（道路与铁道工程专业论文）二灰碎石基层沥青路面的应用研究.pdf

版碎_ i 基层i l j j 青路向的廊j j 研究 摘要 本文以“粉煤狄在城市道路工程中应用研究”课题为背景，在结合国内外对二 灰混合料基层性能研究的基础上，针对岳阳市城市道路工程应用粉煤扶的实际情 况，对二扶碎石基层混合科进行了大量的研究。 从原材料性能及选用要求、碎石集料的级配、混合料组成比例、强度形成机理 及外掺剂对强度的影响等方面对二灰碎石混合料基层的力学性能和道路使用性能 进行了全面的研究，对单粒级集料和连续级配集料二灰碎石混合料的性能进行了 对比，提出了嵌挤骨架密实结构的混合料组成结构的级配设计方法。 对二次与碎石集料作用的研究中发现，随着集料级配和混合料中各自比例的变 化，二坎碎石混合料的强度发生变化。集料级配颗粒越细，二灰比例下降，其强 度及抗裂、抗水浸和抗冲刷能力髓之下降。 对二灰碎石加外掺剂的研究中，二灰碎石早期强度得到提高，当加入水泥后早 期强度明显提高，而且强度随龄期增长。借助x 射线衍射和电子显徼镜扫描，对 水泥掺入二灰碎石中组成的混合料进行晶体结构分折发现。强度的变化是由于晶 体结构的不同所致。 对= 灰碎石混合料基层的施工质量控制和检测进行了探讨，指出应从多方面加 以质量控制；无损检测是公路工程质量检测的有效手段，介绍了利用探地雷达进 行无损检测的方法；并对二灰碎石、水泥粉煤灰碎石和水泥碎石基层材料的经济 性进行了分析比较，以二灰碎石价格最低。 通过对交通量和土基强度等级分类，结合半刚性基层材料的性能参数，考虑面 层厚度主要与交通量相关，基层、底基层厚度主要与土基强度相关，拟定面层厚 度和基层厚度，按多层弹性层状理论计算底基层的厚度，提出了针对岳阳城市道 路的沥青路面典型结构；并对二灰碎石基层沥青路面的合理厚度进行了分析。 关键词：二灰碎石；基层；沥青路面：路用性能；配合比；级配；外掺剂；典型 结构 硕一f ：学位论文 a b s t r a c t b a s e do n “t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fl i m e f l y a s hi nu r b a n er o a de n g i n e e r p m j e c t ”，w i t has p e c i a lv i e wt oi t sp r a c t i c ea n dw i t ht h es t u d i e sh o m ea n da b r o a dt a k e n i n t oa c c o u n t ，t h i st h e s i si st od e l i v e rs o m ec o n c l u s i o n sa f t e ral o to f e x p e r i m e n t s o nl i m e f l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t eb a s ec o u r s e ： t h i st h e s i sh a sa g e n e r a ls t u d y o ft h em e c h a n i c s p r o p e r t y a n d p a v e m e n t p e r f o r m a n c eo ft h el i m ef l ya s ha g g r e g a t eb a s ec o u r s e si nt h ev i e wo f t h ep r o p e r t i e so f t h er a wm a t e r i a l sa n dt h er e q u i r e m e n t sf o rt h e i ra p p l i c a t i o n ，t h eg r a d a t i o na n dt h er a t i o o fa g g r e g a t e ，t h em e c h a n i s mf o ri t s s t r e n g t h ，a n dt h e a d d i c t i v e si n f l u e n c eo nt h e s t r e n g t h t h i st h e s i sa l s oc o m p a r e st h ep r o p e r t i e so ft h ea g g r e g a t e s ，s i n g l es i z eo r c o n t i n u o u sg r a d a t i o n t h e nt h et h e s i s p r o p o s e s t h ed e s i g nm e t h o do f e m b e d d e ds k e l e t o n d e n s i t ys t r u c t u r eo f l i m e f l ya s h s t a b i l i z e da g g r e g a t em i x t u r e s i nt h es t u d yo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h el i m ef l ya s ha n da g g r e g a t e ，t h et h e s i s a r g u e st h a tt h es t r e n g t hc h a n g e s w i t l it h e c h a n g eo f t h ea g g r e g a t eg r a d a t i o n a n dt h er a t i o o ft h em a t e r i a l s ，a n dt h es m a l l e rt h eg r a d e ds i z ea n dt h er a t i oo f l i m e f l y a s ht oo t h e r m a t e r i a l sa r e ，t h ew e a k e rt h e s t r e n g t hi s ，a n dt h i s r e s u l t si nt h ew e a k e ra b i l i t yo f a n t i - c r u s h i n g ，a n t i w a t e r - e r o s i o na n da n t i - b r u s h i n g i nt h ee x p e r i m e n tw h e r em i x t u r e si sa d d e da d d i e t i v e s ，t h et h e s i sp r o p o s e st h a tt h e s t r e n g t ho fl i m e - f l y - a s ha g g r e g a t ei si m p r o v e da tt h ee a r l yp e r i o d sw h e ni t i sa d d e d a d d i c t i v e s t h i si se s p e c i a l l yo b v i o u sw h e nt h ea d d i c t i v ei sc e m e n t , a n dt h es t r e n g t h g r o w s 、i t lt h ev a r i o u sc u r i n gp e r i o d s w i t ht h eh e l po f x r a yd i f f r a c t i o na n ds c a n n i n g e l e c t i o nm i c r o s c o p y , t h et h e s i sa l s oa n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fc r y s t a ls t r u c t u r eo ft h e c e m e n tl i m ef l ya s h a g g r e g a t e o nt h em i x t u r e s t r e n g t h t h et h e s i sa l s oe x p l o r e st h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o la n dt e s to nl i m ef l ya s h a g g r e g a t eb a s ec o u r s e s ，a n di n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yw h e r e p e n e t r a t i o ng r o u n dr a d a r h e l p su n d a m a g e ds u r v e y a l s ot h et h e s i sc o m p a r e st h ew a y sf o rt h e me c o n o m i c a l l y , t h e c o s to fl i m ea s hf l ys t a b i l i z e da g g r e g a t ei sl o w e r f i n a l l y , t h et h e s i sp r o p o s e sat y p i c a ls t r u c t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n tf o ry u e y a n g u r b a n er o a da f t e ra g e n e r a ls t u d y o fi t st r a 筇cv o l u m el e v e la n ds u b g r a d e s t r e n g t hl e v e l w i t ht h e p r o p e r t i e s o fs e m i r i g i db a s em a t e r i a l sb e i n gi n c o n s i d e r a t i o n ，r e g a r dt h e s u r f a c ep a v e m e n td e p t hr e l a t e do nt r a f f i c ，t h eb a s ec o u r s ed e p t hr e l a t e do ns u b g r a d e s t r e n g t h o nt h eo t h e rs i d e ，t h et h e s i sd i s c u s s t h ep r o p e rd e p t h o f p a v e m e n t i i ：一一：，：! ! 三丛生! 茎星泌壹墅匣堕生! ! ! 堑塞 k e yw o r d s ：l i m ef l y a s h s t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e ：b a s ec o u r s e ；a s p h a l t p a v e m e n t ；p a v e m e n t p e r f o r m a n c e ；p r o p o r t i o n ：g r a d a t i o n ： a d d i t i v e ：t y p i c a l s t r u c t u r e i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文巾特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：而i 三污劳艮 日期：血哪年f 月工日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密豳。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 私如希丸日期：呻 诌嘶 j f 玛 岁月 ，z 日 f 乙日 1 1 前言 第1 章绪论 随着国家对交通运输业的同盏重视和国民经济的高速发展，高等级公路的建 设得到了飞速发展，截止2 0 0 2 年底，我国高速公路通车总里程达到2 51 3 0 公里， 而这些公路均为半刚性基层。其中大部分为沥青路面。 在我国道路工程中常用的半刚性基层主要有：水泥稳定粒料类、石灰稳定粒 料类和综合稳定粒料类。这些基层具有强度高、耐久性好、造价低等许多优点， 因而在道路工程建设中得到了广泛的应用。二灰碎石基层由于其具有较高的后期 强度、良好的板体性能，比水泥稳定碎石基层具有更好的抗裂性能和抗冻性能， 同时能充分利用工业废料，减少环境污染，在高等级公路和城市道路的建设中使 用得越来越普遍。 但是并非所有采用石灰粉煤灰稳定碎石基层修筑的路面都达到了预期的效 果。一些公路在运营的早期由于路面的设计、施工等不尽合理，二灰碎石基层中 存在粒料偏细、收缩性大、反射裂纹【2 】等问题，造成了路面的早期破坏。究其原因 主要是二灰碎石混合料的配合比不当，碎石骨料级配不合理。公路路面基层施工 技术规范1 3 1 对二灰集料类混合料用于高等级公路的指标是混合料在规定温度下保 湿养生6 天、浸水l 天后的7 天无侧限抗压强度不应小于o 8m p a ，见表1 1 所示。 寰1 1 = 灰混合辩的抗压强度标准 、 公路等级 层 二级和二级以下公路高速公路和一级公路 基层( m p a )o 6 n 8o g 一1 底基层( m p a ) 不小于0 5不小于0 6 在实际工程中有时甚至出现片面追求强度的倾向，而忽视材料的收缩性能方面的 要求，以致在温度变化、干燥失水以及行车荷载的作用下。造成混合料产生裂缝， 从而破坏了二灰碎石基层的板体性能，降低其承重能力；有时裂纹反射到面层， 形成反射裂纹，加剧了路面的破坏l “j 。 因此，二灰碎石混合料基层的设计应在满足行车荷载对其强度要求的前提下， 尽量减少缩裂，达到充分发挥= 灰碎石基层板体性能的目的同时采取合适的路 面结构厚度以保证半刚性基层沥青路面具有良好的路面使用性能和较长的使用 寿命协嘲。而二耿碎石混合料的强度、温缩、干缩i t ! 以及抗冲刷性能t 1 2 1 与混合料的 配合比、骨科的级配组成、气候变化、施工条件等均有着直接关系，而混合料的 配合比l l ”提其最主要的内在因素。基层质量的好坏直接影响路面面层的力学性 能【m 2 0 1 和路用性能1 2 1 讲】，如何充分发挥基层和面层的协同受力，提高整体性， 从基层厚度和面层厚度的分配及总厚度予以控制，拟定合理的结构厚度2 6 t 8 1 也是 相当重要的。 为此本文针对湖南省岳阳市城区修筑半刚性基层沥青路面的实际情况，通过 各项室内试验，选定合理的集料级配和配比方法，使二荻碎石基层既具有良好的 强度，又具有较好的抗裂性能，同时采用合理经济的路面结构厚度肛9 - 3 2 ，从面保 证沥青路面具有优良的路用性能。 1 2 国内外的研究现状 二狄碎石基层作为传统筑路材料的替代材料，具有良好的路用性能，同时解 决了环境问题i lj 。早在5 0 年代中期，在欧美国家呈现稳定增长的趋势。o e o e c k e r 曾就石灰粉煤灰的混合料作过研究，他认为，石灰与粉煤灰的最佳比例因土而异。 对不含土的混合科而言，约为l ：2 ，二灰土中这个比例约为l ：9 i ：1 5 ，对于大多数 土质来说，石灰与粉煤灰的总量至少应为2 5 。m a t e o 和d a v i d s o n 再次就石灰与 粉煤灰的混合比进行了研究。他们认为，石灰与粉煤灰的混合比例以及石灰与粉 煤灰在土中的最佳含量取决于石灰、粉煤灰和土质三方面的因素。此后，更多的 学者作了大量的研究。7 0 年代前半期，它的使用已非常普遍，而且用量也非常大。 并且国外在六七十年代对二灰碎石材料作过大量的研究工作，制定了相应的使用 规范，总结了成熟的施工经验 3 3 - 3 7 1 ，并大量应用于路面与机场的工程实践中。九 十年代，采用热重分析、x 射线衍射、电子显微扫描方法，对二灰碎石材料的回 弹模量、弹性模量和无侧限抗压强度进行了大量研究1 3 。- 4 0 1 ，建立回归关系式，并 对其路用性能进行了大量的调查和分析研究工作；同时研究了水泥掺入二灰碎石 混合料中对混合料性能的影响1 4 1 州】。 在国内，从六七十年以来，二灰混合料的应用得到了大力推广，已经成为路 面工程中使用最广泛的两种半刚性基层材料之一。随着人们对二灰碎石材料认识 的深入，以及施工工艺的不断改进，二灰碎石的组成结构和性能发生了相应的变 化。在二灰碎石生产中普遍采用颗粒较粗的低品质粉煤灰和三级消石灰，配合比 为l ：2 1 ：4 ，就目前来看，在这方面变化一直不大，意见比较趋于统一，而变化及 争论较多的是集料的粒径级配以及在混合料中的含量和结构型式。 最初的观点认为：二灰碎石是悬浮结构，集誊辛大颗粒悬浮在石灰粉煤灰组成 的基体中。上海是使用二灰碎石作路面基层最早的地区之一，上海市政研究院从 1 9 6 6 年就开始进行郊区轻交通量的石灰粉煤灰材料性熊研究。1 9 7 8 年后，采用厂 拌生产工艺，并在石灰粉煤灰中掺加了集车； ，使得这种材料可以用于交通量繁重 的市区道路。在上海地区一直使用颗粒粒径范围为5 0 8 0r a n l 的单粒径粗集料， 在混合料中的质量含量为6 0 左右。二灰碎石的典型配合比为石灰：粉煤扶：集料 = 1 ：2 ：3 ( 松装体积比) ，属于悬浮结构。这种二扶碎石因价格便宜，备料方便，对 含水量变化的适应范围宽，在过去的市区道路和沪嘉、苹松高速公路中得到广泛 使用，到目前为止在一些市政工程中仍然使用。 悬浮式结构的观点产生于二灰研【石早期出现时的使用过程中而这种集料呈 悬浮状态的二灰碎石组成结构观点正适应于当时较低的生产和施工水平。但是在 二灰碎石基层的使用过程中发现，采用悬浮式结构的基层，开裂比较严重，在路 面中往往出现较多的反射裂缝。通过研究认为，其主要原因是基层中二灰自身的 收缩量较大。在悬浮结构的二灰碎石中，集料颗粒被二灰完全隔开，不能有效地 抑制二灰的收缩。为了减少收缩开裂，人们开始使用具有一定级配的集料颗粒， 同时加大混合料中集料含量，并采用强制式拌和机加强混合料的拌和，采用重型 压路机加大成型压力，以期形成性能良好的嵌挤式二灰碎石，达到显著降低二灰 碎石收缩开裂的目的。 在交通部发布的公路路面基层施工技术规范( 0 3 4 2 0 0 0 ) 中，对二灰碎 石的原材料配合比作了比较详细的规定高等级公路基层集料颗粒最大粒径为 3 1 5 m m ，并认为当= 灰与集料的质量比在1 5 ：8 5 2 0 ：8 0 之间时，集料在混合料中起 骨架作用，二灰起充填作用，这样组成的混合料称作密实式二灰粒料结构。而二 灰与粒料之比为5 0 ：5 0 左右时。在混合科中粒料不能形成骨架，只是悬浮在二灰中， 称为悬浮式二灰粒料结构。悬浮式二灰粒辩的收缩量大，容易产生干缩裂缝，其 最大干缩应变达到8 2 7 1 x e ，而密实式二灰粒料的最大干燥收缩应变为2 3 3 2 7 3 9 e ， 两者相差3 倍左右。公路路面基层蓝工技术规范中的级配碎石集料的颗粒组成 范围如表1 2 所示。 衰1 2 二灰擐毪碎石中的鬈粒组成衽圈 筛孔尺寸 3 l _ 51 9 o9 5 04 7 s2 3 61 1 80 6 00 ，0 7 5 ( m m ) 通过率( ) 1 0 08 l j 始5 2 ，7 03 0 - 5 0l s 3 8l m 之76 七oo 7 上海市政工程研究院的观点是，为了改善二灰碎石的力学性能和便于机械化 旌工，以增加混合料的密实效果，采用颗粒粒径为4 0 5 0 m m 的集料替代5 0 8 0 m m 的粗集料，对集料级配不作严格要求，只要有一定级配就行，并认为0 5l n i n 粒径的集料在碎石中含量不稳定，如果太多，将会起不到碎石的骨架作用和增加 裂缝出现的机会，对石灰粉煤灰的胶结作用带来不良的影响，典型的组成配合比 为石灰：粉煤灰：集料= 1 0 ：2 0 ：7 0 或1 0 ：1 5 ：7 5 。他们做了大量的室内试验研究工作， 并于1 9 9 5 年在沪宁高速公路( i - 海段) 工程中进行了道路基层的机械化施工实践， 认为改变集料粒径后，基层平整度和强度、耐久性得到显著改善，并且掩工操作 更为方便。 西安公路研究所8 6 0 2 课题组在七_ 矗国家重点科技项目2 4 1 1 专题中提出，对 于半刚性基层材料的组成设计不仅要考虑强度指标，还应考虑收缩性能。其干缩 试验结果表明，粒料呈悬浮状态混合料的千缩系数较密实结构的混合料要大得多： 综合强度指标翻抗收缩性艟。粒料含量为8 0 的混合辩两者占优f 4 5 】。 重庆交通学院杨锈武、粱富权等认为州，应综合考虑混合料的强度、施工操 作性和经济性。粒料比例除影响混合料强度外，还影响其收缩性，粒料比例过大 则施工中易出现离析现象，粒料比例过小则容易产生收缩裂缝，因此，确定水泥 ( 石灰) 粉煤灰混合料中粒料的最佳比例范围，对保证其强度和良好的抗收缩性 是必要的。综合考虑粒料比例对强度的影响和实际使用中采用粒料比例的经验， 水泥( 石灰) 粉煤灰混合料最佳比例范围是7 0 8 0 。这个比例既傈证混合料具 有足够强度，又使混合料具有良好的抗收缩能力减少收缩裂缝。 江苏省交通科研所蒋振雄认为m j ，在二灰碎石组成设计中，存在强度、收缩 裂缝、乎整度、含水量控制等相互制约的矛盾闯题，应把这几方面有机统一起来。 为了解决相互劐约的矛盾，在基层藏工技本规范的基础上提出三个不变、一个控 制、一个提高的原则，即保证8 0 粒辩比例不变，0 8m p a 无侧限抗压强度不变， 集料连续级配不变，控制5m m 以下粒料含量，提高2m m 以上粒料用量。这样以 嵌挤型代替胶结型，减少收缩，增大粗粒料用量，减少对水的敏感程度，减少整 体材料的空隙率、比表面和含水率，大幅度降低干缩开裂，以适当级配代替单一 级配，减少缺乏连续级配、易造成离析和平整度差等缺点，并且将此原则应用于 宁连一级公路连云港段的基层施工中，取得了良好的效果。 同济大学林绣贤根据8 0 年代的实际经验提出如下观点1 4 n ，针对石灰粉煤灰或 水泥石灰粉煤灰稳定碎石类，其材料组成可采用填充理论，同时还需解决石灰粉 煤灰的合理比例。他认为集料的最大粒径以不大于结构层厚度的一半为原则在 此类结构中既要充分发挥无机结合料的稳定作用，又要使填充辩有充分压实的机 会，因此集料刚好靠拢，密实的无机结合科稳定材料填充于骨架空隙中。骨料太 多，无机结合料填充料不能充分压实总容重虽大但强度不能发挥；骨料太少， 则骨料悬浮于无机结合料稳定材料中骨科起不到骨架作用，其性质仍与无机结 合料接近，刚度大、干缩温缩大、易开裂，因此骨科的合理含量要根据实际材料 计算，骨料空隙部分即为密实的结台料含量，关于石灰与粉煤灰比例以1 ：3 1 ：4 为最好，但石灰在混合料中含量不得低于5 。 近年来，为了减少二灰碎石的收缩开裂，通过采用级配碎石，增加集料的含 量配制嵌挤型混合料的观点已被普遍接受。在公路路面基层簏工技术规范 ( ，r j 0 3 4 - 2 0 0 0 ) 中也列出了级配范围，从规范提供的级配范围来看：集料粒径偏细， 集料中的细料含量偏多这样一方面会增加备料的难度，加大成本；另一方面， 过多细集料的存在往往并不能有效趣减少二灰碎石的收缩。因此，级配范围有待 迸一步研究。 随着重型压路机在道路工程施工中的应用，哈尔滨建筑工业大学王哲人提出 了二灰碎石混合料的紧密骨架结构模型。袍认为以前的二灰碎石结构模型概括为 “松排骨架，紧密填充”，而当时基层麓工都是采用静态碾压，在室内一律采用击 实或加压成型。因而在二坎碎石中集料的用量在一实方混合料中最多为一松方， 压实后的混合料，集料冈l j sr j 靠拢而不密实，剩余空隙才有可能全为结合料所填充， 使结合料的胶结和骨架作用共同发挥，然而这种二获碎石在实际的使用中并未取 得令人满意的效果，它虽然解决了半刚性基层稳定性的问题，但往往存在着压实 性差、早期强度低、耐疲劳性能差等问题【1 9 , 2 ”。实际使用中，尤其在北方容易造 成路面基层低温缩裂、路面反射裂缝，进而使路面破坏f 5 ”。由于目前在基层施工 中普遍采用重型压路机，因丽二灰碎石的组成符合紧密嵌挤骨架密实结构，突破 松排骨架中集料的用量极限减少收缩系数以提高混合料的抗裂性，再以具有振 动状态下最大干密度的结合辩来填充集辩翘妁空骧，从而达到混合料最好豹力学 性能，提高二次碎石半刚性基层各方面的性能指标。 以上列出的各种组成结构观点代表了二灰碎石从出现到逐渐走向成熟的生产 工艺的发展过程人们对二灰碎石的组成结构和性能的认识在不断深入，并且随 着路面结构要求的提高和生产工艺的改进，二灰碎石基层路面结构的使用性能也 得到了改善1 2 1 , 2 4 , 4 9 。最初只是用于轻交通量的石灰粉煤灰混合料，接着是在二灰中 掺入一些粗颗粒的集料形成悬浮结构的二灰碎石基层。然后随着使用要求豹进 步提高，对集料提出要求，由一定级配的集料代替单粒径粗颗粒集料，形成骨架 型的二灰碎石。目前由于大吨位振动压路机的使用，使得集料颗粒在二灰碎石混 合料中从以前的松散排列向紧密骨架结构过渡。 目前，我国许多高等级公路历采用的路蕊结构绝大多数都是半刚性基层沥青 路面结构。由于种种原因，各地在半刚性基层上铺筑的沥青面层总厚度大不一样。 最薄的仅有6 c m ，最厚的达到3 2c m ，一般多在1 2 2 0c m 之间，其结果是一些路 面结构偏于保守，造成不必要的浪费，而一些路面结构又偏于不安全i z 6 j 。因此， 如何根据半刚性基层的特点，合理地确定沥青面层厚度。对于高等级公路建设具 有重要意义。 按照第十八届世界道路学会的分类法，目前世界各国所采用的沥青路面结构 设计方法大致可以分为经验法、理论法和半理论法【2 6 舯】。经验法是通过大量的路 面结构强度及使用性能的现场检测，以及试验路段的跟踪调查，得出各种结构参 数、材料性能、环境条件以及交通荷载之间的经验关系，并用以指导路面的结构 设计。理论法是通过对实际路面结构的凡何和力学特性进行分析，提出合理的力 学模型，并用以分析、计算、比较并加以优化。最后提出合理的路面结构型式。 半理论法亦即典型结构法，其设计思想介于上述两类方法之间，即通过对实际路 面结构和试验路面的大量调查与检测，提出合理的结构型式，然后通过理论分析 和计算，对结构的合理性进行检验修f 。 国外半刚性基层沥青路面设计方法多采用理论法和典型结构法，幅员辽阔的 国家一般采用理论法，而国土面积较小、国内气候、水文、地质条件变化不大的 国家，常采用典型结构法。国外的典型结构都是根据大量试验路的长期使用性能 和路面力学分析相结合的方法得出来的。 八十年代末期，我国的一些省市开始了典型结构的研究，并在“八五”期间 列为国家的重点攻关项目【2 8 0 9 1 。长沙交通学院武和平、东南大学黄晓明等分别根 据地区气候特点及自然条件，对交通量和土基强度进行等级划分，通过试验确定 半刚性材料的设计参数，推荐了高等级公路半刚性基层沥青路面典型结构设计图 式。 1 3 主要研究的内容和目的意义 根据国内乡 研究成果和道路工程路用性能的要求，通过试验。结合岳阳市城 市道路二灰使用情况，对二灰碎石基层进行深入的研究。 ( 1 ) 从二灰、集料、二灰碎石等原材料的组成入手，分析其物理力学性质，从 而获得满足要求的混合料组成比例； f 2 ) 分析混合料的材料组成结构对路用性能的影响，并作全面的比较，得到合 理的结构形式与集科级配： ( 3 ) 研究二灰碎石强度形成及强度增长的机理，加入外掺剂对提高二灰碎石早 期强度的作用机理： ( 4 ) 研究二灰碎石的施工工艺、质量控制与检测方法： ( 5 ) 研究二灰碎石半刚性基层沥青路面的典型结构。 由于半刚性基层具有整体性强、承载力高、刚度大、承稳性好的特点，而且 又较为经济，因而在我国半刚性基层已广泛用于修建高等级公路路面基层和底基 层，特别是对沥青路面的修筑提供了坚实的基础，但在设计和施工中也存在一些 问题和缺陷需要进一步探讨与解决；从废物利用、环境保护和经济的角度出发， 对二灰碎石基层性能与沥青路面典型结构作进一步的研究具有一定的理论和工程 实际意义；同时也具有广阔的发展前景。 第2 章二灰碎石基层的性能分析 2 1 路面基层性能 在路而结构中，基层是直接位于面层下的结构层次，主要起承重、扩散荷载 应力和改善路基水文状况的作用。通常基层必须满足以下要求： ( 1 ) 具有足够的强度和刚度。能够承受车轮荷载的反复作用，在荷载的设计使 用次数作用下，基层不应产生过大的残余变形，更不应产生剪切破坏或弯曲疲劳 破坏。 ( 2 ) 具有良好的水稳定性。从路表进入或路基渗入基层中的水不会引起基层整 体性、强度和刚度的明显下降并且在冬季有一定的承受冻融循环作用的能力。 ( 3 ) 具有足够的抗冲刷能力滞留在基层和面层结合部位的水份在行车荷载作 用下形成流动的水压力，对基层产生冲刷作用，基层对这种冲刷必须有足够的抵 抗能力，从而不出现严重的唧泥现象。 ( 4 ) 比较小的收缩量。如果因温度和湿度变化而引起基层过大的收缩并出现开 裂，则这种裂缝很容易在面层上形成反射裂缝。 因此，用作路面基层的二灰碎石必须具有良好的力学性能、水稳定性、耐久 性能和抵抗收缩开裂的性能。 2 2 二灰混合料力学性能的影响因素 1 粉煤灰细度对强度的影响 粉煤灰火山灰反应是在粉煤灰粒子的界面进行的，因此，粒子界面的大小影 响反应生成物的数量，影响强度的高低。经过磨细的粉煤灰，破坏了原来粒子的 多孔结构，增大了比表面积，使粉煤灰活性大大增加。 研究表1 1 碉p 7 ，粉煤灰颗粒越细，二灰混合料的强度越高。当然，细度不是一 个孤立的指标，和其它性质有着密切的联系。颗粒的粗细在初期强度的形成中影 响较大，此时火山扶反应的影响不明显，1 4 天以后火山灰反应开始，强度逐渐增 加，粉煤次的化学成分逐渐起决定作用，颗粒越细反应越充分。粉煤灰的颗粒细 度对初期强度有一定的影响，存在早期强度低的缺点，在其物理性能中规定细度 指标是需要的。例如。英国、日本等对粉煤灰比表面积( c m 2 g ) 有相应的规定或 建议值。美国a s l m 0 5 9 3 7 6 0 ，对二灰土混合料所用粉煤灰提出筛余的要求。粉 煤灰作为筑路材料使用，需要有一个最低限的要求，对粉煤灰作为沥青路面基层 材料使用，我国各电厂生产的粉煤灰部分都能达到要求( 小于0 0 7 4 m n l 的含量大 f5 0 ) 。 2 粉煤灰的比重对活性的影响 粉煤狄的活性影响因素中，比重是在物理作用中很主要的影响因素，比重较 大的粉煤灰活性较好，坚硬而致密的粉煤狄颗粒比疏松多孔的粉煤荻颗粒具有更 高的强度。 3 粉煤狄中活性氧化物含量对二灰混合料强度的影响 高温( 13 0 0 c 17 0 0 。c ) 融熔又急速冷却后，s i 0 2 与a 1 2 0 3 是形成活性玻璃 体的主要组成部分，是形成强度的必要条件。一般情况下，硫钙型褐粉煤灰除外， s i 0 2 与a 1 2 0 3 含量越高，其混合料强度越高，特别是2 8 天以后，随着龄期的增长， 火t j j 扶反应逐渐增强，其后期强度主要来源火山灰反应，强度的增长速率有很大 的提高，由表2 1 所提供的数据可以说明这个问题。 表2 1 粉煤灰酸性氧化物含量与二灰混合辩螽度关系 粉煤灰 s 1 0 2 + a 1 2 0 3抗压强度( m p a ) 名称 + f e 2 0 b c )7 天1 4 天丝天 2 月3 月9 月1 年 亮予河5 0 20 2 4 80 3 5 30 4 4 80 9 5 71 3 3 7 2 7 23 6 3 3 刚宗海7 9 3 90 7 81 0 1 7 1 6 32 - 0 72 3 4 74 2 64 6 1 7 西同8 7 1 30 9 3 51 5 2 21 9 73 4 25 0 28 4 8 99 4 1 7 二灰混合料的强度大小与混合料中各种材料的性质、配合比及混合料的密实 度和养生条件等因素有关。在其它条件相同的情况下，粉煤灰的活性和粉煤灰颗 粒细度、含碳量、s 0 3 含量、捧出粉煤灰处理方式等有关，而其中活性氧化物的含 量是其主要的因素。许多国家如美国、巴西等规定s i 0 2 + a 1 2 0 3 + f e 2 0 3 含摄应大于 7 0 ，我国规范也规定要大于7 0 。研究认为，二灰混合料的强度主要利用粉煤灰 中的活性物质，以s i 0 2 为主的酸性氧化物与碱性物质c a ( o h h 发生火山灰反应， 必须有满足火山灰反应的参与物的量的要求。 4 高氧化钙含量对二灰类混合料的强度影响 商c a o 含量对二灰类混合料的强度形成有很好的作用。粉煤灰中如有足够的 游离石灰，在有水的条件下与粉煤灰本身的s i 0 2 与a j 2 q 发生反应，形成胶凝性 化合物，即为粉煤灰的自硬性，当c a o 含量达到一定值时，可不掺石灰而直接用 来稳定土，效果显著。 一般粉煤灰中c a o 含量较低，可通过外加石灰激发其活性，但是粉煤灰同石 灰的反应是比较缓慢的。其初期强度低正是二灰类混合料的缺点，将水泥代替部 分石灰，水泥与水接触后水化生成自己的胶凝性化合物，并释放出一定量的氢氧 化钙与粉煤灰以火山灰方式进行反应，这样为粉煤灰火山灰反应所需要的氢氧化 钙提供了一定数量，能使水化产物逐渐从胶凝状转化为微晶。提高其结晶度，因 此，利用水泥水化作用产生的早期强度可弥补石灰粉煤灰早期强度低的缺点，也 可增加一定的后期强度。 5 含碳量对二狄混合料强度的影响 含碳量是指粉煤灰在8 0 0 9 0 0 c 温度下烧失的量，其主要成分为碳，所以粉 煤狄的含碳量即为烧失量。含碳量的大小对粉煤扶的活性有直接的影响，碳的化 学性质比较稳定，在水化作用中不参与反应，碳含量大，活性的s i o z 、a 1 2 0 3 及 c a o 就相应减少，使混合料的强度降低。碳吸水后在碳粒表面形成憎水薄膜，影 响水分渗透和水化反应进行，从而降低活性。含碳量多还影响混合料的密实度， 导致强度降低。一般含碳量不能大于1 5 。 6 适当的水分是二灰类材料强度形成的必要条件 粉煤灰石灰类混合料是一种缓硬材料，其火山灰反应必须有在水份的条件下 才能进行，正是表明它对养生所需要的湿度条件。当试件逐渐失水干燥至完全失 水干燥后，失去了火山灰反应的基本条件，其强度达到一定程度时也就停止发展。 因此养生湿度要适宜，水分太少会中止火山灰反应的进行，水分太多是很不利的。 2 3 ：灰碎石混合料的力学性能 二灰碎石与水泥混凝土、沥青混凝土一样，它们都可以看作是由基体相( 水 泥砂浆、沥青、二灰) 和分散相( 集料) 组成的二相复合材料。这类材料的强度 是由分散相和基体相各自对强度的贡献，以及它们之间的相互作用效果决定的。 在水泥混凝土中，由于基体相的强度很高。可以使集料以悬浮结构的形式存在。 而对于沥青混凝土和二灰碎石，由于萋体相强度较低，充分发挥集料对混合料整 体强度的贡献显得尤为重要。在二灰碎石中。集料颗粒问的相互摩擦、嵌挤形成 二灰碎石的骨架结构，莅灰粉煤灰则起填充骨架空隙的作用。二灰发生化学反应， 生成水化硅酸钙、铝酸钙等胶凝物质，粘结集料颗粒，形成具有一定强度、整体 性好的二灰碎石。室内试验证明掺入集料以后，对提高二灰的强度有利，特别是 早期强度，并同时使二灰碎石具有比二灰更优良的工程性质1 1 2 , 1 7 - 1 9 l 。 按照采用的集料来看，二灰碎石可以分为两种：一是采用较大粒径、级配差、 空隙率大的单粒级集料配制的二灰碎石；另一种是采用粒径较小、级配较好、空 隙率较小的连续级配集料配制的二灰碎石。第一种观点赞成采用单粒级集料配制 二灰碎石，认为没有必要选用相对要求较高的连续级配集料，这样对集料的要求 低、备料方便、成本低，且这种二灰碎石依然能满足工程要求。第二种观点主张 采用连续级配集料配制二灰碎石，认为与单粒级集料二灰碎石相比，这样的二灰 碎石具有更优良的力学性能和施工性能。虽然成本有所上升，但认为物有所僮。 且由于基层性能的改善，可以谋求降低基层和面层的厚度，在经济上完全可以获 得补偿。 为了研究集料的不同组成结构对二灰碎石混合料的强度影响，本课题采用同 。种二狄( 柑灰与粉煤扶质量比均为l ：3 ) ，往其中分别掺入单粒级和连续级配集 料，见表2 - 2 。在不同掺量下成型直径为1 5c m ，高为1 5c m 的圆柱体试件，作二 灰碎石的无侧限抗压强度试验【5 1 盥1 ，得出在一定的二灰基体强度下，各种二灰碎 石的强度，如表2 3 、2 4 所示。 表2 2 二灰碎石集料缀配组成 通过卜列筛孔( 单位：r a m ) 的质量百分率( ) 碎i i 集料 3 7 53 1 51 9 59 54 7 52 3 61 00 50 0 7 5 单粒级4 0 3 03 8i 60 90 连续级配 1 0 09 07 06 04 53 02 01 00 表2 3 单粒级集料不同配比三灰碎石无侧限强度 集料含量二灰碎石抗压强度( m p a ) 7 d2 s d4 5 d6 0 d o0 5 01 5 0i 9 32 5 8 3 5o 6 01 5 02 1 73 2 l 5 0o 6 51 6 22 t 3 33 艚 6 00 7 41 8 02 5 03 。6 3 6 50 7 52 胍2 7 03 7 3 7 0o 7 71 7 02 4 03 3 0 表2 4 连续级配集料不同配比二灰碎石无侧限抗压强度 集料含量= 灰碎石抗匿强度( 1 v l p a ) 7 d1 4 d4 5 d 00 61 0 72 o o 5 00 8 l1 4 72 - 3 8 6 51 1 01 9 03 0 6 7 51 3 22 2 83 7 0 8 01 3 52 4 03 9 5 8 51 2 02 1 03 5 0 从表2 _ 3 和表2 4 的试验数据可以发现：在一定的二灰基体强度下，随着集料 含量的增加，对二灰碎石的增强作用明显。但达到一定的集料含量后，这种增强 作用会下降，出现一个反弯点。对于单粒级二灰碎石，当集料含量大于6 5 时， 其强度开始变小：而对于连续级配二灰碎石，当集料含量大于8 0 后，其强度呈 下降趋势。另一方面，连续级配集料的增强作用明显高于单粒级集料，这与已有 研究结果吲相一致。 为了更形象地比较分析，利用表2 - 3 和表2 4 的实验数据，绘制成如图2 1 和 图2 2 所示。 03 55 06 0 6 57 0 集料含量( ) 卜7 d 一2 8 d - - r 4 5 d 一6 0 d 图2 1 单粒级集料不同配比= 灰碎石无倒限抗压强度 2 5 善 蓑。 墨z 理1 蘑 限0 05 06 5 7 58 08 5 集料含量( ) 圈2 2 连续级配集料不同配比= 灰碎石无侧限抗压强度 对于躅中强度的变化现象，我们可以理解为：由于集料自身强度和模量远大 于二灰，所以在二灰中引入集料自然会增加材料的整体强度。此时可以将二灰碎 石看作是由二灰和集料组成的一个多相复合材料系统，在集料含量较少时，集料 分散在二灰中，起增强作用，并且随着集料含量的增加，增强作用也明显上升。 但当集料含量上升到一定程度时，此时的二灰碎石系统已经不再是集料分散在二 灰中，而是二灰填充集料堆积后的空隙。在二灰能够完全填充集料空隙并略有剩 余，能将二灰碎石粘结为整体性好的材料时，集料的增强作用依然能充分发挥。 但当集料的含量突破。定的极限后，二灰已经不能将二灰碎石粘结成一个整体性 很好的系统，甚至不能完全填充集料空隙，集料的增强作用就不能充分发挥，就 会导致集料增强效果的降低。 当把二灰碎石混合料看作是一个由二灰和集科构成的多相复合系统时，在这 个系统中。二灰填充集料堆积后的孔隙略有剩余，并将二灰碎石粘结为一个整体， 对整个二灰碎石系统的强度贡献而言，集料起骨架作用，二灰起粘结和填充作用。 4 3 2 l o茁=u趟慧臣蕃限 塑； 1 1 以朋公式( 2 1 ) 来表永二灰碎石的强度： s = f ( x l ，x 2 ，x 3 )( 2 1 ) 式中：s 为二狄碎石的整体强度： x t 为二灰对整体强度的贡献： x 2 为集料对整体强度的贡献： x ，为二灰和集料的相互作用对整体强度的贡献。 式( 2 1 ) 是二灰碎石强度函数式，强度s 函数随着x l ，耽和柏的改善而变化。 当采用同一种二灰时，则在两种二狄碎石中二灰的粘结力相同，对二灰碎石 的强度贡献x 一相等。对于连续级配和单粒级的两种集料而言：第一，连续级配集 料具有较小的空隙率，配制二灰碎石时，可以采用较多的集料，较少的二灰；第 二，连续级配集料具有较大的内摩擦力，大颗粒紧密堆积后，小颗粒在大颗粒的 空隙中紧密堆积，而细颗粒又在小颗粒的空隙中紧密堆积。任何一级集料较少干 涉其它各级集料的紧密堆积捧列，形成一个多级空间骨架结构，集料颗粒间的接 触点增多，具有较大的内摩阻力。对于单粒级集料而言，以上两点都使得连续级 配集料对二灰碎石具有更好的强度贡献，即在式( 2 1 ) 中，连续级配具有更优的勋 值；第三，与单粒级集料相比连续级配集料中存在较多的小颗粒，使得集料的 整体比表面积上升，集料与二灰的粘结面积增加，两者更好地粘结，这样在式( 2 1 ) 中，连续级配集科又具有较优的的值。可见，在二灰碎石中连续级配集料比单粒 级集料具有更好的力学性能。 随着龄期的增长，石灰和粉煤灰