水泥稳定类和工业废渣稳定类

路面施工学习情境3：基层和垫层施工工作任务一：水泥稳定类结构层施工工作任务二：二灰稳定类结构层施工工作任务三：石灰稳定类结构层施工工作任务四：级配碎（砾）石结构层施工工作任务五：填隙碎石结构层施工工作任务六：半刚性结构层和砂石类结构层施工质量检测2/5/20231路面施工项目：无机结合料稳定类结构层基层施工方案设计学习目标：知道常用无机结合料稳定类结构层和砂石类结构层的类型、特性及其应用；知道常用无机结合料稳定类结构层和砂石类结构层的施工工艺流程，能进行其施工质量控制；知道无机结合料稳定类结构层和砂石类结构层施工质量检测项目与检测方法；会使用随机法选择路面检测位置；会检测路面的几何尺寸。2/5/20232思考：（1）水泥稳定类基层强度的影响因素有哪些？

（2）半刚性基层上沥青面层反射裂缝产生的原因？

（3）半刚性基层上沥青面层反射裂缝的防治与处理措施有哪些？2/5/202331、水泥稳定类基层概念：在粉碎的土或原状松散的土(包括各种粗、中、细粒土)中，掺入适量的水泥和水，按照技术要求，经拌和摊铺，在最佳含水量下压实及养生成型，其抗压强度符合规定要求，以此修建的路面基层称为水泥稳定类基层。分类：水泥土、水泥砂砾、水泥稳定碎石（加入一定量的碎（砾）石）。任务三：无机结合料稳定类基层2/5/202341、水泥稳定类基层

水泥土（水泥稳定细粒土：砂性土、粉性土或粘性土）；

水泥砂（细粒土为砂）；

水泥碎石（级配碎石和未筛分碎石）；

水泥石屑（碎石场细筛余料）；

水泥石渣（采石场废料）；

水泥砂砾土和水泥碎石土；2/5/20235

除高塑性粘土和含有机质较多的土外，大多数土都可以用水泥稳定，水泥稳定类基层有良好的整体性、足够的力学强度、足够的抗水性和抗冻性。初期强度高且强度随龄期不断增长。1、水泥稳定类基层

问题：水泥稳定类材料的适用范围？

水泥稳定集料类适用于各级公路的基层和底基层，水泥稳定细粒土用于各级公路的底基层以及三、四级公路的基层。2/5/202361、水泥稳定类基层强度形成原理影响强度的因素混合料组成设计水泥稳定土层的施工反射裂缝的防治2/5/20237

水泥稳定土中水泥用量较少，水泥的水化作用完全在土中进行，土对这一过程有很大的影响，其凝结速度比水泥混凝土的凝结速度要慢。

水泥与土拌和后，水泥中的矿物与土中的水分发生强烈的水化水解作用，同时从溶液中分解出氢氧化钙并形成其它水化物。（1）水泥稳定土强度形成原理2/5/20238当水泥的各种水化物生成后，水化物中有的自身继续硬化形成水泥石骨架，有的则与有活性的土反应，其反应主要表现在如下三个方面：离子交换及团粒化作用硬凝反应碳酸化作用（1）水泥稳定土强度形成原理2/5/20239（1）水泥稳定土强度形成原理水泥的水化作用→离子交换作用→化学激发作用→碳酸化作用→Ca2+→Na+、H+、K+

硅酸三钙：2C3S+6H20→C3S2H3+3CH硅酸二钙：2C2S+4H20→C3S2H3+CH铝酸三钙：C3A+6H2O→C3AH6

铁铝酸四钙：C4AF+7H20→C4AFH7

4CaO·5SiO2·5H2O、4CaO·Al2O3·19H2O、3CaO·Al2O3·16H2O、CaO·A12O3·10H2O2/5/202310

1）离子交换及团粒化作用

水泥水化后的胶体中，存在着Ca（OH）及Ca2＋、（OH）－，其中Ca2＋和（OH）－与土粒表面吸附的金属离子进行当量吸附交换，使大量的土颗粒形成较大的土团。由于水泥的水化物具有强烈的吸附活性，又使土团进一步结合成链条状结构的水泥土。这些水泥土封闭了土团间的空隙，形成坚固的联连，使水泥具有较高的强度。（1）水泥稳定土强度形成原理2/5/202311

2）化学激发作用（硬凝反应）

随着水化反应深入，溶液中析出大量Ca2＋，若其数量超过离子交换所需要的数量，则在碱性环境中与粘土中的SiＯ2和Al2Ｏ3进一步发生化学反应，生成不溶于水的稳定结晶矿物进一步提高了土的强度。（1）水泥稳定土强度形成原理2/5/202312

3）碳酸化作用

水泥水化物中游离的Ca(OH)2不断吸收水中的HCO-3

并和空气中的CO2作用，生成碳酸钙（CaCO3），使土固结，进一步提高土的强度。

水泥稳定土的强度是水泥石的骨架作用与Ca（OH）2的物理化学反应共同作用的结果，Ca（OH）2的物理化学反应使土粒形成稳定的团粒结构，而水泥石则将这些团粒包裹，并连接成坚强的整体。（1）水泥稳定土强度形成原理2/5/202313思考：根据前面水泥稳定土强度形成原理分析，影响水泥稳定土强度的因素有哪些？（2）影响水泥稳定土强度的主要因素

土质、水泥成分和剂量、含水量、工艺过程及养生条件是影响水泥土强度的主要因素。2/5/2023141）土质，土的类别和性质是影响水泥土强度的重要因素。除有机质或硫酸盐含量较高的土以外，各种砂砾土、砂土、粉土和粘土均可用水泥稳定，但稳定效果因土质而异。（2）影响水泥稳定土强度的主要因素2/5/202315

2）含水量，水泥土混合料的含水量对水泥土的强度有很大影响。混合料中水份不足时，不能保证水泥的完全水化和水解。水泥土中的水量不适宜时，也不能保证大的土团被粉碎，也不能保证水泥在土中的均匀分布，更难以保证达到压实度的要求。（2）影响水泥稳定土强度的主要因素2/5/202316

3）水泥成分和剂量

各种水泥均可用于稳定土。但矿物成分不同的水泥稳定效果有一定的差别。水泥土的强度在很大程度上取决于水泥的用量，随着水泥剂量的增加，水泥土的物理化学性质将得到更进一步的提高，但过多的水泥剂量虽可获得较高的强度但不经济。一般应在保证水泥土强度的前提下，采用尽可能低的水泥用量。

（2）影响水泥稳定土强度的因素2/5/202317

3）水泥成分和剂量

水泥土中所需的水泥用量应按强度和耐久性的要求，并考虑其经济性，由试验确定。水泥稳定土所需水泥用量随土中细粒含量增加而增加。（2）影响水泥稳定土强度的主要因素2/5/202318图12-8水泥剂量对水泥土强度的影响3）水泥成分和剂量2/5/202319（2）影响水泥稳定土强度的因素

3）水泥品种及剂量

硅酸盐类水泥较好，铝酸盐水泥较差，优先选用终凝时间较长(6h以上)的低强度水泥。水泥稳定土的强度随水泥剂量的增加而增长，但过多的水泥用量，不经济，易开裂，水泥剂量为4%～8%较为合理。2/5/2023204）工艺过程及养生条件水泥土的强度和稳定性与混合料拌和的均匀性有一定的关系。拌和愈均匀，其强度和稳定性愈高。拌和不均匀时，水泥剂量较少处的强度难以满足设计要求，而水泥剂量较多处则裂缝数量增加。（2）影响水泥稳定土强度的因素2/5/2023214）工艺过程及养生条件从开始加水拌和到完成压实之间的延迟时间长短，对水泥土的密实度和强度有很大的影响。间隔时间过长，水泥已部分凝结，一方面使水泥土难以压实成型，另一方面破坏已凝结水泥的胶凝作用，使水泥土的强度下降。（2）影响水泥稳定土强度的因素2/5/202322（2）影响水泥稳定土强度的因素

4）工艺过程及养生条件达到最佳密实度的含水量，满足完全水化和水解作用的需要。混合料须拌和均匀并充分压实。水泥土从开始加水拌和到完成压实的延迟时间要尽可能的短，一般要在6h以内。

湿法养生：养生温度愈高，强度增长得愈快。2/5/202323图12-9所示为两种不同类型的水泥土的强度损失曲线，随着延迟时间的增加，水泥土的强度损失很快增加。因此，有的国家规定，水泥土必须在加水拌和后的2h内完成压实。水泥土的强度随龄期而增长（图12-10），为使水泥能充分水化，在成型初期应保湿养生，每天洒水的次数和养生时间视气候条件而定。（2）影响水泥稳定土强度的因素2/5/202324图12-9拌和后到压实的延迟时间对水泥土强度的影响（水泥剂量10%）图12-10龄期对水泥土强度的影响（水泥剂量5%）2/5/202325（3）水泥稳定土混合料设计

水泥土的强度标准-混合料设计指标

水泥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，7d无侧限抗压强度标准：2/5/202326（4）水泥稳定土混合料设计步骤

水泥稳定土混合料设计按什么步骤进行？

1）制备同一种土样、不同水泥剂量的水泥稳定土混合料；

2）确定混合料的最佳含水量和最大干密度（用标准重型击实试验）；

3）按最佳含水量与工地预期达到的压实密度制备试件，进行强度试验，根据强度标准，选定合适的水泥剂量。2/5/202327（4）水泥稳定土混合料设计步骤

1）制备同一种土样、不同水泥剂量的水泥稳定土混合料做基层用：

中粒土和粗粒土：3%、4%、5%、6%、7%；

塑性指数小于12的土：5%、7%、8%、9%、11%；其他细粒土：8%、10%、12%、14%、16%。2/5/202328（4）水泥稳定土混合料设计步骤

1）制备同一种土样、不同水泥剂量的水泥稳定土混合料

做底基层用：

中粒土和粗粒土：3%、4%、5%、6%、7%；

塑性指数小于12的土：4%、5%、6%、7%、9%；

其他细粒土：6%、8%、9%、10%、12%。2/5/202329（4）水泥稳定土混合料设计步骤

2）确定混合料的最佳含水量和最大干密度（用标准重型击实试验）

至少做三个不同水泥剂量混合料的击实试验，即最小剂量、中间剂量和最大剂量，其余两个混合料的最佳含水量和最大干密度用内插法确定。2/5/202330（4）水泥稳定土混合料设计步骤

3）按最佳含水量与工地预期达到的压实密度制备试件，进行强度试验，根据强度标准，选定合适的水泥剂量。进行7d无侧限抗压强度试验，室内试验的平均抗压强度应符合2/5/202331（4）水泥稳定土混合料设计步骤

工地实际采用的水泥剂量应比室内试验确定的剂量稍多一些，集中厂拌法施工时，可只增加0.5%；路拌法施工时，宜增加1%。2/5/202332（5）水泥稳定土基层施工

宜用厂拌法拌制混合料，并用摊铺机摊铺。施工期的最低气温应在5℃以上，冰冻地区应在第一次重冰冻(-3～-5℃)到来之前半个月到一个月完成。

2/5/202333（5）水泥稳定土层施工路拌法施工工序：准备下承层——施工放样——备料——摊铺土和集料——洒水闷料——整平和轻压——摆放和摊铺水泥——拌合（干拌）——加水并湿拌——整形——碾压——接缝和调头处的处理——养生及交通管制。2/5/202334（5）水泥稳定土层施工2/5/202335（5）水泥稳定土基层施工摊铺与碾压2/5/202336整形碾压2/5/2023372/5/2023382/5/202339为了减少半刚性基层上沥青面层由于水泥稳定基层的收缩裂缝而产生反射裂缝或对应裂缝，应尽可能采取必要的有效措施来减少水泥稳定类基层本身的收缩裂缝。（6）减少水泥稳定土基层收缩裂缝的措施2/5/202340（6）减少水泥稳定土基层收缩裂缝的措施1）控制集料中细料的含量和塑性指数3）在达到强度标准前提下，采用最小水泥剂量2）控制水泥稳定类基层混合料的干缩4）严格控制施工碾压的含水量5）及早铺筑面层2/5/202341基层产生裂缝以后，在温度应力和行车荷载的作用下，裂缝逐渐反射到沥青混凝土面层，路面的裂缝形式与基层裂缝形式基本一致。对于半刚性基层以横向裂缝居多，主要由于半刚性基层产生的温缩开裂而引起的反射裂缝。

（7）防止反射裂缝的产生

1）反射裂缝产生的原因2/5/202342反射裂缝扩展模式根据断裂力学可分为两种：张开模式和剪切模式。

温度应力对应着张开模式，荷载应力对应着剪切模式。温度应力引起反射裂缝的产生，并参与其最初的扩展，而荷载应力加速了裂缝的进一步扩展。

（7）防止反射裂缝的产生2/5/2023432）为了防止基层裂缝的反射，可采取的措施有：①设置沥青碎石或沥青贯入式联结层；②铺筑级配碎石过渡层；③土工织物夹层；④应力吸收层（SAMI）；⑤锯缝；⑥预裂。2/5/202344以旧水泥混凝土路面作为半刚性基层，在其上加铺沥青砼面层，关键是要防止反射裂缝的产生，常用的处理措施有：a、旧砼的路面处理；b、设置应力吸收层；c、提高沥青加铺层的抗裂性。

2）反射裂缝防治措施2/5/202345

a、旧砼的路面处理：（1）板块脱空的处理，采取将旧水泥砼面板破碎，清运，用C15砼修复松散基层，重新浇筑砼；

2）反射裂缝防治措施（2）水泥砼面板下压浆；（3）破碎水泥砼板；（4）填缝，在摊铺加铺层之前，不管是否用橡胶沥青层，土工织物或开级配混合料，对于宽度大于6mm的裂缝都应进行填缝处理；（5）改性沥青油毡贴缝。2/5/202346

b、设置应力吸收层，其类型有：

2）反射裂缝防治措施（1）设置橡胶沥青夹层；（2）设置土工织物夹层；（3）设置格栅夹层；（4）设置开级配沥青砼底层缝；（5）设置二灰碎石基层2/5/202347

c、提高沥青加铺层抗裂性：影响沥青砼加铺层抗裂性的因素如下：（1）沥青的稠度和氧化速度；（2）沥青混合料的孔隙率；（3）沥青混合料中沥青的含量

。

2）反射裂缝防治措施2/5/2023482）反射裂缝防治措施设置土工织物2/5/2023492）反射裂缝防治措施反射裂缝应力吸收层的施工过程2/5/2023502、工业废渣稳定类基层

概念：一定数量的石灰和粉煤灰，或石灰和煤渣与其他集料（土）相配合，加入适量的水通常为（最佳含水量），经拌和、压实及养生后得到的路面结构层，当其抗压强度符合规定要求时，称为石灰工业废渣基层。分类：粉煤灰、煤渣、矿渣、钢渣、煤矸石等。2/5/2023512、工业废渣稳定类基层2/5/202352工业废渣的种类及利用方式工业废渣的种类很多，用于路面工程的主要有：煤炭工业废渣，电力工业废渣钢铁工业废渣，化学工业废渣。2、工业废渣稳定类基层2/5/202353

随着生产的发展，工业废渣的利用越来越广泛，在道路工程中的应用更是如此。生产部门大量利用石灰稳定工业废渣混合料取代路面工程中常用的碎石基层等，可提高基层的使用品质，降低造价。2、工业废渣稳定类基层2/5/202354

路用工业废渣一般用石灰稳定，常称为石灰工业废渣，它包括两大类：一类为石灰粉煤灰类（二灰类），另一类为石灰其它废渣类。石灰工业废渣具有良好的力学性能和板体性并有较好的水稳定性和一定的抗冻性。其初期强度较低，但随着龄期的增长，强度的增长幅度也加大。在二灰中加入粒料，少量水泥或其它外掺剂可提高早期强度，但由于其具有干缩和温缩特征，易产生裂缝。2、工业废渣稳定类基层2/5/202355

1）煤炭、电力工业废渣

主要有粉煤灰、炉渣和煤矸石：粉煤灰，火力发电厂烟气中收集的细灰，含有硅、铁、铝等金属；炉渣，由煤粉或煤块燃烧后排出，含硅、铁、铝等活性物质；煤矸石，采煤生产过程中生产的废石，处理后，可作路用碎石。2、工业废渣稳定类基层2/5/202356

2）钢铁工业废渣主要有钢渣或铁渣，利用方式主要有三种：铁渣或钢渣排出后，堆积，经多年自然条件下分解后趋于稳定，用以修筑基层；熔铁渣排出后，经水骤冷后成为水淬渣。水淬渣掺入石灰后铺筑基层，具有很高的强度；铁渣排出后运送至渣场，在空气中自然冷却至600℃~700℃时洒水降温后成为矿渣碎石，可按密实型或嵌挤型修筑碎石基层或沥青矿渣碎石混合料面层。5、工业废渣稳定类基层2/5/202357

3）化学工业废渣漂白粉渣，造纸或印刷厂使用漂白粉后的下脚料，石灰成分较高；电石渣，电石消解乙炔气后的废渣，含石灰成份50%～55%；硫铁矿渣，生产硫酸的下脚料，加入石灰类灰渣或高炉水淬渣后修筑基层效果良好。2、工业废渣稳定类基层2/5/202358

2）石灰工业废渣强度形成机理及力学特征（1）强度形成机理

以上这些矿渣中含有较多的SiO2、AL2Ｏ3或CaO。活性的SiO2和AL2O3在水中本身不会硬化，但在饱和的Ca(OH)2溶液中将产生火山灰反应，生成水化铝酸钙和铝酸钙凝胶，从而将混合料中的各种颗粒胶结在一起。2、工业废渣稳定类基层2/5/202359

（1）强度形成机理因此，含活性SiO2和AL2O3较多的煤渣或水淬渣同一定比例的石灰渣或电石渣相拌和后，就成形成强度高，整体性好的石灰煤渣或石灰水淬渣混合料。在石灰土中掺入一定量的粉煤灰形成二灰土，可改善和加强石灰土的火山灰反应，从而提高石灰土的强度。2/5/202360

（1）强度形成机理石灰稳定工业废渣的强度主要靠火山灰作用产生，而火山灰作用的反应过程较为缓慢。因此，混合料的强度随龄期的增长也较缓慢。图12-11为多种不同的工业废渣混合料强度随龄期增长的试验曲线。2/5/202361工业废渣混合料的早期强度较低，但经历较长时间后，仍能保持较高的强度增长速度，因此后期强度较高；石灰水淬渣混合料的强度依水淬渣自身的来源不同而有较大的差异，但其仍比其它两类混合料的强度高；二灰混合料的强度与土的类别有关，粘粒含量高，煤渣颗粒较细时，强度也较高。2/5/202362图12-11石灰工业废渣混合的强度增长1,2,3:石灰水淬渣;4:石灰粗煤渣(3:7);5:石灰细煤渣(2:8);6:石灰粉煤灰轻粘土;7:石灰粉煤灰亚粘土;8:石灰粉煤灰粉土2/5/202363（2）力学特征

a、水硬性b、缓凝性c、抗裂性、耐磨性d、板体性

（3）材料要求a、石灰b、废渣c、粒料

2/5/202364（2）力学特征

a、水硬性：工业废渣的主要化学成分为钙、铝、硅及少量镁和其它物质，属于硅酸盐类材料，经配合，加水拌和压实成型后具有明显的水硬性。组成混合料强度的水化铝酸钙、硅酸钙等水生物在形成过程中均离不开水，故水是其强度形成的重要条件。2/5/202365（2）力学特征

b、缓凝性：

工业废渣混合料28d的抗压强度仅为其一年抗压强度的17%～25%，且在2～3年内仍继续增长。其与石灰的作用很缓慢，堆积存放1~2周后仍能凝结硬化，但成形后强度增长速率随气温的降低而降低。冬季施工的基层，强度增长缓慢，但气温上升，强度明显增长。2/5/202366（2）力学特征c、抗裂性、耐磨性：工业废渣混合料在一定的龄期内，抗弯拉强度和刚度较低，但抗弯与抗压强度之比较大，极限弯拉应变也较大。故具有较好的抗裂性,但抗磨性较差。2/5/202367（2）力学特征

d、板体性：混合料经压实成型后，较短时间后就具有较高的强度和良好的板体性，作为沥青路面的基层时，可较好地改善变形性能，减少裂缝的产生。2/5/202368（3）材料要求

1）石灰符合Ⅲ级以上的技术指标，尽量缩短存放时间。有效钙含量在20%以上的等外石灰、贝壳石灰、珊瑚石灰、电石渣等，应通过试验，当混合料的强度符合要求时，