5无机结合料稳定类混合料土木工程材料

14:12:02凡是采用无机结合料（又称水硬性结合料）稳定的各种土，当其强度符合有关技术规范的基本要求时，都统称无机结合料稳定土混合料，包括石灰稳定土、水泥稳定土、石灰工业废渣稳定土和综合稳定土。在土中掺入石灰材料后，石灰与土之间发生强烈的作用，从而使土的性质发生根本的改变。14:12:025.1石灰稳定土在初期表现为土的结团、塑性降低、最佳含水量增大和最大密实度减少等；后期主要表现为结晶结构的形成，从而板体性、强度及稳定性提高。石灰可以作为胶结材料，也可以作为活化剂或激发剂14:12:025.1石灰稳定土一、石灰稳定土的技术性质1、石灰稳定土的强度特征在粉碎的或原来松散的土（包括各种粗、中、细粒土）中，掺入足量的石灰和水，经拌和、压实及养生后得到的混合料，当其抗压强度符合规定的要求时，称为石灰稳定土。石灰土、石灰砂砾土、石灰碎石土石灰剂量以石灰质量占全部粗细粒土颗粒（即砾石、砂粒、粉粒和粘粒）的干质量的百分率表示，即石灰剂量=石灰质量/干土质量。14:12:025.1石灰稳定土（1）强度形成原理①离子交换作用土颗粒吸附钠、氢、钾阳离子（Na+、H+、K+）。石灰中的钙离子（Ca+）。产生离子交换作用。②结晶硬化作用14:12:025.1石灰稳定土③火山灰作用熟石灰的游离Ca2+与土中活性氧化硅SiO2和氧化铝AI2O3作用生成含水的硅酸钙和铝酸钙的化学反应就是火山灰作用④碳酸化作用14:12:025.1石灰稳定土（2）影响石灰土强度的因素①土质粘土矿物化学活性强，比表面积大，当掺入石灰等活性材料后，所形成的离子交换作用、碳酸化作用、结晶作用和火山灰反应都比较活跃，稳定效果好。所以土的强并随土中粘粒含量和塑性指数的增大而增大。实践证明：塑性指数15~20的粘土，易于粉碎和拌和，便于碾压成型，施工和使用效果较好。14:12:025.1石灰稳定土②灰质石灰细度越大，在相同剂量下与土粒的作用越充分，反应进行得越快，稳定效果越好。石灰质量越好，即单位质量中有效钙加氧化镁的含量越多，在相同剂量下，稳定效果越好。直接使用生石灰效果更好。14:12:025.1石灰稳定土③石灰剂量石灰剂量较低（小于3%~4%）时，石灰主要起稳定作用，土的塑性、膨胀、吸水量减少，使土的密实度、强度得到改善。对于粘性土及粉性土为8%~14%对砂性土则为9%~16%④含水量不同土质的石灰土有不同的最佳含水量，需能过标准击实试验确定。14:12:025.1石灰稳定土⑤密实度实践证明：石灰土的密实度每增减1%，强度约增减4%左右。⑥养生条件与龄期养生条件主要温度与湿度。当温度高时，物理化学反应、硬化、强度增长快，反之强度增长慢，在负温条件下甚至不增长。要求施工温度应在5℃以上，并在第一次重冰冻（-3℃~5℃）到来前1个月到1个半月完成。实践证明：在一定潮湿条件下养生强度的形成比在一般空气中养生要好。石灰稳定土强度随龄期增长慢，28d，只能达到30%左右的强度。14:12:025.1石灰稳定土（3）强度指标抗压强度，试件标准养生后，浸水1d，然后测试其无侧限抗压强度值。直径5cm（dmax≤10mm）、10cm（dmax≤25mm）、15cm（dmax≤40mm）的圆柱形试件抗拉强度采用劈裂试验评定。14:12:025.1石灰稳定土2、石灰稳定土的收缩特征及影响因素因含水量变化而引起的干缩和因温度降低而引起的温缩。（1）干缩特性及影响因素结合料的类型和剂量，被稳定（或处置）土的类别（细粒土、中粒土或粗粒土），粒料的含量，小于0.5mm的细粒土含量，塑性指数，小于0.002mm的粘粒含量和矿物成分，制作试件的含水量和龄期。干缩系数的大小对于稳定粒料类：石灰稳定类>水泥稳定类>石灰粉煤灰稳定类14:12:025.1石灰稳定土对于稳定细粒土：石灰土>水泥土>石灰粉煤灰土。对于同一半刚性材料：稳定细粒土>稳定粒料土>稳定粒料（2）温度收缩特性及影响因素主要因素：含水量、集料或土的含量、土的矿物成分、环境温度、龄期。各种土的温缩特性为：石灰砂砾>悬浮式石灰粉煤灰粒料>密实式石灰粉煤灰粒料和水泥砂砾。14:12:025.1石灰稳定土3、石灰稳定土的工程特点（1）优点①稳定土具有较高的抗压强度和一定的抗拉强度。②多数土都可以用石灰进行稳定。③石灰稳定土便于施工。④缺乏优质粒料的地区，采用石灰稳定土做路面的基层（高速和一级公路除外）和底基层。⑤设计正确、施工质量好的石灰稳定土基层和底基层使用效果好。14:12:025.1石灰稳定土（2）缺点①石灰稳定土的强度有一定限制。②塑性指数小的土，即使用12%以上的石灰进行稳定，达不到较高强度。③石灰稳定土的收缩系数大。④石灰土基层的表层较另两类土基层表层更容易浸水而软化，在裂缝处冲刷唧浆严重。⑤石灰稳定土早期强度低。⑥石灰稳定土的水稳定性和温度稳定性较其两类关刚性材料差。14:12:025.1石灰稳定土二、石灰稳定类混合料组成材料的质量要求1、土的要求塑性指数15~20的粘性土以及含有一定数量粘性土的中粒土和粗粒土均适宜于用石灰稳定。用石灰稳定不含粘性土或无塑性指数的级配砂砾，级配碎石和未筛分碎石时，应添加15%左右的粘性土。14:12:025.1石灰稳定土塑性指数偏大的粘性土，可采用两次拌和法施工。适宜做石灰稳定土基层的材料有：级配碎石、未筛分碎石、砂砾、碎石土、砂砾土、煤矸石和各种粒状矿渣等。作底基层时，颗粒最大粒径不应超过53mm；作基层时，不应超过37.5mm一般公路底基层，集料压碎值不大于40%；高速和一级公路底基层、二级以下公路基层不大于35%；二级公路的基层不大于30%14:12:025.1石灰稳定土2、对石灰的要求石灰应是消石灰粉或生石灰粉，对高速公路宜用磨细生石灰粉。石灰质量应符合Ⅲ级以上的技术指标。具。体见表5.1所示。3、对水的要求饮用水源即可。14:12:02表5.1石灰的技术标准指标类别项目钙质生石灰镁质生石灰钙质消石灰镁质消石灰ⅠⅡⅢⅠⅡⅢⅠⅡⅢⅠⅡⅢ有效钙加氧化镁含量（%）≥858070807565656055605550未消解残渣含量（%）≤71117101420含水量（%）444444细度0.71mm筛余（%）≤0110110.125mm累计筛余（%）≤13201320钙镁石灰的分类界限，MgO含量（%）≤5>5≤4>414:12:025.1石灰稳定土三、石灰稳定土混合料组成设计混合料的组成设计包括：根据强度标准，通过试验选取合适的土，确定必需的或最佳的石灰剂量和混合料的最大干密度和最佳含水量。（1）制备同一种土样、不同石灰剂量的石灰混合料。①做基层用砂砾土和碎石土：3%，4%，5%，6%，7%。塑性指数小于12的粘性土：10%，12%，13%，14%，16%。塑性指数大于12的粘性土：5%，7%，9%，11%，13%。14:12:025.1石灰稳定土（2）确定混合料的最佳含水量和最大干（压实）密度。（3）按工地预定达到的压实度，分别计算不同石灰剂量的试件应有的干密度。（4）按最佳含水量和计算的干密度制备试件。（5）试件在规定温度下保湿养生6d，浸水1d后，进行无侧限抗压强度试验。规定的温度为：冰冻地区20℃±2℃，非冰冻地区25℃±2℃。14:12:025.1石灰稳定土（6）计算试验结果的平均值和偏差系数。（7）不同交通类别道路上，石灰稳定土的7d浸水抗压强度（MPa）应符合表5.2的规定。（8）根据表2.2的强度标准，选定合适的石灰剂量。（9）工地采用的石灰剂量应比室内试验确定的剂量多0.5%~1.0%。14:12:02表5.2石灰稳定土的强度和压实度标准使用层次高速公路和一级公路二级以下公路强度（MPa）压实度（%）强度（MPa）压实度（%）基层≥0.8中、粗粒土97，细粒土93底基层≥0.8中、粗粒土96，细粒土950.5~0.7中、粗粒土95，细粒土9314:12:025.1石灰稳定土（10）石灰稳定不含粘性土的级配碎石、未筛分碎石和级配砂砾用于高级沥青路面的基层时，碎石和砂砾的颗粒组成应符合JTJ034-2000级配碎石或未筛分碎石或级配砾石的级配范围，并应添加粘性土。这类材料的组成可表示（质量比）石灰：土：碎石（或砂砾）14:12:025.1石灰稳定土四、石灰稳定土混合料配合比设计示例【例题5-1】某地区二级公路路面底基层设计为石灰稳定土，请按现行部颁技术规范的要求设计石灰稳定土混合料配合比。【设计资料】（1）该路面度基层设计为30cm石灰稳定土，要求7d无侧限饱水抗压强度为0.8MPa。（2）该路沿线土质为轻亚粘土，石灰材料采用Ⅲ级以上钙质消化石灰，有效钙加氧化镁含量测得结果为74.8%，未消化残渣含量测得结果为9.6%。（3）该路石灰土混合料生产采用集中厂拌法，分二层铺筑，要求施工压实度为95.0%。14:12:025.1石灰稳定土【设计步骤】1、原材料检验与选定（1）石灰材料：该路段沿线盛产钙质石灰，经试验检测各项技术指标均满足现行有关技术指标要求，（CaO+MgO）含量平均值74.8%，未消化残渣含量平均值为9.6%。（2）土料：该路土场的土质为轻亚粘土，该土的试验检测结果列在表5.3中，土料的各项技术指标符合现行技术规范要求。14:12:02表5.3粘土的物理性质试验结果表颗粒组成（%）液限（%）塑限（%）塑性指数相对密度2~0.05mm0.05~0.002mm<0.002mm19.0970.3010.6131.071.213.82.6814:12:025.1石灰稳定土2、确定石灰剂量的掺配范围参照当地经验，石灰土的石灰剂量按8%，10%，12%，14%，16%五种比例配制。3、确定最佳含水量和最大干密度用重型击实试验法确定各种不同剂量的石灰土混合料最佳含水量和最大干密度的结果列于表5.4中。14:12:02表5.4石灰土的击实试验结果石灰剂量（%）最佳含水量（%）最大干密度（g/cm3）011.71.95814.11.841014.71.821215.61.811416.11.801616.31.7914:12:025.1石灰稳定土4、测试7d无侧限饱水抗压强度（1）计算每个试件的石灰土用量采用Φ50mm×50mm的试件，每个试件的体积为98cm3。施工中对石灰土底基层的压实度要求为95%。每个试件需要用不同的石灰土混合料的干质量应用公式计算：式中：Qd-试件干质量，g；V-试件的体积，cm3；γd,m-混合料最大干密度，g/cm3；Kc-现场要求的压实度，以小数计。14:12:025.1石灰稳定土将上述各有关数值代入上式计算得出每个试件需用不同石灰土混合料的干质量列表5.5。由于每个试件都是在混合料的最佳含水量下制作的，因此每个试件所用湿混合料的质量应按下式计算：式中：Qw-试件的湿质量，g；Qd-试件的干质量，g；w0-混合料的最佳含水量，%。根据表5.4中每种石灰土混合料的最佳含水量和表5.5中每种混合料的干重，用上式计算得每个试件需用湿混合料的数量也列表5.5.14:12:02表5.5每个试件需用混合料的质量石灰剂量（%）810121416干混合料质量（g）171.3169.4168.5167.6166.6湿混合料质量（g）195.5194.3194.8194.6193.814:12:025.1石灰稳定土（2）准备混合料首先需要测定风干土和消石灰的原始含水量。现假设测得风干土的含水量（w0）3%，消石灰的含水量（wL）为2%。每种混合料至少需做6个相同的试件。为简单起见，称五份各重1236g的素土（每份干土质量1200g），分别放在5个长方盘内，并在盘边贴一标签，各写明8%，10%，12%，14%，16%。14:12:025.1石灰稳定土根据不同的石灰剂量，计算每盘土中应加的干石和含水石灰的质量。式中：QL.d-干石灰的质量，g；QL.w-含水石灰的质量，g；Qs.d-干土的质量，g；CL-石灰的剂量，以小数计；wL-石灰的含水量，以小数计。计算不同石灰剂量时应加的含水石灰的质量列在表5.6。14:12:02表5.6每盘土中应加的石灰质量石灰剂量（g）810121416干石灰质量（g）96.0120.0144.0168.0192.0含水石灰质量（g）97.9122.4146.9171.4195.814:12:025.1石灰稳定土计算每种石灰土混合料中应加的水量式中符号同前。计算8%石灰土混合料中应加的水量如下：各种石灰土混合料中应加的水量列在表5.7。14:12:02表5.7石灰土混合料中应加的水量石灰剂量（%）810121416应加水量（g）144.8152.1163.3169.3171.414:12:025.1石灰稳定土（3）制用试件和倮温保湿养生（4）测试7d龄期的无侧限饱水抗压强度经过6d养生，1d浸水后，测得试件的7d龄期抗压强度列表5.8。（5）最佳石灰剂量确定Za取1.282，保证率为90%。按下式计算的结果列表5.9。14:12:02表5.8不同石灰土7d龄期的饱水无侧限抗压强度石灰剂量（%）810121416抗压强度（MPa）0.820.901.091.161.23偏差系数（%）7.09.26.37.86.414:12:02表5.9抗压强度判断计算结果表石灰剂量（%）810121416抗压强度（MPa）0.820.901.091.161.230.880.710.740.720.73判断结果否是是是是14:12:025.1石灰稳定土8%石灰土的实测值0.82MPa小于理论计算值0.88MPa，则8%石灰不够用来稳定亚粘土，采用10%石灰剂量可满足要求，最终石灰剂量应取10%比较合理。14:12:025.2水泥稳定土水泥稳定土有良好的板体性，它的水稳定性和抗冻性都较石灰稳定土好。14:12:025.2水泥稳定土一、水泥稳定土的技术性质1、水泥稳定土的强度特征在粉碎的或原来松散的土（包括各种粗、中、细粒土）中，掺入适量的水泥和水，经拌和得到的混合料在压实及养生后，当其抗压强度符合规定要求时，称为水泥稳定土类。水泥土、水泥砂、水泥碎石和水泥砂砾水泥剂量以水泥质量占全部粗细土颗粒（即砾土、砂粒、粉粒和粘粒）的干质量的百分率表示，即水泥剂量=水泥质量/干土质量。14:12:025.2水泥稳定土（1）强度形成原理作学作用：如水泥颗粒的水化、硬化作用，有机物的聚合作用，以及水泥水化产物与粘土矿物之间的化学作用。物理-化学作用：如粘土颗粒与水泥水化产物之间的吸附作用，微粒的凝聚作用，水及水化产物的扩散、渗透作用，水化产物的溶解、结晶作用。物理作用：如土块的机械粉碎作用，混合料的拌和、压实作用。14:12:025.2水泥稳定土①水泥的水化作用②离子交换作用③化学激发作用④碳酸化作用14:12:025.2水泥稳定土（2）影响强度的因素①土质各类砂砾土、砂土、粉土和粘土均可用水泥稳定。但用水泥稳定级配良好的碎（砾）石和砂砾，效果最好；其次为砂性土；再次为粉性土和粘土。②水泥的成分和剂量对于同一种土，硅酸盐水泥稳定效果好，而铝酸盐水泥较差。试验和研究证明：水泥剂量为4%~8%较为合理。14:12:025.2水泥稳定土③含水量使含水量达到最佳含水量的同时，也要满足水泥完全水化和水解作用的需要。④施工工艺过程水泥土从开始加水拌和到完成压实的延迟时间要尽可能短，一般宜6h以内。水泥稳定土需湿法养生，以满足水泥水化形成强度的需要。14:12:025.2水泥稳定土2、收缩特性及影响因素温度变化而引起的温度收缩和因含水量变化而引起的干燥收缩。无机结合料中粒土和粗粒土混合料的收缩性明显小于稳定细粒土。14:12:025.2水泥稳定土3、水泥稳定土的工程特点（1）优点①强度高，稳定性好。②强度可以调整，以适应不同交通量的需要。③在缺乏优质粒料的地区，采用水泥稳定土做路面的基层和底基层，比较经济。④几乎各种土都可以用水泥稳定。⑤设计正确，施工质量好的水泥稳定土基层和底基层使用效果好。⑥可以就地拌和，也可集中拌和，质量易保证。14:12:025.2水泥稳定土（2）缺点①水泥稳定土容易产生收缩裂缝。特别水泥用量多的时候，收缩性更大。②由于水泥凝结硬化快，因此施工较严格。③水泥稳定土不适宜在雨季施工，或在雨季施工比较困难。④水泥稳定土的施工用水和养生用水较多。⑤水泥稳定土不能直接经受汽车车轮的磨耗作用，用作基层和底基层。14:12:025.2水泥稳定土二、水泥稳定类混合料组成材料的质量要求1、土凡能被粉碎的土可用水泥稳定。宜做水泥稳定类基层的材料有：石渣、石屑、砂砾、碎石土、砾石土等。碎石或砾石的压碎值对于高速公路和一级公路应不大于30%，对二级和二级以下公路应不大于35%。14:12:025.2水泥稳定土对于二级公路以下的一般公路，当用水泥稳定土做底基层时，颗粒最大粒径不应超过40mm（指圆孔筛）；对于高速公路和一级公路，颗粒最大粒径不应超过31.5mm（指方孔筛）。土的颗粒组成应符合表5.102、水泥普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥或火山灰硅酸盐水泥14:12:02表5.10水泥稳定土的颗粒组成筛孔尺寸（mm）4031.5199.54.752.360.60.075液限塑限通过百分率（%）（基层）10088~9957~7729~4917~358~220~7<28<9通过百分率（%）（底基层）10093~9874~8949~6929~5218~388~220~7<28<914:12:025.2水泥稳定土三、水泥稳定土混合料的组成设计（1）制备同一种土样，不同水泥剂量的水泥稳定土混合料。①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：6%，8%，9%，10%，12%14:12:025.2水泥稳定土②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）确定各种混合料的最佳含水量和最大干密度。（3）按工地预定达到的压实度，分别计算不同水泥剂量的试件应有的干密度。14:12:025.2水泥稳定土（4）试验的试件数尽量应符合规定。（5）试件在规定温度下保湿养生6d，浸水1d后，进行无侧限抗压强度试验。规定的温室度为：冰冻地区20℃±2℃，非冰冻地区25℃±2℃。（6）不同交通类别道路上，水泥稳定土的7d浸水抗压强度应符合表5.11规定。（7）根据表5.11的强度标准，选定合适的水泥用量。14:12:02表5.11水泥稳定土的强度和压实度标准使用层次高速公路和一级公路二级以下公路强度（MPa）压实度（%）强度（MPa）压实度（%）基层3~4≥982~3中、粗粒土97，细粒土93底基层≥2.0中、粗粒土96，细粒土95≥1.5中、粗粒土95，细粒土9314:12:025.2水泥稳定土（8）工地实际采用的水泥剂量应比室内试验确定的剂量多0.5%~1.0%。采用集中厂拌法施工时，可只增加0.5%；采用路拌法施工时，宜增加1%。（9）水泥的最小剂量应符合表5.12的规定。14:12:02表5.12水泥最小剂量拌和方法土类路拌法集中（厂）拌和法中粒土和粗粒土4%3%细粒土5%4%14:12:025.2水泥稳定土四、水泥稳定土混合料配合比设计示例14:12:025.3石灰工业废渣稳定土粉煤灰和煤渣中含有较多的二氧化硅、氧化钙或氧化铝等活性物质。工业废渣材料主要用石灰与之综合稳定，即石灰工业废渣材料，主要有石灰粉煤灰类及石灰其他废渣类。14:12:025.3石灰工业废渣稳定土一、石灰工业废渣稳定土的技术性质一定数量的石灰和粉煤灰或石灰和煤渣与其他集料相配合，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混合料，当其抗压强度符合有关规范规定的要求时，称石灰工业废渣稳定土。工业废渣包括：粉煤灰、煤渣、高炉矿渣、钢渣，及其他冶金矿渣、煤矸石渣。14:12:025.3石灰工业废渣稳定土1、强度形成原理用石灰稳定工业废渣时，石灰大水的作用下形成饱和的Ca(OH)2溶液，废渣的活性氧化硅和氧化铝在Ca(OH)2溶液中产生火山灰反应，生成水化硅酸钙和铝酸钙凝胶。石灰粉煤灰稳定土的强度要求和测试方法与石灰稳定土相同。14:12:025.3石灰工业废渣稳定土2、收缩特征及其影响因素二灰稳定土的干缩和温缩机理及其影响因素与石灰稳定土相同，其收缩程度取决于试件的含水量、材料组成（如粒料含量、石灰剂量、粉煤灰含量、粘粒含量和塑性指数等。当石灰剂量不变时，二灰稳定土的干缩系数和温缩系数随着粉煤灰用量而减少，粉煤灰不变时，二灰稳定土的干缩系数和温缩系数随着石灰剂量增加而增大。14:12:025.3石灰工业废渣稳定土3、石灰工业废渣稳定土的工程特点石灰稳定工业废渣基层具有水硬性、缓凝性、强度高、稳定性好、成板体，且强度随龄期不断增加，抗水、抗冻、抗裂而且收缩性小，适应各种气候环境和水文地质条件等特点。二灰土的收缩小于石灰土和水泥土，但仍具有较大的干缩变形。二灰土禁止用作高级沥青路面的基层。14:12:025.3石灰工业废渣稳定土二、石灰工业废渣稳定土组成材料的质量要求1、石灰工业废渣基层所用的结合料是石灰和石灰下脚料。石灰的质量宜符合Ⅲ级以上技术指标。2、废渣材料粉煤灰主要成分是二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3），其总含量一般要求超过70%。煤渣主要成分SiO2和Al2O3，松干密度在700~1100kg/m3。14:12:025.3石灰工业废渣稳定土3、土宜采用塑性指数12~20的粘性土（亚粘土）4、集料高速公路和一级公路集料压碎值应不大于30%，二级公路和二级以下公路不应大于35%。颗粒最大粒径高速公路和一级公路不大于31.5mm（方孔筛），二级公路和二级以下公路不大于40mm（圆