无机结合料稳定类基层上课讲义课件

无机结合料稳定类基层学习单元：

1、路面基（垫）层分类及特点；

2、无机结合料稳定类基（垫）层路面工程基层主要承受由面层传来的车辆荷载垂直力，并把它扩散到垫层和土基中，因此，要求基层应有足够的强度和刚度。车轮荷载水平力作用，沿深度递减得很快，对基层影响很小，对基层材料的耐磨性可不予重视。基层应有平整的表面，以保证面层厚度均匀。基层遭受大气因素的影响虽比面层小，但难于阻止地下水上升。当面层透水时，也不能阻止雨水的渗入，所以基层结构应有足够的水稳定性。7/23/20233基层（底基层）可分为结合料（包括有机结合料和无机结合料）稳定类基层和无结合料的粒料类基层。其中无机结合料稳定类基层又称为半刚性或整体性基层，通常包括水泥稳定类、石灰稳定类和水泥、石灰综合稳定类。半刚性基层材料的显著特点是：整体性强、承载力高、刚度大、水稳定性强。是我国二级以上公路路面基层的主要结构形式。粒料类基层常分为嵌锁型和级配型。7/23/20234单元1、基（垫）层分类

一、路面垫层分类及特点根据材料选用不同分为透水性垫层和稳定性垫层。根据设置目的和作用不同分为稳定层、隔离层、防冻层、防污层、整平层和辅助层。7/23/20235单元1、基（垫）层分类

根据材料组成及使用性能的不同，基层分为：

（1）有结合料的稳定类

有机结合料的稳定类基层：如沥青碎石、沥青贯入式等

无机结合料的稳定类基层：如水泥、石灰、工业废渣等。

（2）无结合料的粒料类7/23/20236

半刚性基层：是用无机结合料与集料或土组成的混合料铺筑的，具有一定厚度的路面结构层――是二级以上公路的主要基层类型。

特点：整体性好、强度高、刚度大、水稳定性好、经济效益佳。

分类：按结合材料和强度形成机理的不同分为水泥稳定类、石灰稳定类、工业废渣稳定类。

7/23/20237任务2：无机结合料稳定基层7/23/20238

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、水泥矿渣等任务2：无机结合料稳定基层7/23/20239采用一定的技术措施使土成为具有一定的强度与稳定性的筑路材料，以此修筑的路面基层称为稳定土基层。

稳定土的方法有多种，按其采用的技术措施的不同可分为：机械方法（压实）、物理方法（改善水温状况）、化学方法（加入外掺剂）、技术处理（热处理、电化学加固）等。任务2：无机结合料稳定基层7/23/202310

稳定土方法的选择应根据道路结构对加固的要求，外掺剂或其它原材料的供应情况，施工情况及当地土的性质等，进行详细的经济技术比较后确定。任务2：无机结合料稳定基层7/23/202311无机结合料稳定基层在各种粉碎或原状松散的土、碎（砾）石、工业废渣中，掺入适当数量的无机结合料(如水泥、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类混合料，以此修筑的路面基层称为无机结合料稳定基层。

7/23/202312无机结合料稳定基层

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，常称之为半刚性材料。以此修筑的基层或底基层亦称为半刚性基层或半刚性底基层。在我国已建成的高速公路和一级公路中，大多数路面采用了这种基层。优点：稳定性好，抗冻性能强，结构本身自成板体。缺点：耐磨性差，干缩，温缩，养生期长。7/23/202313

无机结合料稳定材料具有稳定性好，抗冻性强、结构自成板体等特点，但由于其耐磨性差，因此被广泛用于修筑路面结构的基、垫层。无机结合料稳定材料的完工初期具有柔软的工作特征，随着时间的延长，其强度和刚度逐渐提高，板体性增加。结构成型后，其刚度介于柔性材料与刚性材料之间，故又称之为半刚性材料。7/23/202314半刚性材料的力学特征包括应力-应变关系，疲劳特性和收缩（温缩和干缩）特性。稳定材料的类别、粒料含量、龄期等有关。试验资料表明，以下几种半刚性材料的收缩性按由大到小的次序排列，即：石灰土砂砾（线收缩系数16.7×10-16，以下同）＞悬浮式石灰粉煤灰粒料（15.3×10-16）＞密实型石灰粉煤灰粒料（11.4×10-6）。7/23/202315水泥稳定砂砾的收缩性随水泥剂量的增加而加大，当水泥剂量为5%～7%时，其线收缩系数为10×106～15×10-6。

半刚性基层一般在气温较高时修建。成型初期内部含水量较高，且未被面层封闭，由于基层内部水分的蒸发，从而产生了由表及里的干燥收缩。同时，环境温度也存在着昼夜差异，因此，修建初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和温度收缩的综合影响，如不注意养生保护，易形成早期裂缝。7/23/2023161、半刚性路面面层拌和法半刚性面层：水泥砂浆+乳化沥青（渣油）+集料灌浆法半刚性面层：在大孔隙率的开级配沥青混凝土中灌注水泥(砂)浆注浆前注浆后内部结构状态

7/23/2023171、无机结合料稳定材料的应力-应变特性

半刚性材料最重要的特点之一就是其强度和模量随龄期不断提高。并逐渐具有刚性性质。一般规定，水泥稳定类材料的设计龄期为90d，石灰或石灰粉煤灰（又称二灰）稳定类材料的设计龄期为180d。在一定龄期（28日）条件下的试验资料表明，在较宽的范围内，半刚性材料的应力-应变关系基本呈线性关系。7/23/202318

1、无机结合料稳定材料的应力-应变特性

表征半刚性材料力学强度参数的指标：抗拉、抗压强度抗拉、抗压模量抗弯拉强度和抗弯拉模量7/23/202319

1、无机结合料材料的应力-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。7/23/202320

1）抗压强度及抗压回弹模量

（1）抗压强度，主要反映材料抵抗垂直荷载作用的能力。

一般在室内根据稳定材料的最大粒径制备试件，试件的直径×高分别为50×50mm、100×100mm或150×150mm的圆柱试件，经7d养护，并在试验前饱水浸泡1d后，在路面强度试验仪上进行抗压试验。7/23/2023211）抗压强度及抗压回弹模量

（1）抗压强度

试验时，应使试件的变形等速增加，并保持约1mm/min的速率。记录试件破坏时的压力，并计算无侧限抗压强度。7/23/202322

1）抗压强度及抗压回弹模量（2）抗压回弹模量，是路面结构厚度设计的重要参数之一，室内试验可采用承载板法和顶面法。

承载板法采用尺寸为d×h＝150×150mm的圆柱形试件，承载板直径37.4mm。采用分级加载卸载的试验方法，分别记录各级荷载作用下的回弹变形，按下式计算半刚性材料的回弹模量：7/23/202323

1）抗压强度及抗压回弹模量

（2）抗压回弹模量，是路面结构厚度设计的重要参数之一，室内试验可采用承载板法和顶面法。

顶面法利用量测变形的装置在路面强度试验仪上进行，试件尺寸为d×h＝100×100mm或150×150mm的圆住体，同样采用分级加、卸载的试验方法，并应分别记录每级荷载加载时的变形量及卸载后的变形量，计算材料的抗压回弹模量：7/23/202324

1）抗压强度及抗压回弹模量在现场实测材料的抗压回弹模量可采用整层试槽法进行。

整层试槽法是在现场行车道上专门修筑整层试槽，然后在其上选好测点，利用汽车或承载板加载，实测各点的回弹弯沉，而后利用弹性层状体系的理论公式，计算材料的回弹模量。7/23/202325试验时，将要求测定的稳定土材料或其它材料在车道上铺筑成整层试槽。为模拟半空间体的工作状态，根据设计标准轴载的应力分布的深度和范围，要求试槽的层厚和宽度应大于单圆荷载当量圆直径D的4～5倍，长度则可根据要求确定，试槽上的测点呈梅花形布置，测点间距及测点与试槽边缘间的距离，均应大于0.5m。7/23/2023262）具体测试步骤如下：（1）将测点作好标记，编号；（2）用黄河JN-150（或解放CA-10B）汽车或刚性承载板依次测量各点的回弹弯沉；（3）根据所测得的回弹弯沉由式（12-3）或（12-4）计算回弹模量。7/23/202327（4）根据观测次数，计算某次观测的极限值。若某观测点的值，大于表所规定的数值，则应舍弃该点，重新计算所余各点相应数值。承载板法：（12-3）汽车法：（12-4）

7/23/2023283）抗弯拉强度和弯拉回弹模量

抗弯拉强度是指结构层底部受弯时，抵抗其所产生弯拉应力的能力，当采用梁式试件时，弯拉强度由下式计算：（12-5）

抗弯拉回弹模量反映了材料的抗弯刚度，由下式计算：（12-6）7/23/202329

4）劈裂强度（间接抗拉强度），主要反映材料抵抗由温度作用而产生胀缩应力的能力和抗剪切能力。半刚性材料多用于道路基层，气温下降时，材料产生的收缩受到基层摩阻力的约束而在材料内部产生拉应力，若该拉应力大于材料的轴向抗拉强度，材料层即会被拉裂而出现裂缝。由于温度变化而造成的干缩与膨胀，同样可引起结构层开裂。7/23/2023304）劈裂强度（间接抗拉强度）劈裂试验采用直径×高等于50×50mm、100×100mm及150×150mm的试件。按规定方法成型、养护，饱水浸泡24h后。置于压力机上进行劈裂试验，施荷时使变形等速增加，并保持约1mm/min的速率。记录试件破坏时的最大压力Pmax，按下式计算间接抗拉强度：7/23/202331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、180d等）和不同温度（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。7/23/2023327/23/2023337/23/2023345）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，对于水泥稳定类材料的劈裂及模量的龄期90d，对于石灰或者二灰稳定类的龄期180d，水泥粉煤灰稳定类为120d，材料组成设计7d的抗压强度。

7/23/2023355）无机结合料稳定材料的设计龄期

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主要指标。7/23/2023362、半刚性材料的疲劳特征

受到重复荷载作用时，材料的强度将低于材料在承受静荷载作用时的极限强度，这种材料强度降低的现象，称为疲劳。一般有劈裂疲劳和小梁疲劳试验。

半刚性材料的疲劳性能通常可用应力水平与荷载作用的关系曲线来表示，该关系曲线在半对数坐标上呈最优拟合直线，表示该直线关系的方程称疲劳方程。7/23/2023372、半刚性材料的疲劳特征

疲劳的出现是由于材料内部存在缺陷，或有局部不均质现象，在荷载的作用下该处产生应力集中而出现微裂缝，应力的反复作用使微裂缝逐步扩展，从而不断减少有效受力面积最终异致破坏。这种破坏现象即称为疲劳破坏，破坏时重复应力的大小称为疲劳强度，而此时的应力作用次数即为疲劳寿命。7/23/2023382、半刚性材料的疲劳特征

半刚性材料的疲劳寿命主要取决于其应力水平即重复应力与极限应力之比的大小，当材料所受到的重复应力为极限应力的50%时，半刚材料可经受106次以上的重复荷载而不产生疲劳破坏。另外，在一定的应力条件下，材料的疲劳寿命还取决于其强度和刚度，强度愈高，疲劳寿命越长；而刚度越大，则疲劳寿命越短。7/23/2023392、半刚性材料的疲劳特征

7/23/2023402、半刚性材料的疲劳特征

7/23/2023412、半刚性材料的疲劳特征

7/23/2023422、半刚性材料的疲劳特征

7/23/2023433、无机结合料稳定材料的干缩和温缩特性

无机结合料稳定材料拌和压实后，由于水分挥发及其内部的水化作用引起干燥收缩，以及混合料受降温影响引起的温度收缩等。由此引起其体积收缩变化，表现出结构的收缩应力及开裂破坏。一般衡量材料的体积变化相对较难，因此，实际中往往采取一维单向变化测定来反映材料的收缩性能，通过收缩应变及收缩系数来表征材料的收缩性能大小。7/23/2023443、无机结合料稳定材料的干缩和温缩特性

半刚性材料是由固体、液体及气体组成的三相体。其中固体部分（原材料的颗粒）和其间的胶体结构组成了半刚性材料的空间骨架，液相部分与存在于固相表面为空隙中的水和水溶液，而气相则是存在于空隙中的气体。所以半刚性材料的胀缩性能是三相不同的温度收缩性能综合反应的结果。7/23/2023453、半刚性材料的温度收缩和干缩特性一般情况下，气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略。而原材料中较大颗粒（砂粒以上）的温度收缩系数较小，较小颗粒（粉粒以下）的温度收缩系数较大，它们之间的差别即反映了材料的胀缩性能。

半刚性材料温度收缩的大小与结合料的类别、剂量及稳定材料的类别、粒料含量、龄期等有关。7/23/2023463、无机结合料稳定材料的温度收缩特性（1）干缩试验7/23/2023473、无机结合料稳定材料的温度收缩特性（2）温缩试验7/23/202348试验资料表明，以下几种半刚性材料的收缩性按由大到小的次序排列，即：

石灰土砂砾（线收缩系数16.7×10-16，以下同）＞悬浮式石灰粉煤灰粒料（15.3×10-16）＞密实型石灰粉煤灰粒料（11.4×10-6）。

水泥稳定砂砾的收缩性随水泥剂量的增加而加大，当水泥剂量为5%~7%时，其线收缩系数为10×106~15×10-6。7/23/202349

半刚性基层一般在气温较高时修建。成型初期内部含水量较高，且未被面层封闭，由于基层内部水分的蒸发，从而产生了由表及里的干燥收缩。同时，环境温度也存在着昼夜差异，因此，修建初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和温度收缩的综合影响，如不注意养生保护，易形成早期裂缝。7/23/202350半刚性材料经拌和、摊铺、压实后，由于水分的挥发和混合料内部的水化作用，混合料内部的水分将逐渐减少由此而产生的毛细作用，吸附作用及分子力作用和材料间矿物晶体或凝胶体层间水的作用，碳化收缩作用等一系列物理化学反应，从而引起半刚性材料的体积收缩。7/23/202351

描述半刚性材料干缩特征的主要指标是最大干缩应变和平均干缩系数，干缩应变表征的是由试件水分损失而引起的单位长度收缩量（×10-6）；平均干缩系数则表示在某失水量时，试件的干缩应变与失水率之比，它们与结合料的类型、剂量、被稳定材料的类别、粒料含量，小于0.6mm颗粒的含量及试件的含水量和龄期等有关。7/23/202352

1）收缩机理（原因）毛细管作用；吸附作用；分子间力作用；矿物晶体或凝胶体层间水作用；碳化收缩作用7/23/202353

2）干缩影响因素无机结合料稳定材料的干缩特性（最大干缩应变和平均干缩系数）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细颗粒含量、试件含水量和龄期等有关。7/23/2023543）几种材料的干缩比较对于稳定粒料类，三类半刚性材料的干缩特性的大小次序为：石灰稳定类＞水泥稳定类＞石灰粉煤灰稳定类

对于稳定细粒土，三类半刚性材料的收缩性的大小排列为：石灰土＞水泥土和水泥石灰土＞石灰粉煤灰土7/23/2023554）干缩的发生与预防选择稳定剂种类与用量；控制材料成型时的含水量及成型时机；保湿养生。7/23/202356无机结合料稳定材料的干缩和温缩特性7/23/202357无机结合料稳定材料的干缩和温缩特性7/23/2023584、施工注意事项（1）注意无机结合料稳定材料类型选择稳定细粒土如石灰土、水泥土、石灰水泥土及二灰土不宜用作高等级道路沥青路面的基层，原因在于：1）稳定细粒土的干缩和温缩性均较稳定粗粒土的干缩和温缩性大很多，因此稳定细粒土基层可能会产生相对更加严重的收缩裂缝，并反射到沥青面层上形成反射裂缝；7/23/2023594、施工注意事项（1）注意无机结合料稳定材料类型选择稳定细粒土如石灰土、水泥土、石灰水泥土及二灰土不宜用作高等级道路沥青路面的基层，原因在于：2）裂缝产生后，雨水的浸入会加剧沥青路面的病害；3）稳定细粒土基层对施工环境和工序的要求更加严格，会导致施工污染或者施工质量差等不利情况。7/23/2023604、施工注意事项（1）注意无机结合料稳定材料类型选择（2）注意施工季节：（3）注意材料组成设计；（4）注意施工含水量、压实度、强度等控制在规定的范围；（5）注意养生与保温；（6）注意减少施工车辆的养生期间的作用。7/23/2023617/23/2023627/23/2023632、无机结合料稳定材料的力学性质强度特征应力-应变特性疲劳特征干缩特性温度收缩特性7/23/202364（1）强度特征

抗拉强度：小梁弯拉试验→抗弯拉强度直接拉伸试验→直接抗拉强度间接拉伸（劈裂）试验→间接拉伸强度（劈裂强度）7/23/202365（1）强度特征抗压强度：无侧限抗压试验→7d无侧限抗压强度

——无机结合料稳定类混合料的抗弯拉强度，MPa；——无机结合料稳定类混合料的无侧限抗压强度，MPa；龄期7/23/202366（2）应力-应变特性三轴压缩试验→应力-应变关系曲线→非线性；在应力水平较低时，应力-应变曲线近似线性→回弹模量。

室内承载板试验→7/23/202367（2）应力-应变特性

无机结合料稳定类材料的回弹模量值主要同