半刚性道路基层材料组成设计与优化

半刚性道路基层材料组成设计与优化长安大学沙爱民内容水泥稳定类基层技术要点二灰稳定类基层技术要点水泥稳定碎石基层抗裂性问题二灰稳定类基层早强问题稳定类基层抗冲刷问题稳定集料基层配合比体积设计法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。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。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75％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。水泥稳定类基层技术要点水泥稳定类基层技术要点概念与分类水泥土水泥砂水泥砂砾水泥碎石水泥稳定类基层技术要点原材料及其技术要求水泥－种类、终凝时间、标号集料－最大粒径、级配土－塑性指数水泥种类普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥以及火山灰质硅酸盐水泥均可用于水泥稳定土。快硬水泥、早强水泥以及已受潮变质的水泥不宜使用。终凝时间宜选用终凝时间在6小时以上的水泥，以适应工艺要求。标号宜选用低标号或一般标号(如325、425)水泥。

集料最大粒径要求集料颗粒径愈大，拌和机、平地机和摊铺机等施工机械愈易磨损，粗细集料愈易产生离析，铺筑层的平整度也愈难达到要求。施工中应尽可能采用最大粒径较小的集料，以适应机械施工。最大粒径要求愈小，石料的加工量愈大。我国目前对公路路面所用集料的最大粒径规定得较宽。集料级配要求级配状况愈好，愈有利于取得好的稳定效果，且节约水泥。土的均匀系数应大于5。

土的塑性要要求适宜用水泥泥稳定的土土的范围应应当是相当当宽，砾石石、砂、粉粉砂、细砂砂土、粉质质细砂土、、粉土、贫贫粘土、直直到重粘土土，都可以以用水泥稳稳定。但是，要达达到规定的的强度，水水泥剂量随随粉粒和粘粘粒含量的的增加而增增大。土质质过粘情况况下，因相相应稳定要要求所用水水泥的剂量量过高而不不经济。因因此，对于于二级及其其以下等级级的公路用用水泥稳定定的土，液液限宜不大大于40，，塑性指数数宜不大于于17；对对于高级、、一级公路路，液限宜宜不大于25，塑性性指数宜不不大于6。。水泥稳定粒粒径较均匀匀的砂时，，难于碾压压密实。宜宜在砂中添添加少量塑塑性指数小小于12的的粘性土(亚砂土)、或石灰灰土(土的的塑性指数数较大量)、或添加加20%～～40%的的粉煤灰以以改善土的的颗粒分布布。塑性指数大大于17的的土，宜采采用石灰稳稳定，或用用水泥和石石灰综合稳稳定。水泥稳定类类基层技术术要点混合料组成成设计方法法（一）强度度标准确定定半刚性、刚刚性（二）原材材料检验（三）室内内试验步骤骤水泥稳定类类基层技术术要点结构形成过过程水泥自身的的凝结硬化化作用水泥水化产产物与土之之间的作用用水泥稳定类类基层技术术要点路用性能及及技术参数数（一）强度度（二）变形形特性（三）体积积变化（四）压实实特性影响水泥土土强度的因因素有土质质、水泥成成分和剂量量、成型含含水量、工工艺过程、、养生条件件等1.土质的的影响土的矿物成成分对水泥泥稳定土的的性质具有有重要的影影响。除有有机质或硫硫酸盐含量量高的土以以外，各种种砂砾土、、砂土、粉粉土和粘土土均可用水水泥稳定，，但是稳定定效果不同同。要达到规定定的强度，，稳定土所所需水泥剂剂量随粉粒粒和粘粒含含量的增加加而增高。。稳定重粘土土水泥用量量过高而不不经济，并并且难于粉粉碎和拌和和。级配良良好的土用用水泥稳定定时，水泥泥用量低，，并可取得得满意和稳稳定效果。。一般限定适适用范围为为土的液限限不大于40，塑性性指数不大大于20。。2.水泥的的影响对于同一种种土，水泥泥矿物成分分是决定水水泥土强度度的主导因因素。在通通常的情况况下，硅酸酸盐水泥的的稳定效果果较好，而而铝酸盐水水泥则较差差。当水泥的矿矿物成分相相同时，水水泥土的强强度随着水水泥比表面面和活性的的增大而提提高。水泥土的强强度一般地地随着水泥泥剂量的增增加，水泥泥土的强度度增加，不不存在最佳佳水泥剂量量。存在一一个经济用用量。3.含水量量的影响当水泥稳定定土混合料料中含水不不足时，水水泥就要与与土争水。。水泥正常常水化所需需要的水量量约为水泥泥重量的20%。水泥土的含含水量不适适宜时，也也不能保证证大土团被被粉碎和水水泥在土中中的均匀分分布，更不不能保证达达到最大压压实度的要要求。水泥土的含含水量-密密实度关系系与素土一一样，对于于一定的压压实功能，，存在一个个能达到最最大密实度度的最佳含含水量。但但相应于最最大密实度度的最佳含含水量不一一定就是相相应于强度度最高的含含水量。一般对于砂砂性土，最最高强度的的含水量较较最佳密实实度的含水水量为小；；而对于粘粘性土，则则相反。4.成型工工艺影响水泥、土和和水拌和得得愈均匀，，水泥土的的强度和稳稳定性愈高高。拌和不不均匀会使使在水泥剂剂量少的地地方强度不不能满足设设计要求，，而在水泥泥剂量多的的地方则裂裂缝增加。。从开始加水水拌和到完完成压实的的延迟时间间，对水泥泥土的密实实度和强度度有很大的的影响。湿湿拌时间或或湿拌结束束后延迟压压实前的闷闷料时间过过长，水泥泥就会产生生部分结硬硬作用。这这一方面影影响到水泥泥土的压实实度，从而而影响到强强度。规定定水泥土必必须在加水水拌和后2小时内压压实完毕。。5.养生条条件影响水泥稳定土土需要湿治治养生，使使在混合料料中能维持持足够的水水分，以满满足水泥水水化的需要要。养生温温度愈高，，水泥土的的强度增长长得愈快。。水泥土的强强度随龄期期而增长。。在初期1～2个月月期间内，，水泥土的的抗压强度度与龄期的的对数间大大致呈直线线关系。直直线的斜率率取决于水水泥剂量、、养生温度度、密实度度及压实时时的含水量量。水泥稳定土土混合料延延迟成型时时间对干密度影影响水泥稳定土土不同延迟迟时间成型型的最佳含含水量、最最大干密度度试验结果果表明：（1）在不不同水泥剂剂量下均随随着延迟时时间的增加加，水泥稳稳定土的最最佳含水量量在增大，，最大干密密度在降低低。并且，，随着延迟迟时间的增增加，最大大干密度的的降低幅度度在增大。。（2）同一一种土，相相同延迟时时间条件下下，随着水水泥剂量的的增加，最最大干密度度降低幅度度减小。混合料延迟迟成型时间间对抗压强强度的影响响1）两种土土质在不同同水泥剂量量下均随延延迟成型时时间的加长长，7天龄龄期的抗压压强度降低低，并且，，强度损失失幅度随延延迟成型时时间的加长长而增大。。2）同一种种土，相同同延迟时间间条件下，，随水泥剂剂量的增大大，抗压强强度仍增大大。但随着着水泥剂量量的增大，，强度损失失幅度减小小。3）相同水水泥剂量和和延迟时间间条件下，，土－2的的强度损失失比土－1小得多。。二灰稳定类类基层技术术要点二灰稳定类类基层技术术要点概念与分类类二灰土二灰集料二灰砂砾二灰碎石二灰矿渣二灰稳定类类基层技术术要点原材料及其其技术要求求石灰－种类类、等级、、保存粉煤灰－种种类硅铝型、高高钙型；干干灰、湿灰灰－技术要求求活性成分含含量～硅、、铝、铁的的氧化物含炭量～烧烧失量细度～比表表面积集料－最大大粒径、级级配土－塑性指指数二灰稳定类类基层技术术要点混合料组成成设计方法法（一）强度度标准确定定（二）原材材料检验（三）确定定混合料比比例原则1。石灰与与粉煤灰2。二灰与与土（四）室内内试验步骤骤二灰稳定类类基层技术术要点结构形成过过程石灰的水化化解离作用用离子交换作作用与絮凝凝团聚作用用石灰与粉煤煤灰和土之之间的火山山灰作用石灰自身的的结晶与碳碳化作用二灰稳定类类基层技术术要点路用性能及及技术参数数（一）强度度（二）疲劳劳性质（三）体积积变化（四）耐久久性水泥稳定碎碎石抗裂性性问题水泥稳定碎碎石材料的的收缩性能能取决于材材料的组成成配比，合合适的材料料配合比可可以显著地地减少结构构层的收缩缩和增加结结构层的抗抗裂性。水水泥稳定碎碎石的级配配和水泥剂剂量的变化化将影响其其温缩、干干缩性。1、收缩试试验研究方方案在进行收缩缩试验研究究时，水泥泥稳定碎石石配合比方方案采用五五种级配、、三种水泥泥剂量。这这五种级配配是在原规规范规定级级配范围内内的细化，，即原级配配范围的上上限、中限限、下限和和上顶下底底以及下顶顶上底；三三种水泥剂剂量取常用用剂量即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定定类基层层早强技技术分析析掺加水泥掺加粗骨料预拌闷料掺加早强剂早强剂原理碱对粉煤灰的的加速溶解作作用；碱性介质对强强度形成过程程的保证作用用；早强剂自身的的硬凝作用。。路面基层冲刷刷问题路面基层冲刷刷过程接缝、裂缝处处雨水下渗基基层顶面湿软软行车荷载作用用下唧泥面面层底面脱脱空弯弯拉应应力过大而破破坏唧泥原因：动动水压力水泥混凝土路路面、沥青混混凝土路面、、水泥混凝土土桥面冲刷破破坏在MTS上实现的冲刷刷试验装置试验条件对抗抗冲刷性能的的影响规律（a）水泥土（b）水泥砂砾作用力相同、、作用频率不不同条件下的的冲刷量随时时间的变化试验条件对抗抗冲刷性能的的影响规律（a）水泥土（b）水泥砂砾相同作用力和和作用次数条条件下冲刷量量随频率的变变化试验条件对抗抗冲刷性能的的影响规律（a）水泥土（b）水泥砂砾作用频率相同同、作用力不不同条件下的的冲刷量随时时间的变化试验条件对抗抗冲刷性能的的影响规律（a）水泥土（b）水泥砂砾相同作用频率率和作用次数数条件下冲刷刷量随作用力力大小的变化化综合路面基层层实际冲刷状状态和室内试试验的可实现现性和敏感性性，推荐标准准冲刷试验条条件是：作用用力为0.5MPa，作用频率为10Hz；作用总时段为为30min。稳定细粒土基基层材料试验验结果与分析析（a）石灰土（b）水泥土（c）二灰土稳定细粒土的的冲刷试验条条件：0.5MPa10Hz稳定粗粒土基基层材料试验验结果与分析析（a）水泥砂砾（b）二灰砂砾（c）水泥碎石（d）二灰碎石稳定粗粒土的的冲刷试验条条件0.5MPa；10Hz结论1．无机结合合料（石灰、、水泥、二灰灰）稳定细粒粒土的冲刷量量随冲刷时间间的延长而线线性增长；稳稳定粗料土的的冲刷量随冲冲刷时间的延延长呈曲线增增长，早期增增长速率大，，后期增长速速率减缓。2．无机结合合料稳定细粒粒土在相同时时段内的冲刷刷量均随着结结合料剂量的的增大而减小小。常用结合合料剂量下，，二灰土、水水泥土较好，，石灰土较差差。相同水泥泥剂量与集料料级配条件下下，水泥或二二灰碎石的抗抗冲刷性能优优于石灰或二二灰砂砾。其其中，水泥稳稳定条件下该该规律更明显显。3．随着压实实度降低，半半刚性基层材材料的抗冲刷刷能力显著下下降。4．透水性基基层材料一方方面具有良好好的抗冲刷能能力，另一方方面因大孔隙隙的影响，材材料结构强度度和整体性降降低。5．无机结合合料稳定粗粒粒土的抗冲刷刷性能与其抗抗压强度大小小的关系不及及稳定细粒土土密切。稳定集料基层层配合比体体积设计计方法稳定集料基层层配合比体体积设计计法步骤（一）、集料料级配的确定定骨架密实型混混合料的集料料级配应按逐逐级填充方法法，通过试验验确定。（二）、集料料空隙率的确确定1、确定集料料的配合比根据设计级配配范围及各规规格集料的级级配情况确定定集料的配合合比。如：1号料：2号号料：3号料料=w1：w2：w3(内掺配合比)2、测定各档档集料的视密密度和吸水率率按集料试验规规程分别测定定各档集料的的视密度,如如1号料、2号料、3号号料的视密度度分别记为ρ1、ρ2、ρ3，合成集料的视视密度ρ集料=1/(w1/ρ1+w2/ρ2+w3/ρ3)；按集料试验规规程分别测定定各档集料的的吸水率。如如1号料、2号料、3号号料的吸水率率分别为X1、X2、X3，则合成集料的的吸水率w集料=（X1*w1+X2*w2+X3*w3）/100。。3、测定集料料的堆积密度度以及压实密密度测定按配合比比合成的集料料润湿时堆积积密度PD、振实密度PZ4、计算集料的空空隙率集料堆积空隙隙率：VvD=(1-ρD/ρ集料)*100%集料振实空隙隙率：VvZ=(1-ρZ/ρ集料)*100%（二）、结合合料组成与密密度的确定对于石灰粉煤煤灰稳定集料料，根据经验验或通过不同同比例的二灰灰强度试验确确定石灰、粉粉煤灰之间的的比例。通过击实试验验测定上述比比例条件下的的二灰的最大大干密度Dmax二灰和最佳含水量量w二灰（三）、混合合料重量配合合比的确定1、石灰、粉粉煤灰的用量量计算混合料中二灰灰用量的体积积百分率（Vv二灰）应在集料的的堆积空隙率率（VvD）与振实空隙率率（VvZ）之间，设计时时可按振实空空隙率（VvZ）计算，即取Vv二灰=VvZ。试拌试铺时若若发生离析或或摊铺困难时时可增大二灰灰用量，但最最大体积百分分率不应大于于集料的堆积积空隙率（VvD）。1m3混合料中二灰灰的重量W二灰=1×Vv二灰×Dmax二灰根据二灰之间间的比例可计计算出Dmax二灰中石灰W石灰和粉煤灰重量量W粉煤灰。2、集料用量量计算按振实密度（（VvZ）计算单位体积积混合料集料料的重量。1m3混合料中集料料的重量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、混合料的重量量配合比按1m3混合料集料、二灰灰的用量确定其质质量百分比。即：：二灰质量百分率w二灰=W二灰/（W二灰+W集料）×100%集料质量百分率w集料=W集料/（W二灰+W集料）×100%石灰质量百分率w石灰=W石灰/（W二灰