水泥稳定碎石振动成型幻灯片.ppt

1、采用振动成型法的水泥稳定碎石 混合料配合比设计与施工技术,唐山市公路管理处 2009年5月,第一章 概述 第一节 半刚性基层的特点及存在的问题 第二节 半刚性基层裂缝产生的机理分析及防治措施 第三节 国内外研究现状 第四节 本课题研究的主要内容,第一节 半刚性基层的特点及存在的问题 1.1半刚性基层具有以下特点： 强度高、稳定性好、承载能力高、工程造价较低。 1.2半刚性基层存在的问题： （1）普遍存在不同程度的裂缝。 （2）抗拉强度低，极限拉伸应变小。 （3）与沥青面层的层间粘结困难，很难成为整体。 （4）损坏后的维修困难。 以上问题的存在并不表明半刚性基层路用性能差，更不表明半刚性材料不适

2、宜作高等级路面的基层。但是，工程实践中出现的一些问题却反映出目前采用的半刚性基层在混合料设计、评价指标及试验方法等方面尚需进一步研究并改进。,第一节 半刚性基层的特点及存在的问题 1.3水泥稳定碎石材料设计方法之不足： 1、对于粗集料比例大的粗粒土类材料：重型击实试验方法不适用；静压法成型试件更不适用； 2、级配范围过宽，无进行级配优化的指导性原则； 3、用强度单指标控制材料设计，必然会忽视性能要求，如抗裂、抗冲刷、疲劳特性等； 4、工程实践表明，现行方法优化出的水泥稳定碎石性能差，表现为细集料（尤其是0.6mm以下的细料）比例大、水泥剂量大、密度偏小、收缩变形大。 众所周知，室内试验要准确、

3、有效预测与控制现场施工质量，应满足两个最基本的条件，首先要求试件成型方式能够最大限度地模拟基层施工条件，使室内成果与基层实际应用效果有可比性；其次要求各种性能评价指标切实反映基层在其服务环境下的服务质量。缺少此条件，室内控制与预测便无从谈起。,第二节 半刚性基层裂缝产生的机理分析及防治措施 2.1温度收缩裂缝产生的机理分析 半刚性基层材料的温度收缩裂缝产生的原因有两种：在较大温度差下收缩应变超过极限拉应变时出现的裂缝；在温度差的反复作用下而形成的温度疲劳性开裂。 温差主要来源于三个特征值：施工时的温度、基层材料最高温度（为半刚性材料的水化热升温）、最终温度或外界气温。 2.2干燥收缩裂缝产生的

4、机理分析 半刚性材料因内部含水量的蒸发而发生体积收缩的现象称为干燥收缩。其基本原理是由于随含水量的蒸发而发生的毛细管张力作用、吸附水和分子间力作用以及材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用等几个作用过程而引起了整体宏观体积的收缩变化。 在其它条件恒定时，半刚性材料的干燥收缩与含水量成正比，与材料的刚度以及相对湿度成反比。,第二节 半刚性基层裂缝产生的机理分析及防治措施 2.3减少半刚性基层收缩裂缝的措施 目前，减少半刚性基层收缩裂缝可从以下几方面入手： （1）尽量使用骨架密实结构矿料级配。 （2）减少细集料含量。 （3）尽可能减少0.075mm通过率。 （4）在满足强度要求的情况下，用最小水泥剂量

5、。 （5）添加水泥膨胀剂和减缩剂。 （6）通过掺加纤维来改善半刚性基层的抗裂效果。 （7）设置土工织物、应力吸收层等中间层。 （8）预制微裂缝、预切缝以降低其收缩性。,第三节 国内外研究现状 （1）半刚性基层材料温缩都与其温度收缩系数有密切关系，是其固相、孔隙中水及气体三相组成材料的热胀缩性及其相互作用的综合效应。半刚性基层材料干缩的基本原理是由于随含水量的蒸发而发生的毛细管张力作用、吸附水和分子间力作用、矿物晶体或凝胶体层间水作用，以及碳化收缩作用等四个过程而引起的整体宏观体积的收缩变化。其干燥收缩值与材料刚度成反比，与含水量成正比。 （2）半刚性基层材料的收缩裂缝和材料本身的组成有关。整体

6、级配越细，干燥收缩越大，越容易导致产生裂缝；且干缩破坏主要发生在早期。混合料集料级配过粗（4.75mm通过率29%）时基层弯沉值较大，因此建议集料级配宜控制4.75mm通过率为34%左右。混合料中0.075mm以下的粉料含量越多，混合料抵抗收缩能力越差。 （3）骨架密实结构水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度、抗冻性能、抗疲劳性能等方面明显优于规范推荐的悬浮结构水稳混合料，尤其是抗裂能力大大提高，极大地延长了基层的开裂间距。 （4）水泥含量对混合料的路用性能具有显著影响，水泥含量越大，水泥碎石混合料抗裂能力越差。相同级配的水泥稳定碎石混合料存在一相应于最小温缩系数的最佳水泥剂量。水泥稳

7、定碎石混合料收缩主要来源于干缩，而干缩主要发生在施工和养护期间。,第三节 国内外研究现状 （5）未经充分压实的混合料其局部区域空隙率偏高，从而影响基层强度、抗冻性、抗裂特性、抗疲劳性能等，因此在基层施工时一定要保证有足够的压实度以减少基层裂缝的产生。 （6）通过振动压实的水泥稳定碎石混合料芯样无侧限抗压强度远高于室内静压法成型试件的无侧限抗压强度。 （7）水泥稳定碎石混合料振动压实时响应频率在35Hz左右，最佳振幅在1.3mm1.7mm之间。对级配良好的易于振动压实的水泥稳定碎石混合料，静面压力、激振力等振动参数对达到标准振实状态所需的振动时间影响很大。含水量对水泥稳定碎石混合料的振动压实效果

8、影响较大，水泥稳定碎石混合料振动压实的最佳含水量略小于重型击实所确定的最佳含水量。振动压实成型方式极大的提高了试件的抗压强度，而混合料最大干密度提高相对较小。 （8）在其它条件相同的情况下，土中粘粒含量愈多水泥稳定土收缩能力越强。试件含水量越大，试件干缩应变越大，所以在基层施工中要严格控制含水量。密实度越大，试件干缩应变越小，故而减小基层开裂可以用增加压实功能来改善。,半刚性基层沥青路面在我国公路建设中具有重大的历史意义。 我国高等级公路路面基层80%以上采用半刚性基层。 在今后相当长时间内，半刚性基层仍将是高速公路沥青路面基层结构的主要形式。 因此，对半刚性基层的路用性能进一步研究，以减少半

9、刚性基层的缺陷（主要是裂缝），在改善半刚性基层路用性能的基础上提高沥青路面的使用寿命就显得尤为迫切。,第四节 本课题研究的主要内容 重点解决的关键技术问题如下： 1）针对我国半刚性基层防止或减少开裂的科研成果和防治技术进行调研，通过对以水泥稳定碎石为代表的半刚性基层产生收缩裂缝的机理分析，提出解决方案。 2）根据当地原材料情况，采用能够更有效地模拟现场碾压方式的振动成型方式进行水泥稳定碎石混合料配合比优化设计研究；并通过不同级配、水泥剂量的材料温缩、干缩试验研究，优化出适合当地原材料的半刚性材料既满足强度要求、又有良好的抗裂能力的级配范围。 3）采用振动成型方式对各标段进行水泥稳定碎石混合料配

10、合比优化设计研究；并通过铺筑试验段进行施工技术研究。通过试验段裂缝情况调查和开裂原因分析，进一步完善设计方法和施工技术。 4）总结抗裂型半刚性基层的设计与施工技术，为实现半刚性基层沥青路面的长寿命化奠定基础。,第二章.振动成型法水泥稳定碎石混合料的抗裂性能研究 第一节.振动成型法水泥稳定碎石混合料配合比优化设计研究 第二节.振动成型法水泥稳定碎石混合料路用性能研究 第三节.振动成型法水泥稳定碎石混合料抗裂性能研究 第四节.抗裂基层评价方法与指标 第五节.专题结论,第一节 振动成型法水泥稳定碎石混合料配合比优化设计研究 1.1振动成型方法简介 研究所用的振动成型压实机见下图。 根据长安大学沙爱民

11、教授道路材料振动压实特性研究和我院关于半刚性基层抗裂技术研究的研究成果，确定水泥稳定碎石混合料振动成型参数为：振动频率30Hz，偏心块夹角300，激振力7612N，静面压力140kPa，振幅1.4mm，振动总时间2min。,图2.11 振动成型设备,图2.12 设计级配与规范级配范围,1.2 矿料级配设计,1.3最佳含水量与最大干密度的确定,表2.11 各配比混合料的最佳含水量、最大干密度和无侧限抗压强度试验结果,根据含水量与干密度的关系曲线确定最佳含水量和最大干密度。,1.4 3个级配混合料的无侧限抗压强度随水泥剂量变化曲线,图2.13无侧限抗压强度随水泥剂量变化曲线,第二节 振动成型法水泥

12、稳定碎石混合料路用性能研究 2.1强度特性 2.1.1抗压强度,由图中曲线关系分析可见： （1）无侧限抗压强度均随龄期的增长而呈对数函数关系增大，且有较好的相关性。各配比均呈现出相同的规律性，直至达到稳定。 （2）就同一级配而言，水泥剂量越高材料的抗压强度越高。对于级配越趋向于悬浮密级配，水泥剂量对强度的提高的贡献越大。 （3）对于相同水泥剂量而言，级配越粗表现出材料的后期强度越高，说明骨架密实结构抗压强度高于悬浮密实结构。水泥剂量越小时，骨架嵌挤作用对提高水泥稳定碎石混合料抗压强度越有利。 众所周知，水泥剂量的增加容易使半刚性基层产生较多的横向收缩裂缝；因此，在配合比设计中，当考虑半刚性基层

13、抗裂要求时，应首先通过级配调整，即通过采用骨架密实结构使材料设计达到规范要求。,2.1.2劈裂强度,由图中曲线关系分析可见： （1）各配比劈裂强度均随龄期的增长呈对数函数关系增大，且有较好的相关性。各配比均呈现出相同的规律性，直至达到稳定。 （2）就同一级配而言，水泥剂量越高材料的劈裂强度越高。说明水泥剂量的增加可明显改善提高水泥稳地碎石混合料的抗拉能力。 （3）对于相同水泥剂量而言，级配越粗表现出材料的后期强度相对越低。这一点与抗压强度不同，可见，对于半刚性材料的抗拉能力，水泥材料的粘聚力贡献更大，因而级配越粗其混合料的抗拉能力相对较弱。 可见，通过级配调整，即采用骨架密实结构非但不能提高水

14、泥稳定碎石材料的劈裂强度，反而使材料的抗拉能力有所降低。因此，在配合比设计中，当考虑半刚性基层抗裂要求时，虽然可通过级配调整，采用骨架密实结构使材料抗压强度得以提高，但过粗的集料级配也会使材料的抗拉能力降低。,2.1.3抗弯拉强度,2.2刚度特性 2.2.1抗压回弹模量,2.2.2抗弯拉回弹模量,第三节 振动成型法水泥稳定碎石混合料抗裂性能研究 3.1干缩特性,由图可知，试件成型后初期失水率最大，随着龄期的延长失水率减少直至逐渐趋于稳定;当龄期到第9天后失水率将变得非常小。由试验数据计算可知，成型72小时内在室温（1823）环境条件下失水率占总失水率的48.2%56.9%，平均53.4%。就各

15、配比而言，虽然失水率与级配有关，即骨架密实级配失水率小于悬浮密实级配；但失水率与水泥剂量的关系更显著，表现为水泥剂量越大，其混合料的失水率越大。,由图可见，总体上干缩应变随龄期变化似乎成“S”形曲线变化，即成型初期材料干缩应变很小，48小时以后至11天区间，材料的干缩应变增加较快，11天以后，由于水份散失很少而干缩应变也变得趋于平缓。同样的，骨架密实级配干缩应变小于悬浮密实级配，而水泥剂量对干缩应变的影响更明显，表现为水泥剂量越大其材料的干缩应变也越大。,由图可见，各配比的干缩应变在失水率为1.5%以前相差很小，且收缩变化比较平缓。而当失水率大于1.5%以后，各配比混合料的干缩应变均有急剧增大

16、的趋势。因此，后期养生更为重要，不能因为养生不充分造成较大失水的发生，从而发生干燥收缩开裂。,干缩系数是累计干缩应变与累计失水率的比值。在试验龄期内，干缩系数与龄期几乎成线性关系，只是在龄期达到11天小时以后才趋于相对平缓。 就各配比而言，水泥剂量越大其材料的干缩系数也越大；级配越趋于骨架密实结构其材料的干缩系数越小。,3.2温缩特性,由图可见，不同级配水泥稳定碎石混合料的累积温缩应变随温度的降低呈线性相关，级配不同其混合料的收缩应变随温度降低的曲线斜率不同，级配越粗其混合料的温度应变曲线斜率越小，具有相对小的温缩系数。,第四节 抗裂基层评价方法与指标,4.1现有半刚性基层的抗裂评价方法 （1

17、）干缩系数和温缩系数,（2）干缩抗裂系数和温缩抗裂系数,（3）干缩能抗裂系数和温缩能抗裂系数,4.2本研究拟采用的试验方法及抗裂评价方法 由前述可见，干缩系数和温缩系数最简单，仅能分析不同材料之间的相对抗裂性能；干（温）缩抗裂系数虽然考虑了材料自身所能承受的最大拉应变，采用材料的极限拉应变与干（温）缩应变的比值来表示材料的抗裂能力，但其单独分析干（温）缩性能的方式也是一种相对评价的方法；采用干（温）缩能抗裂系数来反映材料抗干燥（温度）收缩的相对能力的大小，虽然考虑了材料应力、应变的综合作用能量变化，但一来需要测试材料轴向拉伸全过程的应力应变关系，试验方法难度较高，二来该方法也是单独分析材料干缩

18、或温缩性能，不能综合评价材料干缩、温缩综合作用下材料的抗裂性能。 路面基层的实际工作过程中，往往是干缩、温缩同时发生，单独以每一种收缩性能分别来评价半刚性材料的开裂性能都是片面的。本文采用综合收缩抗裂系数来评价不同级配水泥稳定碎石混合料的抗开裂性能。,综合收缩抗裂系数Sdt物理意义明确，试验方法简单明了，是较好的衡量半刚性材料抗裂能力的指标。式中d+t =1。d、t与路基所处的自然区划有关，当所处地区混合料以干燥收缩相对较为严重时，d取大值；而当所处地区混合料温度收缩相对较为严重时，t取大值。考虑到现场平均养生条件，Wmax一般选用某一自然养生（如环境温度25 ）周期的失水率。一方面，不同混合

19、料在最大干缩应变下失水率不同，以相同失水率下指标评价不能准确比较混合料抗裂能力大小，另一方面现场混合料失水率不可能达到实验室最大干缩应变试验时的失水率。Tmax可根据当地气温资料和路面温度计算公式计算出半刚性基层材料的日平均最大温差。 半刚性基层材料设计中，最终应使综合收缩抗裂系数满足Sdt1.0。,4.2本研究拟采用的试验方法及抗裂评价方法,4.3本文各级配半刚性材料抗裂指标分析 由于材料温缩性能评价中仅对三种级配的5%水泥剂量的试件进行了温缩试验，故本处亦仅对这三种配比材料进行抗裂指标分析。计算中为简便起见，材料所处地区日气温平均温差为10，平均失水率按15天试验结果 ，d、t权重分别按0

20、.5计算，则各级配混合料抗裂指标计算结果见表2.41。 表2.41 不同级配水泥稳定碎石材料抗裂指标计算结果,表中计算结果由于是简化计算的结果，仅可用于前述三种级配混合料的相对比较，有的级配的综合抗收缩系数1.0 并不代表这两种半刚性材料抗裂能力不合格。相互比较三种级配半刚性材料的计算结果可见，级配越粗其材料的综合收缩抗裂系数越小，抗裂能力越强。,第五节 专题结论 1.骨架密实结构有利于降低水泥稳定碎石混合料的干缩应变和温缩应变，进而降低材料的干缩和温缩系数，对提高水泥稳定碎石这种半刚性材料的抗裂性能有益。 2.水泥剂量越大材料的干缩应变和干缩系数越大。因此，通过适宜的试验方法，在强度满足要求

21、的前提下，降低水泥剂量，可改善水泥稳定碎石的抗干缩性能。 3.水泥稳定碎石这种半刚性材料成型后的养生非常重要，有利于减少因失水过多造成的半刚性基层开裂现象的发生。7天前后几天的养生饱水也比较重要。在当今半刚性基层早期开裂较多的情况下，建议施工单位多养生几天是有益的。 4.混合料的累积温缩应变随温度的降低呈线性相关，级配越粗其混合料的温度应变曲线斜率越小，具有相对小的温缩系数。,第五节 专题结论 5.以半刚性基层材料的干缩系数、温缩系数为基础，提出以综合收缩抗裂系数评价水泥稳定碎石混合料的抗开裂性能，物理意义明确，评价指标可操作性强。 6增加水泥剂量可显著增加水泥稳定碎石材料的抗压强度，特别长龄

22、期更为明显；而通过级配调整，即采用骨架密实结构也能提高水泥稳定碎石材料的抗压强度，特别是水泥剂量较低时这种作用更为明显。 7. 增加水泥剂量可显著增加水泥稳定碎石混合料的间接抗拉强度和抗弯拉强度，特别长龄期更为明显；而通过级配调整，即采用骨架密实结构非但不能提高水泥稳定碎石材料的间接抗拉强度和抗弯拉强度，反而使材料的抗拉拔能力有所降低。 8.随水泥剂量的增加，水泥稳定碎石混合料抗压回弹模量和抗弯拉回弹模量都会增大。对于级配而言，骨架密实结构有利于提高水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量，而对于混合料的抗弯拉回弹模量，则是级配越细材料的抗弯拉回弹模量越大。,第三章振动成型法水泥稳定碎石配合比设计 第

23、一节 底基层配合比设计 第二节 基层配合比设计 第三节 采用振动成型的半刚性基层材料配合比设计方法 3.1材料要求 3.2级配设计 3.3振动击实试验方法 3.4振动击实成型试验方法 3.5配合比设计检验,第一节 底基层配合比设计,第二节 基层配合比设计,在材料比例相同，最佳含水量相近的条件下，振动击实法由于可使混合料中的骨料重新排列而能达到比重型击实法更大的混合料密实度。比值介于1.0151.041之间，平均比值为1.030。 在材料比例相同，最佳含水量相近的条件下，振动击实法由于可使混合料中的骨架更密实而使混合料具有更高的抗压强度。对于底基层，比值介于1.592.96倍之间，平均比值为2.

24、16倍。对于上下基层，比值介于1.212.02倍之间，平均比值为1.51倍。且随着水泥剂量的增加，两种成型法的水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度有接近的趋向。,第三节 采用振动成型的半刚性基层材料配合比设计方法 3.1材料要求 （1）碎石或砾石 底基层和基层单个颗粒的最大粒径均不应超过31.5mm（方孔筛），一律采用规格料配制，不得使用0mm30mm或0mm20mm的级配碎石料。其压碎值不大于30%。 所用碎石应符合表3.31的粒径组成要求。当生产的集料不符合表3.31规格要求，但与其他材料配合后合乎表3.33级配范围要求时也可以使用。 表3.31 水泥稳定碎石混合料用集料规格,（2）水泥 宜采

25、用325或425号散装普通硅酸盐水泥、矿渣水泥和火山灰水泥 。快硬、早强水泥以及受潮结块变质的水泥不得使用。所选用水泥应满足表1的技术要求。 表1 水泥指标,注：括号内数字为对矿渣水泥或火山灰水泥要求。 （3）水 凡是饮用水均可用于水泥稳定碎石施工。,3.2级配设计 资料显示，相同水泥剂量下，级配良好的混合料其强度比级配不良的混合料要高的多。据此通过调整级配提高混合料强度应有较大的潜力。工程实践表明，规范确定级配范围相对较宽，强度满足要求但级配不同的水泥稳定碎石混合料其抗裂能力有很大差别。研究成果表明，接近规范中值及规范下限两种级配，混合料具有较高的强度及抗收缩特性。级配形式见表2、图2。,表

26、2 水泥稳定碎石混合料级配表,图2 水泥稳定碎石混合料级配图,3.4最佳含水量和最大干密度的确定 按照设计集料级配的材料比例、最大干密度经验值，以及试件体积计算各种集料的重量并配料，每份混料重量约8kg左右（风干质量）；共配料45份备用。选择35个水泥剂量（一般为3%，4%，5%，6%，7%）分别进行振动击实和重型击实试验，确定不同水泥剂量下的最大干密度、最佳含水量。 3.5无侧限抗压强度试验 按规定压实度分别计算不同水泥剂量的试件应有的干密度。按最佳含水量和计算的干密度分别以振动成型法和静压法制备试件。试件在规定温度下保湿养生6d，浸水24h，按公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTJ05

27、7）进行无侧限抗压强度。,3.6配合比的确定 按规定压实度（底基层97%、基层98%）分别计算不同水泥剂量的试件应有的干密度。按最佳含水量和计算得的干密度分别以振动击实法成型规定数量的试件。试件在规定温度下保湿养生6d，浸水24h，按规程（JTJ057）进行无侧限抗压强度试验。并计算试验结果的平均值和偏差系数，根据是否满足下面公式要求来确定最后配合比设计结果。,公路路面基层施工技术规范（JTJ 0342000）标准要求见表3。,表3 水泥稳定碎石混合料抗压强度标准,3.7标准干密度的确定 目前采用振动击实试验设备进行配合比设计的施工单位较少，为便于指导施工，对通过试验确定的配合比设计结果进行重

28、型击实试验，计算最大干密度；并与振动击实法试件最大干密度进行比较，确定修正系数。以此修正系数乘以工地实验室重型击实法试件最大干密度可作为控制施工的标准干密度。,振动击实试验方法: 设备、击实方式、试验参数、装料方法等与重型击实法不同。 振动击实成型试验方法： 设备、压实方式、试验参数、装料方法等与静压法不同。,第四章 沥青路面基层结构设计与施工工艺研究 第一节 高速公路项目概况 第一节 水泥稳定碎石混合料施工工艺要求 第三节 水泥稳定碎石底基层施工工艺研究 第四节 水泥稳定碎石基层施工工艺 第五节 半刚性底基层和基层施工指南,碾压方案： 方案一：1台YZ14单钢振前静后振碾压1遍+1台YZ18

29、单钢振以高幅低频振压2遍+2台SWM220单钢以高幅低频振压2遍+1台XP260轮胎压路机碾压2遍收面。 方案二：1台YZ14单钢振前静后振碾压1遍+1台YZ18单钢振以高幅低频振压2遍+2台SWM220单钢振以低幅高频振压2遍+1台XP260轮胎压路机碾压2遍收面。,第三节 水泥稳定碎石底基层施工工艺研究,第四节 水泥稳定碎石基层施工工艺,碾压方案如下： 方案一：1台YZ14单钢振前静后振碾压1遍+1台YZ18单钢以高幅低频振压2遍+2台SWM220单钢振以低幅高频振压2遍+1台XP260轮胎压路机碾压2遍收面。 方案二：1台YZ14单钢振前静后振碾压1遍+1台YZ18（2遍）和1台SWM220（1遍）单钢振以高幅低频振压3遍+1台SWM220单钢振以低幅高频振压2遍+1台XP260轮胎压路机碾压2遍收面。,结论： 高幅低频条件下振压，影响深度较大，对底基层中下部压实效果较好；而低幅高频振动碾压影响深度较浅，对进一步追密底基层的整体压实度有利。 当压实基层厚度较厚时（底基层16cm，基层为18cm ）应适当增加高幅低频条件下振压遍数，这将有利于改善结构层内部密实程度