结合料稳定类路面基(垫)层.ppt

9 结合料稳定类路面基（垫）层 采用一定的技术措施使土成为具有一定的强度与稳 定性的筑路材料，以此修筑的路面基层称为稳定土 基层。 方法 ：机械方法（压实）、物理方法（改善水温状 况）、化学方法（加入外掺剂）、技术处理（热处 理、电化学加固）等。详见表9-1。 9.1无机结合料稳定类材料的力学特征 在粉碎的土中掺入一定量的无机结合料（包括水泥、石灰 、工业废渣等）、加水拌和并摊铺平整，碾压密实，其强 度和稳定性符合规定要求的材料称为无机结合稳定类材料 ，以此材料修筑的路面称为无机结合料稳定路面。 无机结合料稳定材料的完工初期具有柔软的工作特征，随 着时间的延长，其强度和刚度逐渐提高，板体性增加。结 构成型后，其刚度介于柔性材料与刚性材料之间，故又称 之为半刚性材料。 特点:稳定性好、抗冻性强、结构自成板体、就地取 材、施工简单等。 缺点：耐磨性差（因此被广泛用于修筑路面结构的基 、垫层），未掺骨料的基层易产生干缩和温缩裂缝， 且裂缝易反射至面层。 半刚性材料的力学特征包括应力-应变关系，疲劳特 性和收缩（温缩和干缩）特性。 9.1.1半刚性材料的应力一 应变特性 半刚性材料最重要的特点之一就是其强度和模量 随龄期不断提高。并逐渐具有刚性性质。一般规 定，水泥稳定类材料的设计龄期为90d，石灰或 石灰粉煤灰（又称二灰）稳定类材料的设计龄期 为180d。 表征半刚性材料力学强度参数的指标： (1) 抗压强度 (2) 抗压模量 (3) 抗弯拉强度和抗弯拉模量。 9.1.2半刚性材料的疲劳特征 疲劳：受到重复荷载作用时，材料的强度将低于 材料在承受静荷载作用时的极限强度，这种材料 强度降低的现象，称为疲劳。 这种破坏现象即称为疲劳破坏，破坏时重复应 力的大小称为疲劳强度，而此时的应力作用次数 即为疲劳寿命。 原因：疲劳的出现是由于材料内部存在缺陷，或 有局部不均质现象，在荷载的作用下该处产生应 力集中而出现微裂缝，应力的反复作用使微裂缝 逐步扩展，从而不断减少有效受力面积最终导致 破坏。 影响因素：半刚性材料的疲劳寿命主要取决于其 应力水平即重复应力与极限应力之比的大小， 另 外，在一定的应力条件下，材料的疲劳寿命还取 决于其强度和刚度，强度愈高，疲劳寿命越长； 而刚度越大，则疲劳寿命越短。 半刚性材料的疲劳性能通常可用应力水平与荷载 作用的关系曲线来表示，该关系曲线在半对数坐 标上呈最优拟合直线，表示该直线关系的方程称 疲劳方程。 lgNf r /f 9.1.3 半刚性材料的温度收缩特性 半刚性材料温度收缩的大小与结合料的类别、剂量及 被稳定材料的类别、粒料含量、龄期等有关。 9.1.4半刚性材料的干燥收缩特性 描述半刚性材料干缩特征的主要指标是最大干缩应变 和平均干缩系数，干缩应变 表征的是由试件水分 损失而引起的单位长度收缩量（10- 6）；平均干缩 系数 则表示在某失水量时，试件的干缩应变与失 水率之比，它们与结合料的类型、剂量、被稳定材料 的类别、粒料含量，小于0.6mm颗粒的含量及试件 的含水量和龄期等有关。 9.2 石灰稳定土基（垫）层 在粉碎的土或原状松散的土中掺入一定剂量的石灰， 加水拌和，经摊铺，碾压养护成型的基层，称石灰土 基层。若在其中掺入一定量的碎（砾）石，则称为石 灰碎（砾）石土。 土中加入石灰，可改变土的结构和颗粒组成，减少土 的塑性，降低吸水率和膨胀率，增加土的强度和耐久 性。 9.2.1 石灰稳定土强度形成机理 离子交换作用(Ca2+, Na+, H+, K+) 结晶作用（Ca(OH)2+H2O） 火山灰作用(石灰+SiO2，Al2O3早期强度) 硬化作用(CaCO3, Ca(OH)2*nH2O 后期强度) 9.2.2 石灰对土的性质的影响 石灰加入土中后，相互之间即发生了强烈的作用，从 而使土的性质发生了根本的改变，它们主要表现在如 下几个方面： 1、塑性 ：使塑性指数降低 图9-1 石灰对粘 图9-2 土的塑性 性土塑性的影响 指数下降速率 2、压实性 使土的最佳含水量增加而最大密实度降低（图9-3） 3、强度：提高强度（图9-4） 图9-3 图9-4 9.2.3 影响石灰土强度的主要因素 土质、 灰质和剂量、 含水量、 密实度、 龄期、 养生条件、 行车碾压作用等 1、土质 石灰的稳定效果与土中粘土颗粒的矿物成分和含量有关 （1）粘粒含量：采用塑性指数1020的土为好，塑性指 数小于4的土，不宜用石灰稳定。 土中某些盐分及腐殖质对石灰土有不良的作用。 对硫酸盐含量超过0.8%或腐殖质超过10%的土类，不 宜用石灰稳定。 （2）颗粒大小：强度构成要求越细越好； 施工角度越粗越好。 2、灰质和剂量 灰质：活性CaO和MgO的含量 剂量：存在最佳剂量 3、含水量 需要水分的原因：强度形成（物理化学作用） 施工（润滑作用） 水分多 1、水膜厚，不易压实。 2、石灰土易出现收缩裂缝。 3、冰冻期产生聚冰现象。 水分少 1、不利于离子交换。 2、对压实不利。 要求：在最佳含水量下进行压实。 4、密实度 石灰土的强度随密实度的增加而增长。实践证明 ，石灰土的密实度每增减1%，其强度可增减4%， 而且密实的石灰土其抗冻性，水稳定性能显著提 高，收缩开裂现象也明显减少。 5、养生条件 养生条件主要指温度与湿度。 6、龄期 石灰土的强度随龄期而增长。 7、行车碾压作用 一定但不过量的行车碾压对行石灰土的强度形成有利 9.2.4石灰土混合料的材料组成设计 石灰土混合料材料组成设计的主要内容是通过试验选 择合适的土和石灰，确定最佳剂量和混合料的最佳合 水量。 材料组成设计步骤： （1）按选用的原材料，制备45种不同石灰剂量的 石灰土混合料，一般按规范建议的石灰剂量配制。同 一石灰剂量的试件应制作3个以上。 （2）确定最佳含水量（重型击实验室）和最大干压 密实度，至少做三组不同石灰剂量的混合料击实试验 （即最小剂量，中间剂量、最大剂量）。 （3）按最佳含水量和工地预期达到的密实度制备试 件。进行强度试验时，平行试验的试件数量应符合最 少试件数的规定。如试验结果的偏差系数大于表列所 值，应重新试验，并找出原因。如不能降低偏差系数 ，则应增加试验数量。 （4）将上述试件保湿养生6d，饱水浸泡1d后，测定各组 试件的无侧限抗压强度，计算实验结果的平均值和变差系 数。 （5）根据规范规定的抗压强度，选定合适的配合比，此 配合比试件室内实验结果的平均抗压强度应符合下式的要 求： （6）考虑到室内试验与现场条件的差异，施工时实际采 用的石灰剂量应比试验时提高0.51.0%。 9.3水泥稳定土基（垫）层 在粉碎的土或原状松散的土中，加入适量的水泥，加 水拌和经摊铺，碾压养护成型的基层，称水泥稳定土 基层。若在其中加入一定量的碎（砾）石，则称之为 水泥稳定碎（砾）石土。 特点：良好的整体性和足够的力学强度及足够的抗水 性和抗冻性。 9.3.1水泥稳定土强度形成机理 水泥的化学作用（硅酸三钙/硅酸二钙/铝酸三钙/铁铝酸四钙） 离子交换及团粒化作用（比表面积大、活性高、离子电荷） 硬凝反应（结晶水化物） 碳酸化作用（水泥水化生产的Ca(OH)2+CO2） 9.3.2影响水泥土强度的主要因素 土质、水泥成分和剂量、含水量、工艺过程及养生条件是影响 水泥土强度的主要因素 9.3.2.1土质 土的类别和性质是影响水泥土强度的重要因素之一。 1、除有机质或硫酸盐含量较高的土以外，各种 砂砾土、砂土、粉土和粘土均可用水泥稳定。 2、重粘土难以粉碎和拌和，且水泥用量过高， 不经济。要求塑性指数不得大于17。 9.3.2.2水泥成分和剂量 1、 一般认为各种类型的水泥均可用于稳定土。 2、矿物成分不同的水泥稳定同一类土时，稳定 效果有一定的差别。在通常情况下，硅酸盐水泥的稳 定效果较好，铝酸盐水泥较差； 3、当水泥的矿物成分相同时，稳定土的强度与 水泥细度有关，细度高的水泥，比表面积较大，稳定 效果较好。 4、快硬水泥、早强水泥、受潮变质水泥不宜使用。 5、水泥土中不存在最佳剂量的概念，一般应在保证 水泥土强度的前提下，采用尽可能低的水泥用量。 9.3.2.3含水量 9.3.2.4工艺过程及养生条件 1、拌和愈均匀，其强度和稳定性愈高。 当拌和不均匀时，水泥剂量较少处的强度难以满足设 计要求，而水泥剂量较多处则裂缝数量增加。 2、从开始加水拌和到完成压实之间的延迟时间长短 ，对水泥土的密实度和强度有很大的影响。 间隔时间过长，水泥将部分凝结，一方面使 水泥土难以压实成型，另一方面将破坏已凝 结水泥的胶凝作用，使水泥土的强度下降。 3、水泥土的强度随龄期而增长（见下页）。 4、为使水泥能充分水化，在成型初期应保湿 养生，每天洒水的次数和养生时间视气候条 件而定。 9.3.3水泥稳定土材料组成设计 水泥稳定土混合料材料组成设计方法与石灰土材料组 成设计方法相同。水泥稳定土的强度标准见表9-7， 水泥的最小剂量要求列于表9-10。 水泥最小剂量（%） 9.4石灰工业废渣基层 路用工业废渣一般用石灰进行稳定，故常称为石灰稳 定工业废渣，简称石灰工业废渣，它包括两大类：一 类为石灰粉煤灰类，又称二灰类，另一类则为石灰其 它废渣类。 类型：二灰：石灰+粉煤灰 二灰土：石灰+粉煤灰+土 二渣：石灰+煤渣（水淬渣） 二渣土：石灰+煤渣（水淬渣）+土 三渣：石灰+煤渣（水淬渣）+粗骨料 （砾石） 三渣土：石灰+煤渣（水淬渣）+粗骨料 （砾 石）+土 9.4.1 工业废渣的种类及利用方式 工业废渣的种类很多，用于路面工程的主要有： 煤炭工业废渣 电力工业废渣 钢铁工业废渣 化学工业废渣 9.4.2石灰工业废渣强度形成机理及力学特征 9.4.2.1强度形成机理 工业废渣应用于道路工程的原因：含有较多的SiO2, Al2O3, CaO。石灰稳定工业废渣的强度主要靠火山灰 作用产生。 9.4.2.2 力学特征 （1）水硬性 此类材料的强度增长速度与湿度有着密切的关系。 这是由于组成混合料强度的水化铝酸钙、硅酸钙等水 生物在形成过程中均离不开水，水是其强度形成的重 要条件。也正是这种水硬性，要求混合料在碾压时保 持适度的水分，并提供一定湿度的养护条件。 （2）缓凝性 由于石灰稳定工业废渣的强度主要靠火山灰作用 产生，而火山灰反应的进程较缓慢，因此，混合料的 强度随龄期增长相当缓慢。堆积存放了12周的混合 料仍能凝结硬化。 缓凝性给施工创造了有利条件，给早期开放交通 带来不利。 气温对工业废渣混合料的强度增长有较大影响。 随气温的降低而降低。 （3）抗裂性，耐磨性及板体性 工业废渣混合料在一定的龄期内，抗弯拉强度和 刚度仍然较低，但其抗弯强度与抗压强度之比较大， 极限弯拉应变也较大。因此，工业废渣混合料具有较 好的抗裂性。 其抗磨性较差，一般只适于作基层或底基层。 工业废渣混合料经压实成型后，经过一定的时间 就具有较高的强度和良好的板体性，作为沥青路面的 基层时，可较好地改善其变形性能，减少裂缝的产生 。 9.4.3 混合料组成设计 1.采用高钙粉煤灰时，石灰用量少； 2.采用硅铝粉煤灰时，可按相应的规范查表确定。 9.5 沥青稳定土基层 将土粉碎，以沥青（液体石油沥青、煤沥青、乳化沥 青、沥青膏浆等）为结合料与土拌和均匀，摊铺平整 并碾压密实成型的基层称沥青稳定土基层。 9.5.1 强度形成及影响因素 9.5.1.1沥青在土中的作用 对于水敏感性较强的粘性土，沥青可保护土粒免受 水的危害，此时沥青被吸附在土颗粒表面，阻碍水分与 土粒直接接触，同时填充部分土中空隙，堵塞水分流动 的通路。因而降低了土的吸水能力，提高了土的水稳定 性。在无粘性的粒料土中，沥青还为土粒之间的相互粘 结提供粘结力，从而提高了结合料的强度。 沥青土的强度和水稳定性，在沥青和水均为最佳含量 时达到最高，沥青和水的最佳含量总和略高于素土压实时 的最佳含水量。 最佳含量的沥青包括吸附沥青和自由沥青两部分，吸 附沥青是受分子力作用的沥青，其量约为0.5%1.0%， 吸附沥青的形成使土具有憎水性。 自由沥青则起填充土的空隙的作用。自由沥青在压实 时起润滑和填充作用，使沥青土具有较小的毛细作用，使 吸附沥青膜免受水的侵害，它对可逆的沥青膜的水稳定性 有很重要的作用。 9.5.1.2 影响沥青土强度的主要因素 土的类别和沥青含量是影响沥青稳定土强度的主 要因素，适量的水分则有利于稳定土的强度和水稳定 性的提高。 (1) 土的类别 各种无机土类均可用沥青稳定，但能得到较好的 稳定效果的土类应满足如下要求： 最大粒径不超过稳定土层压实厚度的1/3，颗粒尺 寸应满足相应的级配要求，小于0.42mm颗粒土的液限不 大于40，塑性指数不大于18； 土中含有酸性的有机质时，不能用沥青稳定，具有酸性 反应（pH6）的无机土，需先用石灰处理后再稳定，干 旱地区的粘性土pH值高，但其可溶盐含量高，也不宜用 沥青稳定； 粘性较大的土可采用综合稳定的方法，即在掺加沥青之 前先在土中加入少量活性剂，可取得显著的稳定效果； 亚粘土在掺加沥青之前，先加入剂量2%的石灰处治 ，可使土团易于粉碎并易于拌和，且有利于强度的形成与 水稳定性的提高。 （2）沥青含量 沥青土的强度随沥青用量的增加而达到某一最大 值，而后随沥青含量增加（沥青膜加厚）反而下降， （先增后减）。另外，沥青含量低于某一值时，则不 能为粘土提供足够的抗水能力，因此选择合适的沥青 剂量，宜综合考虑两方面的影响。 （3）水的作用 用沥青稳定粘性土时，适量的水分有利于稳定土强度和 水稳定性的提高，此时，水在沥青土的结构形成过程中与沥 青共同起着结合料的作用。由于沥青的分子量大，不易进入 土粒结晶网的层间空间及微粒间的空隙。若为干土，则未被 沥青涂覆的土颗粒表面存在表面自由能，遇水时，水会突破 沥青膜而进入土的微团粒中，使沥青土的结构崩解。水在土 中还起着有利于土的粉碎的压实作用。有研究资料表明，当 土中含有与其结合最坚固的水（相当于土的最大分子吸湿量 ）且土粒的表面含有能填充其空隙的足够的沥青膜时，沥青 土能达到最大的水稳定性。 用沥青稳定粘性土时，水的含量为素土液限含水 量的0.30.4倍，沥青含量为0.250.35倍。 用沥青稳定砂性土时，水主要起有利于压实的润 滑作用。 沥青土的稳定效果。可采用吸水量试验和强度试 验评定。 9.5.2. 沥青稳定土施工工艺 保证沥青稳定土施工质量的关键是拌和和碾压。 9.6离子稳定土基层 离子稳定土是在土中加入离子稳固剂或硬化剂来 改善土的性能，目前国外常用的有CON-AID离子土稳 固剂和NSN硬化剂。 9.7 综合稳定土基层 综合稳定土以沥青、水泥或石灰为主要稳定剂， 外掺少量活性物质或其它材料，还可采用相应的技术 措施，以改善和提高土的技术性质。 9.7.1 水泥土 水泥土中常用的添加剂有石灰、氯化钙及其它电 解质（氮氧化钠、石膏）、表面憎水物质（聚丙烯、 松香脂）等。 土在用水泥稳定之前，可先加入少量的石灰、氯 化钙或其它电解质，使其与土粒之间进行离子交换和 化学反应，为水泥在土中的水解和硬化创造有利条件 ，从而加速水泥的硬化过程，并可减少水泥用量。 在水泥土中加入水玻璃可加速水泥的硬化过程，提高 水泥土强度，并