半刚性基层振动成型法

半刚性基层振动成型法第一页，共64页。主要内容当前工程施工中一些现象当前设计方法分析及对策

水稳基层收缩裂缝机理水稳基层材料组成结构对收缩性能影响分析骨架密实型水稳基层材料组成设计方法半刚性材料振动设计法实体工程应用情况已应用的实体工程经济社会效益分析骨架密实型水稳基层离析控制技术研究现场质量控制技术

第二页，共64页。当前工程施工中的一些现象

半刚性基层在沥青面层铺筑前大量出现裂缝现象（不正常）已司空见惯；水泥稳定碎石混合料的水泥剂量应达到5～6％以上（过高）几乎成为共识；施工后的水泥碎石基层表观密实、特别是光滑（级配不良）事实上已成为水泥稳定碎石基层质量控制的重要标准；工程中为达到设计强度指标及保证路面芯样完整，提高水泥剂量（非唯一方式）几乎成为最有效的手段；第三页，共64页。当前工程施工中的一些现象

现场芯样无侧限抗压强度往往远大于室内静压法成型试件强度的原因（室内成型方式与现场不匹配）很少被考虑；现有压实设备下，无需对施工工艺严格控制也能达到较高的压实度（压实度超百现象普遍存在，其实质是重型击实法确定的压实度标准偏低）已被接受。但正是在压实度容易达到的情况下，基层的压实反而被忽视。第四页，共64页。当前设计方法分析及对策

新旧沥青路面设计规范对比振动法设计水泥稳定碎石首次列入规范级配对比：骨架密实型级配首次列入规范水泥剂量：最大水泥剂量由原来的6.0％降低为5.5％31.5199.54.752.360.60.07597版10088～9957～7729～4917～358～220～706版悬浮密实10090～10060～8029～4915～326～200～506版骨架密实10068～8638～5822～3216～288～150第五页，共64页。当前设计方法分析及对策

当前设计方法的缺点虽然提出了振动法，但如何利用振动法来设计水泥稳定碎石材料组成目前还没有明确和统一的操作规程。这就限制了振动法的应用。因此，目前还是沿用重型击实法和静压成型试件法进行材料组成设计，这种击实方式和室内成型方式与现场碾压方式不匹配。随着新规范提出振动法设计水泥稳定碎石，各仪器厂商为了占据市场，也纷纷推出了各自的振动仪，各厂家仪器振动原理不一，致使能满足使用要求的仪器并不多。第六页，共64页。当前设计方法分析及对策当前设计方法的缺点重型击实方法重型击实法是根据八十年代主流压路机12t～15t提出来的，显然不能适应现在普遍使用20～22t压路机，导致确定的最大干密度与20～22t压路机相比偏低，出现现场压实度超百现象也就不足为奇。重型击实法确定最大干密度和最佳含水量本身试验方法存在问题第七页，共64页。当前设计方法的缺点质量控制指标单一沥青路面两大破坏车辙和开裂，与基层有关的自然是开裂。导致基层开裂的两大因素是荷载产生的疲劳开裂和温缩与干缩开裂，纵观现有高速公路路面开裂，更主要的原因在于温缩与干缩引起的开裂，而非荷载型裂缝。也就是说高速公路至少在54cm以上厚基层和底基层，其强度不是主要问题，主要问题在于减少基层的温缩与干缩引起的开裂。然而，现场能否取出完整芯样已成为目前默认评价基层质量好坏的重要指标。而影响取芯因素有内因和外因之分外因：养生期间温度、湿度和取芯机等内因：级配类型、水泥剂量、含水量、压实度等当前设计方法分析及对策第八页，共64页。

当前设计方法的缺点设计水泥剂量偏大重型击实法确定最佳含水量偏高，静压成型时有多余的水流出，带着了部分水泥浆，而造成试件内实际水泥剂量要低于加入水泥剂量；静压成型时骨架结构有可能被破坏，导致形成骨架的集料被压碎，而压碎面内是不可能有粘结材料的，结果出现天然薄弱面，而降低强度。现场振动压实表面有可能存在集料被压碎现象，但是内部是不可能发生的；现场含水量高，至多出现弹簧现象，水不可能带走水泥。当前设计方法分析及对策第九页，共64页。当前设计方法的缺点规范级配存在问题新规范虽然提到了骨架密实级配，并给出了级配范围，但工程实践证明，按规范提供的级配施工出来的基层并不能实现骨架密实结构的目标，只能是一种骨架空隙结构。关于最大粒径问题最初的出发点：平整度和机械磨损。新旧规范均要求最大粒径不得超过31.5mm，工程实践表明，37.5mm的效果优于31.5mm。建议在基层最大粒径放宽至37.5mm。当前设计方法分析及对策第十页，共64页。当前设计方法分析及对策

当前基层中出现问题的解决方案振动法确定最大干密度和最佳含水量－提高压实度标准振动法成型试件测试抗压强度－确定水泥剂量合理的骨架密实级配范围研究科学的现场质量控制技术第十一页，共64页。水稳基层收缩裂缝机理水稳基层材料温度收缩机理固相外观胀缩性：由于组成固相不同的矿物、结晶、非结晶体相互嵌挤、相互胶结而具有不同的热胀缩性。当温度变化时，必然产生内应力，宏观外部的热胀缩性应该是固相颗粒之间的相互牵制、约束、相互作用的综合效应。就水稳基层材料的主要矿物组成可分为原材料矿物和新生胶结物两大类。原材料一般具有较小的热胀缩性，其中粉煤灰的热胀缩性最小；而新生胶结物则具有较大热胀缩性。

水对热胀缩性的影响：扩张作用、毛细管水的表面张力作用、冰冻作用第十二页，共64页。水稳基层收缩裂缝机理影响水稳基层材料温度收缩的因素含水量：在干燥和饱水情况下有较小值，而在非饱水含水量下有较大值；集料含量：随集料含量增加，在“趋近”作用和“稳定”作用双重影响下，水稳基层材料将会有一个在某种含水量下、温度下较稳定、且趋近于集料的热胀缩系数。水泥剂量：结构性影响作用过程使材料整体温度收缩值变小，而水化物增多而引起基层材料温度收缩系数增大

温度：热胀缩性随温度的降低而有所降低第十三页，共64页。水稳基层收缩裂缝机理水稳基层干燥收缩机理水分的迁移：毛细孔中水的蒸发固相表面的吸附水蒸发和解附毛细管张力作用吸附水和分子间力作用层间水作用和碳化收缩作用

分子间力的作用与相对湿度与含水量的关系半刚性材料中毛细管半径r、颗粒间距离的关系毛细管张力及相对湿度关系曲线

干缩作用过程示意图αd-w（或P/P0）变化规律

第十四页，共64页。水稳基层收缩裂缝机理影响水稳基层材料干燥收缩的因素集料含量:集料含量适宜时，可提高整体材料的强度，降低干燥收缩值。

龄期:龄期增加，胶结物不断生成，整体材料孔隙率下降，强度增加，干缩减小。

施工质量:压实度小、含水量过大，会使材料中孔隙率增加，强度降低

环境因素:高温和相对湿度小的环境将会导致产生较大的干燥收缩第十五页，共64页。水稳基层材料组成结构

对收缩性能影响分析图2.8实际结构状态对于图2.7理想状态而言，隔离层厚度为零，所以混合料收缩变形很小，水泥浆在混合料中仅以一种形式存在于集料间的框架内，即图中阴影a1部分。相对于理想状态而言，超出集料框架空隙以外的水泥浆称为“富余”水泥浆，而正是由于“富余”水泥浆的存在，在实际状态下，水泥浆以两种形式分布于集料间（图2.8），一部分存在于集料围成的空隙a2内，另一部分则以b2形式存在于集料的隔离层内。“富余”水泥浆的多少是影响水稳碎石收缩变形大小的重要因素。“富余”水泥浆增加，则集料间的隔离层厚度增加，收缩变形增大，水稳基层的收缩变形就加剧。第十六页，共64页。由以上“富余”水泥浆导致水稳基层材料缩裂的过程可知，减少水稳基层材料的收缩裂缝，就应尽量减少“富余”水泥浆的存在。那么如果混合料中的粗集料形成骨架，而用水泥浆与细集料形成的水泥砂浆填充粗集料的空隙，使“富余”水泥浆在收缩时受到细集料的约束，同时控制水泥浆的用量，这样就能有效地减少水稳基层材料产生的裂缝。如图2.9所示。

水稳基层材料组成结构

对收缩性能影响分析图2.9约束结构第十七页，共64页。

减少水稳基层材料的收缩裂缝，就应尽量减少“富余”水泥浆的存在。那么如果混合料中的粗集料形成骨架，而用水泥浆与细集料形成的水泥砂浆填充粗集料的空隙，使“富余”水泥浆在收缩时受到细集料的约束，同时控制水泥浆的用量，这样就能有效地减少水稳基层材料产生的裂缝。

水稳基层材料组成结构

对收缩性能影响分析第十八页，共64页。骨架密实型

水稳基层材料组成设计方法

材料组成设计的指导思想：水稳基层材料强度主要来源于集料颗粒的内摩阻力和填充料的粘结力，除了使水稳基层材料中的粗集料紧密排列，形成良好的骨架结构之外，密实的水泥砂浆应填满骨架间隙，并将骨架粘结成为整体，这样的结构型式是水稳基层充分发挥优良路用性能的必要条件。(a)悬浮密实结构(b)骨架孔隙结构(c）骨架密实结构半刚性基层材料典型结构示意图第十九页，共64页。骨架密实型

水稳基层材料组成设计方法设计过程分为三个部分：第一部分是粗集料级配的设计，采用逐级填充方法使粗集料形成骨架结构；第二部分是细集料级配的设计，采用理论计算方法使细集料与结合料形成具有较强的粘聚力；第三部分是粗集料和细集料之间比例的设计，通过试验与理论计算将细集料填充于粗集料中的空隙内，使组合后的混合料能够形成骨架密实结构。

第二十页，共64页。粗集料级配确定

（1）根据现行基层施工技术规范，试验时确定主骨料规格D0为19～31.5mm，利用公式ρ=M/V计算其振实或插捣密度；（2）记D0的用量为100，D0的下一级粒径记为D1（9.5～19mm），以D0用量的5%为步长，将粒径为D1的集料逐级填充到D0中，建立填充数量与插捣或振实密度关系曲线。在插捣或振实密度关系曲线上选取插捣或振实密度较大的几组D1用量，作为D1用量。（3）D1的下一级粒径记为D2（4.75～9.5mm），同样以D0用量的5%为步长，将粒径为D2的集料与粒径为D0、D1的混合料拌和均匀后进行插捣或振实，并建立填充数量与插捣或振实密度关系曲线，确定D2用量。（4）依次类推，即可确定粗集料的级配。

骨架密实型

水稳基层材料组成设计方法第二十一页，共64页。骨架密实型

水稳基层材料组成设计方法粗集料级配确定

粗集料的级配比例确定为70:30:40

第二十二页，共64页。骨架密实型

水稳基层材料组成设计方法

细集料级配的确定

细集料级配主要由I法和室内试验相结合，着重考虑其强度和收缩性而定

第二十三页，共64页。骨架密实型

水稳基层材料组成设计方法

细集料级配的确定

细集料的级配按I法确定，I值取为0.65。

第二十四页，共64页。骨架密实型

水稳基层材料组成设计方法

粗集料与细集料最佳比例研究

第二十五页，共64页。筛孔（mm）各档集料在不同筛孔(mm)的通过率（％）31.5199.54.752.361.180.60.075骨架密实型SJ100～9084～7054～4438～2828～18－18～107～0悬浮密实型GF100.089～7267～4749～2935～17－22～87～0骨架密实型

水稳基层材料组成设计方法第二十六页，共64页。悬浮密实结构骨架密实结构骨架空隙结构

骨架密实型

水稳基层材料组成设计方法第二十七页，共64页。第二十八页，共64页。第二十九页，共64页。半刚性材料振动设计法

原材料检测：包括水泥、碎石、石灰、粉煤灰等。骨架密实级配的确定：根据原材料筛分结果，确定特定工程的骨架密实结构级配范围，并确定目标级配。振动法确定最大干密度和最佳含水量：根据确定的振动参数，用振动法确定半刚性材料的最佳含水量及最大干密度。并与重型击实法结果进行对比。振动法成型试件:标准养生后进行无侧限抗压强度试验，确定最佳水泥剂量。同时进行静压法无侧限抗压强度试验，与振动法设计结果进行对比。第三十页，共64页。第三十一页，共64页。第三十二页，共64页。压实功一定的情况下，随着含水量增大，直至达到最大含水量时，水起润滑作用，干密度逐渐增大；继续增大含水量，起阻碍作用，干密度反而减小。压实功增大，最大干密度增大，最佳含水量降低重型击实法是根据八十年代主流压路机12t～15t提出来的，显然不能适应现在普遍使用20～22t压路机，导致确定的最大干密度与20～22t压路机相比偏低，出现现场压实度超百现象也就不足为奇。振动击实仪更好地模拟了现场的压实作用重型击实法本身试验方法存在问题两种方法确定最大干密度和最佳含水量差异的原因实体工程应用情况

第三十三页，共64页。振动法确定最大干密度和最佳含水量将各规格的集料烘干，按比例配料6.0kg按4.0％含水量加水充分拌和按四分法约取5.5kg边插捣边装料至15mm×15mm试模齐平，连同试模称重，记为m1将试模放置振动台振动100s，取下连同试模称重，记为m2，根据m1－m2不超过30g确定最佳含水量。若超过说明含水量太大，降低含水量重复上述步骤。若没超过30g，继续加大含水量重复上述步骤。将试模移至脱模器脱出试件，量取试件高度和重量，计算湿密度和干密度实体工程应用情况

第三十四页，共64页。第三十五页，共64页。第三十六页，共64页。重型击实法确定最大干密度偏低重型击实法确定最佳含水量偏高，静压成型时有多余的水流出，带着了部分水泥浆，而造成试件内实际水泥剂量要低于加入水泥剂量；静压成型时骨架结构有可能被破坏，导致形成骨架的集料被压碎，而压碎面内是不可能有粘结材料的，结果出现天然薄弱面，而降低强度。振动法避免了集料被压碎的现象，显然强度要高于静压法成型的试件。现场振动压实表面有可能存在集料被压碎现象，但是内部是不可能发生的；现场含水量高，至多出现弹簧现象，水不可能带走水泥。两种方法设计混合料抗压强度差异的原因实体工程应用情况

第三十七页，共64页。第三十八页，共64页。第三十九页，共64页。第四十页，共64页。第四十一页，共64页。第四十二页，共64页。第四十三页，共64页。第四十四页，共64页。第四十五页，共64页。第四十六页，共64页。第四十七页，共64页。第四十八页，共64页。第四十九页，共64页。第五十页，共64页。第五十一页，共64页。第五十二页，共64页。第五十三页，共64页。第五十四页，共64页。已应用的实体工程2003年建丹拉高速天津段K39+700～K45+303，共计5.2km。2004年青银高速河北段，共计180km。2004年京沪高速公路一期工程，共计35km。2005年天津威乌高速公路，共计40km。2005年内蒙二连浩特至河口高速公路，共计250km。2006年河南濮安高速公里，共计60km，平均缝距200m以上2006年河南扶项高速公路，共计140km。2006年河南信南高速公路，共计180km。2007年河南宛坪高速公路，共计150km第五十五页，共64页。经济社会效益分析

节约水泥稳定碎石基层材料费约6％。水泥剂量至少降低1.0%，水泥价格350元/吨计。保守估计，38cm水泥稳定碎石基层每公里至少可节省费用10万元左右。水泥剂量的减少，可以大大降低基层收缩裂缝。裂缝减少，极大的减少了养护工作和养护费用。养护工作的减少所带来的社会效益也是非常巨大的。第五十六页，共64页。减少原材料颗粒组成变异性的方法集料二次筛分

配比随时调整完善管理，减少集料颗粒组成变异性

拌和厂二次筛分装置

骨架密实