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1、路 面 基 层,基层的种类,柔性基层：沥青稳定碎石、沥青贯入式、级配碎石、级配砂砾等； 半刚性基层：水泥稳定土或粒料、石灰与粉煤灰稳定土或粒料； 刚性基层：碾压式水泥混凝土、贫混凝土； 混合式基层：上部使用柔性基层，下部使用半刚性基层的为混合式基层。,柔性基层的弹性模量：400-500MPa； 半刚性基层的弹性模量：4000-8000MPa； 刚性材料的弹性模量：30000MPa；,第一节 半刚性基层,半刚性基层,我国百分之九十以上的高速公路沥青路面的基层或底基层采用了半刚性材料，这表明半刚性基层沥青路面，已经成为我国高等级公路的主要结构类型。,半刚性基层的类型与强度形成机理,一、半刚性基层的
2、主要形式,基于大吨位汽车运输和交通量的迅速发展，半刚性基层沥青路面被大量应用于道路结构中。 半刚性基层多为无机结合料稳定类，包括的主要类型有石灰稳定类、水泥稳定类和综合稳定类。 在半刚性基层中，二灰稳定碎石基层、水泥稳定碎石基层和水泥粉煤灰碎石基层是使用较为普遍的几种半刚性基层形式。 它们都具有强度高、板体性能好、刚度大、承载能力强等优点。,二、半刚性材料的特点,1、具有一定的抗拉强度； 2、环境温度对材料强度的形成和发展有很大的影响； 3、强度和刚性都随龄期增长； 4、刚性为柔性材料的数倍，但又明显小于水泥混凝土。,三、半刚性基层材料强度形成原理,1 石灰稳定类材料强度形成原理 石灰稳定类材
3、料包括石灰土、石灰砂、砾土、石灰碎石土等。其强度形成主要指石灰与细粒土的相互作用。 土中掺入石灰，石灰与土发生强烈的相互作用，从而使土的工程性质发生变化。 初期表现为土的结团，塑性降低，最佳含水量增大和最大干密度减小等；后期变化主要表现在结晶结构的形成，从而提高土的强度与稳定性。,1 石灰稳定类材料强度形成原理,石灰加入土中发生的物理与化学反应主要有离子交换、()2(氢氧化钙)的结晶、碳酸化和火山灰反应。 其结果使粘土胶粒絮凝，生成晶体()2、3(碳酸钙)和含水硅、铝酸钙等胶结构，这些胶结构逐渐由胶凝状态向晶体状态转化，致使石灰土的刚度不断增大，强度与水稳定性不断提高。,离子交换,离子交换反应
4、是指石灰加入土中，在水的参与下易离解成 Ca+离子和（OH）离子， Ca+可与粘土胶体颗粒反离子层上K+ 和 Na+离子发生离子交换，其结果使待胶体吸附层减薄，从而使粘土胶体颗粒发生聚结，土的湿坍性得到改善。 离子交换是石灰土初期强度形成的主要原因。,结晶作用,()2的结晶反应是石灰吸收水分形成含水晶体，所生成的晶体相互结合，并与土粒结合起来形成共晶体，把土粒结成整体，从而使石灰土的稳定性得到提高 。,碳酸化反应,碳酸化反应是指 ()2与空气的2 反应生产 3 的过程。 当石灰土的表层发生碳酸化反应， 形成一层硬壳，从而阻碍2 的渗入，使碳酸化反应过程较长，所以它是石 灰土后期强度增长的主要原
5、因之一。,火山灰反应,火山灰反应是指土中的活性硅铝矿物在石灰的碱性激发下解离， 在水的参与下与 ()2反应生成含水的硅酸钙和铝酸钙的过程，所生成新的化合物与水泥水解后的产物相类同， 是一种水稳性良好的结合 料。 火山灰反应是在不断吸收水分的情况下逐渐发生的，因而具有水硬性性质。 碳酸化与火山灰反应对提高石灰土的强度与稳定性起着决定性作用,影响石灰土强度与稳定性的主要因素,影响石灰土强度与稳定性的主要因素有 土质 石灰的质量与剂量 养生条件与龄期等,（1）土质,各种成因的亚砂土、亚粘土、粉土和粘土都可以用石灰来稳定。 一般来说，粘土颗粒的活性强、比表面积大、表面能量也较大，因而掺入石灰等活性材料
6、后，所形成的离子交换、碳酸化作用、结晶作用和火山灰作用都比较活跃，故石灰土强度随土的塑性指数增加而增大。 但土质过粘时，不易粉碎和拌和，反而影响稳定效果，且易形成缩裂。,石灰土的强度随土的值增大而增大，这是因为土中溶液的碱性较大时，有利于土中硅铝矿物等的解离，从而促进石灰与土之间的火山灰反应及其他化学反应的进行。 石灰土强度有随土中3含量增加而增大的趋势，其原因是3是一种难溶盐,具有一定的胶结性，可使土的粘聚力得以提高。 土中的某些盐分及腐殖质对石灰土有不良影响，因为有机质一般呈酸性，使土的值降低。,另外，有机质本身水稳性较差，遇水剧烈膨胀，致使土的强度降低，石灰土的强度有随土的硅铝率增大而减
7、小的趋势，这是由于硅铝率增大，土中扩张性晶体的粘土矿物(如蒙脱石)增多，其水稳性降低。,（2）、石灰的质量与剂量,各种化学组成的石灰均可用于稳定土。但白云石石灰的稳定效果优于方解石石灰。活性+的含量越高，稳定效果越好。 石灰细度愈大，其比表面愈大，在相同剂量下与土粒的作用愈充分，反应愈快，因而效果越好。 生石灰在灰土中消解可放出大量热能，加速灰土的硬化，另外，刚消解的石灰呈胶状()2,其活性和溶解度均较高，能保证石灰与土中胶粒更好地作用，因而，采用生石灰稳定土的效果优于熟石灰稳定土。,但应注意，用磨细生石灰稳定土时，成型时间对其使用效果有着重要影响。成形过早，会因产生的水化热过多使土体胀松；成
8、形过晚，则水化热不能得到充分利用，亦会影响其效果。 一般磨细生石灰与土拌均后闷解约3成形，可取得最佳效果。石灰剂量是按消石灰占干土重的百分率计。石灰剂量较低时(小于3%4%)，石灰主要起稳定作用，使土的塑性、膨胀性、吸水量降低，具有一定的稳定性。 随着石灰剂量的增加，石灰土的强度和稳定性提高，但当剂量超过一定范围时，过多的石灰在空隙中以自由灰存在，将导致石灰土的强度下降。,石灰土的最佳剂量随土质不同而异，土的分散度越高则最佳剂量越大。最佳石灰剂量也与养生龄期有关，在28内，最佳石灰剂量随着龄期的增长而增大，28后基本趋于稳定。 这是因为时间短参与反应的石灰数量少，多余的石灰以“自由”状态存在，
9、对强度不利。 随着龄期的增长，参与反应的石灰逐渐增多，所需的石灰数量也相应增多，而28后，反应逐渐缓慢，最佳石灰剂量也就趋于稳定。,（3）、养生条件与龄期,石灰土的强度形成需要一定的温度和湿度。 高温和适当的湿度对石灰强度的形成是有利的，这是因为温度高可使反应过程加快，适当的湿度为()2结晶和火山灰反应提供了必要的结晶水。 但湿度过大(湿砂养生)会影响新生物的胶凝结晶硬化，从而影响石灰土强度的形成。 石灰土的强度随龄期的增长大致符合指数规律。,2 水泥稳定类材料强度形成原理,水泥稳定类材料包括水泥稳定砂砾、砂砾土、碎石土、土等，其强度的形成主要是水泥与细粒土的相互作用。,水泥矿物与土中的水分发
10、生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出()2并形成其他水化物。 水泥的各种水化物生成后，有的自行继续硬化形成水泥石骨架，有的则与土相互作用，其作用形成有： 离子交换及团粒化作用 硬凝反应 碳酸化作用。,离子交换,在水泥水化后的胶体中,()2和2+，2()-共存。而构成粘土的矿物是以2为骨架合成的板状或晶状结晶，通常其表面会带有+和+。 析出的2+与土中的+、+进行适量吸附交换。其结果使大量的土粒形成较大的土团。 由于水泥水化生成物()2具有强烈的吸附活性，而使这些较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的键条状结构，并封闭土团之间的孔隙，形成稳定的联结。,硬凝反应,随着水泥水化作用的深入，溶
11、液中析出大量2+ ，当2+的数量超过上述离子交换需要量后，则在碱性环境中使组成粘土矿物的2和23的一部分或大部分同2+进行化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶矿物(即硬凝反应)。增大了土的强度。 水泥水化物中的游离()2不断吸收水中的3-和空气中的2,生成3。这种反应能使土固化，提高土的强度，但比硬凝反应的作用差一些。,2 水泥稳定类材料强度形成原理,综上所述，随着结晶的进行，结晶析出，也就是露出晶边的3+的正电荷将吸引结合于已析出晶面的-的负电荷，结果晶面之间发生排斥，从而形成“晶边晶面结合”的蜂窝离状结构，把土中矿物颗粒包于蜂窝状结构中。 总之，水泥稳定土是水泥石的骨架作用与()2的物理化学
12、作用的结果，后者使粘土微粒和微团粒形成稳定的团粒结构，而水泥石则把这些团粒包裹并接成坚固的整体。,影响水泥稳定土强度与稳定性的主要因素,影响水泥稳定土强度与稳定性的主要原因有土质 水泥成分与剂量 水等,影响水泥稳定土强度与稳定性的主要因素,土的类别和性质是影响水泥稳定土强度的重要因素之一。 土的矿物成分对水泥稳定土的性质有重要影响。除有机质或硫酸盐含量高的土外，各种砂砾土、砂土、粉土和粘土均可用水泥稳定。 有少量蒙脱石类矿物和不含腐殖质的各种积碳酸盐土、覆盖粘土和冰碳粘土用水泥稳定后均可取得良好效果。 由石英颗粒所组成的最佳级配土，由于土体的密实度很大，保证了水泥能充分表现其结合性质,因而适用
13、于水泥稳定。,影响水泥稳定土强度与稳定性的主要因素,水泥稳定土的强度随水泥剂量的增加而增加，但考虑到水泥稳定土的抗温缩与抗干缩以及经济性效益时，应有一个合理的水泥用量范围。,影响水泥稳定土强度与稳定性的主要因素,含水量对水泥稳定土的强度有重大影响。 当混合料中含水量不足时，水泥就要与土争水，若土对水有较大的亲和力时，就不能保证水泥完成水化和水解作用。,影响水泥稳定土强度与稳定性的主要因素,水泥稳定土需要湿法养生，以满足水泥水化的需要。 水泥剂量大,养生温度高时，其增长速度大。 水泥稳定土的强度随龄期的增长而增长。二者之间大致呈指数关系。,第二节 水泥稳定碎石,一、明确几个基本概念,1、水泥稳定
14、土 用水泥做结合料所得混合料的一个广义的名称，它既包括用水泥稳定各种细粒土，也包括用水泥稳定各种中粒土和粗粒土。 在经过粉碎的或原来松散的土中，掺入足量的水泥和水，经拌和得到的混合料在压实和养生后，当其抗压强度符合规定的要求时，称为水泥稳定土。,一、明确几个基本概念,2、水泥土：用水泥稳定细粒土得到的强度符合要求的混合料，视所用的土类而顶，可简称为水泥土、水泥砂或水泥石屑。 3、水泥碎石：用水泥稳定中粒土和粗粒土得到的强度符合要求的混合料，视所用的土类而顶，可简称为水泥碎石、水泥砂砾。,二、概述,水泥稳定碎石基层在我国的研究始于70年代，在此后的20多年中得到了迅速发展。 水泥稳定碎石基层具有
15、良好的板体性、较高的强度和抗裂性能,以及较强的抗变形能力，因此已被广泛应用于高等级公路、城市道路和机场工程。,三、问题,然而在实际应用中发现，水泥稳定碎石基层存在两方面的问题: (1)水泥掺量小，基层的强度和模量太低;水泥掺量大，成本费用过高。 (2)干缩系数较大，容易产生早期的收缩裂缝，从而导致沥青路面反射裂缝的过早出现，降低路面的使用寿命。,1、裂缝产生原因分析,1.1 干缩裂缝 水泥稳定碎石在干燥空气中硬化时,随着水分的减少,体积将收缩变形，每隔一段距离产生均匀的干缩裂缝。水泥稳定碎石产生干缩裂缝的原因与其水泥、水和碎石集料都有很大的关系。 一方面混合料在凝结硬化过程中，水泥与水起水化反
16、应，消耗大量的水分。水泥含量越高，则消耗的水分越多。 另一方面，碎石集料表面也要吸附水，集料中的细料成分越多，表面吸附的水分就越多。 再者，基层施工过程中，含水量越大，蒸发散失的水分就越多。因此就越易产生干缩裂缝。,1.2 温缩裂缝,水泥稳定碎石同水泥混凝土一样具有热胀冷缩的性质。 在混合料硬化初期，水泥水化放出较多的热量,但散热缓慢，所以内部温度较高，使得内部体积膨胀。而外部如遇气温急剧降低则冷却收缩,内胀外缩相互制约，产生较大的应力。 一旦应力超过其极限抗弯拉强度，将产生温缩裂缝。温缩裂缝也呈横向均匀分布。,1.3 反射裂缝,反射裂缝特指由于半刚性基层在温度梯度和湿度变化下产生收缩开裂，此种基层材料先开裂而后沿开裂基层向上方反射到沥青面层而形成的裂缝，或者在行车荷载作用下，裂缝沿已开裂半刚性基层向上扩展而形成的裂缝。 由于水分的渗透，降低基层与土基的承载力，从而加剧路面破坏，进而严重影响路面的使用性能，缩短使用寿命，这已成为半刚性基层路面结构的主要缺陷，也是造成高速公路沥青路面早期损坏的重要原因之一。,
