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1、 第7章 无机结合料稳定材料 l无机结合料稳定材料是在粉碎或原状松散的土（包 括各种粗、中、细粒土）中，掺入一定量的无机结 合料（水泥、石灰、工业废渣等）和水，经拌和、 压实及养生后得到的具有较高后期强度，整体性和 水稳定性均较好的一种建筑材料。 l特点：无机结合料稳定材料具有稳定性好、抗冻性 能强、结构本身自成板体等特点，但由于耐磨性较 差，目前广泛用于路面结构的基层和底基层。 l无机结合料稳定材料也俗称为半刚性基层材料。 7.1 无机结合料稳定材料的分类 l广义土：粉碎或原状松散的土，指碎石、砾石、 砂和土颗粒。 l按照土中单个颗粒的粒径大小和组成分类：细粒 土、中粒土和粗粒土。 l按照不
2、同土与无机结合料拌和后得到的不同稳定 材料分类：有石灰稳定土、水泥稳定土、石灰粉 煤灰稳定土、水泥稳定碎石、石灰粉煤灰稳定碎 石等。 7.1.1 水泥稳定材料 l在破碎或原来松散的土中，掺入适量的水泥和水，经拌和均 匀后，压实成型，并经一定龄期养生硬化后，所得到的抗压 强度符合规定要求的混合料称为水泥稳定材料。 l根据土的颗粒大小与组成不同，水泥稳定材料分为： l水泥稳定粗粒土：被水泥稳定的土的最大粒径小于37.5mm， 且其中小于31.5mm的颗粒含量不少于90%。 l水泥稳定中粒土：被水泥稳定的土的最大粒径小于26.5mm， 且其中小于19mm的颗粒含量不少于90%。 l水泥稳定细粒土：被
3、水泥稳定的土的最大粒径小于9.5mm， 且其中小于2.36mm的颗粒含量不少于90%。 l水泥土：用水泥稳定砂性土、粉性土和粘性土等 细粒土得到的混合料； l水泥砂：用水泥稳定砂得到的混合料； l水泥碎石、水泥砂砾：用水泥稳定粗粒土和中粒 土得到的混合料，视所用原料情况简称为（级配 碎石和未筛分碎石）。 l有时还可以同时用水泥和石灰共同稳定某种土， 此时得到的混合料可简称为综合稳定土。 l特点：水泥稳定材料是一种经济实用的筑路材料， 具有优良的性能，可用于公路、道路、机场跑道等 的基层或底基层；具有良好的力学性能和整体稳定 性。早期强度较高，可调范围较大，水稳定性和抗 冻性也较其它稳定材料好。
4、 l缺点：受温度、湿度变化时，易产生裂缝，影响路 面面层的稳定性。尤其当稳定土中细颗粒含量高、 水泥用量大时，开裂现象更为严重。 l应用：广泛用于沥青路面，也适用于水泥混凝土路 面，但由于水泥土的抗磨耗性较差，不能用作二级 和二级以上高级路面的基层。 7.1.2 石灰稳定材料 l在粉碎或原来松散的土中，掺入足量的石灰和水，经拌和 、压实及养生后，得到的抗压强度符合规定的硬化材料称 为石灰稳定材料。 l石灰土：用石灰稳定细粒土得到的混合料。 l石灰稳定砂砾土、石灰稳定碎石土：用石灰稳定中粒土和 粗粒土得到的混合料，视所用原材料（天然砂砾土、天然 碎石土）而定。 l注意：石灰稳定级配砂砾（砂砾中无
5、土）和级配碎石（包 括未筛分碎石）时，也同样分别称为石灰稳定砂砾土和石 灰稳定碎石土。 l优点：石灰稳定土具有良好的力学性能、较好的水稳性和一 定的抗冻性； l缺点：初期强度较低，后期强度较高，水稳性相对较差。干 缩、温缩系数较大，容易产生裂缝。 l应用：石灰稳定土适用于各级公路路面的底基层，也可用作 二级和二级以下公路的基层，但不应用作高级路面的基层。 而且在冰冻地区的潮湿路段、以及其它地区的过分潮湿路段 ，不宜采用石灰土做基层。当只能采用石灰土时，应采取措 施防止水分的浸入。 l石灰常与其它结合料（如水泥）一起形成综合稳定土； l在加石灰的同时，还可以掺加工业废渣（粉煤灰、煤渣等） 或少量
6、的化学添加剂（如CaCl2、NaOH、Na2CO3等）以改善石 灰和土之间的相互作用，以及石灰稳定土的硬化条件。 7.1.3 石灰工业废渣稳定材料 l工业废渣包括：粉煤灰、煤渣、高炉矿渣、钢渣（已经过崩 解达到稳定）及其它冶金矿渣、煤矸石等。一定数量的石灰 和工业废渣与其它集料相配合，加入适量的水，经拌和、压 实及养生后得到的混合料，当其抗压强度符合规定的要求时 ，称为石灰工业废渣稳定材料。 l石灰工业废渣材料可分为两大类：石灰粉煤灰类和石灰其他 废渣类。 l用石灰粉煤灰稳定细粒土（含砂）、中粒土和粗粒土时，视 具体情况可分别简称为二灰土、二灰砂砾、二灰碎石、二灰 矿渣等。其中砂砾、碎石、矿渣
7、、煤矸石等统称为集料，可 以组成中粒土也可以组成粗粒土。 l优点：石灰工业废渣稳定材料同样也是一种经济实用的筑 路材料，具有较优良的性能，可用于各种道路的基层和底 基层。早期强度较低，但是后期强度与水泥稳定材料基本 类似。因此，石灰工业废渣稳定材料具有良好的力学性能 和板体性。温度、湿度变化时的温缩、干缩系数较水泥稳 定同样材料的温缩、干缩系数小。 l缺点：温度、湿度变化时也易产生裂缝，当细颗粒含量较 高时开裂更为严重。抗水损害能力较水泥稳定同样材料的 抗水损害能力差。 l石灰工业废渣稳定材料可适用于各级公路的基层和底基层 。但二灰土不能用作高速公路、一级公路沥青路面和水泥 混凝土路面的基层，
8、而只用作底基层。 7.2 无机结合料稳定材料的技术性质 l无机结合料稳定材料作为路面基层或底基层承受 车轮荷载的反复作用，不允许产生过多的残余变 形，更不允许产生剪切破坏或疲劳弯拉破坏，因 此，无机结合料稳定材料应具有足够的强度、刚 度，以抵抗车轮荷载的作用，同时无机结合料稳 定材料还应具有良好的温度稳定性及水稳定性， 以避免反射裂缝对路面面层的破坏。 7.2.1 无机结合料稳定材料的强度 1）强度形成机理 （1）离子交换作用：能发生离子交换作用的稳定剂有石灰、水 泥等。如石灰、水泥稳定土加水拌和后，所形成的Ca2+能与土粒 表面的K+和Na+等离子进行当量吸附交换。 使土粒凝聚而增强了粘聚力
9、，并使其水稳定性提高。 （2）碳酸化作用： Ca(OH)2 + CO2 + nH2O CaCO3 + (n+1)H2O （3）结晶作用：当土中Ca(HO)2浓度达到一定值时，形成晶体。 Ca（OH）2 + nH2O Ca（OH）2nH2O （4）凝结硬化反应：水泥水化生成各种胶结性很强的物质 ，将松散的颗粒胶结成整体材料。 （5）火山灰反应：活性SiO2和Al2O3在Ca（HO）2激发下产生 的化学反应，生成类似硅酸盐水泥的水化产物水化硅 酸钙和水化铝酸钙的过程。 lmCa（OH）2 + SiO2 + （n-1）H2O mCaOSiO2nH2O lmCa（OH）2 + Al2O3 +（n-1）
10、H2O mCaOAl2O3nH2O l式中m表示1或2。 l火山灰作用的水化产物在土的团粒外围形成一层稳定的保 护膜，具有很强的粘结力，同时保护膜的隔离作用阻止水 分进入，使土的水稳定性提高。 l值得注意的是，某一种稳定土的强度形成可能是上面作用 中的一种或几种综合作用的结果。 2）无侧限抗压强度 l无机结合料稳定材料的强度通常采用无侧限抗压 强度来评定。 l无侧限抗压强度试验采用静力压实法制备高：直 径为1l的圆柱体试件。 l细粒土、中粒土、粗粒土所用试模的直径与高分 别为50mm、l00mm和150mm，制备而成的试件分别 称为小试件、中试件和大试件。 （1）试验方法 制备试件 l试件个数
11、：对于无机结合料稳定细粒土、中粒土和粗粒土 ，每组至少应分别制备6个、9个和13个试件。 l试件制备时，首先称取一定量的风干土样，按最佳含水量 计算出所需要的加水量，将水均匀地洒在土样中，重复拌 和均匀后，放在密闭的容器中浸润备用。在浸润后的试料 中，掺入预定剂量的水泥（或石灰），并充分拌和均匀。 对于水泥稳定土要求在1h内制备成试件，否则作废；对于 石灰土和水泥石灰综合稳定土可将石灰和土一起拌匀。 l将称好的试料按规定方法倒入已放好下压柱的试模中，均 匀插实，然后将上压柱放入试模中，在千斤顶上或压力机 上加压，直到上、下压柱都压入试模中为止（持荷1分钟 ）。解除压力后，取下试模进行脱模。 强
12、度测试 l试件从试模中脱出并称量后，立即放到密封湿气箱和恒温 室中进行保温养生，但大、中试件应先用塑料薄膜包覆。 养生时间通常需要7d。 l整个养生期间的温度，我国JTJ 05794公路工程无机 结合料稳定材料试验规程规定：在淮安以北地区应保持 202，在淮安以南地区应保持252。在养生期 的最后一天，应将试件浸泡在水中进行养护。 l在养生期间，试件的质量损失应符合下列规定：小试件质 量损失不超过1g，中试件质量损失不超过4g，大试件质量 损失不超过10g，超过此规定的试件应予以作废。 l取出试件，吸干试件表面的可见自由水，并称量试件的质 量和高度。将试件放在材料强度试验仪上，以1mm/min
13、的 变形速度进行加载，记录试件破坏时的最大压力P，并从 破坏的试件内部取有代表性的样品测定其含水量。 试件的无侧限抗压强度采用下列公式计算: l对于小试件： l对于中试件： l对于大试件： l计算出试验结果的偏差系数Cv，在若干次平行试验中的偏 差系数应符合表7-1的规定。当偏差系数不符合规定时应重 新试验，并应增加平行试件的数量。 试试件尺寸小试试件中试试件大试试件 Cv /101520 无侧限抗压强度的技术要求 l不同无机结合料稳定材料的无侧限抗压强度的设 计要求不同，具体强度标准如表7-2、表7-3和表7 -4。 3）影响稳定土强度的因素 （1）环境温度的影响 l环境温度越高，无机结合料
14、稳定材料内部的化学反应就越 快和越强烈，因此其强度也越高。无机结合料稳定材料基 层应在温度大于5的条件下进行施工，并在第一次冰冻（ -53）到来之前半个月（水泥稳定土）到一个月（石灰 稳定土和石灰粉煤灰稳定土）停止施工。 （2）龄期的影响 l无机结合料稳定材料的化学反应要持续一个相当长的时间 才能完成，即使是早期强度高的水泥稳定土，在水泥终凝 后，水泥混合料的硬结过程也常延续到一至两年以上。因 此，在大致相同的环境温度下，无机结合料稳定材料的强 度和刚度（回弹模量或弹性模量）都随龄期而不断增长。 尤其是具有慢凝性质的石灰粉煤灰稳定材料和石灰稳定材 料的硬结过程相当长。一般规定水泥稳定材料设计龄
15、期为 三个月，石灰或二灰稳定材料设计龄期六个月。 7.2.2 无机结合料稳定材料疲劳性能 l由于无机结合料稳定材料的抗拉强度远小于其抗 压强度，路面结构在交通荷载重复作用下的破坏 类型主要为弯拉破坏，因此路面结构设计主要由 材料的抗弯拉疲劳强度控制。 l无机结合料稳定材料抗拉强度试验方法主要有直 接抗拉试验、劈裂试验和弯拉试验。 l疲劳性能通常用（重复应力与极限弯拉强度之比 ）与达到破坏时重复作用次数（ ）采用半对数 疲劳方程表示： l根据实验，不同的无机结合料稳定材料在不同概 率水平下a、b的取值见表7-5。 结论：在一定的应力条件下材料的疲劳寿命主要取决于： l 材料的强度和刚度，强度愈大
16、，刚度愈小，其疲劳寿 命就愈长； l 由于材料的不均匀性，无机结合料稳定材料的疲劳方 程还与材料试验的变异性有关，不同的保证率（达到疲劳 寿命时出现破坏的概率）下得出的疲劳方程也不同； l 石灰粉煤灰稳定材料的疲劳曲线都位于水泥砂砾疲劳 曲线之上，说明石灰粉煤灰稳定材料的抗疲劳性能优于水 泥砂砾或在相同应力水平下，前者能承受更多的荷载反复 作用次数； l 石灰粉煤灰稳定材料疲劳曲线的斜率略小于水泥砂砾 的疲劳曲线的斜率，说明了应力水平的少量变化对石灰粉 煤灰稳定材料的疲劳寿命影响更大。 7.2.3 无机结合料稳定材料的变形特性 l材料的干缩性主要用干缩应变、（平均）干缩系 数、干缩量、失水量、失水率等指标来描述。 l材料的温缩性主要用温缩应变、（平均）温缩系 数、温缩量等指标来描述。 1）无机结合料稳定材料的干缩特性 2）无机结合料稳定材料的温度收缩特性 7.3.1 水泥稳定材料 1）水泥稳定混合料组成材料的技术要求 (1)水泥要求 种类:普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质 硅酸盐水泥； 凝结时间:初凝时间3h以上和终凝时间应在6h以上的 水泥。 不得使用快硬水泥、早强水泥以及已
