（交通运输工程专业论文）二灰碎石半刚性基层裂缝问题的防治研究.pdf

摘要 半刚性基层由于其承载力高、便于取材、施工简便，而得以广泛应用。二灰碎石 半刚性基层便是其中的一种类型，它由集料、粉煤灰及石灰结合料，按一定配比混合后， 经碾压形成的一种半刚性的基层。由于它利用电厂废弃物粉煤灰，从而降低了工程造价， 同时减少了环境污染。因此，受到广泛欢迎，应用非常普遍。但是，由于它也是半刚性 基层的一种，也就同样存在着半刚性基层所常有的裂缝问题，这也是困扰它进一步应用 发展的一个技术难题。对此，应充分利用二灰碎石半刚性基层高承载力的特点，而又避 免它裂缝的出现。经过多年的探索研究，通过对二灰碎石半刚性基层的级配型式、施工 工艺及沥青封层等进行综合调整，从而有效地阻止了二灰碎石半刚性基层裂缝的发生。 并且在山东东( 营) 一青( 州) 高速公路上做了两种级配的二灰碎石半刚性基层试验段 予以比较论证，从中寻找出一种级配密实、干缩、温缩变形小、强度高的级配类型，作 为推荐级配；同时，对施工碾压工艺进行了设计调整，最后又对二灰碎石半刚性基层的 沥青封层进行了有效控制，从而有效地防止了裂缝的发生。现在，试验路段已通车多年， 没有裂缝现象的发生。因此可以认为该技术具有一定的独创性，便于推广应用，它不仅 解决了应用二灰碎石半刚性基层路面所出现的裂缝问题，同时也解决了施工中集料的离 析问题、平整度问题以及强度问题，是四者的最佳交汇点。对在山东省推广应用二灰碎 石半刚性基层具有重要的指导意义。 关键词：二灰碎石半刚性材料施工裂缝防治 a b s t r a c t b e c a u s eo fl l i 曲b e a r i n gc 印a c i 吼a v a i l a b i l i t ) ，o fm a t e r i a l sc o n v e n i e n t l ya 1 1 ds i m p l e c o n s t m c t i o n ，s e m i - r i g i db a s ec o u r s ei s 印p l i e de x t e n s i v e l y 1 、v o - a s hc r u s h e ds t o n e si sa 王( i n d o fs e m i r i g i db a s ec o u r s e ，w 址c hi sam i x t u r em a d eo fl i m e 锄df l ya s hi nac 哪a i np r o p o r t i o n ， a i l dj o i n e dw i t hac e n a i n 锄o u n to fc r u s h e ds t o n e s m a k i n gar e a s o n a b l eu s eo ft h ei n d u s t 可 d i s c a r d sa n dr e s i d u e s ，1 0 、v e d n gc o s to fc o n s t m c t i o np r o j e c t sa n dr e d u c i n gp o l l u t i o nt ot h e e n v i r o n m e m ，s ot w o a s hc m s h e ds t o n e sa r eac o m m o nm a t e r i a lo fh i g h w a yc o n s t m c t i o n h o 、e v e r t h i sm a t e r i a li ss oe a s yt 0c r a c k i n gn l a tt h el i f eo fp a v e m e n ti s1 0 w e r s oh o wt 0 p r e v e n tt v 旧a s hc m s h e ds t 0 i l c sf 如mc r a c l 【i n gi sak e yp r o b l e m e x p l o r i n ga i l d 蚰【l d y i l l gf o r m a n yy e a r s ，c r a c l ( i n go f 帆。一a s hc m s h e ds t o n e sb a s ec o u r s ei sp r e v e n t e db ya d j u s t i i l g s y n t h e t i c a l l y 黟a d i n g ，c o n s 删o np r o c e s sa n da s p h a l ts e a l i n g t e s tr o a d so ft 、ot ) r i ) e so f 柳。一a s hc m s h e ds t o n e sb a s ec o u r s e 、e r ep a v e d 丘o md o n g y 协t 0q i n g z h o ui ns h a n d o n g p r 0 v i n c e b yc o m p a r i l l gn l et e s tr o a dp e d o 珈 1 a n c e ，ak i i l do ft h et v 旧铆o - a l s hc m s h e ds t o l l e s b a s ec o u r s ei sc h o o s ea sr e c o m m e n d e dv a l u e ，w m c hi st 1 1 et y p eo fd e n s eg m d i n g ，1 e s sd 巧i i l g a n dt 1 1 e 胁a 1s l l r i m m g ec o e 伍c i e n t sa n dl l i 曲s t r e n g c h m e a i 蝴，h i l 岛t 0b eb e t t 盯t 0p r e v e n t c r a c l 【i n g o f帆一a s hc m s h e ds t o n e sb a s ec o u r s e ，c o n s 仇l c t i o n p r o c e s s i s 删u s t e d c o n e s p o n d i l l 西y t h et e s tr o a dh a sb e e ni i ls e n ，i c ef o ra b o u t7y e a r s t h ec m c k i n gi sw e h p r e v e m e d s o 也e 鲥试ga n dc o n s 仃u c t i o np f o c e s so f 锕o - 砒c r u s h e ds t o n e sb a s ec o u r s ea r e s u i t a b l et or e c o m m e n d ，n l et e c l l l l o l o g yi sn o to l l l ys o l v i n g 也ec r a c k i n go f 批。一a s hc m s h e d s t o n e sb a s ec o u r s e ，b u ta l s os e g r e g a t i o n ，e v e 姐e s s 纽ds 佃e n g mo f 铆。一a s hc m s h e ds t o n e s b a s ec o u r s e t h er e s e a r c hr e s u l t sa r eo fg u i d i i 培s i g n i f i c a n c et o 印p l i c a t i o no ft w o a s hc m s h e d s t o n e sb a s ec o u r s ei i ls h a n d o n gp r o v i i l c e k e yw o r d s ：觚- a s hc m s h e ds t o n e s ；s e m i - r i g i db a s ec o u r s e ；c o n s t l l l c t i o np r o c e s s ；c r a c k p r e v e n t i o n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：窟经业 。2 潮年月尸日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二李经业 辄智作 湘年悯| 日 胁日 长安大学工程硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 当前，应用石灰、粉煤灰修筑高速公路基层已非常普遍，主要因为粉煤灰中含有大 量氧化硅、氧化铝等活性成分，与石灰和水泥结合，可以相互发生化学反应，形成含水 的硅铝酸钙，这些新生的胶凝物质，具有较强的胶接能力和稳定性，能形成一定的强度。 因此，通常利用它作为一种胶接材料，用于二灰土，二灰粒料稳定基层，即通常所讲的 半刚性基层的一种结构形式。应用粉煤灰修筑路基和路面基层，具有显著的经济效益和 社会效益。作为电厂的一种废弃物，它一方面产生污染，另一方面，存放会占用大量耕 地。因此，山东省政府自1 9 8 9 年，首次在济青高速公路上进行推广应用以来，现已广 泛应用于公路工程中。目前，在山东省的高速公路和一级公路上，大部分采用二灰粒料 稳定类基层，在全国的许多省、市，也广泛采用这种结构形式如，西安铜川一级 路，采用1 8 c m 二灰碎石；上海嘉定高速路，采用4 9 c m 的二灰碎石；上海南 京高速路，采用1 8 - 4 0 c m 的二灰碎石；因此，半刚性材料在我国已广泛用于修筑高 等级公路路面基层或底基层，二灰碎石半刚性材料更是被首选应用到公路建设中。但是， 二灰碎石半刚性基层存在着半刚性材料的共同特点就是容易产生裂缝，包括：温缩裂缝、 干缩裂缝，等自身材料存在的缺陷。当由于温度和湿度发生变化时，半刚性基层会产生 裂缝，并反射到面层，从而引起面层的破坏。每年由于基层的破坏而产生的路损是非常 巨大的，针对这种情况，有必要对半刚性基层的裂缝问题进行了专题研究，以期达到解 决半刚性基层存在的裂缝问题，以及由此而引起的一些其它问题。 1 2 国内外研究现状、目的、意义和存在问题 目前应用半刚性材料作为路面基层，主要是由于它具有其它材料所无法取代的优 点，如它的整体性强，承载力高，刚性大，水稳定性和抗冰冻稳定性好而且经济的特点， 因而得以广泛的应用。国外常采用的有水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料、碾压水泥 混凝土或贫水泥混凝土作为基层。但是，半刚性基层与其它半刚性基层材料一样，往往 具有抗变形能力差，在温度或者湿度急剧变化时易产生开裂，若沥青面层较薄，或其它 些原因，易形成反射裂缝，从而引起路面的破坏，影响路面的使用性能。目前，国内 对半刚性基层的裂缝防治主要针对荷载型结构性破坏裂缝、温缩裂缝、干缩裂缝，采取 第一章绪论 的措施主要是设计时要认真分析半刚性基层的拉应力，确定适宜的基层厚度，保证路面 具有足够的承载力，同时应控制交通量，对温缩裂缝和干缩裂缝，国外一般是采用增加 基层之上沥青面层的厚度，设置垫层，使用纤维织物，预先锯缝等办法来达到防止、阻 断或减少反射裂缝的出现，如1 9 8 6 年辽宁科研所于沈鞍段k 6 6 k 6 8 处，使用锯缝机做 了2 k m 预锯缝试验段。此外，也曾尝试用橡胶沥青改善沥青面层的抗裂性，做下封层， 或者复合使用s b s 改型沥青与土工织物作中间层，如加拿大曾在旧沥青路面上加铺厚度 为7 5 m m 和1 5 0 n 1 i i l 的粒料层，阻断裂缝的传递。但不管怎样，基本上都是采取被动阻 止的方法或措施，极大地增加了成本而且效果并不显著，都没有研究考虑如何从半刚性 基层材料的级配与材料使用上进行分析，寻找突破口，更没考虑到从施工程序、施工方 法以及半刚性基层下封层的处理等方面进行综合分析，来防止裂缝的发生。从目前资料 和使用实践来看，单方面的防治措施若达到防止半刚性基层裂缝的产生，其效果往往并 不明显，只有在综合分析半刚性基层材料的自身特点的基础上，结合考虑当地气候条件， 以及施工工艺等诸因素的影响，进行综合防治才能真正做到防治和阻断裂缝的产生。 当前大规模使用“二灰碎石 半刚性基层有其必然性，除经济方面的考虑外，其较 高的承载力和分布荷载的能力是柔性路面所无法比拟的，据相关实验资料分析，使用 d = 1 7 8 c m 的刚性承载板，在不同的路面结构上达到相同的沉降量如0 1 2 7 蛐时所需的 总荷栽。见图 ，一可以看出半刚性路面的承载力约是相同厚度柔性路面的8 倍，是天 然路基承载力的3 0 多倍! 如此高的承载力是其它材料所无法企及的，再者应用相同轴 栽的标准汽车测量半刚性路面和柔性路面的弯沉，表明半刚性路面弯沉小、弯沉盆影响 半径大和形状平坦，见图1 2 。 2 长安大学工程硕士学位论文 图1 1 半刚性路面与柔性路面的承载能力比较 l f a 石灰粉煤灰粒料；a c - _ 沥青混凝土；c s 碎石 2 0 3 2 1 5 2 4 1 0 1 65 0 。8 0 5 0 。gl o l 。6 1 5 2 ，42 0 3 2 图1 2 半刚性路面与柔性路面的弯沉比较 ( 引自高等级公路半刚性基层沥青路面) 综合分析上述图形，长而平坦的弯沉曲线表明：半刚性路面具有良好的板体作用和 较柔性基层大的多的荷载分布能力，利用半刚性材料的这一特性，可极大地减轻路基不 均匀变形的可能性和应变应力，避免或减轻由于路基不均匀变形所引起的路面裂缝问 题、车辙问题、波浪问题等路面损坏现象。 “二灰碎石 混合料中粉煤灰的加入有效地减轻了混合料的干缩应变值，而相对于 3 第一章绪论 水泥稳定类粒料，石灰的加入同样可达到减少干缩值的目的，据长安大学的研究资料表 明，较之石灰、石灰粉煤灰或水泥稳定土或砂砾，石灰粉煤灰稳定砂砾具有最小的温度 收缩系数。这表明二灰稳定类半刚性材料较之其它类型的半刚性材料，具有较高的研究 应用价值。 再者，从目前我国的一些主要高速公路典型路面结构，同样可以看出，研究“二灰 碎石半刚性基层的裂缝防治研究 具有重大的意义，见表1 1 。 从表1 1 的统计资料可以看出，我国的高速公路多采用半刚性材料做基层和底基层， 而“二灰碎石”半刚性基层材料，又占了其中的大部分，这是一个无法回避的现实，也 是我们必须应当深入进行分析研究的原因之一。 此外我们分析一下沥青路面破坏的几种形式，目前沥青路面破坏及其成因主要是： ( 1 ) 路面承载力不足引起的沉陷变形、纵向裂缝、块状裂缝和车辙，这可能是由 于基层厚度不足，不均匀，强度不高或松散以及压实度不够，有软土地基，形成不均匀 沉陷变形，或者结构设计上存在着抗永久变形能力差等所引起的。另外，交通量过大， 超载严重，也容易引起诸如变形、车辙甚至引起路面结构上的破坏。 ( 2 ) 泛油：引起路面摩擦系数和表面构造深度不能满足要求。导致泛油的因素， 内因可能是室内试验或设计的不合理，外因是由于高温导致的沥青软化，超密使沥青被 挤压到表面厂形成泛油现象。 ( 3 ) 松散：是沥青路面表面出现集料脱落，严重的会由于沥青对集料的粘结力丧 失，导致面层混合料松散。出现这种情况，除由于试验设计的原因外，还可能是由于运 用了不合格的原材料，如沥青、粗集料含小于o 0 7 5 n 皿的量超标，或含泥量较大，或 者沥青与集料的粘附性不好，造成沥青膜脱落，施工离析也是造成松散的一个重要因素。 ( 4 ) 裂缝：包括横向裂缝和反射裂缝，由于裂缝的产生，影响路面的整体强度， 是造成水损害的一个重要原因。 导致路面出现裂缝可能存在许多因素。如荷载裂缝、温缩裂缝、干缩裂缝。但由于 半刚性基层所引起的裂缝，是其中重要的一种路面破坏形式。 ( 5 ) 水损害：当路面产生裂缝、松散、变形后会使水分进入路面面层，加速路面 的破坏。此外，降水量大，气候异常，路面排水不畅，车辆荷载都是引起水损害加剧的 因素之一。 4 长安大学工程硕士学位论文 表1 1我国主要高速公路典型路面结构 面层和厚度( c m ) 名称 基层和厚度( c m )底基层和厚度( c m )各注 表 由 底总厚 抗滑表层 a c - 2 0 - ia c 3 0 i水泥稳定砂砾石灰土底基层 济泰路a c 1 6 i 型 约6 6 l 5c m6c m 1 5c m2 8c m3 4c m 4c m 抗滑表层l h 3 0 石灰土底基层1 5 济聊路 l o 咖 二灰碎石1 5c m约6 0 蛔 4c m 1 1 6 c m c m 、3 2c m s a c 1 6a c 2 0 ia c 2 5 i i二灰碎石1 6 、1 8 锄 石灰土底基层 东青路1 3 啪6 2 k m 4c m 4c m5c m共3 4c m1 6 c m a k 1 6a c 3 0 i二灰土1 5c m 东港路二灰碎石1 5c i i l6 0 k r n 4c m 6c m石灰土1 5c m 1 5 虹其中 a k 1 3 a 4 6 石灰粉煤灰部分路段路基路面 沪嘉1 2 1 7 a k 1 3 b碎石2 0 沙砾1 2 k m 4 l h 2 056 l s 沈大 1 5 2 0 水泥砂砾砂砾或矿渣3 7 5 k m c m55 京石( 河 3 l h 2 05 b m81 2 水泥石灰碎石4 3 石灰土4 9 k m 北) 一期 二期 5 l h 2 05 b m1 01 5 二灰碎石4 0 石灰土 2 2 0 l d n 三期 571 21 5 二灰碎石 4 0 石灰土 5 l h 2 0 i6 l h 3 0 1 2 l s 3 52 32 0 水泥碎石3 0 石灰土 京津塘正8 5 k m 4 l h 2 0 i5 l h 3 0l l l s 3 52 0 2 0 水泥碎石2 8 石灰土 ! 常地基软 6 l h 3 01 2 l s 3 51 8 二灰碎石 土地段 5 7 k m 8 l h 3 01 2 l s 3 52 0二灰碎石 济南段 4 l h 2 0 i6 l h 3 08 l s - 3 51 8 2 0 水泥碎石2 0 二灰土 5 1 k m 面层厚 济青 1 8 c m 的 4 l s h 2 06 l h 3 08 l s 3 51 8 2 0 水泥砂或石灰粉煤 4 l s h 2 05 l h - 3 06 l s - 3 01 5灰碎石+ 1 5 水泥 3 9 石灰土1 1 6 k m l 5 啪的 2 0 2 k m 石太河北571 2 1 8 二灰碎石 段4561 5 2 2 2 5 二灰碎石 2 0 以5 石灰土 济德 4 l h 2 0 i i 5 l h - 2 5 i6 l h - 3 5 1 5 2 6 二灰碎石+ 水泥2 9 二灰土 沪宁 常州段 2 53 3 + 4 s a c - 1 66 a c - 2 5 i6 a m 2 51 62 8 2 0 二灰 3 0 ，4 0 二灰碎石1 8 二灰土，石灰土 镇江段 同上同上同上1 62 0 二灰碎石 4 0 二灰土 5 当然路面的破坏往往很复杂，并不是单纯由于某种原因所造成，很可能是许多种因 素共同作用的结果，但至少是某种因素的集中表现，为防治提供不可或缺的数据资料的 支持。对此曾随机对山东省某一级路及济青高速路某段进行过路损调查，通过表1 2 1 4 调查结果可以看出，在路面损坏中裂缝、沉降等各种破坏形式各自所占的比重。_ 表1 2 沥青路面损坏情况调查表 起止桩号：山东某一级路2 9 k调查日期：2 0 0 1 6 龟裂 不规则 纵裂横裂坑槽 松散沉陷 波浪 拥包 评价裂缝 ( m 2 )( m )( m )( m 2 ) ( m 2 )( m 2 ) ( m 2 ) ( m 2 ) ( m 2 ) 段次lmhlhlhl hlhlhlhlhlh l 2 3 42 63 0 4 2 52 6 51 9 4 1 21 8 632 26 7283 131 32 2 81 5 1 8 9 1 04 合计 表1 3 沥青路面损坏情况调查表 起止桩号：山东某一级路3 0 k 调查日期：2 0 0 1 6 龟裂 不规则 纵裂横裂坑槽松散沉陷波浪拥包 评价裂缝 ( m 2 ) ( m )( m )( m 2 )( m 2 )( m 2 )( m 2 ) ( m 2 ) ( i n 2 ) 段次 lmhlhlhlhlhlhlhlhlh 16 2 351 42 l 4 56 61 2 7 61 48 8 1 33 262 5 9 8l l1 6 l o2 0 44 合计 6 长安大学工程硕士学位论文 表1 4 沥青路面损坏情况调查表 起止桩号：济青9 0 k ( 半幅) 调查日期：2 0 0 1 6 龟裂 不规则纵裂横裂坑槽松散 沉陷波浪拥包 评价 ( m 2 )裂缝( m 2 ) ( m )( m )( m 2 )( m 2 )( m 2 )( m 2 ) ( m 2 ) 段次 乙mh lhlhl h lhlhlh lhlh l 5 7 5 2 4 6 3l 5 6 44 5 52 5 7 5 6 4 3 7 5 7 8l 4 2 95 5 l o4 6 合计 ( 注：只对裂缝项进行了检查) 通过对上述沥青路面的几种主要破坏形式分析，可以看出若基层施工或设计不当是 引起沥青面层破坏的主要原因之一，而裂缝问题最为突出。因此，为延长路面的使用寿 命，保证路面在设计年限内正常使用，就应当对基层，特别是在我国乃至世界得到广泛 应用的半刚性基层二灰碎石基层进行特别研究，消除由于基层损坏所引起的其它各 种破坏，这是当前我国乃至世界各国都面临的一个难题，因为一旦半刚性基层出现损坏， 路面往往就丧失了承载力，就意味着路面丧失了使用功能，必须进行大修养护或补强， 将会造成巨大的损失，因此讲对该项技术进行研究其目的，就是能充分发挥二灰碎石半 刚性基层强度高，效益好等的优点，而同时力图避免路面易出现裂缝的缺陷，使其优势 得以发挥，缺陷得到弥补或消除，保证路面正常高效的发挥作用。 1 3 主要研究内容、研究方法和依据 本内容主要是针对使用二灰碎石混合料铺筑半刚性基层所引起的各种裂缝问题进 行专项研究，在总结国际、国内现状和主要研究成果的基础上，寻求理论上和研究方法 上的突破，力图全方位、多层次进行分析研究。其主要研究内容集中在：从理论设计 分析及原材料分析上入手，研究应用二灰碎石混合料铺筑基层的材料特性，从原材料进 入上杜绝使用多孔、强度不高、对温度影响、气候影响敏感的集料，对变形系数大、影 响强度形成的原材料不宜在工程中使用；根据产生裂缝的内在因素引入新的级配理 7 第一章绪论 论，对二灰碎石混合料的集料级配进行重新设计，对混合料的结构类型进行深入分析定 位，优选出结构先进、适应性强的结构应用于工程实际中，为今后的施工提供理论指导； 从设计理论、施工程序上对二灰碎石基层的施工进行一整套的施工调整，改变原有思 维模式、形成一套思路明确、方案细致的设计施工方案。从内外两个方面消除二灰碎石 基层裂缝存在的原因；综合考虑技术、施工方案所带来的施工难度，分析由此所引起 的经济效益上的变化，使在不增加成本的基础上达到最好的应用效果。上述研究内容相 互间既有所侧重又有相互间的交叉渗透，从而形成一个完整的理论体系，为该项目的推 广应用打下一个坚实的基础。 8 长安大学工程硕士学位论文 第二章研究理论背景 2 1 简介 前面我们已经提到，目前防治半刚性基层裂缝的产生，大多采用增加基层之上沥青 面层的厚度、设置垫层、使用纤维织物、预先锯缝等办法来达到防止、阻断或减少反射 裂缝的出现，此外，也曾尝试用橡胶沥青改善沥青面层的抗裂性，做下封层，或者复合 使用s b s 改型沥青与土工织物作中间层以及采用大碎石柔性基层。但除大幅度增加了工 程投入外，其效果并不甚理想，没能达到所期望的费效比。甚至有人根据当前大力提倡 发展柔性基层的状况提出，半刚性基层较之柔行基层从技术储备上来讲，可能更加适合 我国目前的实际情况，柔行基层并不是解决我国沥青路面早期病害问题的灵丹妙药。可 见半刚性基层在当前和今后一段时期仍将是我国公路建设中应用的主流。在本章节中， 重点研究探讨半刚性的二灰碎石混合料区别于其它研究的技术路线，并详细阐述对二灰 碎石混合料进行设计研究的过程以及利用本研究成果所铺筑试验路段的多年使用情况。 2 2 设计研究理论 2 2 1 设计理论的引入 在进行二灰碎石半刚性基层集料的级配设计时我们引入了沥青路面配合比设计中 所采用的级配设计理论，即不同粒径相互嵌挤的原则或干涉原则，以最大密实度曲线为 基准，考虑用胶结料与集料形成骨架密实型混合料，使设计产生的二灰碎石混合料形成 强度高、结构密实、抗拉、抗裂性最好的混合料，以达到最佳抵抗各种变形的能力。 对此我们引入公式p = ( d d ) n 并以此为根据进行设计计算，得出一种最大密实度的标 准级配曲线，以此为基准又进行了部分必要的调整，其计算过程和设计级配曲线如表2 1 所示： 9 第二章研究理论背景 表2 1 二灰碎石级配设计表 过率 筛孔尺寸 备注 级配 3 1 51 99 54 7 52 3 6 l ，1 8 0 6 0 0 7 5 8 5 9 6 9 8 5 6 7 4 5 9 3 7 3 3 0 5 1 6 3 ， p = ( d d ) “ 1 0 0理论级配 7 3 8 4 8 73 2 1 2 1 1 1 3 99 32 7 调整11 0 0 7 5 74 9 33 4 22 3 91 5 51 0 9 2 o下限附近 调整21 0 0 8 0 95 6 64 5 3 3 2 ，5 2 2 61 6 3 2 8中值附近 式中：卜粒径为d 时的该筛孔通过率( ，以质量百分比计) 哪料最大粒径( m m ) d 卅( 设计计算的某级矿料粒径( i 砌) 2 2 2 二灰碎石混合料类型 当前对二灰碎石半刚性基层混合料的设计研究，主要有三种认识，即：“悬浮密实 型混合料“；“骨架密实型混合料“；“密实型混合料”。悬浮密实型混合料中集料应控 制在5 0 左右，最大粒径较大，颗粒强度可降低，不要求有级配，适用于各等级道路的 基层和底基层。骨架密实型混合料中的集料用量一般在7 5 以上，最大粒径较少，应有 级配，宜用于铺筑快速路和主干路的基层；“密实型”混合料各方面的性能较好，且具 有较好的经济效益，可视具体情况选用。本研究内容拟参照级配理论设计原则，即按照 不同粒径相互嵌挤的原则或干涉原则，以最大密实度级配曲线为根本，胶结材料填充空 隙，并综合考虑气候因素、施工程序等因素的影响为基础进行新的设计! 设计“骨架密 实型二灰碎石混合料”，主要目的是提高二灰碎石半刚性材料的抗变形能力抵御疲劳裂 缝、温缩裂缝及干缩裂缝的产生，并对新设计的混合料性能进行室内研究和室外实际检 验。充分保证新设计的路面基层的完整性，使其在使用期限内，优质高效地发挥效益。 二灰碎石混合料是由石灰、粉煤灰作为胶结料与集料结合形成的混合料，因此，混 合料的性能主要取决于这三种材料。首先是材料自身的特性，其次是组合特性。本节我 们主要研究探讨其组合特性，即彼此间的配合比设计，以及集料自身排列特性，集料中 不同粒径在其中是以嵌挤排列、还是相互间不干涉的特性存在，都会影响到混合料自身 的特性，见图2 1 ： l o 长安大学工程硕士学位论文 瓣黼溅勰 悬浮型骨架密实骨架型 图2 1 二灰碎石混合料类型 从图2 1 混合料类型看出，我们将二灰碎石混合料结构细分为四种结构类型，即“悬 浮型 、“骨架型”、“骨架密实型”；“悬浮型”结构中集料在混合料中处于悬浮状态，混 合料的强度主要靠胶结料提供，集料粒径不连续，集料在其中仅能起到很小的作用，理 论上讲其结合面应是荷载破坏的薄弱面；“骨架型”混合料其抗压强度由胶结料与集料 共同承担，但间接抗拉强度仅能由胶结料提供；“骨架密实型”混合料，由于集料间相 互嵌挤、彼此干涉，具有很大的内摩阻力，其方位是多方面的，可抵抗来自各方面的应力。 因此，混合料的强度不仅有胶结料的作用，集料也起着很大的作用，特别是间接抗拉强 度表现比较明显。 2 2 3 理论及结构分析 怎样来区分上述几种结构类型呢? 理论上讲，若混合料中的细料的压实体积大于集 料在疏松状态时的空隙体积，此时集料在压实混合料中会处于“悬浮状态”；当混合料 中细料的压实体积临界于级配集料在压实状态下的空隙体积，集料在压实混合料中就具 有一定的骨架作用，成为骨架型；若集料相互间又能嵌挤、干涉就属于“骨架密实型” 混合料；至于密实型就不必多加论述了，所有这几种结构类型在多种路面结构设计方法 中都有所阐述。但是，应该注意到“二灰碎石混合料 的胶结料是石灰、粉煤灰，有时 为提高强度会加入部分水泥，它毕竟不同于沥青胶结料，它必须使其中的活性成分彼此 发生化学反应来达到胶结和提高强度的目的。因此集料空隙间必须有一定胶结料保证， 保证含水的硅铝酸钙的形成，对此就必须限制与石灰、粉煤灰同处于一个量级的 o 0 7 4 m m 筛孔的通过率，以保证用足够量的石灰、粉煤灰填充其间的空隙，使胶结料之 间以及胶结料与集料之间形成牢固的结合。就是说通过减少细料部分的比例，使其中的粗 集料形成嵌挤结构，同时有利于结构层间的结合，改善沥青路面结构层的排水性能。这也 是我们必须在引入级配设计理论的同时，又必须进行级配调整、控制的最重要原因之一。 第二章研罗e 理论背景 从上面的级配设计理论以及我们确定的调整级配可以看出，我们尽量试图降低、限制 o 0 7 5 m m 筛孔的通过率，以期用同处一个粒级的石灰、粉煤灰来填充其不足，保证石灰、 粉煤灰及水泥胶结材料充分发生物理及化学上的反应，在集料间形成强度，与集料形成 牢固的结合。而在公路沥青路面施工技术规范中则需要求利用部分细料来填充空隙， 帮助沥青混凝土混合料强度的形成。因此，它规定0 0 7 5 i 姗筛孔的通过率对密级配和 开级配在2 以上，对沥青玛蹄脂型混合料则要求在8 以上，实际工程应用中则多高于 最低值，即使是开级配沥青稳定碎石混合料也要求其0 0 7 5 m m 筛孔的通过率在0 3 之 间，这是我们对基层级配设计与沥青混合料级配设计思路上的根本区别。另一方面，国 际道路协会混凝土道路技术委员会将各种基层按材料的耐冲刷能力划分为5 级：极耐冲 刷、耐冲刷、较耐冲刷、较易冲刷、易冲刷，其中易冲刷多指碎石土、细粒土，可见从 耐冲刷程度讲，基层不宜含有太多的细粒料。 1 2 墨蔓查堂三翌墨主兰些堡三 3 1 级配类型选择 第三章二灰碎石混合料性能研究 为了更详细研究分析“二灰碎石”半刚性基层材料，便于比较各不同级配类型的特 性。在完成对上述调整级配一和调整级配二的设计的同时，又引入了如下两个级配( 级 配三和级配四) ，以便于更详细分析比较各种级配混合料的特性。但重点放在前两个级 配的分析研究中，虽然对后两种级配没有进行实验路的铺筑验证，但在相同路线的某些路 段，有些旆工单位采用了本级配类型，使用效果也同样得到了验证。四种结构的级配集 料的级配组成分别见表3 l 和表32 级配曲线图如图3 l 和图32 。 表3 1 矿料级配组成 筛孔尺寸 级配上限 擐配下限 级配中值 合成级茁i 第= = 灰碎i 温抖性能目f 究 表32 矿料纽配组成 辩n 月寸 缎配上限 级配中值 合成级配3 合成& 配4 -。眷专强j k 一卜毅配廿 | 6 。 i j 鬈夕+ 一z 荔臻蠢o ： 级配下限 1 ： i 多一形曩嚣。； 。曩i 。臻0 级配中值 ： ，。，。0 j 誊“囊 一台成级酏 多j - 、矗， 1 3 一誊，誊：一台成裙和 圈32 矿料级配曲线圈 针对上述四种级配类型、经设计我们确定，前述调整设计级配一和级配二的混合料 配比采用配比： 石灰：粉煤灰集料- 5 ：1 3 ：8 2 ，外加15 水泥； 级配三、级配四混合料我们采用配比： 石灰：粉煤灰集料= 5 ：1 58 0 ，外加l5 水泥 四种级配经标准击实后各自所对应的最大干密度和最佳含水量值列于表3 3 ，前两 种级配的击实曲线见图33 和图34 。( 为便于现场旆工操作，最佳含水量进行了取整) 表3 3 最大干密度和最佳含水量 孓：? 级配( 一)级配( 二) 级配( 三)级配( 四) 最大干密度 2 0 22 0 22 0 l2 0 3 ( 卧m 3 ) 最佳含水量 8 59 o9 o8 5 ( ) 图3 3 级配一击实曲线图图3 4级配二击实曲线图 在对所研究混合料的各项性能做出进一步分析研究之前，应首先对混合料所用原材 料的性能进行必要的分析、研究，为保持试验研究结果的连续性、再现性，室内所研究 材料与现场基本保持一致，均取自相同的料场或厂家，如室内外试验使用的粉煤灰、石灰、 水泥等。其集料的主要技术指标结果汇总见表3 4 ( 其它材料性能同后面试验路部分相 一致) ： 1 5 第三章二灰碎石混合料性能研究 表3 4 集料指标汇总表 干试样重压后3 m m 筛上压后通过3 m m 筛集料压碎值均值 试验次数 ( g )的筛余量( g )的筛余量( g ) ( ) ( ) 压碎值 12 8 0 02 3 4 94 5 11 9 2 1 9 6 石22 8 0 02 3 3 44 6 62 0 。o 筒重 容积筒+ 石料重 石料重 密度 均值 灰 ( k g )( l )( 蚝) ( 1 c g ) ( 蚝m 3 )( 蚝，n 1 3 ) 松散密度 ( 】唔m 3 ) 3 22 0 3 2 42 9 2 1 4 6 0 岩 1 4 6 5 3 22 0 3 2 62 9 4 1 4 7 0 1 0 3 0 m m 瓶+ 水瓶+ 水+ 石干重视比重 均值 瓶号 视比重 ( g )( g )( g )( g ，m 3 )( m 3 ) ( g ，m 3 ) l1 5 6 92 1 1 28 5 4 22 7 4 4 9 2 7 4 0 21 5 6 92 2 5 81 0 8 6 22 7 3 4 6 简重容积筒+ 石料重石料重密度均值 松散密度 ( 蚝)( l )( 1 唔)( k g )( 1 唔m 3 )( 】唔，m 3 ) ( 1 c g 尉) 2 11 01 7 61 4 81 4 8 0 石 1 4 8 5 2 11 01 7 31 4 91 4 9 0 屑 瓶号 瓶+ 水瓶+ 水+ 石干重视比重均值 视比重 ( g )( g )( g )( 咖3 )( 咖3 ) ( “) l1 5 6 72 1 5 0 一9 2 6 8 2 6 9 5 3 2 6 8 9 21 5 6 72 2 6 7l l l 6 22 6 8 1 9 外观表面致密无空隙、颜色微青、吸水率低 3 2 各级配类型性质分析 3 2 1各类型级配集料振实密度与松散密度比较 不同的级配，其掺配效果会不同，表现在密度上的差异见表3 5 。 表3 5 集料密度汇总 一? 级配( 一)级配( 二)级配( 三) 级配( 四) 石灰：粉煤灰：集料 5 ：1 3 ：8 25 ：1 5 ：8 25 ：1 5 ：8 05 ：1 5 ：8 0 集料的振实密度 1 8 2 01 7 3 01 6 3 01 7 3 0 ( k g m 3 ) 集料的松散密度 ( 1 g m 3 ) 1 6 5 01 6 0 01 5 4 01 6 0 0 长安大学工程硕士学位论文 从上述试验结果可以看出，调整后的集料级配其松散密度、振实密度大于后两个级 配，证明集料自身的级配良好，密实度较好。事实上振实密度与松散密度在某种程度上反 映了集料的自密性和可压实性。另外在集料品质的选择上，也应避开多孔、吸水大、强 度过低的集料，这样可以避免冻融损坏。 3 2 2 各类型级配性质分析( 确定所属级配类型) 表3 6 各类型级配中粉煤灰、石灰的最大干密度( g c m 3 ) 级 宠蠡樊 级配( 一)级配( 二)级配( 三)级配( 四) 术 犁 学 苏 石灰：粉煤灰：集料 5 ：1 3 ：8 25 ：1 3 ：8 25 ：1 5 ：8 05 ：1 5 ：8 0 石灰、粉煤灰干密度 1 3 2 91 3 2 91 3 31 3 3 我们以通过1 9 1 1 1 n 1 、9 5 n l i i l 筛孔的集料含量及前面的理论分析和四种级配图，经分 析比较可以看出二灰混合料级配( 一) 、级配( 二) 属于骨架密实型结构，但级配( 二) 与级配( 一) 相比，集料整体含量少，集料偏细。而针对后面两种级配进行比较，混合 料级配( 三) 小于9 5m m 各筛孔的含量过大，而大于l91 1 1 i i l 筛孔的含量过小，骨架 性不好且集料的嵌挤性不太好，集料多集中于中间筛孔，在混合料中类似于悬浮型结构 类型；级配( 四) 大于9 5 m m 筛孔的含量多，小于1 1 8 1 1 1 1 i l 筛孔的含量过大，中间骨料 断档类似于上述骨架型结构类型。从上面集料密度汇总表中各级配的松散密度和振实密 度结果也可以看出各级配类型的最终效果。下面图3 5 显示了不同级配情况下集料在混 合料中的排列分布情况。 1 7 掉! 章= 灰碎石合料性船研究 长安大学i 程硕士学位论文 图35 不同级配试件兢果对比图 第四章裂缝防治措施 第四章裂缝防治措施 本章节主要是寻求各种防治裂缝的措施，并探求在采用综合防治措施下，利用“二 灰碎石半刚性材料的基层、底基层出现裂缝如温缩裂缝、干缩裂缝的防治效果，推荐 最优措施进而达到防止裂缝出现的目的。具体防治方法、措施综述如下。 4 1 级配防治 采用合适的级配，可避免应力集中现象的出现，将荷载应力、温度应力等各种作用 于基层混合料的应力分散到混合料的结构中去，利用混合料良好的级配、散挤作用，使 应力逐级抵消，力图使各种应力处于混合料自身所能承受的范围之内，上述设计理论就 是基于该思路所进行的调整。因此，好的级配可以提高混合料强度，抵卸荷载应力和温 度应力所引起的变形，这也是当前应用“二灰碎石半刚性材料 混合料做基层所要面对 的主要问题之一，也是经常被忽略没有引起足够重视的问题。从表4 1 可以看出四种级 配的二灰碎石混合料7 天抵抗间接抗拉和抗压的情况。 表4 1 各级配力学指标汇总 指标壁望 级配一级配二级配三级配四 一 一一抗压强度 m p a ( c v ) 1 5 8 ( 2 5 )1 3 8 ( 3 1 )1 3 l ( 3 3 )1 7 0 ( 6 ) 劈裂强度 m p a ( c v ) 0 ( 3 6 )0 0 8 ( 3 6 )o 0 7 5 ( 4 )0 0 9 ( 7 ) 劈裂应变 4 8 04 2 0 3 8 5 3 5 0 ( 1 0 ) ( 注：所有应变实验均采用由“北戴河电子仪器厂生产的c m - l a - 1 0 型数字应变仪”测得) 为便于更深入了解“二灰碎石”混合料的特性，特别列出了与“二灰碎石”同属半刚性 材料的“水稳碎石”混合料的变形特性，见表4 2 ，便于对两者的性质进行比较。 表4 2 水泥稳定碎石混合料劈裂变形( 1 0 。6 ) 斌 鲈 混 变 试件一 试件二试件三试件四试件五 兮形 彩 水泥稳定碎石 卜3 ：0 5 一l ：砂：机制砂= 5 0 ：2 0 ：l o ： 1 2 31 6 01 3 01 7 01 4 8 2 0外加3 水泥 2 0 长安大学工程硕士学位论文 由此可见不同的级配，可导致混合料具有不同的抗拉特性及抗压特性，也就导致混 合料具备完全不同的应用效果，从试验结果及相关资料可以看出级配一及级配二的抗拉 强度和极限变形均满足温缩裂缝及干缩裂缝发生时的变形要求，其混合料的压实性、密 实性同样有较好的表现，同时从实验结果中也可以看出，混合料级配类型的差异还可能 导致混合料强度实验的离散性，这从另一方面为施工设计中混合料类型的选择提供了科 学地依据。 4 2 合理的含水量及施工温度 在高温、干燥季节施工的“二灰碎石半刚性基层 ，其迅速失水造成的干缩裂缝往 往是前期裂缝出现的主要原因，而在临近冬季施工时含水量过大又可能出现冻胀裂缝。 据资料显示干缩应变随失水量的增加会显著增大，且与混合料中集料的含量密切相关， 相差可达3 倍以上，对半刚性材料，在相同的外部条件下的失水量、干缩应变和干缩系 数的大小顺序为：稳定细粒土 稳定粒料土 稳定粒料，而对细粒土，三类半刚性材料的 收缩性大小为：石灰土 水泥土或水泥石灰土 石灰粉煤灰土，这再一次证明了混合料中 由于粉煤灰的加入，减少了收缩裂缝出现的可能性。从另一个角度讲防治非荷载性裂缝 的出现，应将混合料放在一个具体的环境中，即应当结合考虑当地的环境条件，如当地的 平均气温、平均地下天然含水量等影响混合料形变的因素，这主要因为该地区土壤条件、 材料特性等都已完全适应本地的气候特征，在与该气候特征相近的情况下，就不会出现 大的变形现象。针对这种情况我们调查了山东省内包括东营地区、德州地区的气