石灰土早期强度的主要原因。离子交换作用与火山灰作用，是构成石灰土早期强度的主要因素；后期强度则更多源于碳酸化作用和结晶作用。由于石灰与土发生了一系列的相互作用，从而使土的性质发生根本的改变。在初期，主要表现为土的结团、塑性降低、最佳含水量增加和最大密实度减小等；后期主要表现为结晶结构的形成，从而提高其板体性、强度和稳定性。3、石灰稳定材料的强度影响因素1）土质：各种成因土都可用石灰稳定；塑性指数低于10以下的低塑性土（这与水泥稳定土刚好相反）不适宜稳定；适宜于稳定粘性土，尤其是塑性指数在12～20的粘性土。原因：粘性颗粒的活性强、比表面积及表面能大，掺入石灰稳定材料后，形成的四种作用比较活跃，石灰土强度随土塑性指数的增加而增大；重粘土虽然粘土颗粒含量高，但是不易粉碎和拌和，稳定效果反而不好。2）灰质：石灰应采用消石灰粉或生石灰粉，对高速公路或一级公路宜用磨细的生石灰粉。石灰质量应符合III级以上的技术指标，并要尽量缩短石灰的存放时间。石灰剂量：是石灰质量占全部土颗粒的干质量的百分率。石灰剂量对石灰稳定土的强度影响非常显著。在石灰剂量较低时（小于3～4％），起稳定作用，土的塑性、膨胀、吸水量减小，使土的密实度、强度、和易性等得到改善；随着剂量的增加，强度和稳定性均提高；但剂量超过一定范围后，强度反而降低。常用最佳剂量范围：粘性土及粉性土为8～14％；砂性土则为9～16％；最终根据结构层技术要求进行混合料组成设计。3）石灰剂量4）含水量：最佳含水量及略小于最佳含水量时最易压实达到较高的压实度；石灰稳定类材料的最佳含水量需要通过标准击实试验进行确定；经验公式为：石灰土的最佳含水量＝素土的最佳含水量＋拌和过程中的蒸发量（约在1.5%左右）＋石灰反应所需的水（0.2×石灰剂量）。5）密实度：石灰稳定土的强度随密实度的增加而增长；实践证明，石灰稳定土的密实度每增减1%，强度约增减4%左右；密实的石灰稳定土，其抗冻性、水稳定性好，缩裂现象也少。Rt=R1tβR1—一个月龄期的抗压强度；Rt—t个月龄期的抗压强度；β—系数，约0.1～0.5。石灰稳定土的强度随龄期增长，一般初期强度较低，前期(1～2个月)的增长速率较后期快。其强度与龄期的关系可表示为：6）龄期：温度高，物理化学反应快，强度增长快，反之则慢；负温条件下甚至不增长；施工期的最低温度应在5℃以上，并在第一次重冰冻(-3～－5℃)到来之前1个月～1个半月完成；在一定潮湿条件下养生强度的形成比在一般空气中养生要好。7）养生条件（温度与湿度）：4、石灰稳定类材料的缩裂防治1）严格控制压实含水量：石灰稳定土含水量过多产生的干缩裂缝显著，压实时含水量应略小于最佳含水量。2）严格控制压实标准：压实度小时产生的干缩比压实度大时严重，应尽可能达到最大压实度。3）严格养生条件：干缩发生在成型初期，要重视初期的保湿养护，保证石灰稳定土表面处于潮湿状况。4）禁防干晒：石灰稳定土施工结束后可及早铺筑面层，使石灰稳定土基层含水量不发生大的变化，从而减轻干缩裂缝。5）施工季节：温缩的最不利季节是材料处于最佳含水量附近，而且温度在0～-10℃时，因此施工要在当地气温进入0℃前一个月结束，以防在不利季节产生严重温缩。6）控制剂量：在满足强度要求情况下，尽可能选择较低剂量的无机结合料；在石灰稳定土中掺加60～70%的集料也可提高其强度、稳定性和抗裂性。7）反射裂缝的防治：（1）设置联结层；（2）铺筑碎石隔离过渡层；（3）提高沥青下面层抗裂性能5、石灰稳定类材料的混合料设计1）混合料的设计步骤根据强度标准，通过试验选取合适的土制备相同土样，不同石灰剂量的混合料确定最佳含水量及最大干压实密度按最佳含水量和工地压实密度制备试件无侧限抗压强度，选定合适的石灰剂量2）石灰稳定土的强度及压实要求在规定温度(北方冰冻地区为20±2℃，南方非冰冻地区为25土2℃)下保湿养生6d（湿度为95%）浸水1d，进行无侧限抗压强度试验。要求试验测定的强度符合上表规定。工地实际采取的石灰剂量应较室内试验确定的剂量多0.5％~1.0％。第四节水泥稳定类基层/底基层1、水泥稳定类材料的定义在粉碎或原状松散土中，掺入适量水泥和水，按技术要求进行拌和、摊铺，在最佳含水量时进行压实和养护成型，抗压强度符合要求的基层称为水泥稳定类基层。水泥可用来稳定绝大多数的土类，改善其物理力学性质（高塑性粘土和有机质较多的土除外)。水泥稳定类一般可用于路面结构的基层和底基层。水泥稳定类基层具有良好的整体性、足够的力学强度、抗水性和耐冻性。其初期强度较高，且随龄期增长而增长，应用范围很广；水泥稳定土包括水泥稳定碎石、砂砾、土等多种材料，是水泥稳定类基层的总称；水泥土是水泥稳定细粒土（粘土、粉土、黄土等）的总称。2、水泥稳定类材料的特点和种类水泥稳定过程中，水泥、土和水之间发生了多种非常复杂的作用。化学作用：水泥颗粒的水化、硬化作用；有机物的聚合作用；水泥水化产物与粘土矿物之间的化学作用等。物理－化学作用：粘土颗粒与水泥及水泥水化产物之间的吸附作用；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。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。3、水泥稳定类材料的强度形成①水泥的水化作用：②离子交换作用：③化学激发作用：当粘土颗粒周围介质的pH值增加到一定程度时，其中的部分Si02和A1203的活性将被激发，与溶液中的Ca2＋进行反应，生成新的矿物。这些矿物具有胶凝能力。生成的这些胶结物质与水泥的水化产物一起，将粘土颗粒包裹并凝结成一个整体。④碳酸化作用：1）土质各类砂砾土、砂土、粉土和粘土均可用水泥稳定。用水泥稳定级配良好的碎(砾)石和砂砾的效果最好，强度高、水泥用量少；其次是砂性土；再次之是粉性土和粘性土，一般要求土的塑性指数不大于17。4、影响水泥稳定土强度的因素2）水泥的成分和剂量通常情况下，硅酸盐水泥的稳定效果好，而铝酸盐水泥较差；水泥分散度增加，其活性程度和硬化能力也有所增大；水泥土的强度随水泥剂量的增加而增长，水泥用量过多，经济上不合理，且容易开裂；试验和研究证明，水泥剂量为3～5％较为合理。3）含水量4）施工工艺及养生从开始加水拌和到碾压完成一般控制在6小时（最好3小时）之内，最好在3小时之内；需湿法养生，保证水泥充分水化形成强度；养生温度愈高，强度增长的愈快。水泥正常水化所需水量约为水泥重的20%；砂性土，完全水化达最高强度的含水量较最佳密度含水量小，而粘性土则相反。5)、水泥稳定类材料的混合料设计根据强度标准，通过试验选取合适的土制备相同土样、不同水泥剂量的混合料确定最佳含水量和最大干压实密度按最佳含水量与最大干压实密度制备试件无侧限抗压强度试验,选定合适的水泥剂量工地实际采取的水泥剂量应较实验室内试验确定的剂量多0.5％～1.0％。无侧限抗压强度试验规定温度：北方冰冻地区为20±2℃，南方非冰冻地区为25土2℃。保湿养生：6d（湿度为95％），浸水1d。试件尺寸为：Φ150mm×150mm的圆柱体。水稳碎石的干缩和温缩易导致收缩裂缝；收缩裂缝反射到沥青面层形成大量反射裂缝；目前水稳碎石基层裂缝解决方法效果欠佳。水稳碎石基层具有强度高，稳定性好，抗冲刷能力强等优点，广泛用于我国公路的基层与底基层。1）存在问题2）裂缝处理主要从三方面考虑：沥青面层——高性能改性沥青，厚度，外加剂，级配设置隔离层、应力吸收层或土工类材料夹层水稳基层本身——集料级配，水泥含量，外加剂，施工控制随着新材料的发展，诸如聚酯玻纤布一类的土工合成防裂材料在工程中初步应用。第五节工业废渣稳定类基层/底基层1、工业废渣材料道路工程中应用的工业废渣主要是指具有一定水硬性特点的无机工业废料，如：粉煤灰、煤渣、钢渣、高炉渣、铜矿渣及各种下脚料。工业废渣一般可在有水的条件下与石灰等碱性材料共同作用，产生火山灰反应，稳定各种粒径不同的土。工程应用中一般采用石灰稳定工业废渣或与工业废渣共同稳定土，其中最常用的工业废渣为粉煤灰，形成石灰粉煤灰稳定路面基层，简称为二灰稳定类基层。2、工业废渣材料及其特点与应用石灰稳定工业废渣基层具有水硬性、缓凝性、高强度、稳定性好等特点，能形成板体且强度随龄期不断增加，抗水、抗冻、抗裂性能好，且收缩性小，能够适应各种气候环境和水文地质条件。石灰稳定工业废渣常用作高级或者次高级路面的基层或底基层。其火山灰作用的反应原理如下：3、二灰稳定路面基层石灰粉煤灰(简称二灰)基层是用石灰和粉煤灰按一定配比，加水拌和、摊铺、碾压及养生而形成的基层。在二灰中掺入一定量的土，经加水拌和、摊铺、碾压及养生成