第章无机结合料稳定材料及路面二

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材料可以以进行小小梁弯拉拉疲劳试试验，但但是一般般认为其其变异性性较大。。室内小梁梁弯拉疲疲劳试验验设备照照片（三分点点加载））同时由于于劈裂试试验更能反映映材料在在路面结构中中的受力力状态，因此此实际常常采用劈裂疲疲劳试验验。劈裂试验验示意图图1）通过过不同应应力比(应变水水平)疲疲劳试验验可测绘绘出疲劳劳曲线；；2）在一一定的应应力（应应变水平平）水平平条件下下，材料料的疲劳劳寿命取取决于材材料的强强度和刚刚度，强强度愈大大刚度愈愈小，疲疲劳寿命命就愈长长；跟试试验温度度的变化化关系不不大。3）σf/σs<50%时时，原则则上可至至无穷加加荷次数数，但材材料本身身变异性性大，实实际试验验中因材材料的不不均匀性性，疲劳劳寿命要要小得多多。二灰砂砾砾（小梁梁）应力力强度比比疲劳寿寿命曲线线4、无机机结合料料稳定材材料的干干缩和温温缩无机机结合料料稳定材材料拌和和压实后后，由于于失水干干燥，或或降温影影响而收收缩。由由此可引引起收缩缩应力及及开裂破破坏。一般般衡量材材料的体体积变化化相对较较难，因因此，实实际中往往往采取取一维单单向变化化测定来来反映材材料的收收缩性能能，通过过收缩应应变及收收缩系数数来表征征材料的的收缩性性能大小小。5））干缩试试验试件件：100mm×100mm×400mm梁式试试件，标标准养护护条件下下养护7天；条件件：温度度为25℃，湿湿度50％左右右；检测测：第1天为6小时一一次，第第2～5天为12小时时一次，，之后24小时时一次，，直到含含水量基基本不变变为止；；6））温缩试试验试件件：100mm×100mm×400mm梁式试试件，标标准养护护条件养养护28天；温度度范围：：+55℃～-25℃℃，每10℃为为一个温温度区段段时间间设定：：降温时时间10min（即1℃/min）），恒温温120min。WGD高高低温交交变环境境箱数据采集集系统7、无机机结合料料稳定材材料的收收缩特性性①干燥收收缩湿度在材材料使用用过程中中总有变变化，但但一般更更多考虑虑的是材材料在成成型之初初的湿度度降低影影响。1）收缩缩机理(原因)♦毛细管管作用♦吸附作作用♦分子间间力作用用♦矿物晶晶体或凝凝胶体层层间水作作用♦碳化收收缩作用用7、无机机结合料料稳定材材料的收收缩特性性2）干缩缩影响因因素：无机结合合料稳定定材料的的干缩特特性的大大小与结结合料的的类型、、剂量、、被稳定定材料的的类别、、粒料含含量、小小于0.6mm细颗粒粒含量、、试件含含水量和和龄期等等有关。。3）几种种材料的的干缩比比较对稳定粒粒料类，，三类半半刚性材材料的干干缩特性性的大小小次序为为：石灰灰稳定类类>水泥泥稳定类类>石灰灰粉煤灰灰稳定类类对于稳定定细粒土土，三类类半刚性性材料的的收缩性性的大小小排列为为：石灰灰土>水水泥土和和水泥石石灰土>石灰粉粉煤灰土土4）干缩缩的发生生与预防防①选择择稳定剂剂种类与与用量；；②控制制材料成成型时的的含水量量及成型型时机；；③保湿湿养生。。②温温度收缩缩1）收缩缩原理：：由固相、、液相和和气相组组成。半半刚性材材料的外外观胀缩缩性是三三相的不不同温度度收缩性性的综合合效应表表现。一般气相相大部分分与大气气贯通，，在综合合效应中中影响较较小，可可以忽略略，原材材料中砂砂粒以上上颗粒的的温度收收缩系数数较小，，粉粒以以下的颗颗粒温度度收缩较较大。2）无机机结合料料稳定材材料的温温缩影响响因素无机结合合料稳定定材料温温度收缩缩的大小小与结合合料类型型和剂量量、被稳稳定材料料的类别别、粒料料含量、、龄期等等有关3）不同同材料的的温缩比比较石灰土砂砂砾（16.7×10-6））>悬浮浮二灰粒粒料（15.3×10-6））>密实实式二灰灰粒料（（11.4×10-6）和水水泥砂砾砾（5～～7％水水泥剂量量为10～15×10-6））4）温缩缩的发生生时节及及控制时节：冬冬季低温温控制：选选择材料料种类与与配比经过一定定龄期的的养生，，半刚性性材料的的变形以以温度收收缩为主主。半刚性基基层修建建初期，，同时受受到干燥燥收缩和和温度收收缩的综综合作用用。8、施工工注意事事项（1）注注意无机机结合料料稳定材材料类型型选择稳定细粒粒土如石石灰土、、水泥土土、石灰灰水泥土土及二灰灰土不宜宜用作高高等级道道路沥青青路面的的基层，，原因在在于：①稳定细细粒土的的干缩和和温缩性性均较稳稳定粗粒粒土的干干缩和温温缩性大大很多，，因此稳稳定细粒粒土基层层可能会会产生相相对更加加严重的的收缩裂裂缝，并并反射到到沥青面面层上形形成反射射裂缝；；②裂缝产产生后，，雨水的的浸入会会加剧稳稳定细粒粒土基层层及沥青青路面的的病害；；（2）注意意施工季季节；（3）注意意材料组组成设计计；（4）注意意施工含含水量、、压实度度、强度度等控制制在规定定的范围围；（5）注意养养生与保湿；（6）注意减减少施工车辆的养养生期间的作用。。③稳定细粒土基层层对施工环境和工工序的要求更加严严格，会导致施工工污染或者施工质质量差等不利情况况。第三节石灰稳定类类基层/底基层1、石灰稳定（底底）基层在粉碎的土土或原状松散的土土（包括各种粗、、细粒土）中，掺掺入适量的石灰和和水，按照一定技技术要求，经拌和和，在最佳含水量量下摊铺、压实及及养生，以达到（（底）基层抗压强强度。用石灰稳定定细粒土得到的混混合料简称石灰土土，所做成的基层层称石灰土基层（（底基层）。石灰稳定不但具有有较高的抗压强度度，而且也具一定定的抗弯强度，且且强度随龄期逐渐渐增加。因此，一一般可用于低等级级公路的基层或底底基层。石灰稳定土因其水水稳定性较差，不不应做高速公路或或一级公路的基层层，必要时可以用用作底基层。在冰冰冻地区的潮湿路路段以及其他地区区的过分潮湿路段段，也不宜采用石石灰土做基层2、石灰稳定材料料的强度形成机理理1）离子交换作作用土具有胶体性质，，表面带负电荷，，并吸附钠离子、、钾离子和氢离子子，石灰中的钙离离子会与其发生离离子交换作用，形形成钙土，减小了了土颗粒表面水膜膜厚度，分子引力力增加。2）碳酸化作用生成的碳酸钙是坚坚硬的晶体，具有有较高的强度和水水稳性，对土的胶胶结作用使土得到到了加固。石灰土表面面钙化后，，形成硬壳壳层，进一一步阻碍了了二氧化碳碳的进入，，碳化过程程十分缓慢慢，是形成成石灰土后后期强度的的主要原因因。3）结晶晶作用经过结晶作作用，消石石灰逐渐由由胶体转化化为晶体，，晶体间能能够相互结结合，与土土形成共晶晶体，从而而使得土粒粒胶结成整整体。4）火山山灰作用土中充分的的硅、钙离离子是火山山灰作用的的前提，同同时必须增增加土的碱碱性；火山山灰作用生生成物具有有水硬性性性质，是构构成石灰土土早期强度度的主要原原因。离子交换作作用与火山山灰作用，，是构成石石灰土早期期强度的主主要因素；；后期强度则则更多源于于碳酸化作作用和结晶晶作用。由于石石灰与土发发生了一系系列的相互互作用，从从而使土的的性质发生生根本的改改变。在初期，主主要表现为为土的结团团、塑性降降低、最佳佳含水量增增加和最大大密实度减减小等；后期主要表表现为结晶晶结构的形形成，从而而提高其板板体性、强强度和稳定定性。3、石灰稳稳定材料的的强度影响响因素1）土质：：各种成因土土都可用石石灰稳定；；塑性指数低低于10以下的低塑塑性土（这这与水泥稳稳定土刚好好相反）不不适宜稳定定；适宜于稳定定粘性土，，尤其是塑塑性指数在在12～20的粘性土。。原因：粘性颗粒的的活性强、、比表面积积及表面能能大，掺入入石灰稳定定材料后，，形成的四四种作用比比较活跃，，石灰土强强度随土塑塑性指数的的增加而增增大；重粘土虽然然粘土颗粒粒含量高，，但是不易易粉碎和拌拌和，稳定定效果反而而不好。2）灰质：：石灰应采用用消石灰粉粉或生石灰灰粉，对高高速公路或或一级公路路宜用磨细细的生石灰灰粉。石灰灰质量应符符合III级以上的的技术指标标，并要尽尽量缩短石石灰的存放放时间。石灰剂量：：是石灰质质量占全部部土颗粒的的干质量的的百分率。。石灰剂量对对石灰稳定定土的强度度影响非常常显著。在石灰剂量量较低时（（小于3～4％），起稳稳定作用，，土的塑性性、膨胀、、吸水量减减小，使土土的密实度度、强度、、和易性等等得到改善善；随着剂量的的增加，强强度和稳定定性均提高高；但剂量超过过一定范围围后，强度度反而降低低。常用最佳剂剂量范围：：粘性土及粉粉性土为8～14％；砂性土则为为9～16％；最终根据结结构层技术术要求进行行混合料组组成设计。。3）石灰剂剂量4）含水量量：最佳含水量量及略小于于最佳含水水量时最易易压实达到到较高的压压实度；石灰稳定类类材料的最最佳含水量量需要通过过标准击实实试验进行行确定；经验公式为为：石灰土土的最佳含含水量＝素素土的最佳佳含水量＋＋拌和过程程中的蒸发发量（约在在1.5%左右）＋石石灰反应所所需的水（（0.2×石灰剂量））。5）密实度：：石灰稳定土土的强度随随密实度的的增加而增增长；实践证明，，石灰稳定定土的密实实度每增减减1%，强度约增增减4%左右；密实的石灰灰稳定土，，其抗冻性性、水稳定定性好，缩缩裂现象也也少。Rt=R1tβR1—一个个月龄期的的抗压强度度；Rt—t个个月龄期的的抗压强度度；β—系数，，约0.1～0.5。石灰稳定土土的强度随随龄期增长长，一般初初期强度较较低，前期期(1～2个月)的的增长速率率较后期快快。其强度度与龄期的的关系可表表示为：6）龄期：：温度高，物物理化学反反应快，强强度增长快快，反之则则慢；负温条件下下甚至不增增长；施工期的最最低温度应应在5℃以上，并在在第一次重重冰冻(-3～－5℃)到来之前1个月～1个半月完成成；在一定潮湿湿条件下养养生强度的的形成比在在一般空气气中养生要要好。7）养生条条件（温度度与湿度））：4、石灰稳稳定类材料料的缩裂防防治1）严格控控制压实含含水量：石石灰稳定土土含水量过过多产生的的干缩裂缝缝显著，压压实时含水水量应略小小于最佳含含水量。2）严格控控制压实标标准：压实实度小时产产生的干缩缩比压实度度大时严重重，应尽可可能达到最最大压实度度。3）严格养养生条件：：干缩发生生在成型初初期，要重重视初期的的保湿养护护，保证石石灰稳定土土表面处于于潮湿状况况。4）禁防干干晒：石灰灰稳定土施施工结束后后可及早铺铺筑面层，，使石灰稳稳定土基层层含水量不不发生大的的变化，从从而减轻干干缩裂缝。。5）施工季季节：温缩缩的最不利利季节是材材料处于最最佳含水量量附近，而而且温度在在0～-10℃时，，因此施工工要在当地地气温进入入0℃前一一个月结束束，以防在在不利季节节产生严重重温缩。6）控制剂剂量：在满满足强度要要求情况下下，尽可能能选择较低低剂量的无无机结合料料；在石灰灰稳定土中中掺加60～70%的集料也也可提高其其强度、稳稳定性和抗抗裂性。7）反射裂裂缝的防治治：（1）设置置联结层；；（2）铺筑筑碎石隔离离过渡层；；（3）提高高沥青下面面层抗裂性性能5、石灰稳稳定类材料料的混合料料设计1））混合料的的设计步骤骤根据强度标标准，通过过试验选取取合适的土土制备相同土土样，不同同石灰剂量量的混合料料确定最佳含含水量及最最大干压实实密度按最佳含水水量和工地地压实密度度制备试件件无侧限抗压压强度，选选定合适的的石灰剂量量2））石灰稳定定土的强度度及压实要要求在规定温度度(北方冰冻地地区为20±2℃℃，南方非冰冰冻地区为为25土2℃)下保湿养生生6d（湿度为95%）浸水1d，进行无侧侧限抗压强强度试验。。要求试验验测定的强强度符合上上表规定。。工地实际采采取的石灰灰剂量应较较室内试验验确定的剂剂量多0.5％~1.0％。3））石灰稳定定土的施工工石灰土冻坏坏第四节水泥泥稳定类基基层/底基基层1、水泥稳稳定类材料料的定义在粉粉碎或原状状松散土中中，掺入适适量水泥和和水，按技技术要求进进行拌和、、摊铺，在在最佳含水水量时进行行压实和养养护成型，，抗压强度度符合要求求的基层称称为水泥稳稳定类基层层。水泥可可用来稳定定绝大多数数的土类，，改善其物物理力学性性质（高塑塑性粘土和和有机质较较多的土除除外)。水泥稳定类类一般可用于路路面结构的基层层和底基层。水泥稳定类基层层具有良好的整整体性、足够的的力学强度、抗抗水性和耐冻性性。其初期强度度较高，且随龄龄期增长而增长长，应用范围很很广；水泥稳定土包括括水泥稳定碎石石、砂砾、土等等多种材料，是是水泥稳定类基基层的总称；水泥土是水泥稳稳定细粒土（粘粘土、粉土、黄黄土等）的总称称。2、水泥稳定类类材料的特点和和种类水泥稳定过过程中，水泥、、土和水之间发发生了多种非常常复杂的作用。。化学作用：水泥颗粒的水化化、硬化作用；；有机物的聚合合作用；水泥水水化产物与粘土土矿物之间的化化学作用等。物理－化学作用用：粘土颗粒与水泥泥及水泥水化产产物之间的吸附附作用；微粒的的凝聚作用；水水及水化产物的的扩散、渗透作作用；水化产物物的溶解、结晶晶作用等。物理作用：如土块的机械粉粉碎作用，混合合料的拌和、压压实作用等。3、水泥稳定类类材料的强度形形成①水泥的水化作作用：②离子交换作用用：③化学激发作用用：当粘土颗粒周围围介质的pH值值增加到一定程程度时，其中的的部分Si02和A1203的活性将被激激发，与溶液中中的Ca2＋进进行反应，生成成新的矿物。这这些矿物具有胶胶凝能力。生成成的这些胶结物物质与水泥的水水化产物一起，，将粘土颗粒包包裹并凝结成一一个整体。④碳酸化作用：：1）土质各类砂砾土、砂砂土、粉土和粘粘土均可用水泥泥稳定。用水泥稳定级配配良好的碎(砾)石和砂砾的效果果最好，强度高高、水泥用量少少；其次是砂性土；；再次之是粉性土土和粘性土，一一般要求土的塑塑性指数不大于于17。4、影响水泥稳稳定土强度的因因素2）水泥的成分分和剂量通常情况下，硅硅酸盐水泥的稳稳定效果好，而而铝酸盐水泥较较差；水泥分散度增加加，其活性程度度和硬化能力也也有所增大；水泥土的强度随随水泥剂量的增增加而增长，水水泥用量过多，，经济上不合理理，且容易开裂裂；试验和研究证明明，水泥剂量为为3～5％较为合理。3）含水量4）施工工艺及及养生从开始加水拌和和到碾压完成一一般控制在6小时（最好3小时）之内，最最好在3小时之内；需湿法养生，保保证水泥充分水水化形成强度；；养生温度愈高，，强度增长的愈愈快。水泥正常水化所所需水量约为水水泥重的20%；砂性土，完全水水化达最高强度度的含水量较最最佳密度含水量量小，而粘性土土则相反。5)、水泥泥稳定类材料的的混合料设计根据强度标准，，通过试验选取取合适的土制备相同土样、、不同水泥剂量量的混合料确定最佳含水量量和最大干压实实密度按最佳含水量与与最大干压实密密度制备试件无侧限抗压强度度试验,选定合适的水泥泥剂量工地实际采取的的水泥剂量应较较实验室内试验验确定的剂量多多0.5％～1.0％。无侧限抗压强度度试验规定温度：北方方冰冻地区为20±2℃，南方非冰冻地地区为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。水泥稳定碎石拌拌合楼6)、水泥稳定定土的施工摊铺控制摊铺厚度碾压水泥稳定碎石基基层养生撒布透层油水稳碎石的干缩缩和温缩易导致致收缩裂缝；收缩裂缝反射到到沥青面层形成成大量反射裂缝缝；目前水稳碎石基基层裂缝解决方方法效果欠佳。。水稳碎石基层具具有强度高，稳稳定性好，抗冲冲刷能力强等优优点，广泛用于于我国公路的基基层与底基层。。1）存在问题2）裂缝处理主要从三三方面考虑：沥青面层——高性能改性沥青青，厚度，外加加剂，级配设置隔离层层、应力吸收层层或土工类材料料夹层水稳基层本本身——集料级配，水泥泥含量，外加剂剂，施工控制随着新材材料的发展，诸诸如聚酯玻纤布布一类的土工合合成防裂材料在在工程中初步应应用。第五节工业废渣渣稳定类基层/底基层1、工业废渣材材料道路工程程中应用的工业业废渣主要是指指具有一定水硬硬性特点的无机机工业废料，如如：粉煤灰、煤煤渣、钢渣、高高炉渣、铜矿渣渣及各种下脚料料。工业废渣渣一般可在有水水的条件下与石石灰等碱性材料料共同作用，产产生火山灰反应应，稳定各种粒粒径不同的土。。工程应用用中一般采用石石灰稳定工业废废渣或与工业废废渣共同稳定土土，其中最常用用的工业废渣为为粉煤灰，形成成石灰粉煤灰稳稳定路面基层，，简称为二灰稳稳定类基层。2、工业废渣渣材料及其特特点与应用石灰稳定定工业废渣基基层具有水硬硬性、缓凝性性、高强度、、稳定性好等等特点，能形形成板体且强强度随龄期不不断增加，抗抗水、抗冻、、抗裂性能好好，且收缩性性小，能够适适应各种气候候环境和水文文地质条件。。石灰稳定定工业废渣常常用作高级或或者次高级路路面的基层或或底基层。其其火山灰作用用的反应原理理如下：用铜矿石下脚脚料铺筑的（（底）基层3、二灰稳定定路面基层石灰粉煤灰(简称二灰)基层是用石灰灰和粉煤灰按按一定