公路半刚性基层材料结构理论、多指标控制设计方法与工程应用

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1、公路半刚性基层材料结构理论、多指标公路半刚性基层材料结构理论、多指标 控制设计方法及工程应用控制设计方法及工程应用 长安大学长安大学 沙爱民沙爱民 2010 年 04 月09日 基层 路基 面层 基层是公路路面的主要承重层, 基层的使用寿命决定着整个公路路面的使用寿命。 大背景:公路建设快速发展。 减少路面早期损坏，延长路面使用寿命。 供车辆安全、平稳行驶 主要起承重作用 + 拌合、摊铺 水泥 或 石灰 砂石材料 或 工业废渣 半刚性 基层 压实、养生 半刚性基层在我国应用极广，占到基层用量的85%（各 级公路基层）至95%（高速公路基层）以上。 图1 各级公路基层类型 图2 高速公路基层类型

2、 沥青路面早期损坏成因的“内忧外患” 超载问题? 施工质量问题? 路面结构设计方法问题? 路面结构类型（半刚性基层沥青路面） 设计理论体系（指标与方法） 抗裂性不足 导致面层 反射裂缝 冲刷能力 不足导致面层 唧浆、松散 强度不足 导致面层 疲劳破坏 半刚性基层在具有显著技术、经济优势的同时，存在下列突出问题。 半刚性基层的“问题” 强度高且容易开裂 半刚性基层容易发生水损坏 半刚性基层的耐久性需要考证 半刚性基层何去何从? 半刚性基层 强度高抗裂性好 抗冲刷性能强 国外对半刚性基层的开裂与冲 刷损坏主要是通过增加面层厚度和 控制面层的渗水来避免和减少，效 果有限，成本较高。 国内曾采取过在基

3、层中通过设 置应力吸收层、铺设土工布、预锯 缝以及封层等方式减少基层自身收 缩开裂和冲刷现象以及对面层的影 响，效果不明显，且易引起新的破 坏现象。 长安大学自“八五”开始至今，近二十年长期对半刚性基层的 抗裂性、强度形成机理以及综合性能改善等方面开展了大量研究 和实践，发现：半刚性基层性能改善的经济、有效途径在于改进 材料的组成设计。 研究内容 理论依据试验手段设计方法工程应用 理论依据 强度问题 半刚性基层的可设计强度值域很宽 :0.512MPa 半刚性基层材料的强度不仅靠结合料的剂量, 更应要靠良好的集料级配. 在一定条件下可以做到高强又不开裂. 高强度半刚性材料应该是结构设计的要求的

4、结果,而且应该是有界限的. 土 类类级级配良好的 砾砾石-砂-粘 土，砂或砾砾 石 粉质质砂 ，砂质质 粘土 粉质质-砂质质 粘土，级级 配差的砂 粉土，粉质质 粘土，级级配 很差的砂 重粘土 7d无侧侧限抗压压强度（ MPa） 2.810.51.73.50.71.70.351.050.7 弯拉模量（103MPa）72173.573.51.4 水泥剂剂量（干土重%）5791013 水泥稳定土的无侧限抗压强度和弯拉模量 收缩开裂问题 温度或干燥收缩是材料的“天性”。 及时的保湿养生可以避免干燥收缩 裂缝。 控制细料含量可以显著减小温度收 缩开裂可能。 干缩系数 温缩系数 成分收缩缩系数（10-6

5、） 水泥石1020 集料花岗岗岩79 玄武岩68 石灰石6 白云石710 砂 岩1112 水泥石和集料的收缩系数 冲刷问题 半刚性基层表面的非紧密联结的细料在动 水压力泵吸作用下的脱离是形成冲刷的主 要原因。 不产生或减小冲刷途径： 减少细料含量 增加结合强度 消减动水压力 冲刷试验结果 图4-18 水泥砂砾（6%）、水泥土（6%）在相同作用力相同时间 不同频率下冲刷曲线 图4-20 水泥砂砾（6%）、水泥土（6%）在相同作用频率、相同作用时间 不同作用力下冲刷曲线 冲刷试验 疲劳问题 半刚性基层材料是一应力敏感性材料 ： 疲劳曲线较为平 缓 超载对半刚性基层的寿命影响要更 大于沥青面层 同样

6、应力比条件下，半刚性基层比普 通沥青面层具有更长的疲劳寿命。 半刚性基层的长寿命 路面基层一般要求 应具有足够的强度和稳定性； 在冰冻地区应具有一定的抗冻性； 应具有较小的收缩（温缩及干缩）变形 ； 较强的抗冲刷能力。 材料组成设计目标 材料组成设计新方法多指标： 适宜强度 较小收缩 较小冲刷 材料组成设计新理念考虑结构 ： 结构决定性能 试验手段 振动压实 倡导室内振动压实成型目的- 适应多粒料材料的压实 保持设计级配 符合现场压实状态 减小试验结果偏差 振动压路机结构 振动压路机结构示意图 1手动葫芦 2机架 3导向柱 4上车系统 5偏心块 6减振块 7下车系统 8压头 9钢模套环 10钢

7、模 11钢模底盘 12传动 轴 13电动机 14变频器 室内振动压实成型设备示意图 室内振动压实机结构 振动法、静压法含水量变化情况对比 反映了振动压实功与静力压实功的一致性 振动法、静压法集料破碎情况对比 静压 法 振动 法 振动法确定压实标准试验方法 一、目的和适用范围 本试验方法适用于在室内对水泥、石灰、石灰粉煤灰稳定粒料土基层 材料进行振动压实试验，以确定这些材料的含水量干密度关系 曲线，确定其最佳含水量和最大干密度。试验集料的最大粒径应 控制在31.5mm以内，最大不得超过37.5mm。 二、仪器设备 三、试料准备 四、试验步骤 五、计算及制图 振动法成型试件试验方法 一、目的和适用

8、范围 本试验方法适用于采用振动压实方法成型无机结合料稳定粒料的 各种试件，其中包括用于测试无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压 回弹模量的圆柱体试件和用于温缩系数、干缩系数、抗折强度以及抗 折回弹模量测试的梁式试件。 二、仪器设备 三、试料准备 四、试件制作步骤 五、注意事项及相关说明 1温度补偿片 2 温度补偿应变 片 3屏蔽线 4接线柱 5应变仪 6 测试应变 片 7试件 收缩系数测试接线 示意 半刚性基层材料收缩方法 1计算机 2接口线 3接线柱 4应变仪 5屏蔽线 6环境箱 7试件 8应变片 收缩系数测试系统 温缩系数测定试验 温缩系数测定方法 一、目的和适用范围 水泥、石灰等无机结合料

9、稳定细粒土或粒料所形成的半刚性基层材料的温 度收缩性能通常用温度收缩系数表征。材料的温度收缩系数是指下降单位 温度条件下，材料产生的收缩应变量。本试验方法适用于在室内测定半刚 性基层材料的温度收缩系数。 二、仪器设备 三、试料准备 四、成型标准确定 五、试件制备 六、试件养生 七、试验步骤 八、计算各具体温度区间的温度收缩系数 一、目的和适用范围 水泥、石灰等无机结合料稳定细粒土或粒料所形成的半刚性基层材料的干 燥收缩性能通常用干燥收缩系数表征。材料的干燥收缩系数是指减少单位含 水量条件下，材料产生的干燥应变量。本试验方法适用于在室内测定半刚性 基层材料的干燥收缩系数。 二、仪器设备 三、试料

10、准备 四、成型标准确定 五、试件制备 六、试件养生 七、试验步骤 八、计算某一具体含水量区间的干燥收缩系数： 干缩系数测定方法 基层冲刷试验现有设备状况 1钢桶 2试件 3水 4配重 5振动台顶面 6振动 台 法国振动台试验装置 澳大利亚振动台试验装置 1旋转刷 2试件 法国旋转刷试验装置 1钢桶 2水 3混凝土垫块 4试件 5振动台顶面 6振动台 利用MTS进行冲刷试验 压头向下运动压头向上运动 室内冲刷试验机 1机架 2皮带 3固定偏心块 4活动偏心块 5 配重箱 6冲刷头 7冲刷桶 8导向柱 9电机 10框架 11分动齿轮 12配重块 13水 14试件 15钢夹 道路冲刷试验机示意图 激

11、振力调节原理示意图 1活动偏心块 2销孔 3固定偏心块 抗冲刷性能试验方法 一、 目的和使用范围 本试验方法适用于水泥稳定类、石灰稳定类、二灰稳定 类等基层材料进行抗冲刷试验。本试验方法包括：按照室内击实试验所 确定的最大干密度和最佳含水量，采用静力压实或振动成型法制备试件 ，试件为圆柱体，高度与直径之比为11。 二、仪器设备 三、试件形状、尺寸 四、试料准备 五、压实标准的确定 六、试件制备 七、试件养生 八、试验步骤 九、试验结果处理 材料种类养生龄期 水泥稳定类28天 二灰稳定类90天 设计方法 设计方法 结构类型选择 控制指标、标准 选择法 试验法 路面基层类型 材料组成水泥稳定类、石

12、灰粉煤灰稳定类、 水泥混凝土类、沥青稳定类、 无结合料粒料类； 力学行为半刚性、柔性、刚性； 结构组成骨架密实结构、骨架孔隙结构、 悬浮密实结构、均匀密实结构。 V1 V2 V1 V2 V1 V2 提出了结构类型划分的物理概念和检验标准。 提出半刚性基层材料四种结构类型： 均匀密实结构 悬浮密实结构 骨架密实结构 骨架孔隙结构 均匀密实结构 悬浮密实结构 骨架密实结构 骨架孔隙结构 不同结结构类类型半刚刚性基层层材料 粗集料压密后的孔隙体积 细集料和结合料压密后的总体积 各结构类型基层的特点 悬浮密实型混合料中的粗集料用量一般在50左右， 细集料含量较多，抗弯拉性能较好，适用于各等级公 路的基

13、层和底基层。 骨架密实型混合料中的粗集料用量一般在75以上， 细集料含量较少，压实混合料的嵌挤强度较高，抗裂 性、抗冲刷性较好，宜用于高速公路和一级公路的基 层。 骨架孔隙结构型混合料与骨架密实型混合料相比具有 较高的孔隙率，适用于有较高路面内部排水要求的基 层。 均匀密实型混合料建筑费用较低，可用作二级及二级 以下公路路面的基层或底基层，不能用作高速公路和 一级公路的基层。 水泥稳定碎石基层材料体积参数测定结果 试验项 目 单位以9.5mm划分以4.75划分以2.36划分 粗集料空隙体积cm3409.05724.31760.36 细集料部分(含水泥、水)体 积 cm31981.851345.

14、68990.00 混合料结构类型悬浮悬浮悬浮 粗集料骨架试验级配 粗集料试验级 配表 筛孔孔径 （ mm） 31.526.5 19.016.013.29.54.75 连 续 级 配 a10088675847300 b10087645243260 c10085594837220 多 级 嵌 挤 d10085352015100 e1009578271370 f1008872645550 单 级 级 配 g1000 h1000 i1000 x 混合料中水泥的用量（g） y 混合料中细料的用量（g） W粗料装满标准容器后粗料的质量（g） 水泥、细集料 水泥、细集料的最大干密度（g/ cm3） A 混合

15、料中预定水泥计量（%） B 通过试验确定出的粗集料空隙体积（cm3） 骨架密实水泥稳定碎石组成计算 结构类型的选择 选择结构类型 骨架孔隙结构骨架密实结构 悬浮密实结构 车辆组成 道路等级、 面层类型 气候 条件 路用性能检验 确定混合料配比 是否满足要求 推荐使用 否 是 交通量 混合料设计方法 半刚性基层材料混合料组成设计方法分两种，即选择法和试验法。 选择法 选择法适用于常见的水泥稳定碎石、二灰稳定碎石材料。对于 这些材料，当其集料级配得到改善，或混合料结构类型由悬浮密实型 向骨架密实型改变后，其路用性能也会随之改善，当其强度满足规范 要求后其他性能也能满足相应要求。 试验法 实践中会因材料和施工设备等条件的变化提出超出常规的新的材 料级配组成；并且，随着半刚性基层材料的发展，在各地的实践中采 用了许多外加成分和新材料，如在混合料中加入各种填加剂、纤维、 早强剂以及当地的工业废渣等。这些材料使用经验很少，仅从7天的 抗压强度指标难以评判这些新材料的其他路用性能，对于它们需要进 行充分的