（道路与铁道工程专业论文）水泥稳定碎石混合料路用性能及指标相关性研究.pdf

摘要 摘要 水泥稳定碎石具有强度高、刚度大、整体性强、水稳定性和抗冻性好、抗行车疲劳能 力强以及施工方便等特点，广泛用于我国高等级公路基层或底基层近年来施工现场水泥用 量有增加趋势，造成基层强度过大，导致基层收缩开裂现象相当严重；铺筑面层后，在行车 荷载和环境因素作用下，基层裂缝进一步反射到沥青面层上来形成反射裂缝，进而影响到路 面的使用性能和使用寿命本文对不同水泥剂量下水泥稳定碎石混合料的室内外性能及其指 标相关性进行系统的研究，对混合料设计与力学分析参数取值具有重要意义 根据水泥稳定碎石集料宏观组成和混合料微观结构的特点，分析水泥稳定碎石混合料 强度形成机理和收缩产生机理。选择三种不同集料级配。在不同水泥剂量( 2 5 ) 下， 进行室内无侧限抗压强度试验与劈裂强度试验，分析了水泥剂量、养生条件、级配以及养生 龄期对强度的影响；在此基础上建立了强度艟水泥剂量变化的相关方程，得到了抗压强度预 估模型；分析了抗压强度与劈裂强度之问的相关关系。采用电子应变片测量法对不同混合料 进行干缩和温缩试验，分析了曝露时阀、失水率、级配和水泥剂量对干缩性能的影响，以及 降温时间、温度、级配和水泥剂量对温缩性能的影响；建立了千缩系数、温缩系数随水泥剂 量变化的相关方程。根据室内试验结果，镝筑不同级配不同水泥剂量水泥稳定碎石基层和底 基层试验路，并对试验路进行芯样强度和弯沉检测，计算各结构层模量，建立了现场强度与 模量之间的相关关系。 综合分析室内外性能试验结果，以水泥剂量为中间变量，建立了室内性能指标与现场 强度、模量之间的相关关系。并画出诺谟图，为水泥稳定碎石混合料设计和路面结构力学计 算参数取值提供了依据。 关键词：水泥稳定碎石混合料；无侧限抗压强度；劈裂强度；干燥收缩；温度收缩；试验 路：性能指标 a b s t r a c t c e m e n t - s t a b i l i z e da g g r e g a t em i x t u l i sw i d e l yu s e da sb a s eo rs u b b a s em a t e r i a li nh i g h w a y c o n s t r u c t i o no na c c o u n to f i t sm e r i t sl i k eh i g hs t r e n g t h , b i gr i g i d i t y , g o o dp e r f o r m a n c eo f i n t e g r i t y , w a t e rs t a b i l i t y , f r e e z e - p r o o f , f a t i g u er e s i s t a n c ea n dc o n s t r u c t i o nf a c i l i t ye t c i nr e c e n ty e a r s ，t h e s t r e n g t ho fc e m e n t - s t a b i l i z e da g g r e g a t eb a s eb e c o m es oh i g ht h a ts h r i n k a g ec r a c kh a sb e c o m ea r i o u sp r o b l e m , w h i c hw i l lr e s u l ti nr e f l e c t i n gc r a c ko f a s p h a l ts u r f a c ea n da f f e c tp e r f o r m a n c eo f p a v e m e n ta n dl i f es e r v i i nt h i sp a p e r , t h ep e r f o r m a n c eo fc e m e n ts t a b i l i z e da g g r e g a t em i g t t l r e a n di n d e x e sc o r r e l a t i o na l es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d , b o t hi nl a b o r a t o r ya n d 矗e l dr o a d u n d e r d i f f e r e n tc e m e n tc o n t e n t w h i c hi ss i g n i f i c a n tf o rm i x t u d e s i g na n dm e c h a n i c sa n a l y s i so f p a v e m e m s t r u c t u r e f i r s t l y , b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m a c r o - c o m p o s i t i o na n dm i c f i o n o f c e m e n t 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 t r e n g t ha n ds h r i n k a g ef o r m a t i o nm e c h a n i s m sa r ea r 曲y z e d s e c o n d l y , c h o o s i n gt h r e ed i f f e r e n ta g g r e g a t eg r a d a t i o n s c h a n g i n gc e m e n tc o n t e n tf r o m2 t o5 t h r o u g hu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e i l g t h c o c s ) t e s ta n di n d i r e c tt e n s i l es t r e n g t h ( r r s ) t e s tu n d e rd i f f e r e n tc u r i n gt i m ea n dd i f f e r e n tc u r i n gc o n d i t i o n , f a c t o r st h a ta f f e c ts t r e n g t hm a n a l y z e d b a s e do n 吼d 协o f s t r e n g t ht e s t s t h er e l a t i o n - s h i pb e t w e e ns t r e n g t ha n dc e m e n tc o n t e n t i se s t a b l i s h e d ，u c sp r e d i c t i o nf o r m u l ai sg i v e 鸡a n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nu c sa n di t si s a n a l y z e d t h i r d l y , d r ys h r i n k a g ea n dt e m p e r - 0 a n es h r i n k a g ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tm i x t u r e sa l e t e s t e dt h r o u g hr e s i s t a n c e - s l r a i n - g a u g em e t h o d a c c o r d i n gt ot e s tr e s u l t s f a c t o r st h a ta f f e c td r y s h r i n k a g ea n dt e m p e r a t u r es h r i n k a g ea r ea n 且l y z e d ；t h ec o r r e l a t i v ee q u a t i o nb e t w e e ns h r i n k a g e c o e f f i c l e n ta n dt 3 e m c n tc o n t e n ti se s t a b l i s h e d f o u r t h l y , b a s e do nr e s u l t so fl a b o r a t o r yt c 呶b a s ea n ds u b b a s et r i a lp a v e m e n ts e c t i o n so f d i f f e r e n tm i x t u r es r ec o n s t r u c t e d t h r o u g hi ns i r ei “) r eu c st e s ta n dd e f l e c t i o nd e t e c t i o n s a n d c a l c u l a t ei ns i t ue - m o d u l u s ，r e l a t i o n - s h i pb c t w e e q t li ns i t uu c sa n de - m o d u l u si se s t a b l i s h a tl a s t , c o m p a r e di ns i t up e r f o r m a n c ew i t hl a b o r a t o r yt e s tr e s u l t s ，r e l a t i o n - s h i p so f p e r f o r m a n c e - i n d e x e sb e t w e e ni ns i t ea n dl a b o n i t o r ya r es e tu p , a n dn o m o g r a m sa r eg i v e n , w h i c h c a r tb er e f e r e n c ef o rm i x t u r ed e s i g na n dm e c h a n i c sa n a l y s i so f p a v e m e n ts t r u c t u r e k e yw o r d s ：c e m e n t - s t a b i l i z e da g g r e g a t em i x t u r e ；u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ；i n d i r e c t t e n s i l es t r e n g t h ；d r ys h r i n k a g e ；t e m p e r a t u r es h r i n k a g e ；p e r f o r m a n c ei n d e x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名i 圣冠窑茸 日期：丝! z ：兰! ! 芝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 截至2 0 0 5 年底，我国公路总里程已经达到1 9 3 万公里，高速公路通车里程突破4 0 0 0 0 公里。我国用短短的十多年时间走完了发达国家三，四十年的发展历程。特别是进入2 l 世 纪后，国家实行西部大开发的宏伟战略，西部和中部地区的高等级公路又有了飞速的发展， 再加上乡乡通油路的通达工程的建设，全国公路行业呈现一派蓬勃的景象。与此同时，对公 路建设的要求也向高等级、高标准方向发展，要求车辆能以一定的速度，安全、舒适而经济 地在道路上行驶，对路用性能的要求也越来越高。 随着交通量的增长和汽车载重的增大，对路面的整体强度和平整度提出了更高的要求。 为适应重交通、重载对道路的要求，我国大量采用以无机结合料稳定粒料类为基层、沥青混 凝土为面层的半刚性基层沥青路面。据统计，9 0 以上的高等级公路沥青路面基层及底基层 采用半刚性材料半刚性基层具有较高的强度和承载能力，主要表现在较高的抗压强度和刚 度，并具有一定的抗弯拉强度，且它们都具有随龄期而不断增长的特性，因此半刚性基层沥 青路面通常具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力：同时，半刚性基层材料具有较高的水稳 性和抗冻性，在水的作用以及多次冻融反复作用下面不影响半冈性材料基层的承载能力；此 外，由于半刚性基层刚度较大，上面的沥青面层层底弯拉应力大大减小，从而提高了沥青面 层抵抗行车荷载疲劳破坏的能力。在半刚性基层材料中，多数采用的是水泥稳定类和石灰粉 煤灰稳定类材料，并以水泥稳定级配集料更为普遍，其中又以水泥稳定碎石性能最为良好， 成为很多地区高等级公路首选基层材料。 随着水泥稳定碎石混合料在我国的大量使用，其存在的问题也慢慢显露出来。由于水泥 稳定碎石呈脆性，且对温度、湿度的变化比较敏感，在施工及使用过程中，由于温度或湿度 的变化容易产生收缩开裂。调查表明1 1 】，无论南方还是北方，通车后一年最迟第二年均出现 大量裂缝。沈大高速公路沈鞍段1 9 8 6 年竣工，1 9 8 7 年3 月在一段8 5 4 m 长的路面上出现裂 缝1 0 条：沪嘉高速公路1 9 8 8 年底竣工，1 9 9 0 年2 月即发现裂缝，至1 9 9 4 年1 6 k i n 长道路 路段上发现裂缝1 2 6 7 条；广佛高速公路1 9 8 9 年7 月竣工，1 9 9 0 年2 月全线1 5 k i n 共发现裂 缝3 1 8 0 条。近年来施工现场为了能满足施工技术规范7 天取出完整芯样的要求，往往通过 增加水泥剂量来提高水泥稳定碎石基层的强度，造成基层强度过大，导致基层收缩开裂现象 相当严重。某公路施工完一到两个星期后，最严重的一公里约出现2 9 条横向的明显贯穿裂 缝，从钻取芯样测得8 天抗压强度为8 7 m p a ，2 7 天抗压强度为1 2 5 m p a ，开裂处最高达 1 7 s m p a t ) 。初期形成的收缩裂缝对行车影响并不大，但随着路表水的下渗，在行车荷载反 复作用以及环境温度、湿度综合作用下，裂缝进一步扩大，并反射到沥青面层上来，形成反 射裂缝，并逐步发展成横向裂缝、纵向裂缝乃至局部的网裂，导致路面使用性能下降，并最 终产生结构性破坏。这已成为我国高等级公路早期损害的重要原因之一因此，深入分析水 泥稳定碎石混合料的路用性能，对于减少收缩裂缝产生和延长路面使用寿命具有重要的现实 意义。 1 2 国内外研究现状 最早水泥稳定材料基层是1 9 3 5 年在美国的j o h n s o n v i l l e ( s o u t h c a r o l i n a ) 修建的。1 9 3 7 年，美国加利福尼亚州铺筑了3 2 k i n 的水泥稳定土基层，随后被广泛应用到公路和机场跑道 建设中。我国对半刚性基层材料的应用和研究，始于上世纪7 0 年代援外的公路工程中。在 东南大学硕士学位论文 赞比亚、苏丹、卢旺达等国的援建工程中，不同程度地采用了水泥稳定材料作为路面基层 随后水泥稳定类材料开始应用于我国的道路建设【3 】o 通过几十年的发展，各国根据本国实践 经验，对水泥稳定碎石应用于基层或底基层的强度提出不同的要求：而对影响水泥稳定碎石 混合料收缩性能的因素也进行深入的研究，得到大量的成果。 1 2 1 水泥稳定碎石强度要求 我国规范1 4 要求高等级公路水泥稳定碎石基层7 天无侧限抗压强度达到3 s m p a ，且其 值为9 5 保证率下计算得到的代表值，若偏差系数按1 5 计算，平均值可达4 t m p a ，这 远大于行驶在道路上车辆的轮压( o 8 m p a 左右) ，进一步考虑轮压随深度逐渐减小，实际基 层所承受到的应力更小，即使考虑到车辆的动荷载作用，基层受到的由车辆荷载引起的压应 力也比较小，因此设计要求与实际情况不符。同时，在进行沥青路面设计时，水泥稳定碎石 层一般采用1 5 0 0 m p a 左右的模量进行计算，而利用f w d 弯沉盆反算得到的5 水泥稳定碎 石层的模量一般都在7 0 0 0 m p a 以上i ，j 可以看出我国对水泥稳定碎石层设计时的强度与实 际强度并不相符，实际强度偏高导致基层的温缩和干缩现象严重，从而使沥青路面反射裂缝 成为我国沥青路面的主要病害之一；另一方面，过高的基层模量会使较薄的沥青面层承受较 大的剪切应力，从而容易形成剪切型的车辙破坏。从抗拉角度考虑，随着抗压强度的提高， 水稳基层的抗拉强度也有一定的提高在水稳基层没开裂的情况下，抗拉强度越高，其抗裂 性能越好。但当裂缝产生后，较高的抗拉强度将使基层受到较大的拉力而导致裂缝宽度增大。 从而更容易产生反射裂缝。 波特兰水泥协会研究认为1 6 j ，为了得到足够的承载能力，较好的耐久性和干温缩性能， 一般水稳基层7 天无侧限抗压强度应控制在2 1 2 8 m p a ( 3 0 0 4 0 0 p s i ) ；对细集料7 天无 侧限强度应不超过2 i m p a ( 3 0 0 p s i ) ，对粗集料应不超过3 i m p a ( 4 5 0 p s i ) ；而干缩应变对 细集料和粗集料分别应控制在5 2 5 t t e 和3 1 0 p 以内。对裂缝的处理上，视裂缝宽度的大小而 定，当裂缝宽度小于3 m m ( 1 8 i n ) 时，裂缝两侧具有足够的嵌挤力且水分很难进入，铺筑 沥青面层( 特别是面层较厚时) 后裂缝本身对路面结构和路用性能并没有什么影响：当裂缝 宽度大于6 m m ( 1 4 i n ) 时，需要对裂缝进行处治，否则在车辆反复作用下容易产生反射裂 缝，进而破坏路面结构。 在南非l h i ，水稳碎石一般用于道路的底基层，并且强度规定有最大值与最小值。对常 用的水稳类型7 d 无侧限抗压强度规定为1 1 2 1 m p a 之间，属于c 3 类；而对应于我国的水 稳基层相当于c 2 类，强度介于2 1 4 i m p a 。 在美国田纳西州1 9 1 。规范规定水泥稳定土的7 天强度要求达到3 5 m p a ( 5 0 0 p s i ) 。为达 到强度要求，对材质比较差的集料，水泥剂量要用到6 8 ，而这样高的水泥用量往往 导致在施工完后的几个月内就产生大量的裂缝。因此很多地区并没用采用该规定值，为减少 裂缝而将强度降到1 a m p a ( 2 0 0 p s i ) 2 i m p a ( 3 0 0 p s i ) 。同时，对强度为3 5 m p a ( 5 0 0 p s i ) 的路段进行调查，发现最终强度超过1 0 5 m p a ( 1 5 0 0 p s i ) 。水稳层强度高刚度大，同时也增 加了水稳层的脆性，更容易产生脆性破坏而使裂缝反射到路面上来。因此。新的设计规范正 考虑将强度与耐久性同时做要求来进行基层的设计，而不是只有强度一个指标。室内试验研 究表明，2 5 m p a ( 3 5 0 p s i ) 就可以满足强度要求并具有较好的耐久性，其结果还有待实际工 程检验。 在欧洲【1 0 】，水泥稳定碎石基层自上世纪5 0 年代起就有应用。近年来道路工作者又对其 产生兴趣，原因在于随着交通量的增加，柔性路面产生大量的车辙要求改善基层的刚度；部 分还在使用的半刚性基层沥青路面显示较好经济性，说明只要合理设计，把握定的施工原 则。半刚性基层还有发展前景：半刚性基层相对应沥青污染较小，且便于就地取材。符合基 层设施建设的可持续发展。欧洲各国对水稳基层混合料的7 天强度偏向于两种观点；采用高 2 第一章绪论 强度的贫混凝土，强度达到6 1 0 m p a ，如比利时，德国，西班牙，英国等；采用强度较低 的水泥处治碎石，强度为2 4 m p a ，如奥地利，瑞士，捷克等。而采用高强度的水稳基层， 其一般在施工完后对基层进行切缝处理，以减少收缩裂缝的产生。如德国1 9 8 6 年设计规范 规定，当沥青罩面的厚度小于或等于1 4 c m 时，不管基层厚度多大，只要基层抗压强度超过 1 2 m p a ，基层必须预先切纵缝和横缝 1 2 2 收缩性能研究现状 一般认为水泥稳定碎石的收缩主要由干燥收缩和温度收缩两方面引起的。因此。国内外 对收缩的研究也主要体现在这两方面，并做了大量的研究工作，得到很多有意义的结论。同 时，国外通常都认为柔性基层沥青路面的温缩裂缝都是沥青面层本身的温缩裂缝，而半刚性 基层沥青路面的非荷载型裂缝，往往都看作是反射裂缝，且这种反射裂缝是半刚性基层材料 的干缩裂缝引起的。因此，国外仅做了不少有关水泥稳定土的干缩特性试验【l “。 美国乔治( g e o r g e ) 试验研究认为，水泥水化作用使混合料水分减少而产生的收缩约占 总收缩的1 7 ，并得到以下结论：水泥土的收缩率先随水泥含量的增加而减小，并达到一 个最小值，而后随水泥含量的增加而略有增加，存在一个收缩率最小的水泥用量；粘性土收 缩主要是土样中细粒部分起作用，但磁性土中，已水解的水泥胶浆体的收缩是水泥土收缩的 主要原因；总收缩率基本上是粘土成分的数量和种类的函数；水泥稳定高岭土的收缩速率较 水泥稳定蒙脱土大；收缩率可用改进压实的方法使其减小；长时问养护可增加砂质粘土的总 收缩率，但对粘性土质则相反；收缩是水泥土内水分的损失所引起，在收缩和蒸发损失之间 存在着相互关系i j q 【i ”。 澳大利亚的i l e 洛林斯对水泥稳定粒料土的干缩性能进行了研究并得到相关结论：小 于0 4 2 5 m m 的颗粒含量、塑性指数越大，其粒料土用水泥处治之后的干缩应变也越大；试 件含水量越大，其干缩应变也越大；对于塑性较大的粒料土，水泥剂量对于干缩应变的影响 较大，可能存在一个干缩应变最小的最佳水泥剂量l j q i l ”。 国内对半刚性基层材料的收缩也做了大量的研究，根据“七五”攻关等许多研究结果， 对于稳定类( 中粒土和粗粒土) ，三类半刚性材料的收缩性大小次序为：石灰稳定类 石灰粉 煤灰稳定类 水泥稳定类。 张洪华对水泥稳定细、中、粗粒土的温缩性进行了系统的研究，得出的结论为：水泥稳 定粒料土的温缩系数明显小于稳定细粒土的温缩系数i 影响水泥稳定粒料土温缩系数的主要 因素有粒料土中粒料或土的含量；水泥剂量对于水泥稳定粒料土的温缩性能影响明显：在水 泥砂砾、石灰土砂砾、密实式石灰粉煤灰粒料和悬浮式石灰粉煤灰粒料四种半刚性基层材料 中，水泥砂砾的温缩性最小1 1 4 1 。 张登良教授等对几种半刚性基层材料分别在饱水状态、最佳含水量状态、半风干状态 ( 1 2 最佳含水量) 、风干状态( i 5 最佳含水量) 和烘干状态五种不同状态下做了电测法的 温缩试验。在试验过程中不同含水量试件都受到封闭，保持含水量不变的条件下。试验结果 得到以下结论：水泥稳定材料基层中掺加集料，可以明显降低混合料的温缩性：水泥稳定粒 料类的温缩性小于石灰粉煤灰稳定粒料的温缩性，也小于石灰稳定类的温缩性；有一相应于 最小温缩系数的最佳水泥用量【l l j 【l ”l 杨文丁将半刚性基层混合料级配组成分成均匀密实、悬浮密实、骨架密实和骨架孔隙四 类，并对其干缩和温缩性能进行试验。对水泥稳定碎石混合料( 水泥剂量4 1 0 ) 得到 结论为：均匀密实混合料的收缩应变和收缩系数远大于其它三种类型混合料；不同类型混合 料的平均收缩系数大小顺序为：悬浮密实混合料 骨架密实混合料 骨架孔隙混合料相同 类型混合料平均收缩系数随水泥剂量增加而增加i l m 3 东南大学礤士学位论文 1 3 研究的目的与意义 由上所述可知，水泥稳定碎石基层强度要求各国差别较大。而我国基层强度采用代表值， 其实际强度相对较高，同时现场施工水泥剂量控制不严，强度进一步提高，导致施工后出现 大量的收缩裂缝。而实际对裂缝的处理措旅上，包括在混合料中添加膨胀剂，对裂缝采用土 工布或玻纤格栅处理，基层预锯缝或者让基层先开裂后铺面层，加铺防裂夹层以及增加沥 青面层的厚度等，这些措施有的在施工上难以控制，或者防裂效果不明显，或者经济上不合 算。因此，从水泥稳定碎石基层本身材料组成设计、旌工及养护措施入手最为切实可行。 本文从降低水泥稳定碎石基层强度的角度出发，研究较低水泥剂量下水泥稳定碎石混合 料的强度发展规律，收缩情况，并通过铺筑现场试验路以及检测分析，全面了解不周水泥剂 量下水泥稳定碎石混合料的性能指标对确定合理的水泥稳定碎石基层强度具有重要意义。 1 4 研究主要内容 本文以水泥稳定碎石混合料室内试验为基础，结合淮盐高速公路2 l 标试验段的施工与 检测，分析水泥稳定碎石混合料的性能指标及其相关性，主要研究内容如下： 1 ) 水泥稳定碎石混合料基础理论分析 查阅相关文献，掌握水泥稳定碎石基础理论知识，从宏观结构、微观组成及其相互作用 三方面分析混合辩强度形成机理；从胶体化学理论和晶体热胀缩性原理出发，分析混合料收 缩机理。 2 ) 水泥稳定碎石室内强度试验研究 选择多种集料级配，在不同水泥剂量( 2 5 ) 下。进行混合料室内无侧限抗压强度 和劈裂强度试验分析水泥剂量、养生条件、级配以及养生龄期对强度的影响 在试验结果 基础上建立抗压强度预估模型，分析劈裂强度与抗压强度之间的相关关系。 3 )水泥稳定碎石混合料收缩性能研究 分析电阻应变片测量混合科收缩的试验原理与方法：对不同级配不同水泥剂量混合料进 行干缩试验和温缩试验，分析曝露时间、失水率、水泥剂量和级配对干温应变或干缩系数的 影响，以及降温时间、温度、水泥剂量和级配对温缩应变或温缩系数的影响。 4 试验路施工与检测 铺筑不同级配不同水泥剂量水泥稳定碎石基层、底基层试验路；在不同养生龄期进行钻 芯取样检测现场强度，结合室内强度试验结果。分析室内外强度差别；在不同养生龄期进行 f w d 弯沉检测，分析级配和水泥剂量对路面弯沉的影响。 5 ) 水泥稳定碎石性能指标相关性研究 根据弯沉盆计算结构层模量，并结合现场强度检测结果，建立现场强度与模量之间的相 关关系；综合分析室内，室外性能试验结果，建立室内强度与现场强度、模量之间的相关关 系，室内收缩系数与现场强度、模量之间的相关关系。 4 第二章水泥稳定碎石混合料强度与收缩机理分析 第二章水泥稳定碎石混合料强度与收缩机理分析 水泥稳定碎石混合料广泛用于我国高速公路的基层或底基层，是半刚性基层材料的主 要形式之一。从路面结构力学分析可知，水泥稳定碎石基层是路面的主要承重层，承受着面 层传来的车辆荷载，并将荷载扩散到下面的结构层中去：同时要承受周围环境温度或湿度变 化所带来的影响。因此，足够的强度和刚度，以及良好的抵抗环境温度、湿度变化能力，是 水泥稳定碎石基层具有良好路用性能的关键。 水泥稳定碎石混合料的路用性能与其内部组成结构机制密切相关。混合料由固相( 集 料、结合料) 、液相( 以各种形式存在的水分) 和气相三楣组成，共同构成一个由多种固体 结构元、孔结构和水分等组成的非均质体系l l ”。混合料中的结构元、孔结构和水分随混合 料龄期的增长，不断发生物理、化学变化，生成的化合物使得混合料宏观力学及其他性能产 生变化，如混合料整体强度增长、抗收缩能力增强等l l ”。本章从水泥碎石混合料的宏观结 构组成、微观化学变化及微观结构进行分析，了解混合料强度形成及收缩产生机理，为理解 水泥稳定碎石混合料路用性能提供理论基础 2 1 强度形成机理 水泥稳定碎石混合料强度的形成，主要从三个方面进行分析：第一，组成混合料中的粗、 细集料排列形式及其相互作用，即混合料的宏观构造形式；第二，混合料中水泥组分水化过 程中产生的物理、化学变化，生成各种晶体或非晶体胶结物及其分布形式：第三，前两者之 间的相互作用结果。 2 1 1 宏观结构组成 水泥稳定碎石混合料的路用性能与它的宏观结构特点有着密切的关系。混合料的宏观结 构是指混合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，混 合料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。混合 料受力变形特性是各结构特性组成因素的综合反映，即混合料力学特性与结构特性成对应关 系。当组成水泥稳定碎石混合料结构特点的各因素发生变化时，混合料的力学特性也会发生 变化。根据组成材料中粗、细集料( 粗、细集料以4 7 5 m m 或2 3 6 m m 筛孔尺寸为划分界限) 的不同排列方式，可以将水泥稳定碎石混合料的宏观组成结构分为：悬浮密实、骨架密实和 骨架孔隙1 1 9 l 。 ( 1 ) 悬浮密实 这种结构形式的水泥稳定碎石混合料，根据最大密实度理论进行设计，采用连续级配 的形式。混合料中矿料集料粒径从大到小组合排列，粗骨料含量较少，而细集料较多，较大 的颗粒为较小一档颗粒所隔开，粗集料之间无法形成骨架嵌挤结构，而犹如“悬浮”在细集 料之中，同时这种结构形式能形成孔隙率小、密实度大的混合料，因此称为悬浮密实结构。 由于粗集料之问无法很好地发挥骨架作用，混合料强度主要以集料与水泥的粘结作用为主、 以集料颗粒之间的嵌挤力和内摩擦阻力为辅构成。我国基层施工规范级配采用“松捧骨架， 紧密填充”原则进行设计，是悬浮密实结构的典型代表 c 2 ) 骨架密实 骨架密实结构是在悬浮密实结构基础上优化的结果，采用嵌挤密实的原则来进行设计。 这种结构中，粗集料含量增加，形成骨架嵌挤结构，细集科主要用来填充骨架结构中的孔隙。 因此，最大程度的发挥粗集料的骨架嵌挤作用和细集料的填充粘结作用。在理论上，采用这 东南大学硕士学位论文 种结构形式的水泥稳定碎石混合料较悬浮密实结构的混合料具有优异的性能。 ( 3 ) 骨架孔隙 这种结构水泥稳定碎石混合料采用连续开级配进行设计。相比于骨架密实结构，该结 构粗骨料含量也较多，但细集料含量则过少，不足于填充粗骨料所形成的孔隙在混合料内 部存在大量的残余连通孔隙。混合料的强度更主要来自于粗集料之问的摩擦阻力作用，粘结 力作用相对较弱。由于大量孔隙的存在，混合料具备良好的渗水性能，因此，这种结构形式 的水泥稳定碎石混合料主要用于排水性基层。 豳蕊隅 悬浮密实骨架密实骨架孔隙 图2 1 三种结构形式示意图 以上主要从组成结构上将水泥稳定碎石混合料分为三种形式，而实际生产施工中，一 般都采用规范规定的级配范围取中值，即悬浮密实型级配，对骨架密实和骨架孔隙两种结构 形式的级配，不同的研究者根据自己的研究结果差异较大。表2 1 给出了不同结构形式的级 配组成情况。 表2 1 混合料各结构形式级配组成情况 通过下列筛孔( m m ) 的重量百分率( ) 级配类型 备注 3 1 52 6 51 99 5 4 7 5 2 3 6o 60 0 7 5 悬浮密实 1 0 09 0 1 0 07 2 8 94 7 6 72 9 4 91 7 3 58 2 2o 7 规范 1 0 05 64 53 9 3 5 ( l o 初凝时间 5 h 2 0 m i n 不早于1 5 h 终凝时间7 h 2 0 n f i n不迟于l o h 抗折 4 1 2 5 3 d 强度( m p a ) 抗压2 2 5 1 2 抗折 7 8 5 5 2 8 d 强度( m e a ) 抗压3 8 9 3 2 5 3 1 2 集料性质 集料由1 # 、2 # 、3 # 和4 # 组成。按规范检验集料的压碎值；对于粒径小于0 6 r a m 的颗粒，检验其液限和塑性指数。集料的各项性能指标如表3 2 各号料的筛分结果如表3 3 表3 2 集料技术指标值 试验项目试验结果技术要求f 4 】 压碎值c 呦 2 2 81 2 8 l # 2 7 5 1 2 #2 7 7 7 视密度( g 佃，) 2 2 5 0 0 3 #2 7 2 7 4 # 2 6 8 9 液限( ) 2 3 8 2 8 塑性指数 6 6呜 1 4 东南大学硕士学位论文 表3 3 集料筛分结果 二掣：! = ： 3 1 52 6 51 99 54 7 52 3 60 6 0 0 7 5 集料类型 l #1 0 0 8 1 2 3 8 0o 90 2 #l o o3 3 5 o 2o 3 # 1 0 0s 1 82 9n 20 4 #1 0 09 5 34 9 5 9 1 3 1 3 集料级配 集料级配是影响混合料性质的重要因素。本次试验选取了三种级配，分别为：规范级 配范围中值( 以下记为“中，或2 ，) ，规范级配范围偏粗级配i q ( 记为“粗，或“c 一) ，以及由击 实试验确定的骨架级配( 记为“骨”或“g ”) 。三种级配集料配合比例如表3 4 ，设计级配与实 际合成级配如表3 5 。图3 1 为级配曲线图。 表3 4 集料配合比例 、集科类型 i #2 #3 # 4 # 5 # 级配类型、 中值级配 2 82 71 72 8 粗级配 4 02 61 91 5 骨架级配 1 91 21 75 2 注：5 # 粒径为1 9 m m 3 1 5 m m ，由1 # 缔分得到。 表3 5 设计级配与合成级配 、墅垫尺( r a m ) 3 1 52 6 51 99 54 2 3 6o 60 0 7 5 级配类型、 中值级配1 0 0 09 50 8 0 55 7 03 9 o2 6 o1 5 03 5 台成级配( 中)1 0 0 09 4 78 2 6 5 43 4 2 02 7 21 3 9 2 5 粗级配 1 0 0 o9 0 07 3 04 5 0 2 9 01 7 o8 01 5 合成级配 垂- -新 _ 一+ 粗。 孽 二 一车 戮i 2 3 64 7 59 51 92 6 53 1 5 筛孔( r a m ) 图3 集料级配曲线 荨的阳矗；善毛寻加o 第三章水泥稳定碎石混合料室内强度试验研究 3 1 4 骨架级配确定方法 对骨架级配并没有比较成熟的理论，不同的研究者由于假设的模型或试验方法的不同， 得出的级配差别较大。骨架级配由主骨料和细集料( 2 3 6 m m ) 两部分组成。本研究根据改 装的击实试验，通过逐级增加填充小集料来确定主骨料的组成，而细集料则根据工程实践经 验给定。 确定级配主骨料诽】。在大集料为小集料填充的过程中，首先小集料作为填料填补在大 集料的空隙中，密实度增大，孔隙率减小，随着填充数量的增加，孔隙率达到最小，填充数 量继续增加时，小集料除了用于填充空隙外，还有部分剩余，这部分多余的较小集料将把大 集料挤开，而使整体空隙增加，密实度减小，孔隙率增大。因此，较小集料填充大集料存在 一个最佳填充数量。据此，将大于2 3 6 m m 的集料分为四级：d o 为1 9 3 1 5 m m ，d 为9 5 1 9 r a m ，1 3 2 为4 7 5 9 5 n u n ，d 3 为2 3 6 4 7 5 m m ：从大到小逐级填充。每次填充后放入击。 实筒进行击实，测定击实后的高度，从而计算集料击实密度p i ，孔隙率根据公式计算： 刀：1 0 0 且 ( 式3 1 ) 服 其中，pi 为集料表观密度，从而确定每一级的最佳填充数量。 试验发现，直接用击实仪击实易将集料击碎而改变原有的级配组成，为此将击实设备 进行一定的改装。将重型击实落锤高度调为轻型击实的高度( 4 5 c m 改为3 0 c m ) ；为保持击 实后集料上表面平整，集料装入击实筒后，在其上放一平整的垫块；同时，为防止击实时冲 击力太大而击碎集料，在垫块上面放一橡胶垫。如图3 2 所示。 围3 2 击实设备改装 填充详细步骤如下： 取d o 集料质量2 0 0 0 9 ，用d 1 集料进行填充击实，填充数量为d o 质量的百分数，如表3 6 所示。确定晟佳填充数量为3 0 0 9 。 表3 6 一级填充试验 集辩总量击实后高度体积 密度 掺量( )孔隙率( ) ( g ) ( ) ( c l 一) ( g c m j ) 0 2 0 0 0 6 6 6 5 1 2 0 9 4 2 01 6 5 43 9 9 1 02 2 0 07 1 4 01 2 9 5 6 1 31 6 9 8 3 8 3 1 5 2 3 0 07 4 5 01 3 5 1 8 酗1 7 0 13 8 2 2 02 4 0 07 9 0 51 4 3 4 4 2 9 1 6 7 339 2 3 02 6 0 08 6 2 01 5 6 4 1 7 1 1 6 6 23 9 6 取d o 集料2 0 0 0 9 ，d l 集料3 0 0 9 ，用d 2 集料进行填充击实，确定最佳填充数量为5 0 0 9 ， 如表3 7 所示 1 6 东南大学硕士学位论文 表3 7 二级填充试验 集料总量击实后高度体积密度 掺量( ) 孔缀率( ) ( g ) ( m l t l )( c m ) ( g c m 3 ) 02 3 0 07 4 5 01 3 5 1 8 6 51 7 0 l3 82 i o2 5 0 07 9 1 51 4 3 6 2 4 3l 。7 4 13 6 7 1 52 6 0 08 1 9 01 4 8 6 1 4 41 7 4 9 3 6 4 2 0 2 7 8 3 0 51 5 0 7 0 1 21 7 9 23 4 9 2 52 8 0 0 8 4 5 51 5 3 4 2 3 lj 8 2 53 3 7 3 02 9 0 09 0 2 0 1 6 3 6 7 5 5 1 7 7 2 3 5 6 3 53 0 0 09 2 9 01 6 8 5 7 4 bi ，7 8 03 5 3 同理，确定d 3 最佳填充数量为4 0 0 9 ，如表3 8 所示。 表3 8 三级填充试验 集料总量击实后高度体积密度 掺量( )孔隙率( ) ( g ) ( m m )( c r a 3 ) ( g h 一) 02 8 0 08 4 5 51 5 3 4 2 3 l1 8 2 53 3 ，7 1 03 0 0 09 0 5 01 6 4 2 1 9 81 8 2 73 3 6 1 53 l o o9 3 1 5 1 6 9 0 2 8 5 1 8 3 43 33 2 03 2 争2 1 01 6 7 1 2 3 2l9 1 53 0 。4 2 53 3 0 09 7 8 01 7 7 4 6 6 3i 8 6 03 2 4 3 0 3 4 0 09 9 0 01 7 9 6 4 3 8 1 8 9 33 1 2 4 03 6 0 01 0 4 1 51 8 8 9 8 8 9i 9 0 5 3 0 8 5 03 8 0 0 l l0 42 0 0 3 3 0 1 1 8 9 7 3 l0 三级填充试验中，随d 3 填充数量的增加，后期空隙率变化不稳定，这主要因为：刚开 始d 3 集料只作填充料，空隙减小，密度增加，填充到一定量( 2 0 ) 后，空隙达最小，继 续增加d 3 集料，将把大集料分开，而多余的填料分布于大集料的周围，级配将由骨架结构 向悬浮密实发展，故空隙率仍会减小。为得到骨架级配，取填科数量为2 0 。 根据以上的试验结果，得到各级填充主骨料的比例关系如表3 9 。各级填充密度与填充 比例关系曲线如图3 3 所示。 袭3 9 各级填充主骨料比例关系 筛孔( n u n ) 1 9 3 1 5 9 5 1 9 4 7 5 9 ，5 4 7 5 2 3 6 填充类型 一级填充8 7 o 1 3 o 二级填充7 i 4l o 71 7 9 三级填充 6 2 59 41 5 61 2 5 骨架级配中的细集料( 乜3 6 r a m ) 根据实践经验，考虑施工的难易并防止离析，定为总 质量的1 5 。按照粗、细集料比例关系，计算锝到的骨架级配如表3 1 0 表3 1 0 骨架级配组成 l 筛孔( m )3 1 51 9 9 54 ，7 5 2 3 60 60 0 7 5 通过率( ) 1 0 0 o4 6 93 8 02 5 61 5 0z 5 i 5 1 7 第三章水泥稳定碎石混合科室内强度试验研究 一a ：广 三妻；三三蓁薹蓁；1 05 1 01 5 2 02 5 3 03 54 04 55 05 5 填充比例( ) 图3 3 各级填充密度与填充比例关系 3 2 混合料击实试验 根据无机结合料稳定材料试验规程【3 2 1 ，击实试验采用丙法：分三层进行重锤击实，每 层击实9 8 次，烘干计算混合料的实际含水量与干密度，由此绘制击实曲线，根据曲线来确 定最大干密度( p d ) 和最佳含水量( o ) 。2 1 种不同混合料击实试验得到最大干密度与最佳 含水量见表3 1 1 。由表可知，随着水