十二章无机结合料稳定路面

第十二章无机结合料稳定路面12-1概述在粉碎的或原状松散的土中掺人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。特点：稳定性好、抗冻性能强、结构本身自成板体，但其耐磨性差。应用：用于修筑路面结构的基层和底基层。

无机结合料稳定材料的刚度介于柔性路面材料和刚性路面材料之间，常称为半刚性材料。以此修筑的基层或底基层亦称为半刚性基层（底基层）。近年大量使用无机结合料稳定材料的原因：1、车辆轴载增大和交通量增加对路面的承载能力要求越来越高，要将荷载有效分散传递到路基；2、优质石料的料源日益减少，用无机结合料处治材料时，可以使用原先不能应用的质量较低的石料，甚至当地的土，可以避免远运优质石料，节约大量投资。柔性基层柔性基层一般采用沥青稳定碎石等粘弹性材料，韧性好，有一定的自愈能力

以集料、少量无机结合料处治的集料或作用沥青等有机结合料的混合料等材料铺筑的基层

通常使用的柔性基层有沥青稳定碎石、级配碎石等

两种典型结构，一类是以级配碎石作为下基层，以沥青混合料作上基层，沥青层的总厚度较厚；另一类是在半刚性基层上先铺筑柔性过渡基层，然后铺筑沥青面层。12-2无机结合料稳定材料的力学特性无机结合料稳定材料的力学特性包括应力-应变关系、疲劳特性、收缩（温缩和干缩）特性。1、无机结合料稳定材料的应力-应变特性特点：强度和模量随龄期的增长而不断增长，逐渐具有一定的刚性性质。与原材料的性质、结合料的性质和剂量及密实度、含水量、龄期、温度等有关。2、无机结合料稳定材料的疲劳特性对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时，可能在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏，这种材料强度的降低现象称为疲劳。疲劳的出现，是由于材料微结构的局部不均匀，诱发应力集中而出现微损伤，在应力重复作用之下微量损伤逐步累积扩大，终于导致结构破坏，称为疲劳破坏。出现疲劳破坏的重复应力值（即疲劳强度），随重复作用次数的增加而降低。有些材料在应力重复作用一定次数（例如106－107次）后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限。当重复应力低于此值时，材料可经受无限多次的作用而不出现破坏。研究疲劳特性的主要目的是探索提高疲劳强度，延长路面使用年限，为路面设计提供参数。无机结合料稳定材料的抗拉强度远小于其抗压强度，材料的抗拉强度是路面结构设计的控制指标。抗拉强度试验方法有直接抗拉试验、间接抗拉试验和弯拉试验。常用的疲劳试验有弯拉疲劳试验和劈裂疲劳试验。

无机结合料稳定材料的疲劳寿命主要取决于重复应力与极限应力之比σf/σs，原则上当σf/σs小于50%，无机结合料稳定材料可经受无限次重复加荷次数而无疲劳破裂，但是，由于材料的变异性，实际试验时其疲劳寿命要小得多。在一定的应力条件下，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，其疲劳寿命就愈长。3、无机结合料稳定材料的干缩特性

由于水分挥发和混合料内部的水化作用，混合料的水分会不断减少。由此发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化收缩作用等会引起无机结合料稳定材料体积收缩。描述材料干缩特性的指标主要有干缩应变、干缩系数，干缩量、失水量、失水率和平均干缩系数。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的细颗粒的含量、试件含水量和龄期等有关。粒料类：石灰稳定类>水泥稳定类>石灰粉煤灰稳定类细粒土：石灰土>水泥土和水泥石灰土>石灰粉煤灰土半刚性材料的外观胀缩性是固相、液相和气相三相的不同的温度收缩性的综合效应的结果。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性较大。半刚性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。

4、半刚性材料的温度收缩特性12-3石灰稳定类基层（底基层）

在粉碎的土和原状松散的土（包括各种粗、中、细粒土）中掺入适量的石灰和水，经拌和、压实及养生，其抗压强度符合规定要求的路面基层称为石灰稳定类基层。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+天然砂砾（或级配砂砾）——石灰砂砾土石灰+天然碎石（或级配碎石）——石灰碎石土石灰稳定材料应用范围吸水性、透水性、水稳定性较差

各级公路路面的底基层，二级及二级以下公路的基层，石灰土不用于二级及二级以上公路的基层。冰冻地区的潮湿路段和其他地区的其他地区的过湿路段不宜采用石灰土做基层和低基层。1、石灰稳定土强度形成原理

石灰加入土中，主要发生四个作用：（1）、离子交换作用石灰中的钙离子与土中的钠、氢、钾离子产生离子交换作用，原来的钠（钾）土变成钙土，减少了土颗粒表面吸附水膜的厚度，使土粒相互之间更为接近，分子引力随着增加，许多单个土粒聚成小团粒，组成一个稳定结构。（2）、结晶作用石灰土中只有一部分熟石灰Ca（OH）2进行离子交换作用，绝大部分饱和的Ca（OH）2人自行结晶。熟石灰与水作用生成熟石灰结晶网格。（3）、火山灰作用

熟石灰的游离钙离子与土中的活性氧化硅和氧化铝作用生成含水的硅酸钙和铝酸钙，为胶凝物质，具有水硬性。胶凝物质在土微粒团外围形成一层稳定保护膜，填充颗粒空隙，使颗粒间产生结合料，减少了颗粒间的空隙与透水性，同时提高密实度，这是石灰土获得强度和水稳定性的基本原因。（4）、碳酸化作用在土中的Ca（OH）2与空气中的二氧化碳作用生成坚硬的结晶体，它和其生成的复杂盐类把土粒胶结起来，从而大大提高了土的强度和整体性。2、影响强度的因素1）、土质粘性土为好，一般塑性指数15~20，控制土块粒径，不宜直接采用硫酸盐含量超过0.8%或者腐殖质含量超过10%的土。2）、灰质应是消石灰粉或生石灰粉，对高速公路或一级公路宜用磨细生石灰粉。应符合Ⅲ级以上技术指标，摊铺前检查混合料中有效钙和氧化镁的含量3）、石灰剂量

存在最佳剂量。石灰剂量低时，石灰主要起稳定作用，土的塑性、膨胀、吸水量减小，使土的密实度、强度得到改善。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时，强度反而降低。最佳剂量范围：粘性土及粉性土为8％－14％；对砂性土则为9％－16％。4）、含水量水促使石灰土发生物理化学变化，形成强度；便于土的粉碎、拌和与压实，并且有利于养生。不同土质的石灰土有不同的最佳含水量，需通过标准击实试验确定。5）、密实度石灰土的强度随密实度的增加而增长。密实的石灰土，其抗冻性、水稳定性也好，缩裂现象也少。6）、石灰土的龄期石灰土强度具有随龄期增长的特点。一般石灰土初期强度低，前期增长速率较后期为快。7）、养生条件养生条件主要指温度与湿度。当温度高时，物理化学反应、硬化、强度增长快，反之强度增长慢，在负温条件下甚至不增长。养生的湿度条件对石灰土的强度也有很大影响。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。

5、石灰土混合料设计

石灰稳定土是由土、石灰和水组成的。混合料的组成设计包括：根据强度标准，通过试验选取合适的土，确定必需的或最佳的石灰剂量和混合料的最佳含水量。

l）石灰土的强度标准。石灰土的强度标准根据相应的公路等级和在路面结构中的层位而定。

2）、混合料的设计步骤（1）制备同一种土样、不同石灰剂量的石灰土混合料。（2）确定混合料的最佳含水量和最大干压实密度，至少做三个不同石灰剂量混合料的击实试验，即最小剂量、中间剂量和最大剂量。（3）按最佳含水量与工地预期达到的压实密度制备试件。（4）试件在规定温度下保湿养生6d，浸水1d，进行无侧限抗压强度试验，工地实际采取的石灰剂量应较实验室内试验确定的剂量多0.5％－l.0％。6、石灰土基层的施工

1）备料、配合比设计2）摊铺3）拌和与洒水4）整型5）碾压：压实厚度要与压路机吨位协调；由两侧路肩向路中心碾压，超高段则由内侧向外侧碾压；后轮重叠1/2轮宽；6-8遍6）养生：洒水或者覆盖7、碎（砾）石灰土底基层混合料的最佳组成应是碎（砾）石掺入量占混合料总重的60％－70％，而且要求碎（砾）石要有一定级配。

二灰碎石12-4水泥稳定类基层1、概述在粉碎的或原状松散的土（包括各种粗、中、细粒土）中，掺人适当水泥和水，按照技术要求，经拌和摊铺，在最佳含水量时压实及养护成型，其抗压强度符合规定要求，以此修建的路面基层称水泥稳定类基层。当用水泥稳定细粒土（砂性土、粉性土或粘性土）时，简称水泥土。

特点：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：水泥稳定类基层可用于各级路面结构的基层和底基层；水泥土不可用于高速和一级、水泥混凝土的基层，可做其底基层和其他等级公路的基层。

2、强度形成原理

化学作用：水泥颗粒的水化、硬化，有机物聚合等物理化学作用：吸附、凝聚、渗透、扩散、结晶等作用物理作用：粉碎、拌和、压实等1）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。2）离子交换作用水化后所生成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，Ca2+取代了K+，Na+，成为反离子，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。3）化学激发作用

粘土矿物中的部分氧化硅和氧化铝的活性将被激发出来，与溶液中的钙离子进行反应，生成新的矿物，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。4）碳酸化作用水泥水化生成的Ca（OH）2，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。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。3、影响强度的因素1）土质土的类别和性质是影响水泥稳定土强度的重要因素。稳定效果：用水泥稳定级配良好的碎（砾）石和砂砾>砂性土>粉性土>粘性土。一般要求土的塑性指数不大于17。2）水泥的成分和剂量对于同一种土，通常情况下硅酸盐水泥的稳定效果好，而铝酸盐水泥较差。随着水泥分散度的增加，其活性程度和硬化能力也有所增大，从而水泥土的强度也大大提高。

水泥土的强度随水泥剂量的增加而增长。水泥剂量为4％－8％较为合理。约束试件的开裂情况3）含水量含水量对水泥稳定土强度影响很大，当含水量不足时，水泥不能在混合料中完全水化和水解，发挥不了水泥对土的稳定作用，影响强度形成。同时，含水量小，达不到最佳含水量也影响水泥稳定土的压实度。因此，使含水量达到最佳含水量的同时，也要满足水泥完全水化和水解作用的需要为好。水泥正常水化所需的水量约为水泥重的20％。4）施工工艺过程

水泥、土和水拌和得均匀，且在最佳含水量下充分压实，使之干密度最大，其强度和稳定性就高。

水泥土从开始加水拌和到完成压实的延迟时间要尽可能最短，一般要在6h以内。在水泥终凝时间达不到规定要求时，可以使用一定剂量的缓凝剂，但缓凝剂的品种和具体数量应根据试验确定。

水泥稳定土需湿法养生，以满足水泥水化形成强度的需要。养生温度愈高，强度增长的愈快，因此，要保证水泥稳定土养生的温度和湿度条件。

4、材料要求及混合料组成设计1）材料要求（1）土：凡能被粉碎的土都可用水泥稳定。宜做水泥稳定类基层的材料有：石渣、石屑、砂砾、碎石土、砾石土等。碎石或砾石的压碎值对于高速公路和一级公路应不大于30％，对二级和二级以下公路应不大于35％。颗粒组成符合要求。（2）水泥普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥都可以用于稳定土，但应选用终凝时间较长（宜6h以上）的水泥。

（3）水饮用的水，均可以应用2）混合料组成设计水泥稳定土混合料组成设计与石灰稳定土基本相同。（1）强度和压实度标准7d无侧限抗压强度和压实度应根据公路等级和所在路面结构中的层位确定，如表12-6所示。

（2）设计步骤3）混合料施工A水泥集料混合料设计B施工过程施工期最低气温在5度以上，在第一次冰冻到来之前半个月到一个月完成拌和到碾压应控制在3～4小时，尽量减少接缝（1）底基层准备：干净、平整、坚实、路拱合格（2）拌和：按比例掺配，拌和均匀，含水量略大于最佳含水量，运送车辆应加以覆盖。（3）摊铺：平地机或者摊铺机摊铺，注意防止离析（4）整形：平地机（5）碾压：静压1～2遍，再振动压实，碾压过程中表面应保持潮湿（6）接缝处理（7）养生：碾压结束，立刻开始，保持潮湿状态（8）养生期满验收合格浇透层油稳定土类基层缩裂防治稳定土基层防治缩裂的措施有：1）控制压实含水量：含水量过多产生的干