（道路与铁道工程专业论文）道路路面半刚性基层材料及设计参数的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的发展，对公路要求愈来愈高。在这种情况下，一种既能满足当 前交通量，又能满足耐久性和经济性要求的路面结构半刚性基层路面结构应运而生。 它是我国推行的一种强基薄面路面结构，具有良好的水稳性、耐久性、抗冻性以及强度 高等优点。目前水泥稳定碎石、二灰稳定碎石，这两种形式的路面基层在高等级公路建 设中应用较为广泛。 本文分析了水稳碎石和二灰碎石的组成结构及强度形成机理，最终选定悬浮密实结 构与骨架密实结构的水泥稳定碎石、二灰( 不掺水泥) 稳定碎石作为本文的研究对像。 并且本文提出了一种新的改良逐级填充法用以半刚性材料骨架结构的设计与检测，这种 新的改良逐级填充法是在传统逐级填充法的基础上使用旋转压实仪，并且借助体积指标 进行嵌挤分析，从而实现科学的设计骨架结构，并对骨架结构可靠性进行检测，相比传 统的方法更具有可操作性，数据更加准确可信，为半刚性材料骨架结构的确定提供了很 好的设计思路与操作方法。 针对济南当地半刚性材料设计参数取值较为混乱的现状，本文对悬浮密实结构与骨 架密实结构的水泥稳定碎石、二灰( 不掺水泥) 稳定碎石的不同龄期抗压回弹模量、劈 裂强度等进行了系统的室内试验研究，论证地提出材料的设计参数取值范围，并与规 范推荐取值范围作对比分析。 为了验证了室内试验推荐取值范围的可靠性，本文研究了回弹模量、劈裂强度与龄 期之间的关系，得出回归公式，准确的描述了半刚性基层材料设计参数与龄期之间的相 互关系。并采用f w d 对半刚性基层进行了现场测试，首次提出了采用传递矩阵法反算 半刚性基层单层抗压回弹模量( 反算得出的模量为材料的模量真实值) 。通过单层的模量 反算并借助回归公式，可以计算并检验刚完工的半刚性基层能否在达到设计龄期时，达 到刚度设计要求。最终通过现场f w d 试验并借助回归公式反算济南市西区某半刚性路 面单层抗压回弹模量，并与室内试验推荐取值范围作对比，验证了室内试验推荐取值范 围的可靠性。 为了对比在公路设计中，使用室内试验推荐取值范围与规范推荐取值范围所产 生的差异，本文采用大型有限元分析软件a n s y s 建立三维半刚性基层路面模型进行模拟 计算。模型材料取值分别采用室内试验推荐取值与规范推荐取值，对比两种取值状 况下模型的路表弯沉值和层底应力状态。又根据近来国内外研究，认为路面和轮胎之间 接地形状不完全是圆形，更大程度上表现为矩形；作用力分布也不是均匀的，随荷载的 山东建筑大学硕士学位论文 增加及胎压的不同有很大变化。本文建立了矩形荷载形式的路面模型，进行弯沉计算、 层底应力计算。对比矩形荷载形式与双圆荷载形式在设计过程中产生的差异。 最终建议：从如何在公路设计中做到既保证公路质量又保证达到良好的经济效益、 节约资金的角度出发，济南地区在路面设计过程中，材料设计参数应该在本文室内试验 推荐取值范围内取值。而且在验算层底拉应力时，除了按照规范使用双圆荷载进行 计算，可以考虑使用矩形荷载形式进行层底应力计算。 模型 关键词：半刚性基层材料，改良逐级填充法，设计参数，龄期，模量反算，a n s y s 山东建筑大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sd o m e s t i ce c o n o m i cd e v e l o p i n g ，t h ed e m a n do nt h eh i g h w a yb e c o m e sh i g h e rt h a n b e f o r e i nt h e s ec o n d i t i o n s ，ak i n do fs 仃u c t u r eo ft h er o a dw h i c hc a nm e e tt h ec u r r e n tt r a f f i c ， t h ed u r a b i l i t ya n dt h ee c o n o m i cr e q u i r e m e n t s s e m i r i g i ds 伽l c 血l r ec a m ei n t ob e i n g i ti sa k i n do fr o a ds 仃i l c t u r ew h i c he n h a n c i n gt h em o d u l e so fs u b g r a d et od e c r e a s ed e p t ho fs u r f a c e ， h a sb e e np o p u l a r i z e di nc h i n a i th a sb e t t e rt e s i s t i n gw a t e rs t a b i l i t y , d u r a b i l i t y , f r o s tr e s i s t a n c e a n di n t e n s i t y p r e s e n t l y , c e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a ma n dl i m e f l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t ea r e a p p l i e da b r o a di nc o n s t r u c t i o n go fh i g h g r a d eh i g h w a y p a p e rc h o o s ec e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a ma n dl i m e f l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t ei n c l u d i n g s u s p e n d - d e n s e 咖c t u r ea n df r a m e w o r k - d e n s es t r u c t u r a la st h eo b j e c t , a n dp u tf o r w a r da n i m p r o v e ds t a g ef i l l i n gt od e s i g nt h ef r a m e w o r k - d e n s es t r u c t u r a la n dc h e c ku pt h ec r e d i b i l i t y o fi t w e g e tt h e c o n c l u s i o nt h a tt h e i m p r o v e ds t a g ef i l l i n gh a sm o r ec r e d i b i l i t ya n d p r a c t i c a l i t yt h a nt h eo l ds t a g ef i l l i n g t h er e s e a r c ho nt e n s i l es p l i t t i n gs t r e n g t ha n dc o m p r e s s i o nm o d u l u so fc e m e n ts t a b i l i z e d m a c a d a ma n d l i m e - f l y a s hs t a b i l i z e d a g g r e g a t ei n c l u d i n gs u s p e n d - d e n s e s t r u c t u r ea n d f r a m e w o r k d e n s es t r u c t u r a la td i f f e r e n ta g e sh a sb e e nd o n e av a l u er a n g eo fd e s i g np a r a m e t e r o ft h em a t e r i a lh a sb e e np u tf o r w a r d ，a n dac o n t r a s tb e t w e e nv a l u er a n g er e c o m m e n d e db y e x p e r i m e n ta n dv a l u er a n g ei nc r i t e r i o nh a sb e e nd o n e f o rt h es a k eo fv a l i d a t i n gt h ec r e d i b i l i t yo fv a h er a n g er e c o m m e n d e db ye x p e r i m e n t ，t h e p a p e rb yt h er e s e a r c h e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na g ea n dd e s i g np a r a m e t e rg e tt h er e g r e s s f o r m u l a sw h i c hd e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na g ea n dd e s i g np a r a m e t e re x a c t l y a f t e ra f w d e x p e r i m e n to ns e m i r i g i db a s ec o u r s ea s p h a l tp a v e m e n t ，p a p e rp u tf o r w a r dam e t h o dt o d oab a c k c a l c u l a t e dm o d u l u so ft h es i n g l el a y e ro fs e m i - r i g i db a s e 、析t ht h et r a n s f e rm a t r i x m e t h o d ( t m m ) w 油b a c k c a l c u l a t e dm o d u l u sa n dr e g r e s sf o r m u l a s ，w ec a nc h e c k o u tt h a t w h e t h e rt h es e m i - r i g i db a s ew h i c hj u s tf m s h e dc a nr e a c ht h er i g i d i t yr e q u i r e m e n ta tt h ed e s i g n a g e f i n a l l y , b yf w de x p e r i m e n to ns e m i - r i g i db a s ec o u r s ea s p h a l tp a v e m e n ta n d b a c k c a l c u l a t e dm o d u l u sw i t hr e g r e s sf o r m u l a s ，w ep r o v et h e c r e d i b i l i t yo fv a l u er a n g e r e c o m m e n d e db ye x p e r i m e n t t ob e a ro u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e d e s i g nu s i n gv a l u er a n g er e c o m m e n d e db y e x p e r i m e n ta n dv a l u er a n g ei nc r i t e r i o n p a p e rb u i l dt w om o d e l so fs e m i r i g i db a s ew i l s o f t w a r en a m e da n s y sa n dc o m p u t e i t b yc a l c u l a t i o no ft h ed i f f e r e n tm o d e l s 、析t l ld i f f e r e n t m o d u l u s ，w eg e tt w os t a t u s e so fs t r e s s ac o n c l u s i o ni st h a tf o r t h es a k eo fe n s u r i n gt h eq u a l i t y o ft h er o a da n ds a v i n gm o n e y , w es h o u l dd e s i g nt h er o a d 、 ，i t l lv a l u er a n g er e c o m m e n d e db y i i i 山东建筑大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a tl a s t ，w ec o m p a r et h ei m p a c to fr e c t a n g l el o a do nt h er o a dd e s i g na n dd o u b l ec i r c l e l o a d ，t h e nw eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tw ec o u l dd e s i g na r o a dw i t hr e c t a n g l el o a de x c e p td o u b l e c i r c l el o a d k e yw o r d s ：s e m i - r i g i db a s em a t e r i a l ，i m p r o v e ds t a g ef i l l i n g ，d e s i g np a r a m e t e r ，a g e ， b a c k c a l c u l a t e dm o d u l u s a n s y sm o d e l i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。芬人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：引踅日期- 邓也工 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签 名： 翻a 器 1 日期兰! ! 兰兰 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 问题一：骨架结构的形成 随着我国经济的快速发展，全国各地区公路建设也步入了高速发展的阶段。如何在 公路设计中做到既保证公路质量又保证达到良好的经济效益、节约资金，成为了一个值 得重视的问题。 半刚性基层由于强度高刚度大使得路面承载能力大大提高，而且造价较低，因而半 刚性基层是目前国内高等级公路最常见的基层形式。目前，半刚性基层常用形式有两种： 即水泥稳定碎石与石灰粉煤灰稳定碎石。并且学术界公认骨架密实结构的半刚性材料具 有较好的各项路用性能，但是目前一直没有一种较为科学准确的设计方法及检测标准， 来控制半刚性材料骨架密实结构的形成。 近年来出现的逐级填充法，为确定半刚性材料骨架结构的级配提供了很好的思路， 但是其自身具有难以克服的缺点与不足：传统逐级填充法采用的是重型击实、人工测量 计算的方法确定级配，而且试件只做7 d 饱水无侧限抗压强度检验，并不做嵌挤情况分析， 得到的级配数据不准确，也得不到可靠的骨架密实结构，由于以上缺点导致逐级填充法 目前不能在现实中得到有效的推广使用。本文首先提出在逐级填充试验中应用旋转压实 仪的新的试验方法，并将合成集料的体积指标作为重要参数应用到嵌挤分析中，检验合 成集料形成骨架结构的可靠性。此方法完善了逐级填充法，提高了这种方法的可行性与 可操作性。为半刚性材料骨架结构的确定提供了很好的设计思路与操作方法。 1 1 2 问题二：参数的选取 现在通过对大部分高等级公路的调查发现半刚性基层也存在着许多缺点，例如半刚 性基层沥青路面出现了比柔性基层沥青路面更多的裂缝，早期强度低等，这些缺点引起 了路面的早期破坏。消除或减少反射裂缝已经成为道路工作者的重要任务。从设计角度 入手，在设计过程中设法提高半刚性路面的各项性能是十分必要的。 道路设计是整个公路工程建设中至关重要的环节，路面材料的回弹模量、劈裂强度 等是路面结构设计的核心参数，这些参数的选取将直接影响路面设计的成败与好坏，而 现如今设计单位在设计参数( 如抗压回弹模量等) 的选取过程中，往往大都根据公路 沥青路面设计规范推荐的范围来选取，不通过试验结合各地工地现场材料配比等来确 定。我国幅员辽阔，各地区路面材料性质不尽相同，不同地区道路上所使用的半刚性材 料的配比是不同的，不同的配比，不同的材料性能，材料参数变化非常大，而我国公 山东建筑大学硕士学位论文 路沥青路面设计规范( 以下简称规范) 提出的参考值范围又具有其粗略性和概述性， 并不能完全、详细和准确地反映各地半刚性材料设计参数取值的实际水平，例如：我国 沥青路面设计规范中规定二灰砂砾抗压模量取值1 1 0 0 1 5 0 0m p m 二灰碎石抗压模 量1 3 0 0 一1 7 0 0 m p a ；水泥砂砾1 1 0 0 1 5 0 0 m p a ；水泥碎石1 3 0 0 - - 1 7 0 0 m p a ； 二灰砂砾 1 10 0 15 0 0 m p a ；二灰土6 0 0 9 0 0 m p a ；石灰土4 0 肚- 7 5 0 m p a 等， 设计单位在取值时，不管在什么情况下，都是按照上述范围取值，不进行试验，也不考 虑配比的影响，势必造成依据层状弹性体系理论计算所得的路面结构厚度与路面结构的 实际状况有较大的差异，这可能导致产生两个不利的结果：一是设计的路面结构层太厚， 不经济；二是设计的路面结构层厚度太薄，不安全。所以本文全面开展半刚性基层( 水 泥稳定碎石，二灰稳定碎石) 试验研究，特别是设计参数的研究，采用室内试验和现场 试验结合进行，对提高半刚性沥青路面使用性能，延长道路使用寿命具有重要的经济和 社会意义。 1 1 3 问题二：参数与龄期的关系 由于半刚性基层材料的强度( 抗压强度及模量和劈裂强度) 在某种温度范围内随着 龄期增长而增长。对于此类材料的强度增长规律，一般而言：水泥稳定类三个月后即趋 于稳定，石灰土、石灰粉煤灰稳定类六个月后增长缓慢。因此，此类材料的设计参数测 定是在室内养生温度为2 0 2 ，相对湿度大于9 0 条件下，水泥稳定类以三个月龄期， 石灰土和二灰稳定类以六个月龄期为标准。这个标准相当于半刚性基层材料强度趋于稳 定的情况。在公路工程建设过程中，路基路面施工质量验收一般将弯沉作为参考指标， 但在施工过程中各结构层分层铺筑，对于刚刚完工的半刚性基层检测出的弯沉值显然不 能够按设计龄期应达到弯沉值检验【5 1 0 而且公路工程一般都是连续施工，工期也都很紧 张，如等基层材料达到设计龄期再进行弯沉值检测，则路面工程将无法按工期完成任务， 如果不进行弯沉值检测则有可能没有及时发现薄弱环节而给工程留下隐患 7 1 。对于此问 题，本文首次推导了传递矩阵法反算半刚性基层单层抗压回弹模量理论计算公式，编制 反算程序，可以根据室外f w d 测试结果进行单层半刚性基层抗压回弹模量的反算，而 且是反算模量真值。又深入研究了回弹模量、劈裂强度与龄期之间的关系，得出出回归 公式，找出半刚性基层材料设计参数与龄期之间的相互关系。通过单层的模量反算并借 助回归公式，可以计算并检验刚完工的半刚性基层能否在达到设计龄期时达到刚度要求。 这样就实现快速的路基路面施工质量验收而又不耽误工期，并且检验数据准确可靠。 2 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 二灰碎石国内外的研究概况 二灰碎石是半刚性沥青路面应用很普遍的半刚性基层材料。国外对二灰碎石结合料 的研究从6 0 年代开始，a h c r z o g r r o c k 的研究成果提出了影响二灰稳定土强度的因素， 7 0 年代美国交通运输研究所提出了对半刚性基层材料的级配要求，要求集料应当级配良 好的概念，8 0 年代b r a a k o r o 主要从结合料中最佳石灰和粉煤灰的含量提出了自己的看 法，到了9 0 年代m i n i c k l j m i l e r r h 从二灰碎石各组成成份对力学性能影响方面进行了 系统的研究。我国“六五”和“七五”期间对半刚性基层沥青路面进行了系统全面的研究。 8 6 8 9 年，上海公路管理处对和上海城建学院结合上海的情况对“悬浮三渣”和“级配三渣” 进行了室内足尺室槽和试验路的对比试验研究表明无论从力学性能和抗裂性能来看，“级 配三渣”均优于“悬浮三渣”；9 0 年代以来，国内对二灰碎石结合料也进行了深入的研究， 钱培舒在9 5 年从原材料质量检验、结合料级配、室内试验等方面考虑对二灰碎石工程性 质进行试验，针对新老规范的一些变化提出了试验研究中应注意的事项。9 8 年沙爱民、 张登良在对西三公路基层所用的二灰稳定砂砾材料进行的强度、模量及收缩变形试验的 基础上，分析了二灰含量对材料抗裂性的影响规律，提出了综合考虑材料强度和变形能 力的二灰稳定沙砾材料的配合比为( 1 0 ：3 0 ：6 0 ) 较为合适；同济大学姜爱锋等对二灰稳定碎 石基层的物理力学性能进行了研究。但是以上研究往往局限于室内研究，没有结合道路 现场的实际情况开展研究，而且所作的工作理论性不强。 1 2 2 水泥稳定碎石国内外的研究概况 水泥稳定碎石由于具有优良的路用性能而作为高等级公路路面基层，但其最大不足 之处就是开裂比较严重，国内外公路工作者围绕此问题进行了许多研究工作，提出了许 多增加抗裂性能的有效措施。我国长安大学蒋应军在“水泥稳定碎石收缩裂缝防治研究” 中提出骨架密实结构的水泥稳定碎石结合料。经过研究，其无侧限抗压强度，抗裂强度等 方面明显优于规范推荐的水泥碎石结合料，尤其是抗裂能力大大提高，研究得出影响水泥 稳定碎石的因素，并在规范规定的水泥稳定类材料级配范围基础上提出了抗裂能力和抗 压强度两项指标俱佳的范围；长安大学杨红军等进行了“水泥稳定碎石抗裂机理及评价 方法 的研究，提出了应变能评价体系；美国k p 乔治等人研究了水泥稳定土的干缩特 性，并论述了影响水泥稳定土收缩的因素。 在防止水泥稳定碎石结合料的抗裂中，各国采取了不同的方式。例如研制可显著降 低收缩的外加剂，设计中间层，及预制微裂缝、预切缝等。但上述研究大都集中在半刚 山东建筑大学硕士学位论文 性基层材料抗裂性能的材料和防治措施的研究，对半刚性基层材料设计参数的室内外试 验研究很少。 1 3 研究目的和意义 为了获取半刚性基层稳定的设计参数取值( 如抗压回弹模量等) ，本文对悬浮密实结 构与骨架密实结构的水泥稳定碎石、二灰( 不掺水泥) 稳定碎石的配合比设计、最大干 密度和最佳含水量、无侧限抗压强度，以及不同龄期的抗压回弹模量、劈裂强度等进行 了系统的室内试验研究，最终论证的提出了设计参数的取值范围。 为了验证了室内试验推荐取值范围的可靠性，本文又根据抗压回弹模量、劈裂强度 与龄期之间的关系，进行拟合得出回归公式，从而准确的描述参数与龄期之间的关系， 并进行了济南市西区半刚性路面现场f w d 测试，首次提出了采用传递矩阵法反算半刚 性基层单层抗压回弹模量真实值( 本文反算得到的模量为材料的真实值。而以往传统的 模量反算都只是为了评定路面结构的软弱层和路面结构缺陷，对路面剩余寿命进行评估， 或者应用于施工质量检验或者补强设计，都并非是真实值【l o 】) ，再借助回归公式计算济 南市西区半刚性路面各层材料抗压回弹模量，与室内试验提出的推荐取值范围作对比， 验证了室内试验推荐取值范围的可靠性。 本文的研究将对半刚性沥青路面结构设计、材料设计、设计参数的选取、施工质量 的快速验收，具有重要的指导意义，并具有较高的经济和社会意义。 1 4 课题的主要研究内容与技术路线 由于半刚性材料种类较多，但是在山东地区最常使用的是水泥稳定碎石和二灰稳定 碎石两类，这两种材料按组成结构又分为：悬浮密实型和骨架密实型。 本文针对这两种材料进行研究，既有室内试验，又有现场测试，并结合理论分析开 展研究，主要内容如下： 1 、从宏观及微观两个角度分析两种材料的强度形成原理。 2 、针对悬浮密实结构与骨架密实结构的水泥稳定碎石、二灰( 不掺水泥) 稳定碎石 的配合比设计、最大干密度和最佳含水量、无侧限抗压强度，以及不同龄期的抗压回弹 模量、劈裂强度等进行系统的室内试验研究，确定有关设计参数。 3 、得出抗压回弹模量、劈裂强度与龄期之间的回归方程。 4 、室外f w d 试验对半刚性基层进行了现场测试。 5 、推导传递矩阵法反算半刚性基层单层抗压回弹模量理论计算公式，编制反算程序 完成根据室外试验采用f w d 对半刚性基层测试结果反算单层半刚性基层的抗压回弹模 4 山东建筑大学硕士学位论文 量。 6 、室内抗压回弹模量的试验结果与室外反算结果的对比分析。 7 、选定济南地区典型路面结构形式，建立a n s y s 三维模型，依据本文通过试验论 证得出的半刚性材料设计参数取值范围，和规范给出的取值范围，运用a n s y s 软 件分别进行模拟计算。得出两种参数取值在加载状态下的应力应变，及弯沉值，并加以 比较分析。 1 5 本章小结 1 ) 本章提出了当前半刚性基层路面在设计及施工过程中出现的问题。 2 ) 细致分析了当前的研究现状，归纳总结了国内外相关的研究成果。 3 ) 提出了本文研究的主要内容及研究路线。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章半刚性材料的组成结构及强度形成机理分析 2 1 半刚性材料组成结构 水稳碎石、二灰碎石的路用性能与它的结构特点有着非常密切的关系。水稳碎石、 二灰碎石的结构是指材料各组成材料之间相互作用的特点，相对位置分布及相互联系的 状况。因此，水稳碎石、二灰碎石的结构特性与其材料组成、材料力学性能及各组成部 分之间的相对位置密切相关。当材料的结构特点发生变化时，材料的力学特性也会发生 变化。 其结构特点主要有以下两种情况： 1 悬浮密实结构 这种结构形态的水稳碎石、二灰碎石，通常采用连续型密级配，骨料的颗粒尺寸由 大到小连续存在。这种结构中含有大量细料，而粗料数量少，且相互间没有接触，不能 形成骨架，粗颗粒犹如“悬浮 于细颗粒之中。三轴试验表明，该种结构虽然具有较高 的粘聚力，但摩阻角较低，其强度主要受粘结力所控制，在外部荷载作用下，易产生破 坏。由此而修筑的半刚性基层，受由细料和胶结料组成的混合物的影响较大，因而其先 期强度较低，而后期由于胶结物的不断生成，其强度也会逐渐增加【1 6 1 。 图2 1悬浮密实结构 2 骨架密实结构 骨架密实结构粗骨料较多，而细料较少，因此，能够形成骨架，但其残余空隙由细 料和胶结材料填充密实。这种结构的结合料三轴试验表明，此种结构不仅具有较高的内 摩阻角，而且具有较高的粘聚力。其强度主要受骨架结构所控制。理论上讲，属于该种 结构类型的水稳碎石、二灰碎石具有最优良的力学性能。 7 山东建筑大学硕士学位论文 图2 - 2骨架密实结构 表2 1 两种类型结合料分别所具有的特性 悬浮密实型骨架密实型 由集料颗粒强度、结合料由集料颗粒强度、结合料与 与细料混合压实后的加细料混合压实后的加固强 强度构成固强度和前述加同强度度、前述加固强度与集料表 与集料表面的粘结强度面的粘结强度及级配集料 所组成 骨架作用强度所组成 集料用量 5 0 左右7 5 以上 后期加固强度较高，容易早期机械强度较高，抗缩裂 压实后性能 产生干缩裂缝，抗冲刷性 能较差 性能较好。抗冲刷性能较优 从以上分析可以看出，水稳碎石、二灰碎石中各组成成分的空间位置排列不同，就 会导致结合料整体性质发生变化。 2 2 强度形成机理 水稳碎石、二灰碎石结合料的各种路用性能与其内部结构组成机制有关。水稳碎石、 二灰碎石的组成结构机理应该从两方面进行分析，一方面是反映结合料中以粗集料间相 互关系为对象的宏观结构；另一方面是反映结合料内各种组成材料相互联系与作用的微 观构造。 1 宏观上 在悬浮密实水稳碎石、二灰碎石结合料中，颗粒较大的粗集料之间被相互隔开并悬 浮在由水泥、石灰粉煤灰、细集料组成的集料中，不能形成有效的嵌挤。硬化后的水泥、 石灰粉煤灰、细集料组成的胶结料混合物占据结合料的大部分体积，结合料的性能较多 的受它影响，初期由于反应刚进行，胶结料的形成不足以使混合料成为一整体，即混合 料还处于松散状，故悬浮结构水稳碎石先期的强度不高，并且先期强度的增长也受胶结 料性能的影响较大。后期胶结物不断生成，使颗粒之间连接和整体结构逐步加强，表现 为刚度逐步增大。 8 山东建筑大学硕士学位论文 为刚度逐步增大。 与之相比，在骨架密实水稳碎石、二灰碎石中大颗粒的石料能够形成互相嵌挤的骨 架结构，水泥、石灰粉煤灰、细集料则填充在粗集料骨架形成的空隙之中。硬化后的水 泥、石灰粉煤灰、细集料混合物在结合料中所占体积较小，且被粗集料形成的空隙分开。 粗集料形成骨架结构后，石料之间的相互嵌挤，能够有效提高结合料的内摩擦角，结合 料的性能更多的受粗集料骨架作用的影响，所以初期的模量受骨架作用影响会偏高口5 1 。 由于结合料中所占体积较小，都填充在骨架之间，所以后期即使后期胶结物不断生成， 强度变大，它对整体模量的增长贡献也很小，因此胶结料后期模量增幅比悬浮结构的低。 2 微观上 水稳碎石、二灰碎石结合料的各种路用性能与其内部结构有密切的联系。水稳碎石、 二灰碎石结合料中使用的结合料多为水硬或气硬性材料，这些结合料在稳定材料中遇水 后会发生复杂的物理化学反应，并生成多种新物质。通常这些反应会持续较长的时 间，生成新物质的数量、种类以及结构会随着温度、湿度等外界环境的变化而不同。了 解结合料中主要的化学反应以及不同阶段新生物质数量、种类以及结构对于分析半刚性 基层材料的路用性能有重要的意义。 水稳碎石、二灰碎石在压实成型后，系由固相( 固体水泥、石灰、粉煤灰、碎石) 、 液相( 水溶液) 和气相( 空气) 三相组成。三相之间相互作用的结果，使得水稳碎石、二灰碎 石结合料具有较高的强度和刚度，从而满足了它作为路面基层的性能要求。 水稳碎石、二灰碎石的整体强度由两大部分构成：一是颗粒间的内摩阻力，二是颗 粒间的粘结力。内摩阻力除与碎石的几何尺寸，如形状、大小、表面状况等有关外，主 要取决于碎石的级配组成。按照最大密度填充理论，最佳级配组成的结合料将获得最大 的内摩阻力；不仅如此，最佳级配的水稳碎石、二灰碎石结合料中颗粒接触的点、面相 对多时，更有利于内部形成产生粘结力的无定型凝胶结构和纤维晶体网架结构。 水稳碎石、二灰碎石结合料加水拌合后，通过机械压实，使得集料在结合料中重新 紧密排列，使其充分发挥骨架作用。成型初期，可以认为水泥石灰粉煤灰结合料未发生 化学反应，其强度来自密实骨架的内摩阻力，以及颗粒间水膜与相邻颗粒之间的分子引 力所形成的“原始凝聚力”，随着时间的推移，结合料内的固液相之间发生一系列物理、 物理化学和化学变化，并形成一系列具有胶结作用的物质，使得结合料中颗粒与颗粒之 间的连接加固，形成“固化粘结力”。这是水稳碎石、二灰碎石结合料强度形成的主要来 源。 9 山东建筑大学硕士学位论文 在水稳碎石、二灰碎石强度形成过程中，其中的三相间发生的基本作用有：石灰粉 煤灰之间的火山灰反应，石灰自身的解离、结晶作用和碳化作用以及水泥的水化作用。 这些作用的进行都是通过液相介质来完成的。其具体反应过程可阐述如下： 1 ) 石灰在水溶液中的解离作用 熟石灰在水溶液中可解离形成c a 2 + 和o h 。，并散发微量的热： c a ( o h ) 2 - c a 2 + + 2 0 h 这一过程提供了大量的c a 2 + 和o h 。离子，使结合料液相的p h 值升高。这是其他后 续反应的基础。c a ( o h ) 2 虽是强碱，但是在水溶液中由于离子间的相互吸引，使它表现 出一定的电离度，且电离度随c a ( o h ) 2 溶液浓度的减少和温度的升高而增大。 2 ) 石灰的结晶和碳化作用 液相水溶液中的氢氧化钙可以在溶液水分蒸发所造成的过饱和状态下发生溶液的逆 反应结晶作用，形成氢氧化钙晶体，其化学反应式如下： c a ( o h ) 2 + n h 2 0 - - c a ( o h ) 2 1 1h 2 0 石灰吸收水分形成含水晶格并由胶体逐渐成为晶体，这种晶体相互连接，并与碎石 形成共晶体，把固体颗粒胶结成整体，从而产生一定的结构强度。与不定形的c a ( o h ) 2 相 比，晶体c a ( o h ) 2 的溶解度几乎减少一半，因而由晶体c a ( o h ) 2 形成的结晶结构的水 稳定性比由c a ( o h ) 2 胶体形成的凝聚结构的水稳定性好，使得水稳碎石、二灰碎石结合 料的稳定性得以提高。 液相中的c a ( o h ) 2 也可以与气相或溶解于水中的c 0 2 反应，产生碳化作用： c a ( o h ) 2 + c 0 2一c a c 0 3 + h 2 0 c a c 0 3 晶体具有较高的强度和水稳定性，它对粉煤灰的胶结作用使粉煤灰得到了加 固。当c a c 0 3 晶体沉积在水稳碎石、二灰碎石结合料颗粒间隙中时，产生一定的胶结强 度。由于c 0 2 可能由结合料的空隙进入，也可能由粉煤灰本身产生，二灰碎石结合料的 表层碳化形成的硬壳阻碍c 0 2 进一步渗入，因而c a ( o h ) 2 的碳化作用相当缓慢，这是二 灰碎石后期强度长期增长，但是速度缓慢的原因之一。 3 ) 石灰与粉煤灰的火山灰反应 石灰与粉煤灰的火山灰反应是二灰碎石结合料强度形成的主要因素。粉煤灰的矿相 主要是硅铝玻璃体，一般大于7 0 ，并有少量的石灰，莫来石( 3 a 1 2 0 3 2 s 1 0 2 ) 等结晶矿 物以及未燃尽的碳粒。其中硅铝玻璃体是粉煤灰中具有活性的主要部分，它是由粉煤灰 中的粘土矿物在高温下熔融，在表面张力作用下形成液滴，排出炉外时急速冷却而形成 l o 山东建筑大学硕士学位论文 的小球体。硅铝玻璃体可与石灰发生火山灰反应。反应的定性描述如下： x c a ( o h ) 2 + s i 0 2 + nh 2 0 - - x c a o s i 0 2 ( i l + x ) h 2 0 yc a ( o h ) 2 + a 1 2 0 3 + 1 1h 2 0 一y c a o a 1 2 0 3 ( 1 1 + y ) h 2 0 溶解在石灰粉煤灰碎石液相中的c a ( o h ) 2 ，通过液相扩散到球形玻璃体与水溶液的 界面上而富集。在碱性条件下，玻璃体中的s i 0 2 、2 0 3 成分被溶蚀，而与c a 2 + 的反应 生成水化硅酸钙，水化铝酸钙等系列产物。对于硫钙型粉煤灰或有石膏存在时，还可以 生成水化硫铝酸钙。 4 ) 水泥的水化作用 水泥的化学成份主要是硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ) 、硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) 、铝酸三钙 ( 3 c a o a 1 2 0 3 ) 及铁铝酸四钙( 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 ) 等。水泥中的这些矿物熟料遇水后发生水 化反应，生成的主要水化产物为水化硅酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、水化 硫铝酸钙等。这些水化产物具有胶结作用。 大部分水化产物开始时以凝胶出现在玻璃体的周围。随着龄期的增长，水化产物在 过饱和溶液状态下以微晶体形式析出，并由玻璃体表面伸展到水稳碎石、二灰碎石固相 间的空隙，相互联生，形成二维的结晶体网状结构，且联结固相颗粒成一整体，形成了 很高的联结强度。 上述几种反应不是立刻完成的，而是随着时间的推移逐渐发展，经过一段时期后才 会结束。在此期间胶体、晶体不断增多、长大，彼此逐渐接触、交叉，除将未参加化学 反应的粉煤灰中的其他矿物粘结在一起外，并形成一个胶体加晶体的空间网络结构，这 个坚固的空间网络是水稳碎石、二灰碎石结合料强度形成结构的原因。 火山灰反应是一个缓慢长期的过程，这是使二灰碎石结合料具有较高后期强度的根 本原因。当二灰碎石中的水化硅酸钙胶体析出之后，能将作为骨料的碎石紧紧的胶接在 一起，形成一个坚实的整体，逐渐产生一定的强度。并且强度随着龄期的增长而增长。 2 3 本章小结 1 ) 本章主要分析了半刚性材料的组成结构，分析了悬浮结构和骨架结构的不 同。 2 ) 并且阐述了由于结构形式的不同而引起的强度增长规律不同的原因。归纳 为：骨架结构半刚性材料由于骨架结构的存在，使得材料初期强度很高，但 是丧失了后期由于胶结料强度增长而引起的材料整体强度有较大增幅的可 山东建筑大学硕士学位论文 能性。悬浮结构虽然初期强度较低，但是得益于后期胶结料强度的增长，特 别是二灰类材料，其材料整体强度增幅较大，后期强度有超过骨架结构材料 的可能性。 3 ) 描述了各种材料的强度形成过程，从宏观和微观两个角度解释了半刚性材料 强度形成的机理和强度随龄期变化的内在原因，为后文的试验结果分析做了 理论铺垫。 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 第3 章骨架密实结构的设计方法 3 1 概述 目前，关于半刚性基层材料骨架结构级配的确定方法有很多，但人多有其难以克服 的缺点与不足。例如，逐级填充法作为确定无机结合料级配的一种新型试验方法，由于 其确定出的骨架密实型级配与传统的规范法相比，级配更为合理，结合料强度更高，很 有发展空问。但是这种方法要求用重型击实法击实合成集料，再用人工测量计算合成集 料的击实松方体积密度，以此确定级配，级配确定以后，形成试件只做7 d 饱水无侧限抗 压强度检验，只要强度符合规范要求及认为级配合理。这种方法有很大的缺点。如下： 首先：重型击实法并彳：能使集料达到理想的嵌挤密实状态，而且击实锤直接击打粗 集料容易将大量的粗集料击碎影响结果，高度的测量也十分粗略，细料与粗料易离析， 以此计算的结果误差太大。冉者：传统的逐级填充法在级配确定以后，形成试件只做7 d 饱水无侧限抗压强度检验，并不做嵌挤情况分析，这样得到的级配数据不准确，也得不 到可靠的骨架密实结构。山于以t 原凶，逐级填充法目前并没有得到有效的推j “使用。 本文中提出旋转压实逐级填充法，即：在逐级填充试验中应用旋转压实仪进行压实 代替手工击实，并对所确定的级配利用其体积指标做嵌挤分析的新的试验方法。这种新 方法可以检验合成集料形成骨架结构的可靠性，完善了逐级填充法，提高了逐级填充法 的可行性与可操作性。而且通过成型水稳碎石材料试件的抗压强度埘比、嵌挤分析对比， 等大量的试验与数据分析，充分论证了传统逐级填充法的不足，以及新型逐级填充法及 检测方法的优越性、可靠性。 3 2 旋转压实逐级填充法 1 ) 旋转压实仪设定：压实桶内径1 5 0 m m ，高度为2 5 0 m m ，设定压实角度为1 2 5 。， 垂直加载压力为6 0 0 k p a ，设计旋转次数为1 0 0 次。 图3 1 旋转压实仪 戡据 扳 牧l 山东建筑大学硕士学位论文 蓦蔼 一l l 1 ：，埴 图3 - 2 旋转压买配置图 2 ) 确定骨料规格d o ( 。般选取较大粒径的骨料) ，将一定质量的此粒径的骨料放入 压实桶中，每次在旋转压实仪上旋转1 0 0 次，然后量记录其及事后的高度，利用公式p 压实= m v 计算其压实密度。 3 ) d o 用量为10 0 ，d o 的下一级为d 1 ，以d o 用量的5 为步长，将d 1 逐步掺入 d o 中，每次掺入后，每次在旋转压实仪上旋转1 0 0 次，压力6 0 0 k n ，压实，测定压实 密度，建立填充数量与压实密度的关系曲线。 4 ) 根据d 1 填充数量与压实密度的关系曲线，按最大压实密度选择d 1 的合理用量。 5 ) 依次类推，进行二、三、四、血级填充，最后分别得到各级粒径的最佳填充比例， 即骨料的级配。 3 3 嵌挤分析 由旋转逐级填充法确定的级配是甭能形成骨架密实结构，需要利用嵌挤分析进一步 验证，本文借用体积指标分析法进行嵌挤分析，并对体积指标分析方法进7 7 7 1 - 充完善。 体积指标分析法一般认为，颗粒的最大粒径、主骨料( 4 7 5 m m 以上集料) 的空隙 率、集料的空隙率、集料中主骨料的窄隙率7 l , 4 、指标基本上可以反映出级配的骨架形成、 填充情况及整体密实程度。其计算公式如f ： v c a ( 捣实主骨料窄隙率) ：1 一一p r , ( 3 1 ) p n v ca ，( 松散主骨料空隙率) ：1 一旦卫 ( 3 2 ) p ，1 v c a ”( 捣实集料中一_ j 三，胃，料空隙率) ：l 一卫盟( 3 3 ) p t l 式中：p ，1 主骨料( 4 7 5 m m 以j ：) 捣实状态下松方干密度( g c m 3 ) ，1 主骨料( 4 7 5 r a m 以f ：) 堆积状态下松方十密度( g c m 3 ) d | ：主骨料( 4 7 5 r a m 以上) 半均视密度( 表观密度) ( g c m 3 ) 1 ：集料捣实状态下松方干密度 山东建筑大学硕士学位论文 p c a ：主骨料( 4 7 5 m m 以上) 占整个集料的百分含量( ) 1 0 0 砌2 五五= 五 p 、p 2p n y l ，y 2 ，y n 一分别为各档集料的质量百分率( ) 。 n ，仍岛分别为各档集料的视密度。 当集料达到骨架密实结构时，主骨料相互接触、嵌锁，其空隙由细料填充，但是细 料的含量过多时，会将主骨