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1、 1 第4章无机结合料稳定材料 2 携手十一通过市政群 136816564 3 课前提问 为什么无机结合料稳定材料又称为 半刚性材料 为什么CTB和LFTB会成为无机结合料稳定材料中的两大 主力 4 两个基本概念 无机结合料稳定材料在破碎的或原来松散的土 包括各种粗 中 细粒土 中 掺入足量的水泥 石灰或工业废渣材料和水 经拌和得到的混合料 在压实和养生后 抗压强度符合规定要求的混合料 半刚性材料用水泥 石灰或水硬性结合料等无机结合料处治的土或碎 砾 前期具有柔性的性质 后期强度和刚度有大幅度的增长 但仍远小于水泥混凝土 这样的混合料称为半刚性材料 强度来源 强度特征 5 半刚性 的由来 沥青
2、混合料 级配碎石 无机结合料稳定材料 水泥混凝土 1200MPa柔性材料 1300 1700半刚性 25000刚性材料 由于无机结合料稳定材料的刚度介于柔性材料和刚性材料之间 因此也被称为 半刚性材料 6 结构定位 大多用做沥青路面或水泥路面的基层或底基层 最适合这两个层次的工作 7 沥青路面主要病害 反射裂缝 路面裂缝 基层开裂 在荷载和温度的反复作用下 无机结合料基层上的裂缝逐渐向上反射 形成沥青路面的裂缝 8 沥青路面主要病害 水损害 在沥青路面上产生反射裂缝后 水沿裂缝面逐渐渗入基层顶面 在高速车载的作用下 高压水流不断冲刷无机结合料稳定材料基层上的细小颗粒 逐渐泵吸到路面 形成唧泥
3、路面唧泥 9 结构功能及设计 承受车辆荷载的作用 起主要承重层的作用 优化材料设计 尽量减小路面的反射裂缝 优化材料设计 增强抵抗水损害的能力 10 本章内容要点 一 使用状况和分类二 力学性能 三 收缩性能 四 水稳定性 五 疲劳性能七 配合比设计 八 施工工艺及控制 六 综合性能 11 一 使用状况和分类 1 使用状况 国内 七五期间 12 一 使用状况和分类 1 使用状况 国内 七五以后 13 一 使用状况和分类 1 使用状况 国外从1980年代中期开始 国外在高速公路中很少使用无机结合料稳定材料 即使使用 也是采用较厚的沥青层 较薄半刚性材料作底基层的 混合结构 国外最常用的基层材料是
4、级配碎石 Unboundmaterial或Granularmaterial 与我国的使用状况存在很大差别 薄沥青层 厚半刚性材料 14 一 使用状况和分类 按结合料类型分 水泥稳定材料 水泥稳定碎石等 石灰稳定材料 石灰土等 石灰工业废渣稳定材料 石灰粉煤灰碎石 简称二灰碎石 按土的颗粒组成分 稳定粗粒土 二灰稳定碎石等 常用做基层 稳定中粒土 水泥稳定砂砾等 常用做基层 稳定细粒土 二灰稳定土等 常用做底基层 2 分类 15 二 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 1 水泥水化作用 2 离子交换作用 3 化学激发作用 4 碳酸化作用 16 二 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材
5、料 1 水泥水化作用硅酸三钙3CaO SiO2 C3S 硅酸二钙2CaO SiO2 C2S 铝酸三钙3CaO Al2O3 C3A 铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF 强度形成的主要来源 水泥成分 17 二 力学性能 18 二 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 两种水泥水化作用的区别 水泥稳定土VS水泥混凝土 土 水泥稳定土 具有非常高的比表面积和亲水性 水泥稳定土中的水泥含量较少 6 土对水泥的水化产物具有强烈的吸附性 在一些土中常存在酸性介质环境 19 二 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 2 离子交换作用水泥水化产物中的Ca OH 2含量很高 易形成富
6、含Ca2 的碱性溶液环境 当溶液中富含Ca2 时 因为Ca2 的电价高于K Na 等离子 因此与电位离子的吸引力较强 从而取代了K Na 成为反离子 同时Ca2 使双电层电位的降低速度加快 Ca2 K Na 增加强度和稳定性 20 二 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 3 化学激发作用Ca2 的化学激发作用当粘土颗粒周围介质的pH值增加到一定程度时 粘土矿物中的部分SiO2和Al2O3的活性将被激发出来 与溶液中的Ca2 进行反应 生成新的矿物 这些矿物主要是硅酸钙和铝酸钙系列 如4CaO 5SiO2 5H2O 4CaO Al2O3 19H2O 3CaO Al2O3 16H2O Ca
7、O Al2O3 10H2O等 增加强度和水稳定性 21 二 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 4 碳酸化作用水泥水化生成的Ca OH 2 除了可与粘土矿物发生化学反应外 还可以进一步与空气中的CO2发生碳化反应并生成碳酸钙晶体 反应缓慢 作用较弱 22 二 力学性能 1 强度作用原理b 石灰稳定材料 生石灰的主要成分 有效氧化钙CaO和氧化镁MgO生石灰的熟化和硬化 熟化 消石灰或熟石灰 CaO H2O Ca OH 2 65 9kJ mol硬化 结晶和碳酸化 23 石灰的技术指标 JTJ034 2000 表4 2 2 24 化学激发作用 二 力学性能 1 强度作用原理b 石灰稳定材料
8、 1 离子交换作用 初期强度 2 碳酸化反应 后期强度 3 火山灰反应 中后期强度 4 氢氧化钙的结晶反应 强度主要来源 25 二 力学性能 1 强度作用原理c 工业废渣稳定材料 1 常用材料 粉煤灰 2 粉煤灰的相关参数 密度 1900 2400kg m3 普通 2500 2800kg m3 高钙15 比表面积 2700 3500cm2 g最佳粒径 5 30 m 湿排灰 干排灰 26 二 力学性能 1 强度作用原理c 工业废渣稳定材料 3 粉煤灰的化学组成氧化物含量 前三种氧化物含量应大于70 三种粉煤灰 CaO含量 低钙 15 烧失量 应小于8 未燃煤的含量 27 二 力学性能 1 强度作
9、用原理c 工业废渣稳定材料 4 石灰粉煤灰的水化活性粉煤灰中的CaO含量较少 所以通常不能自行水化 水化激发条件包括生石灰 熟石灰 水泥水化生成的Ca OH 2 石膏 碱性物质等 特别是Ca OH 2 28 二 力学性能 1 强度作用原理c 工业废渣稳定材料 4 石灰粉煤灰的水化活性相关化学反应 a CaO H2O Ca OH 2 b Ca OH 2 CO2 CaCO3 H2O c Ca OH 2 SiO2 H2O xCaO ySiO2 zH2O c Ca OH 2 Al2O3 H2O xCaO yAl2O3 zH2O d Ca OH 2 SiO2 Al2O3 H2O xCaO yAl2O3
10、zSiO2 wH2O e Ca OH 2 SO42 Al2O3 H2O xCaO yAl2O3 zCaSO4 wH2O 29 二 力学性能 1 强度作用原理c 工业废渣稳定材料 5 粉煤灰的技术要求烧失量 小于8 氧化物含量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 应大于70 细度 比表面积宜大于2500m2 g 含水量 不宜超过35 30 2 温度和时间对强度的影响 二灰稳定材料 5 0 31 3 力学性能的特点 3 无机结合料稳定材料力学性能特点具有较大的抗压强度和一定的抗拉强度强度随龄期逐渐增长 但后期增加幅度较小环境温度对半刚性材料强度的形成和发展有很大影响无机结合料稳定材料强度的时 温转换
11、特性 32 4 小结 1 强度作用原理水泥稳定材料 水泥水化作用 离子交换作用 化学激发作用和碳酸化作用石灰稳定材料 离子交换作用 碳酸化反应 火山灰反应和氢氧化钙的结晶反应工业废渣稳定材料 粉煤灰 与石灰稳定材料类似 但不能自行水化 2014市政案例技巧班 可以拥有 33 超过100G的市政课件下载地址 携手十一通过市政qq群 136816564 34 35 4 小结 2 温度和时间对强度的影响在环境温度达到5 以上时 随着养护时间 龄期 的增加 无机结合料稳定材料的强度逐渐增长 但后期增幅较小 3 力学性能的特点温度和时间对无机结合料的力学性能影响很大 无机结合料稳定材料的时 温转换特性
12、36 三 收缩性能 1 两种主要收缩类型干缩 干燥收缩是无机结合料稳定材料因内部含水量变化而引起的体积收缩现象 温缩 由于温度的交替而引起的无机结合料稳定材料收缩的现象 关系 通常干缩是主要的收缩类型 干缩可达到温缩的4 10倍以上 37 2 收缩的测试 1 干缩的测试百分表测试应变片测试 2 温缩的测试应变片测试 在被测试件的适宜位置粘贴应变片 采用专用仪器测试应变片电阻的变化 38 3 收缩指标 1 干缩指标干缩应变 失水率 干缩系数 平均干缩系数 2 温缩指标温缩应变 平均温缩系数 39 4 干缩特性 4 1干缩特性表现形式 常为横向裂缝 间距3 10m 常用材料的干缩应变 石灰土 12
13、00 1500 10 6 失水量2 5 将引起基层裂缝 导致 反射裂缝的产生 水泥砂砾 13 18 10 6 50 最大失水量 密实式二灰砂砾 25 37 10 6 失水量2 5 如果处理得当 将大大延缓裂缝的产生 40 4 干缩特性 4 2干缩特性影响因素 1 结合料含量 存在最佳水泥用量 一般为5 左右 二灰剂量一般为15 25 41 4 干缩特性 4 2干缩特性影响因素 2 细料含量 随着粘粒含量的增加 干缩应变显著增加 在实际应用中应尽量减少粘粒含量 42 4 干缩特性 4 2干缩特性影响因素 3 含水量 对二灰砂砾的干缩来说 存在最不利含水量 在施工控制中应尽量避免 最佳用水量范围
14、8 10 43 4 干缩特性 4 2干缩特性影响因素 4 养护龄期 随着养护龄期的增加 二灰砂砾的干缩性逐渐减小 在施工中应尽量增加养护时间 44 4 干缩特性 4 3干缩机理干燥收缩是无机结合料稳定材料因内部含水量变化而引起的体积收缩现象 干燥收缩的基本原理是由于水分蒸发而发生的 毛细管张力作用 吸附水及分子间力作用 矿物晶体或胶凝体的层间水作用 碳化脱水作用 而引起的整体宏观体积的变化 45 4 干缩特性 4 3干缩机理 1 毛细管张力作用当水分蒸发时 毛细管水分下降 弯液面的曲率半径变小 致使毛细管压力增大 从而产生收缩 2 吸附水及分子间力作用毛细水蒸发完结后 随着相对湿度的继续变小
15、无机结合料稳定材料中的吸附水开始蒸发 使颗粒表面水膜变薄 颗粒间距变小 分子力增大 导致其宏观体积进一步收缩 这一阶段的收缩量比毛细管作用的量大得多 46 4 干缩特性 4 3干缩机理 3 矿物晶体或胶凝体的层间水作用随着相对湿度的继续变小 无机结合料稳定材料中的层间水开始蒸发 使晶格间距变小 导致其宏观体积进一步收缩 4 碳化脱水作用碳化脱水作用是Ca OH 2和CO2反应生成CaCO3中析出水而引起体积收缩 47 5 温缩特性 5 1温缩特性表现形式 常为横向裂缝 间距3 15m 缝宽3 30mm 冬季 小于1mm 夏季 常用材料的温缩应变 石灰土 30 80 10 6如处理不当将引起基层
16、裂缝 水泥砂砾 5 10 10 6密实式二灰砂砾 6 15 10 6如果处理得当 将大大延缓裂缝的产生 48 5 温缩特性 5 2两种温缩试验方法封闭状态下的温缩试验 1 在饱水状态下 温度收缩系数在高温区 T 10 变化不大 而在低温区 在其相应的冰点附近出现负收缩 膨胀 现象 除水泥砂砾出现在0 附近外 其余材料均发生在 10 附近 2 含水量对温度收缩系数影响极大 饱水 风干状态最小 约在最佳含水量与半风干区间 温度收缩系数在温度T 0 10 区间最大 当含水量低于风干含水量时 一般在T 0 10 温度区间有极小值 随后又有不同程度的回升 自由状态下的温缩试验 49 5 温缩特性 5 3温缩特性影响因素 水泥剂量在5 时 水泥砂砾的温缩系数较小 在常用掺量范围内 二灰含量对二灰砂砾的温缩系数影响不大 50 5 温缩特性 5 4温缩机理 1 固相外观胀缩性就组成矿物的颗粒而言 原生矿物一般有较小的热胀缩性 而新生成胶结物 次生矿物 如粘土矿物 的热胀缩性较大 粉煤灰的热胀缩性最小 晶体势能曲线 51 5 温缩特性 5 4温缩机理 2 水的影响无机结合料稳定材料内部广泛分布有空隙 包
