（道路与铁道工程专业论文）骨架密实型二灰集料配合比设计及路用性能研究.pdf

摘要 v 1 色9 4 2 随着我国公路交通的迅速发展，二灰碎石混合料以其优良的路用性能得到较 为广泛的应用。公路沥青路面设计规范中推荐的二灰稳定碎石基层的集料级配 偏细，导致其抗冲刷性能和抗裂性能较差。 如何克服以二灰稳定粒料材料作为基层材料的不足。从而提高公路的使用性 能成为道路工程界长期以来普遍关注的课题本研究选择不同二灰含量，不同集料 级配类型组成四种不同配合比的混合料，通过室内无侧限抗压强度、劈裂强度、抗 压回弹模量及干、温缩试验，系统分析了结合料剂量、集料级配类型和养生龄期等 因素对二灰稳定粒料强度特性及收缩性能的影响，获得了强度特性，在此基础上提 出了满足基层强度和收缩性能两方面要求的二灰稳定粒料材料组成与推荐级配。 为了改善二灰碎卵石基层的路用性能，本课题采用了设计级配和规范级配两 种级配类型。 在单因素试验的基础上，运用室内试验方法确定了影响二灰碎卵石强度指标 的主要因素，提出了最优试验方案，并将各因素对试验指标影响的显著性进行了 分析。在配合比设计的基础上，研究了骨架密实型二灰碎卵石的力学性能、水稳 性能、抗收缩性能，并对其路用性能进行了综合评价，为该材料的优化设计和科 学施工提供了有用的依据。采用设计级配，将具有很好的经济效益和社会效益。 关键词：二灰碎石；碎卵石；骨架密实；配合比；级配；路用性能；回归分析； 影响因素 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a y t r a n s p o r t a t i o ni no u rc o u n t r y , 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 e sm i x t u r e sh a v eb e e na p p l i e dw i d e l yf o ri t se x c e l l e n tp a v e m e n t p e r f o r m a n c e t h ea g g r e g a t e sg r a d a t i o no fl i m e - f l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t e sw h i c hi s r e c o m m e n d e db yd e s i g ns p e c i f i c a t i o no fh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n ti sf i n e r , s ot h a t t h e a n t i - b r u s h i n gp e r f o r m a n c ea n dt h ea n t i - c r a c kp e r f o r m a n c eo fl 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 e sa r ew o r s e h o wt oc o m p e n s a t et h el a c k i n go fl i m e f l ya s hs t a b i l i z a t i o na g g r e g a t e sa sb a s e c o u r s em a t e r i a la n dh o wt oi m p r o v et h eu s e f u lc a p a b i l i t yo fh i g h w a yw e r em o r ea n d m o r ec o n c e n t r a t e d a c c o r d i n gt oc h o o s e4m i x t u r e sw h i c ha l ec o m p o s e do fd i f f e r e n t l i m e - f l ya s hc o n t e n ta n dd i f f e r e n ta g g r e g a t eg r a d a t i o n ，r e g u l a t i o n so fm e c h a n i c s c a p a b i l i t ya n ds h r i n k a g ec a p a b i l i t yc a l lb ef o u n db ys e r i e so fe x p e r i m e n t sa n da n a l y s e s a b o u ts e v e r a lf a c t o r ss u c ha sb i n d e rc o n t e n t ，g r a d e ds t y l ea n dc u r i n gt i m e m e a n w h i l e b a s e do nt h e s er e g u l a t i o n s ，t h e g r a d a t i o na n dc o m p o s i t i o no ft h el i m e f l ya s h s t a b i l i z a t i o na g g r e g a t ew h i c ha r es a t i s f i e dt h er e q u i r e so fb a s ec o u r s e ss t r e n g t ha n d s h r i n k a g ec a p a b i l i t yc a nb ep r o p o s e d i no r d e rt oi m p r o v et h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eo f l i m e n ya s hs t a b i l i z e db r o k e n p e b b l e ，t h ep a p e ra d o p t e dt h ed e s i g ng r a d i n g ，s p e c i f i c a t i o ng r a d i n g o nt h eb a s i so fs i n g l ef a c t o rt e s t ，t h ei n t e r i o re x p e r i m e n t a ls t u d yi sp r e s e n t e do n t h es u i t e dc o m p o s i n go fl i m e f l ya s hb r o k e np e b b l e t h eb e s te x p e r i m e n t a lp r o j e c ti s s e l e c t e di nt h ee x p e r i m e n t s i m u l t a n e o u s l y , t h ed i s t i n c te f f e c to fe v e r yf a c t o ri ss t u d i e d i nt h ep a p e r i nt h i st e x t b a s e do nt h el i m e - f l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t e sm i x t u r ed e s i g n , t h ep a v e m e n tb e h a v i o ra n dp e r f o r m a n c eo fd e s i g n e dm i x t u r ei s s t u d i e d ：i n c l u d i n g m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，s t a b l e n e s s u s i n gd e s i g ng r a d a t i n gw i l lb r i n gt h eg r e a ts o c i a l a n de c o n o m i cb e n e f i tf o r t h k e y w o r d s ：l i m e f l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t e s ；b r o k e np e b b l e ；s k e l e t o n d e n s i t y ； m i xr a t i o ：g r a d a t i o n ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ；r e g r e s s i o na n a l y s i s ；a f f e c tf a c t o r s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 孙弹 日期：2 0 o 年6 月1 日 重庆交通大学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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：别、详 e t 期：州d 年6 月日 指导教师签名：孑针传毛 日期：加年占月，y e t 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：初j 淳 日期：沙o 年6 月7 日 指导教师签名：椒 日期：粕年占月t y r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究的意义 近年来，随着国民经济的飞速发展，交通运输量日益增多，行车荷载随之加 大。为适应公路交通流量大和重型车辆多的特点，以无机结合料稳定粒料( 土) 类 为基层，沥青混凝土为面层的半刚性基层沥青路面被大量应用于各等级公路。半 刚性基层沥青路面几十年来一直是我国主要的结构类型。二灰稳定碎石是常用的 基层材料，用做基层的碎石材料要求要有一定的强度，稳定性能好，才能适应大 交通量的方向发展。所消耗的大量的碎石需经过开采、加工、运输等过程，所以 大都造价昂贵，同时还会对周围环境造成一定的影响。总之，基层材料的选择应 根据经济适用的原则，就地取材，择优取材，从料源、施工技术、经济等方面综 合考虑，因地制宜的确定不同地区的基层结构形式。本课题本着就地取材的原则， 充分利用内江当地的碎卵石，把卵石经过破碎之后，应用到基层的铺筑中，这样， 可以节省开采碎石所产生的费用，破碎卵石作为铺筑基层的主要原材料，在基层 原材料中所占的比例较大，这部分成本降低，整个工程造价也随之降低，这就解 决了农村公路资金紧张的问题。 在我国常用的半刚性基层主要有：水泥稳定粒料类、石灰稳定粒料类和石灰粉 煤灰稳定粒料类。这些基层具有强度高、耐久性好、造价低等许多优点，因而它 的出现受到工程界的普遍欢迎。二灰碎石基层由于其具有较高的后期强度、板体 性能，比其它混合料具有更好的抗裂性能和抗冻性能，在高等级公路的修筑中得 到了越来越普遍的使用。尽管如此，也并非所有采用二灰碎石基层修筑的路面都 获得了预期的效果。有资料表明我国已修筑的高速公路9 0 使用了水泥稳定碎石 和二灰稳定碎石这两种半刚性材料做基层。这两种材料之所以在我国甚至在世界 范围内被广泛地应用，主要是因为半刚性基层材料具有两个较明显的特点。其一 是：具有较高的强度和承载能力，_ 般来说，半刚性基层材料具有较高的抗压强 度和抗压弹性模量，并且具有定的抗弯拉强度，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变形和较强的荷载扩散的能 力；其二是：半刚性基层刚度大、整体性强，使得其上沥青面层弯拉应力值较小， 从而提高了沥青面层抵抗行车荷载疲劳破坏的能力，甚至可以认为半刚性基层上 的沥青面层不会产生行车疲劳破坏。 路面的早期破损虽然与面层类型、荷载大小、雨水等有关，但它与路面的主 要承重层基层也有很大关系。据调查，相当部分的路面破坏均缘于基层，因此要 2 第一章绪论 提高高等级公路的路面修筑质量，首先要解决好基层的问题。 虽然二灰稳定碎石都具有其它基层材料无法比拟的优点和广阔的使用前景， 但是在道路的实际使用过程中还是出现了不少问题，采用现行施工规范的二灰碎 石结构层所暴露出来的粒料偏细、收缩性大、反射裂缝严重等问题也日益突出。 究其原因主要为二灰碎石混合料的配合比不当，碎石骨料级配不合理。现行公 路路面基层施工技术规范中对二灰集料类混合料应用于高等级公路的唯一指标 是：混合料7 天、浸水抗压强度不应小于o 8 m p a 。就其作为基层的受力特性来说 是必要的，而且是必须的，但设计时仅仅只考虑强度要求，有时甚至是单纯的追 求强度，而忽视诸如抗温缩及干缩性能方面的要求，在温度条件变化、干燥失水 以及行车荷载等外部因素的单独或综合作用下，势必造成混合料的温缩、干缩裂 缝和混合料的松散，从而破坏了二灰碎石的板体性能，大大降低了其承重能力。 有时裂缝反射到路面面层，形成反射裂缝，加剧了路面破坏。早期强度低，影响 交通及早开放；易产生冲刷卿浆现象，从而造成路面的破坏，影响路面的使用年 限；在强度形成及使用过程中，因温度变化产生温度收缩裂缝和因含水量变化产 生干缩裂缝，当沥青面层较薄时这种裂缝往往扩展到面层形成反射裂缝。裂缝的 存在不仅使车辆行驶质量下降，而且也破坏了路面结构的整体性和连续性，并在 一定程度上导致结构强度的削弱。公路路面基层施工技术规范中推荐的二灰碎 石级配中，很明显的一点是粒径处于0 - 4 7 5 m m ( 方孔筛) 范围的细集料含量为 3 0 5 0 ，若是再加上二灰，二灰碎石混合料中细料含量将超过5 0 ，难以使粗集 料形成良好的骨架结构。这对于它的收缩性能有不利影响，而且也不利于施工控 制，同时加剧了二灰碎石这类半刚性结构固有缺陷的严重程度，引发了二灰碎石 基层温缩裂缝的产生，并且发展迅速：由于以细集料为主体( 占优势) 的混合料对 水比较敏感，使得基层在施工期以及使用期经常受到干缩裂缝的困扰；基层细料 含量过多以及裂缝的产生，致使基层表面的抗冲刷能力差而极易造成沥青路面的 卿浆损坏。这些弊病，已在近几年按施工规范铺筑二灰碎石基层的高等级公路上 时有发生。 我国地域辽阔，河流众多，天然卵石蕴藏丰富、分布范围广。卵石不仅存在 于河流，而且在旧河道、滩地也有大量存在。从总体上讲，其分布特性与地势相 关，西部多于东部，山区多于平原。有些省份天然卵石贮量很大，修建公路时在 公路沿线就可以取到符合要求的天然卵石，从而节省了运输费用和材料费用，极 大的降低了公路建设成本。公路建设中需要大量的集料，使用中适当的开挖河道， 还可对河道进行疏通和加宽，使得排洪、泄洪能力提高，这种现象在西部和北部 省份尤其明显。 如果舍弃碎卵石而采用碎石用于公路基层，则势必要对岩石进行破碎和轧制， 第一章绪论 3 这就需要对山体进行爆破，开采岩石，造成植被的破坏，引起水土流失等系列 的连锁反应，最终破坏生态平衡。同时在破碎岩石时，各种污染相对使用天然砂 砾要大得多，如噪音、扬尘等。应当指出，在自然状态下，纯粹由自然因素引起 的地表侵蚀过程，其速度非常缓慢，表现也很不显著，而由于人类的活动如开山 劈石、破坏植被等会加速水和风的侵蚀作用，加速水土流失。而水土流失会造成 江河湖库的淤积，降低江河湖库的蓄洪、排洪功能。另外由于环境的破坏，各种 生物也受到不同程度的影响。人类的最终目的就是要谋求社会经济可持续发展， 因此要达到这个目标，就要保护好环境，不能轻易开山劈石、破坏植被。 基层使用不当往往会产生很多裂缝，导至路面早期破坏，根据调查情况来看， 用二灰碎卵石作基层的路面较水泥稳定集料基层出现的裂缝要少，可以有效降低 裂缝形成，并且石灰价格较水泥便宜；粉煤灰是火电厂的副产品，用来修建公路 可以变废为宝，既降低了修建公路的成本，对环境也有保护作用，并且粉煤灰的 使用还可提高公路的路用性能。对环境也有保护作用，并且粉煤灰的使用还可提 高公路的路用性能。 综合碎石和碎卵石的不同特点，公路建设不仅要着眼于现在，更要着眼于未 来。使用碎卵石可以保护环境、改善环境；相反地利用碎石则会加速对生态系统 的破坏，使其失去失衡。因此在修建公路时不仅要尽量提高各项技术指标，还要 满足质量要求、降低经济成本、保护与改善环境并重，实施可持续发展战略。 在实际施工中，二灰碎石的级配范围不尽合理，导致二灰碎石基层的抗裂性 能和抗冲刷性能、抗疲劳性能均受到很大影响，致使二灰碎石基层沥青路面上裂 缝多、抗冲刷能力差，并发产生很多早期破坏；基本上都是以强度为标准，而没 有考虑抗裂、抗冲刷等性能。仅用7 天饱水抗压强度一个指标，难以设计出抗压、 抗拉强度、抗裂性能、抗冲刷性能、抗疲劳性能、渗透性诸方面均具有良好综合 路用性能的基层材料。二灰集料配合比难于掌握，基层铺筑方面没有一个明确的 依据，盲目施工，经常导致路基存在一定得问题，比如抗压强度不足，抗压回弹 模量偏低，会影响到面层的铺筑及使用。农村公路基层建设中，目前尚没有提出 设计规范。 二灰碎石混合料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 其缩裂，达到充分发挥二灰碎石板体性能的目的，而二灰碎石混合料的强度、温 缩、干缩以及抗冲刷性能与混合料的配合比、骨料的级配组成、气候变化，施工 条件等均有直接关系，其中混合料的配合比是其最主要的内在因素。针对我国修 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， 确定二灰碎石混合料的合理配比，使其具有较好的抗裂性能和抗冲刷性能。 使得水泥稳定碎石和二灰稳定碎石这两种优质、经济的基层材料在己修筑的 4 第一章绪论 高等级公路中没有能更好地发挥其优良的路用性能，有些路段甚至出现相反的情 况，因此从材料、设计、施工和养护等方面全面系统的研究二灰稳定碎石材料。 总结出路用性能良好的路面基层结构组合形式、混合料的组成设计、施工工艺和 养护措施。对水泥稳定碎石和二灰稳定碎石的发展和应用具有极其重要指导意义； 同时也为交通部路面基层的设计和施工规范的修订提供一定的理论和实践依据。 1 2 国内外研究状况 二灰碎石作为替代传统筑路材料的新材料，同时也解决了环境问题，早在5 0 年代中期，已在欧美国家呈稳定增长的趋势。7 0 年代前半期，它的使用已非常普 遍，并且用量非常大。国外于6 0 7 0 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，经历了大量实际路面及机场工 程的实践。 1 2 1 国内研究状况 在国内，从6 0 、7 0 年代开始把二灰碎石应用于路面基层，历经几十年的工程 实践检验，现已成为我国使用最为广泛的两种半刚性基层材料之一。二灰碎石基 层的使用过程，也是人们对其组成及结构认识的深入过程，有关二灰碎石基层材 料的配合比设计及路用性能指标，随着施工机械的改进及施工方法的提高，二灰 碎石的组成结构和性能也在不断的变化， 颗粒较粗的低品质粉煤灰和i i i 级消石灰， 日趋完善。在二灰碎石生产中普遍采用 配合比为1 ：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，二灰碎石混合料是悬浮结构，集料大颗粒悬浮在石灰、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 年就开始进行用于郊区轻交通量道路的石灰粉煤灰材料性能研究。 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料，使得这种材料可 以用于交通繁重的市区道路。在上海地区一直使用颗粒粒径范围为5 0 8 0 m m 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： 粉煤灰：集料= 1 ：2 ：3 ( 松装体积比) ，属于悬浮结构。这种二灰碎石因价格便宜，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、萃松高速公路 中得到全面推广，到目前为止仍然用在一些市政工程中。 悬浮式结构的观点产生于二灰碎石早期出现时的使用过程中，而这种集料呈 第一章绪论 5 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。因此它 的提出有其必然性。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 二灰碎石，基层的开裂比较严重，在路面中往往出现较多的反射裂缝。通过研究 认为，所用二灰碎石材料中二灰自身的收缩量较大是主要原因。在悬浮式结构的 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 收缩量，人们开始使用具有一定级配的集料颗粒，以加大混合料中集料含量，并 采用强制式拌合机加强混合料的拌合，采用重型压路机加大成型压力，以形成性 能良好的嵌挤式二灰碎石，希望达到显著降低二灰碎石收缩量的目的。 上海6 0 年代末的三渣和苏州7 0 年代初的二灰掺石用于路面基层，虽然都具 有良好的力学性能，但由于三渣和二灰掺石基层结构的集料含量仅为5 0 6 0 ， 必然悬浮于二灰胶结料之中；在使用期内三渣基层和二灰掺石产生的收缩裂缝， 不可避免地反映到沥青面层表面，严重影响到路面的使用品质。通过研究认为， 所用二灰碎石材料中二灰自身的收缩量较大是主要原因。在悬浮式结构的二灰碎 石中，集料颗粒完全被二灰隔开，不能起到骨架作用，所以不能有效地抑制二灰 的收缩。 7 0 年代末，苏州公路部门将混合料中集料的含量由6 0 提高到7 5 8 0 ，即 改二灰掺石为二灰结石结构，并控制集料的最大颗粒尺寸为4 0 m m ( 圆孔筛) 。 这一基层结构，不仅有着较高的力学强度，而且能够基本避免收缩裂缝的产 生两大优点。正因如此，二灰稳定类基层结构得以在全国推广应用。 进入8 0 年代后随着交通量的增加，为了推广具有较高强度的石灰粉煤灰稳定 粒料基层结构，国家和交通部分别于“七五”和“八五期间列项重点研究，并 取得了很多成果。但在此期间的二灰稳定类基层结构也有着明显的缺陷，这就是： 集料的大粒径、无级配以及混合料拌和摊铺工艺水平低下，从而造成了路面基层 结构的平整度、均匀性、强度和耐久性欠佳。以大粒径集料为骨架的二灰混合料， 难以采用机械拌和、摊铺的施工工艺，也就无法适应高等级公路路面基层的需求。 为了减少二灰类基层混合料的收缩量，人们开始采用具有一定级配的集料颗 粒，且集料在混合料中所占的比例也有所增加，并采用强制式拌合机加强混合料 的拌合，采用重型压路机加大成型压力，以形成性能良好的嵌挤式二灰类基层， 希望能够达到显著降低二灰类基层收缩量的目的。 同济大学林绣贤教授基于8 0 年代实践经验提出如下观点：针对石灰粉煤灰 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： 首先，集料的最大粒径d 以不大于结构层厚度之一半为原则；其次，此类结构中 既要充分发挥无机结合料的稳定作用，又要使填充料有充分压实的机会，因此集 料刚好靠拢。密实的无机结合料稳定材料填充于骨架空隙中。骨料太多，无机结 6 第一章绪论 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，骨料不起作用，性质仍与无机结合料稳定类接近， 刚度大、干温缩大、易于开裂。因此骨料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合料含量。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也不得低于5 。 1 9 9 3 年，大粒径、无级配的三渣和二灰结石被公路路面基层施工技术规范 ( j t j 0 3 4 9 3 ) 中的小粒径、级配型的二灰碎石所取代。这与施工机械的改善及施工 工艺的提高有着不可分割的联系。此规范一改以往路面基层工程中集料惯用大粒 径和无级配的状况，不仅适应了高等级公路机械化施工的需要，而且有利于二灰 碎石混合料力学强度和耐久性的提高以及结构的均匀性和平整度的改善。这无疑 是基层施工规范中二灰碎石混合料组成设计的突出优点。此规范规定集料的最大 粒径不应超过3 1 5 r a m ( 方孔筛) ，并认为当二灰与集料的质量比控制在1 5 ：8 5 2 0 ：8 0 之间时，集料可以起到骨架作用，而二灰则可以起到填充作用，从而使混合料具 有较高的密实度，形成密实骨架结构。以期提高强度、减小其收缩、提高其抗冲 刷能力。然而，基层施工规范中所规定的二灰碎石混合料粗集料含量偏少和 4 。7 5 m m 以下集料含量过大，从而不可避免地造成了基层易产生温缩裂缝及抗冲 刷能力差极，最终造成沥青路面的卿浆损坏。 同济大学和上海沪杭高速公路指挥部队对不同级配的二灰碎石材料进行力学 性能和干缩性能试验得出了如下结论： 混合料中石灰和细集料含量的减少会导致早期抗压强度的降低； 石灰用量增加，最大干缩应变和最大干缩系数均增大； 龄期对干缩特性的影响是：随龄期增大，干缩应变和干缩系数均减小。 沪杭高速公路推荐的级配，如表1 1 所示。 表1 1 沪杭高速公路推荐的级配 t a b 1 1t h er e c o m m e n d e dg r a d a t i o nb ys h a n g h a i - h a n g z h o ue x p r e s s w a y 筛孔尺寸( m m ) 4 03 02 51 052 51 2o 60 0 7 5 通过率( ) 1 0 08 5 9 35 4 8 03 0 4 81 4 3 46 2 34 1 73 1 1o _ 4 上海市政工程研究院的研究认为，为了改善二灰碎石的力学性能和便于机械 化施工，以增加混合料的密实效果，采用颗粒粒径为5 0 4 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，只要有一定级配即可，并且认为 o - 5 m m 粒径的集料在碎石中含量不稳定，如果太多，将会起不到石料的骨架作用， 还会增加裂缝出现的机会，对石灰粉煤狄的胶结作用带来不良的影响，典型的组 第章绪论 7 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 。在几年前他们开始了大量室 内试验研究工作，并于1 9 9 5 年春季在沪宁高速公路( 上海段) 工程中进行了道路基 层机械化旌工实践，认为改变集料后，最为明显的是基层平整度和强度、耐久性 得到了显著改善，并且施工操作更为方便。 2 0 0 0 年发布的公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 中二灰碎石( 砂 砾) 的集料级配采用方孔标准筛；并对各筛孔的集料通过量进行了调整。这些修正 固然必要，但相对1 9 9 3 年规范的二灰碎石结构特性并未产生质的变化。规范中的 集料级配如表1 2 所示。 表1 2 公路基层施工技术规范中给出的级配 t a b 1 2t h er e c o m m e n d e dg r a d a t i o nb yt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a ys p e c i f i c a t i o n s 筛孔尺寸( m m ) 3 1 51 9 09 5 4 7 5 2 3 6 1 1 80 60 0 7 5 通过率( )1 0 08 1 9 85 2 7 03 0 5 01 8 3 81 0 2 76 2 0o 7 随着重型振动压路机在道路施工中的应用，哈尔滨建筑工业大学王哲人教授 提出了二灰碎石混合料的紧密骨架结构模型。他认为以前的二灰碎石结构模型概 括为“松排骨架，紧密填充 ，而当时基层施工都是采用静态碾压，在室内一律采 用击实或加压成型。因而在二灰碎石中集料的用量，在一实方混合料中最多为一 松方，压实后的混合料，集料刚刚靠扰而不密实，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，然而这种二灰碎石在实践中的使 用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，但其往往 伴随着压密性差、早期强度低、耐疲劳性能差。实际使用中，尤其在北方，容易 造成路面基层低温缩裂、路面面层反射裂缝，进而使路面破坏。由于目前在基层 施工过程中普遍采用重型振动压路机，因而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耐裂性， 再以具有振动状态下最大干密度的结合料来填充集料间的空隙，以最少量的填隙 获得最大的填隙率，得到混合料的最大密实度，从而达到混合料最好的力学性能， 提高半刚性基层各方面的性能指标。 吉林省高速公路管理局周晓龙提出了二灰碎石混合料的嵌挤式骨架模型。认 为在材料组成方面，由石灰和粉煤灰组成的结合料的质量应占混合料总质量的 2 0 2 5 ，集料的质量应占7 5 8 0 。集料的粒径可以根据当地材料的条件分为三 级或四级。这种结构模型的两个特点是：第一，以主骨料形成骨架，而不是习惯做 法，将主骨料悬浮在砂和结合料组成的“砂浆”中。较强的骨架对于改善混合料 的早期强度，抵抗干缩和温缩引起的裂缝有较明显的作用；第二，结合料数量充 第一章绪论 足( 体积上占4 0 左右) ，能够对集料形成良好的裹覆，并可能将骨架间空隙施以 紧密填充，这将有利于结构耐久性的提高。而不是像习惯做法那样，由于使用较 多的细集料和较少的结合料导致结合料的填充率降低，裹覆性较差，进而影响结 构的整体性和耐久性。与以往室内试验不同的是，他们采用上置平面式的振动压 实制件装置，能够较好地再现现场振碾工况。由于目前在基层施工过程中普遍采 用重型振动压路机，因而二灰碎石混合料的组成符合紧密嵌挤骨架密实结构的要 求。以具有振动状态下最大干密度的结合料来填充集料间的空隙，以最少量的填 隙料获得最大的填隙率，使混合料达到最大的密实度，从而使混合料具有最好的 力学性能，使半刚性基层各方面的性能指标得以提高。 辽宁省勘测设计院采用了主骨料分级填充，达到最大振动密实的方法确定了 一种级配，并用具有振动击实最大干密度的二灰填满主骨料空隙体积的方法确定 了二灰与主骨料的比例，通过路用性能试验得出了如下结论： 紧密嵌挤骨架密实型级配比规范级配的强度高； 粉煤灰细度对二灰稳定碎石的强度和抗冻性有很大的影响，粉煤灰 0 0 7 5 m m 通过率必须大于6 0 ，比表面积宜在2 0 0 0 3 5 0 0 c r n 2 g 之间。 辽宁省勘测设计院推荐的级配，如表l - 3 所示。 表1 3 辽宁省勘测设计院推荐的级配 t a b 1 3t h er e c o m m e n d e dg r a d a t i o nb ys u r v e ya n dd e s i g ni n s t i t u t eo fl i a o n i n gp r o v i n c e 筛孔尺寸( m m ) 4 0 2 02 0 1 01 0 55 2 5 百分含量( ) 6 71 71 06 西安公路学院张登良教授在半刚性材料抗裂性能研究一文中指出，半刚 性基层的开裂是由于行车荷载与半刚性基层材料的收缩双重作用引起，所以，抗 裂设计也应包括力学强度和抗收缩开裂两个方面的指标要求。由于增加粒料含量 可有效地提高半刚性材料的抗温缩和干缩性能，所以，最佳配合比设计无疑是提 高半刚性基层抗裂能力的主要措施之一。最佳配比选择的基本原则是根据环境条 件、调查资料，确定该地区的基层材料以何种收缩为主，作为确定配合比设计的 依据。但所选取的配比首先应满足力学强度的要求。其抗裂试验结果表明，增加 集料含量能较好地提高二灰类半刚性材料的抵抗温缩开裂的能力，但集料含量过 大，其提高抗温缩开裂能力的程度就不很显著。通常情况下，集料含量在7 5 左 右时，具有最佳的抗温度收缩开裂的能力。在此报告中提出的综合考虑力学强度 和收缩性能的配合比设计方法，摒弃了单一追求强度指标而忽略收缩性能的缺点， 是值得肯定的。 第一章绪论 9 西安公路研究所8 6 0 2 课题组在“七五 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干缩系数较密实结构的混合料要 大得多；综合强度指标和收缩性能，粒料占8 0 的混合料二者占优。在此观点中 提出的综合考虑强度和收缩性能的配合比设计出发点，虽然还不够全面，却是值 得肯定的。 重庆交通学院杨锡武、梁富权等认为，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，还影响其收缩特性，粒料比例过大 则施工中易出现离析现象，粒料比例太低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。综合粒料比例对强度的影响，以及实际使用中粒料的比例经验，水泥( 石 灰) 粉煤灰混合料粒料最佳比例范围是7 0 左右。这个比例既保证混合料具有足 够强度，又使混合料具有良好的抗收缩能力，减少收缩裂缝。 重庆交通科研设计院通过空隙率和承载板p l 试验确定了二灰稳定碎石混合 料的配合比，在分析7 天抗压强度、早期水稳定性、干缩性试验结果的基础上推 荐了一种级配，并得出了如下的结论： 用空隙率和承载板p l 试验来确定混合料的配合比是可行的； 二灰碎石混合料用作高等级公路路面的基层时，适当减少集料中细集料 ( 1 0 m m 以下) 的含量，对提高早期强度、早期水稳定性以及干缩变形都十分有利。 重庆交通科研设计院推荐的级配，如表1 4 所示。 表1 4 重庆交通科研设计院推荐的级配 t a b 1 4t h er e c o m m e n d e d g r a d a t i o nb yc h o n g q i n gt r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hi n s t i t u t e 筛孔尺寸( m m ) 4 02 01 052l0 50 0 7 5 通过率( ) 1 0 05 8 7 82 8 - 4 28 2 44 1 22 9o 一4o 2 东南大学在研究二灰碎石抗冻外加剂时，也意外的发现引气减水剂不仅对材 料抗冻性有好处，亦可提高材料的韧性，增加抗裂性能。 东南大学交通学院和南京机场高速公路管理处根据足够的强度、良好的抗裂 性能原则进行了南京机场高速公路二灰稳定碎石基层的配合比设计，并采用正交 试验方法对配合比设计的主要影响因素及干缩、温缩特性进行了较全面的试验研 究。通过试验结果的分析得出了如下的结论： 基体材料( 小于5 m 的颗粒) 在二灰稳定碎石混合料中合理的含量范围为 2 0 ，3 0 ： 1 0 第一章绪论 石灰应采用二级以上石灰，石灰剂量不宜大于5 ，集料含量应控制在8 2 左右，并严格控n - 灰稳定碎石中5 m m 以下集料含量，尤其是2 m m 以下集料含 且 里。 南京机场高速公路推荐的级配，如表1 5 所示。 表1 5 南京机场高速公路推荐的级配 t a b 1 5t h er e c o m m e n d e dg r a d a t i o nb y n a n j i n ga i r p o r th i g h w a y 筛孔尺寸( m m ) 4 03 02 01 05210 50 0 7 5 通过率( ) 1 0 08 0 9 05 0 7 02 0 _ 4 62 0 3 01 4 2 09 1 56 1 0o - 4 江苏省交通科研所的蒋振雄认为，在二灰碎石组成设计中，存在强度、收缩 裂缝、平整度、含水量控制等相互制约的予盾问题，应把几者有机统一起来。为 了解决好相互制约的予盾问题，在基层施工技术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 粒料比例不变，0 8 m p a 无侧限抗压强度不 变，集料连续级配不变，控制5 m m 以下粒料用量，提高2 r n 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，大幅度降低干燥收缩，以适当级配代替 单一级配，减少缺乏连接面、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。 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生产工艺 的发展过程，也说明了在使用过程中，人们对二灰碎石的组成结构和性能的认识 在不断地深入。并且随着路面结构要求的提高和生产工艺的改进，二灰碎石的路 面结构使用性能也得到了改善。最初只是用于轻交通量的石灰粉煤灰混合料，接 着是在二灰中加入一些粗颗粒的集料形成悬浮的二灰碎石，然后随着使用要求的 提高，对集料进一步提出要求，有一定级配的颗粒粒径较小的集料取代了原先单 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。 因此二灰碎石混合料的设计应在满足行车荷载对其强度要求的前提下，尽量 减少其缩裂，达到充分发挥二灰碎石板体性能的目的，而二灰碎石混合料的强度、 温缩、干缩以及抗冲刷性能与混合料的配合比、骨料的级配组成、气候变化，施 工条件等均有直接关系，其中混合料的配合比是其最主要的内在因素。 为此针对内江地区修筑二灰碎卵石基层的实际情况，通过各项室内试验，选 定合理的集料级配和配合比方法，使二灰碎石基层既具有良好的强度，又具有较 好的抗裂性能，从而保证沥青面层具有优良的路用性能。 第一章绪论 1 2 2 国外研究状况 二灰碎石混合料属半刚性材料，以其整体性强、承载力高、工程造价低，同 时也能解决环境问题等优点，早在2 0 世纪5 0 年代，已在欧美国家作为筑路材料 被开始使用，且呈稳定增长的趋势。经历了7 0 年代一场能源危机之后，西欧各国 加快了对粉煤灰研究利用的步伐。在此期间对二灰碎石混合料在道路基层修筑中 的应用、设计与施工工艺等方面做了大量的研究工作，并将研究成果应用于道路、 机场跑道、停车场等工程的半刚性基层的修筑，取得了良好的效果，并制定了相 应的使用规范。 1 9 6 4 年，a h e r z o g 和r b o c k 研究了影响二灰稳定土强度的一些因素； 1 9 7 6 年，r s a n d r e s 研究了影响石灰、粉煤灰碎石混合料耐久性的一些因素； 1 9 8 8 年，b r a a k o f o 通过对二灰稳定土无侧限抗压强度的室内试验，得出 最佳的石灰和粉煤灰含量； 1 9 8 8 年，b a p k a l 和g o k h a n 对二灰稳定土进行短期高温养护和低温长期养护 的试验，得出了两者之间得关系，用短期、高温养护条件下的实测值来预测设计 值； 美姆下迈斯拉曼等人对石灰粉煤灰材料的热膨胀性作过研究，并认为硬化 后的l f a ( 石灰、粉煤灰、骨料) 材料的热膨胀系数主要受这种材料中与骨料含水 量的影响，当含水量相近时，典型的热膨胀系数与水泥混凝土的大约相同，约为 a = 6 x 1 0 山f o c ： 美国a s t m 中对二灰碎石混合料的质量，采用养生后的强度和耐久性两个指 标来评价。 纵观上面所列国内外的各种二灰类基层组成结构的观点，可以看出随着人们 对二灰类基层组成结构和路用性能认识的深入，并且随着施工机械的改进和施工 工艺的提高，二灰碎石混合料正以前所未有的速度大量应用于我国道路工程的生 产实践中。由最初应用于轻交通的石灰粉煤灰混合料，发展到具有悬浮结构的二 灰结石，且随着使用要求的提高，采用具有一定级配的集料取代了单粒级粒料。 目前由于重型振动压路机的使用，使得二灰碎石混合料中的粗集料颗粒由以 前的松散排列逐步向骨架密实结构过渡。 1 3 本课题主要研究内容 本课题在现有公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 的基础上，选取 内江地区极具代表性的几个地区的二灰稳定碎卵石基层，从其设计、材料试验和 1 2 第一章绪论 施工等方面进行全面系统的调查与分析。较全面地反映内江地区半刚性基层结构 的综合状况，以进一步提高基层的修筑质量，并提出适合内江地区农村公路基层 铺筑的二灰碎卵石配合比，为当地基层施工提供依据。本课题针对内江地区二灰 稳定碎卵石的应用状况，对其进行了系统的研究，主要内容为： 调查四川省内江地区二灰碎卵石基层和原材料( 石灰、粉煤灰、以及碎卵石 等) 的具体应用情况； 二灰碎卵石混合料配合比设计，结合四川省和其它地方基层集料级配的研究 与应用情况，推荐出内江地区合理的基层集料设计级配； 路用性能的研究，包括力学性能、温缩性能、一水稳定性的研究，并结合路用 性能研究，提出适合内江地区农村公路基层铺筑的推荐配合比 对二灰碎卵石混合料进行经济社会效益分析，由于碎卵石的价格要低于碎石 价格，采用碎卵石代替碎石，降低了工程成本，节约了工程造价，使农村公路经 费难的问题得到了有效缓解。 第二章二灰碎石混合料组成结构及强度形成机理分析 1 3 第二章二灰碎石混合料组成结构及强度形成机理分析 2 1 二灰碎石组成结构 二灰碎石混合料的路用性能与它的结构特点有着非常密切的关系。混合料的 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。当组成二灰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。混合料的结构特点取决于以下 因素： 矿质颗粒的结构特点：包括矿料颗粒的大小、形状、级配、岩性等都会