无机结合料稳定材料及路面 (2)

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1、第十五章 无机结合料稳定路面,第一节概述 第二节无机结合料稳定材料的特性 第三节石灰稳定类基层/底基层 第四节水泥稳定类基层/底基层 第五节工业废渣稳定类基层/底基层 ,主要内容,第一节概述,1、无机结合料稳定材料及其特点, 定义：在粉碎的或原状松散的土中掺入一定量的水泥、或石灰、或工业废渣等无机结合料及水，拌和得到混合料经压实和养生后，得到的抗压强度符合规定的材料。 由于无机结合料稳定材料的刚度处于柔性材料(如沥青混合料)和刚性材料(如水泥混凝土)之间，所以也称为半刚性材料，由其铺筑的结构层称为半刚性层。,板体性好，具有一定的抗拉强度； 稳定性好，抗冻性强； 强度和刚度随着龄期而增长； 经济

2、性好； 干缩温缩大，耐磨性差，抗疲劳性也稍差。,无机结合料稳定材料的特点,2、无机结合料稳定材料的种类,1）原材料 土（广义）：细粒土、粗粒土、巨粒土 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,1、无机结合料稳定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

3、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。,第二节无机结合料稳定材料的特性, 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、180天等）和不同的温度(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。,2、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， 水泥稳定类材料的龄期：90天； 石灰或者二灰稳定类的龄期：180天； 水泥粉煤灰稳定类：120

4、天。 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次要指标。 材料组成设计7天的抗压强度。,3、无机结合料稳定材料的疲劳特性,所谓疲劳是指在荷载反复作用下，材料的极限强度会随着作用次数的增加而降低的现象；一般有劈裂疲劳和小梁疲劳试验。 我国无机结合料稳定材料的疲劳一般采用劈裂疲劳。,单对数,双对数,半刚性材料可以进行小梁弯拉疲劳试验，但是一般认为其变异性较大。,室内小梁弯拉疲劳试验设备照片 （三分点加载）,同时由于劈裂试验 更能反映材料在路 面结构中的受力状 态，因此实际常采 用劈裂疲劳试验。,劈裂试验示意图

5、,1）通过不同应力比(应变水平)疲劳试验可测绘出疲劳曲线； 2）在一定的应力（应变水平）水平条件下，材料的疲劳寿命取决于材料的强度和刚度，强度愈大刚度愈小，疲劳寿命就愈长；跟试验温度的变化关系不大。 3）f/s 50%时，原则上可至无穷加荷次数，但材料本身变异性大，实际试验中因材料的不均匀性，疲劳寿命要小得多。,二灰砂砾（小梁）应力强度比疲劳寿命曲线,4、无机结合料稳定材料的干缩和温缩,无机结合料稳定材料拌和压实后，由于失水干燥，或降温影响而收缩。由此可引起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

6、征材料的收缩性能大小。,5）干缩试验 试件：100mm100mm400mm梁式试件，标准养护条件下养护7天； 条件：温度为25，湿度50左右； 检测：第1天为6小时一次，第25天为12小时一次，之后24小时一次，直到含水量基本不变为止；,6）温缩试验 试件：100mm100mm400mm梁式试件，标准养护条件养护28天； 温度范围：+55-25，每10为一个温度区段 时间设定：降温时间10min（即1/min），恒温120min。,WGD高低温交变环境箱,数据采集系统,7、无机结合料稳定材料的收缩特性,干燥收缩 湿度在材料使用过程中总有变化，但一般更多考虑的是材料在成型之初的湿度降低影响。 1

7、）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、无机结合料稳定材料的收缩特性,2）干缩影响因素： 无机结合料稳定材料的干缩特性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。 3）几种材料的干缩比较 对稳定粒料类，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 4）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。,温度收缩 1）

8、收缩原理： 由固相、液相和气相组成。半刚性材料的外观胀缩性是三相的不同温度收缩性的综合效应表现。 一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略，原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小，粉粒以下的颗粒温度收缩较大。 2）无机结合料稳定材料的温缩影响因素 无机结合料稳定材料温度收缩的大小与结合料类型和剂量、被稳定材料的类别、粒料含量、龄期等有关,3）不同材料的温缩比较 石灰土砂砾（16.710-6）悬浮二灰粒料（15.310-6）密实式二灰粒料（11.410-6）和水泥砂砾（57水泥剂量为101510-6） 4）温缩的发生时节及控制 时节：冬季低温 控制：选择材料种类与配比,经过一定龄

9、期的养生，半刚性材料的变形以温度收缩为主。 半刚性基层修建初期，同时受到干燥收缩和温度收缩的综合作用。,8、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：,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； 裂缝产生后，雨水的浸入会加剧稳定细粒土基层及沥青路面的病害；,（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）注意养生与保湿； （6）注意减

10、少施工车辆的养生期间的作用。,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。,第三节石灰稳定类基层/底基层,1、石灰稳定（底）基层, 在粉碎的土或原状松散的土（包括各种粗、细粒土）中，掺入适量的石灰和水，按照一定技术要求，经拌和，在最佳含水量下摊铺、压实及养生，以达到（底）基层抗压强度。用石灰稳定细粒土得到的混合料简称石灰土，所做成的基层称石灰土基层（底基层）。,石灰稳定不但具有较高的抗压强度，而且也具一定的抗弯强度，且强度随龄期逐渐增加。因此，一般可用于低等级公路的基层或底基层。 石灰稳定土因其水稳定性较差，不应做高速公路或一级公路的基层，必要时可以用

11、作底基层。在冰冻地区的潮湿路段以及其他地区的过分潮湿路段，也不宜采用石灰土做基层,2、石灰稳定材料的强度形成机理,1 ）离子交换作用 土具有胶体性质，表面带负电荷，并吸附钠离子、钾离子和氢离子，石灰中的钙离子会与其发生离子交换作用，形成钙土，减小了土颗粒表面水膜厚度，分子引力增加。 2）碳酸化作用 生成的碳酸钙是坚硬的晶体，具有较高的强度和水稳性，对土的胶结作用使土得到了加固。 石灰土表面钙化后，形成硬壳层，进一步阻碍了二氧化碳的进入，碳化过程十分缓慢，是形成石灰土后期强度的主要原因。,3 ）结晶作用 经过结晶作用，消石灰逐渐由胶体转化为晶体，晶体间能够相互结合，与土形成共晶体，从而使得土粒胶

12、结成整体。,4 ）火山灰作用 土中充分的硅、钙离子是火山灰作用的前提，同时必须增加土的碱性；火山灰作用生成物具有水硬性性质，是构成石灰土早期强度的主要原因。,离子交换作用与火山灰作用，是构成石灰土早期强度的主要因素； 后期强度则更多源于碳酸化作用和结晶作用。 由于石灰与土发生了一系列的相互作用，从而使土的性质发生根本的改变。 在初期，主要表现为土的结团、塑性降低、最佳含水量增加和最大密实度减小等； 后期主要表现为结晶结构的形成，从而提高其板体性、强度和稳定性。,3、石灰稳定材料的强度影响因素,1）土质： 各种成因土都可用石灰稳定； 塑性指数低于10以下的低塑性土（这与水泥稳定土刚好相反）不适宜

13、稳定； 适宜于稳定粘性土，尤其是塑性指数在1220的粘性土。 原因： 粘性颗粒的活性强、比表面积及表面能大，掺入石灰稳定材料后，形成的四种作用比较活跃，石灰土强度随土塑性指数的增加而增大； 重粘土虽然粘土颗粒含量高，但是不易粉碎和拌和，稳定效果反而不好。,2）灰质： 石灰应采用消石灰粉或生石灰粉，对高速公路或一级公路宜用磨细的生石灰粉。石灰质量应符合III级以上的技术指标，并要尽量缩短石灰的存放时间。,石灰剂量：是石灰质量占全部土颗粒的干质量的百分率。 石灰剂量对石灰稳定土的强度影响非常显著。 在石灰剂量较低时（小于34），起稳定作用，土的塑性、膨胀、吸水量减小，使土的密实度、强度、和易性等得

14、到改善； 随着剂量的增加，强度和稳定性均提高； 但剂量超过一定范围后，强度反而降低。 常用最佳剂量范围： 粘性土及粉性土为814； 砂性土则为916； 最终根据结构层技术要求进行混合料组成设计。,3）石灰剂量,4）含水量： 最佳含水量及略小于最佳含水量时最易压实达到较高的压实度； 石灰稳定类材料的最佳含水量需要通过标准击实试验进行确定； 经验公式为：石灰土的最佳含水量素土的最佳含水量拌和过程中的蒸发量（约在1.5%左右）石灰反应所需的水（0.2石灰剂量）。 5）密实度： 石灰稳定土的强度随密实度的增加而增长； 实践证明，石灰稳定土的密实度每增减1%，强度约增减4%左右； 密实的石灰稳定土，其抗

15、冻性、水稳定性好，缩裂现象也少。,Rt =R 1t,R1一个月龄期的抗压强度； Rtt个月龄期的抗压强度； 系数，约0.10.5。,石灰稳定土的强度随龄期增长，一般初期强度较低，前期(12个月)的增长速率较后期快。其强度与龄期的关系可表示为：,6）龄期：,温度高，物理化学反应快，强度增长快，反之则慢； 负温条件下甚至不增长； 施工期的最低温度应在5以上，并在第一次重冰冻(-35)到来之前1个月1个半月完成； 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。,7）养生条件（温度与湿度）：,4、石灰稳定类材料的缩裂防治,1）严格控制压实含水量：石灰稳定土含水量过多产生的干缩裂缝显著，压实时含

16、水量应略小于最佳含水量。 2）严格控制压实标准：压实度小时产生的干缩比压实度大时严重，应尽可能达到最大压实度。 3）严格养生条件：干缩发生在成型初期，要重视初期的保湿养护，保证石灰稳定土表面处于潮湿状况。 4）禁防干晒：石灰稳定土施工结束后可及早铺筑面层，使石灰稳定土基层含水量不发生大的变化，从而减轻干缩裂缝。,5）施工季节：温缩的最不利季节是材料处于最佳含水量附近，而且温度在0-10时，因此施工要在当地气温进入0前一个月结束，以防在不利季节产生严重温缩。 6）控制剂量：在满足强度要求情况下，尽可能选择较低剂量的无机结合料；在石灰稳定土中掺加6070%的集料也可提高其强度、稳定性和抗裂性。 7）反射裂缝的防治： （1）设置联结层； （2）铺筑碎石隔离过渡层； （3）提高沥青下面层抗裂性能,5、石灰稳定类材料的混合料设计, 1）混合料的设计步骤,根据强度标准，通过试验选取合适的土 制备相同土样，不同石灰剂量的混合料 确定最佳含水量及最大干压实密度 按最佳含水量和工地压实密度制备试件 无侧限抗压强度，选定合适的石灰剂量, 2）石灰稳定土的强度及压实要求,在规定温度(北方冰冻地区