（道路与铁道工程专业论文）水泥稳定碎石基层材料设计研究.pdf

摘要 水泥稳定碎石材料由于其显而易见的优点而被广泛应用于我国高速公路的建设中去， 但在实际使用中，半刚性基层尤其是水泥稳定类基层易开裂，很快便反射至沥青面层这一一 缺点至今还没有行之有效的解决办法。我国高速公路早期损坏严重的局面一方面与路面结 构设计、超载重载、面层材料设计不合理有关，但更重要的与半刚性基层提前达到疲劳破 坏不无关系。本文重点对水泥稳定碎石材料级配及级配评价方法、混合料设计方法、多指 标综合路用性能评价等方面进行了研究。 本文通过级配试验研究选定了四种级配，分别对水泥稳定碎石、水泥粉煤灰稳定两种 类型，采用体积设计法和常规方法设计了7 种混合料来进行综合路用性能的研究。路用性 能的试验内容包括：力学性能、抗裂性能、抗冲刷性能、抗冻性能。通过多指标综合评价 方法找出了综合路用性能优良的混合料配合比、设计方法和级配。 关键词：水泥粉煤灰体积设计法骨架密实多指标评价 a b s t r a c t d u et om a n yp r o m i n e n ta d v a n t a g e so fc e m e n t - s t a b i l i z e da g g r e g a t e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e do nc h i n a h i g h w a yc o n s t r u c t j o n h o w e v e r i nc o u r s eo fp r a c l i c a la p p l i c a t i o n ，t h e r ei sn o ta ne 能c t i v es o l u t i o nt os o l v e c r a c ka n dr e n e c tc r a c ko fs e m i r i g i db a s e e s p e c i a l l yc e m e n t s t a b i l i z e da g g r e g a t e s o m er e a s o n ss u c ha s d e n c i e n tr o a ds t r u c t u r ed e s i g n ，o v e r l o a d ，a n du n r e a s o n a b l eh m a d e s i g nc a ne x p l a i nt h ev e d ，s e r i o u ss i t u a t i o n o fe a r l yd i s e a s eo f h i g h w a y ，b u tm o r ee s s e n t i a lr e a s o n sa r es h o 九l o n g e v i t yo fs e m i r j g i db a s e t h i s e s s a y e m p h a s i z e so nt h en e l d sa sf 0 1 l o w ：d e s i g no fr o a ds t r u c t u r ea n dp a r 啪e t e ro fb a s em a t e r i a l ；t h eg r a d a t i o no f c e m e n t s t a b i j i z e da g g r e g a t ea n di t se v a l u a t i o nm e t h o d ；d e s i g nm e t h o do fm i x t u r e ；s y n t h e t i c a lp e r f o 啪a n c e e v a l u a t i o nb a s e d 叫m u l t i t 鹕e t ；p e r f o m a n c eo fc e m e n t - s t a b i l i z e d a g g r e g a t ea r e rw e a r i n go u t t h i se s s a ys e l e c t s4k i n d so fg r a d a t i o n ；d e s i g n sl3k i n d so fm i x t u r eb yc u b a g ed e s i g l l i n g 觚du s u a lm e t i l o d ； c a r r i e st h o u 曲te x p e r i m e n t a t i o na b o u tc e m e n t ，f l y i n ga s hc e m e n ta j l d l i m en y i n g 嬲hc e m e n ts t a b i l i z e d a g g r e g a t eo nt 1 1 ef i e l do fp e r f b m a l l c e t h ee x p e r i m e n t a t i o ni n c l u d e sm e c h 锄i c s ，a i l t i c r a c k ，s c o u r ，a n t i f r o z e a i l dw e a r i n go u tp e 墒m a n c e a tl a l s t ，t h o u g h ts y n t h e t i c a lp e r f o m a l l c ee v a i u a t i o n ，t h i s e s s a yt 掣t og i v ea p r o p o s a la _ b o u to fc e m e n t - s t a b i l i z e da g g r e g a t eg r a d a t i o na 1 1 dm i x t u r ed e s i g nm e t h o d 1 ( e yw o r d ： c e m e n t f l y i n ga s hc u b a g ed e s i g n i n gs y n t h e t i c a ip e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ng r a d a t i o n 卜 论文独仓争 生声明 本人声甓：本人所呈交静学位论文是在导师熬蓿导下，独立进行 砚究工作所取得的成果。除论文中稳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竣集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 一：昌啤饮月多融 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盼职务作品，知识产权烬 属学校。学校亭有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本入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： 导炳签名： 专叫刍年g 月6 刻葡枷“辞嘶。g 躐 目 第一章绪论 水泥稳定碎石材料由于其显而易见的优点而被广泛应用于我国高速公路的建设中去， 但在实际使用中，半刚性基层尤其是水泥稳定类基层易开裂，很快便反射至沥青面层这一 缺点至今还没有行之有效的解决办法。我国高速公路早期损坏严重的局面一方面与路面结 构设计、超载重载、面层材料设计不合理有关，但更重要的与半刚性基层提前达到疲劳破 坏不无关系。 本文重点对水泥稳定碎石材料级配及级配评价方法、混合料设计方法、多指标综合路 用性能评价等方面进行了研究。其目的是完善水泥稳定碎石混合料设计方法：体积设计法； 推介路用性能较佳的水泥稳定碎石混合料类型及合理级配范围。 1 1 问题的提出和研究意义 近年来，伴随着改革开放的步伐，伴随着经济和科技的跨越，我国公路交通建设持续 快速发展，尤其是高速公路的建设创造了世界奇迹，集中体现了中国公路交通实现跨越式 发展的进程，使中国公路基础设施总体水平实现了历史性跨越。但在实际使用过程中还是 出现一些较为突出的问题 我国高速公路目前存在的较为严重的问题是：国内已建高等级公路早则2 4 年，迟 则5 8 年，均发生程度不同的早期破坏，提前设计寿命十年或者更多就进入大修阶段。 早期破坏有两类，一类是高速公路在建成营用2 4 年就发生车辙、坑槽、剥离等破坏。 此类病害一般与设计、旆工过程有关，通过有针对性的措施一般都能得以解决。另一类具 有更大普遍性的病害表现在：我国己建成高速公路能够达到设计寿命的比例太低，路面大 幅提前设计寿命，产生疲劳破坏。早期破坏产生的原因很复杂，涉及到施工质量、路面结 构与材料设计、超载重载运输以及养护策略、技术、质量等方方面面的可控的因素以及诸 如持续高温、连续密集的大范围降雨、施工过程难以彻底克服的混合料的离析等不可控的 因素。 早期破坏产生的原因可分为内因和外因两类。外因有受全球气候变化车辆轴载增大、 轮胎气压过高，车辆两极化及交通渠化。内因则有如下几个方面： 1 、路面结构设计理论 我国道路界长期以来奉行“强基薄面”的路面结构设计原则，半刚性材料基层作为重 要承重层，沥青混凝土面层只起功能性作用如密水、抗滑、改善行驶舒适性等功能。依据 半刚性基层沥青路面结构设计理论和半刚性基层材料在使用过程中的疲劳损坏特性，在较 薄沥青面层的情况下，半刚性基层沥青路面结构设计受控于基层底部的疲劳开裂。半刚性 基层材料由于其较沥青混凝土面层为高的应力比使得其有可能先于面层达到疲劳寿命，且 半刚性基层材料强度、模量等力学指标在使用过程中会因为重复荷载和环境因素影响下逐 渐衰减，更由于超载以及施工质量等因素作用下使得基层材料较早的达到设计疲劳寿命而 产生结构性破坏。预防性养护在初期尚有效果，但属于“治标不治本”，只能在较短的一 段时间内维持高速公路的使用功能，长远的看来，基层仍将提前发生结构性破坏。基层的 破坏则意味着“开膛破肚式”的维修。以基层层底拉应力作为验算指标的路面结构设计半 刚性基层材料最终将不可避免的发生疲劳破坏，对于后期的改扩建甚至重建工作来说中断 交通、开挖基层并重新镝筑在经济承受能力和社会影响上是一个非常严重的问题。另外， 弯沉指标合格与否对早期破坏是否产生没有很好的相关性，弯沉小不代表不发生早期破 坏。反之，弯沉大也不代表路面一定发生疲劳破坏。有资料表明某高速公路在对表面层进 行简单封水处理后，原本较大的弯沉恢复到正常时的水平。弯沉指标不能表征路面结构和 材料的诸如耐久性、抗车辙、抗裂、水稳定性等综合路用性能，用它作为设计和施工质量 的依据是不尽合适的。 动载及超载所带来的累积轴次增加也未能在路面结构设计中有所反映。 常规的来讲，我国路面设计一般要求面层在常温时为受压状态。沥青混合料在低温时 其弹性模量高达5 0 0 0 甚至以上，这使得面层底部产生了较大的拉应力，从而导致沥青面 层在低温时开裂，并使得沥青面层疲劳性能迅速衰减。我国路面设计方法没有对低温时沥 青面层层地拉应力进行验算，这在某种程度上使得我们不能对沥青路面疲劳寿命做出真实 合理的评估。 2 、材料设计 基层在我国路面结构设计中作为主要承重层，基层的好坏关系整条道路的成败。我国 半刚性基层材料设计方法上存在一定的问题，主要表现在： 1 ) 我国半刚性材料设计方法中设计参数仅有7 天无侧限抗压强度、抗压回弹模量等 几个指标，没有建立多指标的最优化的设计方法，从而难以设计出抗裂、抗冲刷、 抗冻、抗疲劳的综合路用性能最佳的材料； 2 ) 现行基层规范推荐的半刚性材料的强度、模量等设计参数的范围不尽合理，较为 宽泛，施工过程中难以掌握。在实际操作中，设计、施工单位为了尽可能提高弯 沉指标即承载性能的可靠性而使用大的结合料剂量和较细的级配，这将导致半刚 性材料更加密实，刚性增大，适应变形能力进一步减弱，重载敏感性进一步增强。 可以预料，半刚性材料的干缩和温缩开裂将只是时间问题。 3 ) 现行基层规范推介的级配乃是一种悬浮密实型级配，且其级配范围过于宽泛。在 施工中由于料源、同加工工艺的不同，掌握起来有很大困难。可能同样是满足规 范级配要求的材料，有的就过早发生病害。而有的超出规范推介级配范围的级配 反而有着良好的路用性能。 4 ) 国内提出的的骨架密实型级配缺乏相应的评价方法和标准。何谓骨架密实型级配 也没有一个清晰的定义。骨架密实级配具有怎样的特征仍然悬而未决。 3 、养护技术及策略 合理及时的养护对于延长高速公路使用寿命的重要性是不言而喻的。我国高速公路养 护工作水平与国外成熟的预防性养护策略及先进的养护技术相比还有一定的差距。由于资 金、技术等方面的原因，我国高速公路使用寿命普遍较短，与国际上长达3 0 5 0 年的设 计使用寿命更是有不小的差距。“开膛破肚式”的维修与国外“永久性路面”或者噜长 寿命路面”的简单加铺罩面的思想更是不同。我国每年因路面结构、材料设计、施工工艺 及质量、养护管理技术和策略等方面的问题导致高速公路寿命的缩短，己建成的高速公路 不仅无法发挥应有的作用，反而使各级公路部门背上了沉重的经济压力和短期内难以挽回 的社会影响。 半刚性基层材料的设计中，配合比、级配对其性能有着十分显著的影响。其路用性能 的表现尤其是抗裂、抗冲刷、疲劳性能的关键在于其级配能否形成良好的骨架结构。目前 国内外相关单位对“骨架密实型”级配进行了大量的研究工作，但是缺乏较为适宜的级配 评价方法和标准，现有的几种评价方法各自有其不足之处，如贝雷法无法解释某些并不满 足其参数要求但却有着良好表现的级配。目前这些所谓骨架密实级配的应用情况也不能说 明其长期性能的优劣。同时，级配的研究不仅仅是室内的研究，更应结合实际工程，从实 践当中找出有价值的，不易离析，结构良好的级配。 耐久性好，综合路用性能佳的半刚性基层材料对延长我国高速公路使用寿命，改善公 路服务水平，提高公路建设质量有着巨大的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 水泥稳定碎石已经成为我国半刚性路面基层的一种最基本的材料，被普遍用作公路特 别是高等级公路沥青路面的基层。基层的质量对整个路面、特别是沥青路面的强度、使用 质量和使用寿命都有十分重要的影响。水泥稳定碎石基层在我国经历了长期的发展过程， 对水泥稳定粒料材料的研究认识也有了长足的长进。具体归纳为以下几个方面： 1 结合料剂量：普遍认为水泥剂量在3 6 范围内对水泥稳定粒料类材料抗干、 温缩性能没有明显影响；提倡综合稳定； 2 级配：骨架密实型级配的良好性能已得到认可，但对于骨架密实型级配的理论基 础和评价体系的研究工作还显滞后； 3 设计方法：目前规范中的击实试验等设计方法只单纯考虑强度、模量等指标，忽 视诸如抗裂、抗冲刷、耐久性等性能。而高刚性的半刚性材料对于抗裂性能有害无利。 4 半刚性基层开裂难以避免，但通过设计、施工等各种措施可使半刚性基层开裂导 致的反射裂缝达到最小程度。国内对防裂措施的研究有以下几个方法： 1 ) 、外加剂的使用； 2 ) 、设计方法革新：包括骨架密实级配的采用、体积设计法、灰色系统评价体系、 贝雷法的应用等； 3 ) 、预锯缝、土工布、土工格室( 栅) ，纤维 长安大学多年来对水泥稳定粒料基层做了大量的研究工作，在设计方法的研究方面， 郑南翔教授、蔡飞等人提出了体积设计法的设计方法；在级配研究方面，已经有多人应用 逐级填充的原则设计出了骨架密实的级配；在外掺剂的应用方面，戴经梁、杨宏辉等人通 过研究证明水泥稳定粒料材料里面掺加一定的膨胀剂、减水剂能够有效减少干缩、温缩裂 缝的产生。郑南翔等人通过研究，得出以下结论： ( 1 ) 半刚性基层材料的宏观热胀缩性是固、液、气三相性质相互作用综合效应的外 观表现。组成半刚性整体结构的原材料，除粘土矿物外，一般具有较小的胀缩系数，而新 生胶结具有较大的热胀缩系数。半刚性基层材料中各种形式的水通过扩张作用、毛细管压 力作用和冰冻作用对其胀缩性质产生相当大的影响。当含水量接近最佳含水量时，半刚性 基层材料的温度收缩呈现最大值。 ( 2 ) 半刚性基层材料的干燥收缩主要是通过毛细管张力作用、吸附水及分子间力作 4 用、层间水作用和碳化收缩作用四个过程引起整体宏观体积的收缩。 ( 3 ) 在工程实际中，半刚性基层材料处于相对湿度和温度不断变化的环境之中，而 相对湿度又与温度成反比。因此，半刚性的温度收缩与干燥收缩一般将同时发生，且两者 往往产生相反的效应。处于平衡含水量状态的半刚性基层材料，随着内部温度下降，含水 量会有所上升，所以其胀缩率是温度与湿度相互作用的综合效应。 ( 4 ) 半刚性基层一般在高温季节中修建。成型初期基层内部含水量大，且尚未被沥 青面层封闭。此时，基层内部的水分必然要蒸发，从而发生由表及里的干燥收缩。与此同 时，环境温度也存在有昼夜温度差。所以，修建初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和由 昼夜温差所引起的温度胀缩疲劳作用的综合效应。这个阶段是以干燥收缩为主，温度收缩 为辅的综合收缩过程。 ( 5 ) 经过一定龄期的养生，半刚性基层上铺筑沥青面层后，由于基层内相对湿度增 大，使材料的含水量有所回升且趋于平衡，这个时期半刚性基层的收缩主要是温度收缩。 尽管国内外对水泥稳定集料的研究做了大量的工作，得出了一定的研究成果，然而在 下述几方面的研究方面还没有或者比较少的进行过系统的研究： 1 、骨架密实级配的评价体系；尽管国内许多人已经提出了骨架密实的级配，但是 每一种级配并不相同，如何评价及检验是否为骨架结构还有待于进一步的研究。 2 、外掺剂的应用与开发；由于外加剂、纤维造价比较高，难以推广应用；预锯缝、 土工布、土工格室( 栅) 等措施不尽如人意。所以有待于研究开发一种更经济、施工更 方便、而且能够显著改善水泥稳定集料路用性能的( 复合) 外掺剂。 3 、 水泥稳定集料的设计方法。现行规范设计方法并没有一套系统的设计方法，主 要是通过调整水泥剂量的方法制备试件。通过强度、模量等力学指标来评价材料性能， 指标单一，忽视材料综合路用性能和长期性能，因而有待于形成一套比较完善的考虑综 合路用性能和长期寿命的设计方法。 1 2 2 国外研究现状 国际上普遍认为半刚性基层材料的开裂难以避免，应避免在重交通道路或高等级公路 使用。半刚性材料普遍用作土基改善层或作为底基层材料。由于各国路面结构设计理论和 材料设计方法有很大不同，在水泥稳定粒料强度标准方面的要求也有很大差异。 g e o r g e 研究了水泥土混合料的干缩特性，认为： 1 ) 土中粘粒含量越多，水泥土的收缩越大； 2 ) 制件含水量越大，试件的干缩应变也越大 5 3 ) 混合料梁式试件的干缩应变开始随水泥剂量的增加而减小，并达到一个最小值， 然后随水泥剂量增加而增大 4 ) 干缩随养生期的增加呈增大趋势 5 ) 减轻水泥土干缩的最有效的措旋是添加石灰或粉煤灰代替部分水泥 法国是国际上采用半刚性基层沥青路面最普遍的国家之一，水硬性结合料稳定层总厚 度为2 5 6 5 c m ，沥青混凝土为6 1 4 c m ，这种结构与我国的路面结构比较相识。法国要求 水泥稳定基层的7 d 强度为4 5 m p a ，且主要用于温和气候地区及中等交通的道路：水泥 稳定底基层的7 d 抗压强度为1 5 m p a 。 南非的水泥稳定集料设计强度按压实度1 0 0 制件要求，但施工时按压实度9 7 制件质 量检验，以符合施工实际情况。在道路施工材料技术指南( t r h l 4 ) 中，水泥稳定材料 的要求明确需控制上限和下限。在下表中，c l 和c 2 在1 9 7 8 年列入规范后曾大量使用。 实际使用过程中由于路面严重损坏，现在只用于水泥混凝土路面结构中。对沥青路面的水 稳材料都是c 3 和c 4 ，施工质量控制的强度不超过2 m p a 。 表1 1 南非擐范对水泥稳定材料7 d 无侧限抗压强度的要求 c l c 2c 3c 4 指标 最大最小最大 最小最大最小最大最小 1 0 0 压实度( 设计规范)1 2 06 o6 03 03 01 51 5 0 0 7 5 9 7 压实度( 旆工规范) 8 04 04 02 02 o1 0 1 00 5 日本的半刚性基层沥青路面主要使用在较低交通量的道路上，日本的水稳基层的水泥 剂量很低，类似于少量结合料的级配碎石材料。7 d 强度为2 9 m p a ，底基层仅为o 9 8 m p a 。 英国在1 9 4 8 年对用于道路的水泥稳定土建议：正常交通情况下，根据7 d 抗压强度 1 7 2 归a 设计：在重交通量的情况下，7 d 抗压强度应是2 7 5 3 4 3 m p a ；而当水泥稳定材 料作为主要道路的路面底基层或交通量很轻的道路路面基层时，可以用7 d 抗压强度 1 0 3 m p a 1 7 2 m p a 。英国在1 9 6 9 年的道路与桥梁技术规范中，对现场拌和的水泥稳定类 材料做的试件的最小强度做了如下的规定( 适用于路面基层和底基层) ：五个试件为一组 的7 d 龄期的平均抗压强度，对圆柱体试件( 高：直径= 2 ：1 ) 应不小于2 7 5 m p a ，对于 立方体试件应不小于3 4 2 m p a 。同时规定水泥稳定土材料的均匀行性应是：5 个试件一批， 连续5 批试验的抗压强度的偏差系数的标准离差( 均方差) 应不超过4 0 。英国在1 9 8 6 年的公路工程技术标准中，又将水泥处治材料分成4 个不同的等级：c 她l = 4 5 m p a ， c m b 2 = 7 m p a ，c m b 3 = 1 0 0 m p a ，c m b 4 = 1 5 o m p a 。 德国规范要求水泥稳定承重层的7 d 强度为9 m p a ，且需切缝，实际上是贫混凝土。 美国加利福尼亚州水泥稳定基层的7 d 强度为5 2 m p a ，主要用于交通量较大的州级公 路中，加利福尼亚州将水泥处治基层分为a 、b 两个等级，此为a 级要求；b 级的强度指 标为抗力值r ，要求r = 8 0 ，典型的水泥剂量为2 3 ，它实际上是水泥改善土，广泛 用于交通量较小的县级公路上。 1 3 课题研究的内容及技术路线 主要研究内容如下： 半刚性基层材料应具有抗裂、抗冲刷、抗冻、抗疲劳的性能，为此，拟定了如下的研 究内容： 1 ) 级配理论及级配设计方法、评价方法研究； 2 ) 水泥稳定碎石材料设计方法研究； 3 ) 水泥稳定碎石材料路用性能研究； 4 ) 水泥稳定碎石材料多指标评价方法； 5 ) 水泥稳定碎石破坏后路用性能研究。 本文研究的技术路线如下： 1 ) 级配设计方法及骨架密实级配评价方法研究 以级配理论为指导，以骨架的形成与否为目标，通过对不同级配的体积指标、力学指 标进行研究并用贝雷法和s m a 的级配评价方法进行评价，优选级配进行混合料试验； 2 ) 水泥稳定碎石的体积设计法及混合料路用性能评价方法 通过对材料路用性能的全面试验，完善水泥稳定碎石基层材料混合料设计方法，用 基于系统理论的多指标评价方法，全面评价水泥稳定碎石的综合路用性能。 第二章研究方案与试验方法 本文研究方案在前人研究的基础上，立足于提高水泥稳定碎石的综合路用性能，在对 级配理论及级配设计方法全面研究的基础上，选取有代表性的级配，对不同级配进行c b r 、 直剪等试验并评价其骨架性能。采用体积设计法和常规方法设计多种不同结合料类型的混 合料，进行混合料路用性能试验，通过多指标评价方法得出最佳级配及结合料类型以及体 积设计法参数。本文把骨架密实级配评价方法、水泥稳定碎石合理级配范围、综合路用性 能评价、水泥稳定碎石材料路用性能确定为研究重点。 2 1 研究方案 2 1 1 本论文整体研究方案 2 1 1 1 级配理论及级配设计方法研究 1 ) 提出新的级配设计方法力学法并采用力学法设计级配； 2 ) 对所选取级配进行c b r 、直剪试验、振实密度、空隙率等试验； 3 ) 应用贝雷法、s m a 级配评价方法及上述试验数据对不同级配进行评价； 2 1 1 2 水泥稳定碎石材料设计方法研究 1 ) 对采用规范级配的规范方法设计的纯水泥稳定碎石路用性能进行研究； 2 ) 对采用规范级配的体积设计法设计的不同预留空隙率的水泥粉煤灰、水泥石灰粉煤灰 稳定碎石路用性能进行研究； 3 ) 对上述三类混合料进行对比研究，推介综合路用性能最佳的混合料类型； 4 ) 提出较优的结合料类型及剂量、最佳预留空隙率。 5 ) 在4 ) 研究成果的基础上，选取四种不同级配按体积设计法和规范方法设计混合料并 进行路用性能试验： 2 1 1 3 多指标评价 1 ) 采用灰色系统理论对上述混合料进行评价； 2 ) 推介综合路用性能最佳的混合料类型及其级配： 3 ) 推介体积设计法合理预留空隙率及结合料最佳配比。 2 2 试验方法 2 2 1 半刚性基层材料物理力学指标测试 一、材料性质分析 本次试验按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 和公路工程 集料试验规程( j t j 0 5 8 2 0 0 0 ) 中有关规定进行，采用重型击实标准确定混合料的最大干 密度和最佳含水量。 二、力学性质试验 试件均按最佳含水量拌和，最大干密度控制，采用静力压实法制备，在养生室养生， 养生温度2 0 2 ，养生湿度9 0 。无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、抗压回弹模量 试验、冲刷试验均采用巾1 5 c m h 1 5 c m 试件：收缩试验、抗弯拉强度及抗弯拉模量试验采 用1 0 c m 1 0 c m 4 0 c m 的梁式试件。 1 无侧限抗压强度试验 将饱水2 4 h 后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上， l m m m i n 的等速率增加进行抗压强度试验。 资料在整理分析时，抗压强度r c 按下式计算： r f p a = o 0 5 6 6 p ( i p a ) 式中：p 试件破坏时的最大压力( k n ) ； 使试件的形变以约 ( 2 1 ) a 一试件的截面积，a = d 2 4 ，d 为试件的直径( c m ) 。 2 劈裂强度试验 将养生至规定龄期且饱水2 4 h 后的试件放到路面材料强度试验仪升降台上，使试件的 形变以1 哪m i n 的等速率增加进行劈裂试验。 劈裂强度r i 按下式计算： r ；象- o - 0 0 4 ”8 号却0 2 7 8 5 3 3 p ( 2 吨) 积hh 1 式中：p 试件破坏时的最大压力( k n ) ； h 浸水后试件高度( m ) 。 3 抗压回弹模量试验 本试验按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 中有关顶面法规 定进行试件抗压回弹模量测试。 9 4 冻融试验 半刚性基层材料的冻融循环试验目前还没有统一的实验规程。材料的抗冻能力可以用 经受冻融循环的次数和经受一定次数冻融作用的强度损失来表征，但是这些指标与冻融方 法有关。 将养生至规定龄期的试件饱水一昼夜后，在一2 0 冰箱内冻1 6 h ，取出放在2 0 水中 融化8 h ，此为一循环，经5 次冻融循环后的饱水抗压强度与未经冻融循环的试件饱水抗 压强度的比值称为抗冻系数，即： 精冻系豹：蔓堡丝堡壁堡墅亘塑丝查垫里塑鏖 “、” 试件未经冻融循环的饱水抗压强度 5 抗弯拉强度试验 试验在m t s 8 5 0 材料试验机上进行，采用三分点加载测试。按下式计算抗弯拉强度r w ； 凡= 筹0 0 0 0 3 p ( 2 - 3 ) 式中：p 试件破坏时最大压力( n ) ； 卜一试件长度( 舢) ； 矗试件宽度( 嘲) 。 _ j 图2 1 抗弯拉强度试验示意圈 2 2 2 水泥稳定碎石其他路用性能指标测试 一、抗冲刷试验 本文冲刷试验采用课题组自行研制睁动水压力对带裂纹沥青路面下半刚性基层冲刷 作用模拟实验机”进行，简称冲刷仪。具体机械构造及试验方法如下： 1 机械构造 机械部分的结构如图2 2 所示。整个机械系统的动力由异步电动机产生，为了能够 较真实地模拟实际碾压过程，需要随时改变电机的转速，从而可以方便地调节加压频率。 我们选择了变频调速方式，使用变频器来控制电机的转速，具有调速迅速、调节范围宽的 特点，能够较好的满足试验要求。 电动机带动凸轮转动，压力通过凸轮下面的杆和弹簧系统传递给试件。在杆2 和杆3 之间接有传感器，可以及时将压力信号转换为电信号，传递给数据采集系统进行处理和显 刁io 滚动轴 图2 2 冲刷试验仅构造原理图 圈2 3 冲刷试验进行状态 用弹性模量e - 】o o 1 5 伽p a 的圆形橡胶板模拟沥青路面。橡胶板直径为1 5 0 啪，厚度 为2 5 3 0 唧，并在橡胶板中间开一个宽2 4 舢，长5 0 6 0 啪的长条形缝隙。在橡胶板下 面放入做好的基层试件，构成了一个逼真的路面路基模型。用钢制平面压板对橡胶板的冲 压模拟汽车轮胎对沥青路面的碾压。盛放试件的筒座下面有调节螺栓，通过调节筒座高度 来改变试件受到的压力，以便更真实地模拟实际中不同的载荷作用。 2 试验方法 冲刷试验采用由1 5 h 1 5 c m 的试件，在标准养生环境下养生9 0 d 。试验时将试件在养 生到期的前一天浸水，饱水2 4 h 以后，从水中取出，拭干表面的水分，称重。把准备好的试 件放在冲刷仪器的铁筒中，向钢桶中注入清水至刻度线处，设置施力状态，其中作用力的 大小为o 7 m p a 、电动机作用的频率1 8 h z 。在设置好的状态下开始试验，并以3 0 0 0 次作为 一个时段。当第一个时段的冲刷完成后，将试验中冲刷下的细泥浆小心地倒入第一个金属 盆中进行沉淀，然后重新向钢桶中加入清水，继续作第二个时段的冲刷试验；做完后再将 冲刷物倒入第二个金属盆中沉淀，如此进行，应做满n 个时段的冲刷试验。本文采用两个 时段6 0 0 0 次为标准。试验完成后，将所有冲刷物沉淀1 2h 后将盆中上部的清水小心地倒 出，剩下的沉淀物放入烘箱中烘干，然后称重并记录试验结果。 二、收缩试验 温缩收缩系数和干燥收缩系数均采用电阻应变计测试。 1 温度收缩系数测定 电阻应变计常应用于测试材料的收缩应变，其精度较高，能达到1 0 4 m 。 试件由静压法在最大干密度和最佳含水量条件下制成1 0 l o 4 0 姗中梁，在2 0 2 ，养生湿度9 0 条件下养生。 将到达养生龄期的试件提前一天取出后，用与混合料中所用结合料一致的比例来跳配 水泥浆，并用其仔细的涂抹在试件准备粘贴应变片的位置，水泥层的厚度应在保证局部消 除麻面的前提下尽可能的薄。处理完之后，放入养生室养生一天，取出试件，在摸有水泥 浆的地方用细砂纸轻轻打磨，直至露出试件表面材料为止。然后用毛巾把表面擦拭干净， 并称量试件重量，在电阻应变计上涂上“哥俩好”家庭便利胶，并迅速平铺在磨光的光 滑面上，带上塑料手套，轻轻抹平应变计。待粘合剂把应变计粘合以后，为防护应变片及 防止测试零漂，用防潮剂( 机油、松香和石蜡按照1 ：2 ：2 比例调配) 均匀涂在应变片表 面和应变片外部分。待防潮剂表面初凝以后，用塑料薄膜密封试件，然后接线，用电阻表 进行电阻调试。每个试件粘贴两个应变计，调试初值稳定后，再将试件放入高低温试验箱 中。接着，按预定开始温度一3 0 恒温4 h 后，测试各个应变片的应变。待完成后即以温 差t = 5 升温，待升至t ；= t 。+ t 后，恒温后开始采集数据，依次类推直到测试温度 t = + 3 0 为此。试验开始跟结束以后都应该称量试件的质量，以测定试件的含水量变化幅 度。为了保证每个温度区问内有足够的变化时间，每次升温后，恒温过程为2 h 。计算单 位温度变化所产生的应变值，即若每一温度区间( 例如从t i 到1 。) 测定的材料温度收缩 应变相应为e 。和e 。，则该温度区间内平均温缩系数a 。 a 一2 糟协筹 。叫 式中：卜温差( ) ； t 内应变差； b 一标准材料的温度收缩系数( pe ) ；本文的标准材料经西安电磁研究所技术 标定，在t = o 8 0 0 内，芦= 0 3 o 3 4 l 旷( 1 ) 。 2 干燥收缩系数测定 试件成型方法和温度收缩试验方法相同。待试件成型以后，养生6 天，然后按照温缩 系数测定的试件表面处理方式进行处理，养生至7 d 以后，应从养生室搬出后，立即粘贴 应变片，具体操作方法跟温缩试验方法一致。为缩短试验时间，高低温试验箱应预先打开， 并使箱内温度维持在4 0 。被保鲜膜包裹的时间在试验箱内放置2 个小时后试件内部温 度也基本上达到4 0 ，此时小心撕去包裹在试件上的保鲜膜，开始干缩系数的测定。试 验开始后每隔8 个小时称量一次质量，并记录采集应变数据。称量试件时应轻取轻放，以 防试件掉渣，影响试验精度。本试验称重时尽可能采用精度较高的台秤。这一测试方法有 一个假设的理论前提：即近似认为相同配比、相同水泥剂量的3 个试件的饱水含水量和含 水量的散发速率是完全相同的。 同温缩测试相同，为了使实际测量时各方面不可避免的因素引起的随机误差对相同龄 期不同配合比的水泥稳定碎石同一批试件的测试精度的影响( 即方差仃2 ) 基本一致，尽 量将相同龄期的一批试件一次性地进行测试，这样测量数据才更具有可比性。 干燥收缩系数a 。指每单位含水量变化时的应变值，故取每两次测定的含水量w 。、w 。 及计算j ：寻出的应变e 。、e 。，进行计算可得n 。 口；尘二生( 2 6 ) m + l m 将n 。；近似认为是在含水量w ，和w ，+ 。之间的干燥收缩系数，即用平均值代替真值。 第三章水泥稳定碎石基层体积设计方法研究 基层是我国高速公路半刚性基层沥青路面结构的主要承重层，基层的成败之间关系到 整条道路的成败。高耐久性的基层材料对我国高速公路建设质量的提高其意义是十分重大 的。本章在规范推介的悬浮级配的基础上，对纯水泥、水泥粉煤灰、水泥石灰粉煤灰稳定 碎石三类材料进行了全面的试验研究；研究了体积设计法不同预留空隙率对混合料路用性 能的影响并与常规方法进行对比。最终通过综合路用性能比较，推介综合路用性能最佳的 混合料类型及其配比并对体积设计法应用于水泥稳定碎石材料其预留空隙率提冉建议值。 3 1 研究方案 3 1 1 研究方案 本章对上述采用体积设计法和常规方法设计的三类不同配比的共七种混合料进行了 力学性能、抗裂性能、抗冲刷性能等方面的路用性能试验，研究目的立足于提高水泥稳定 基层材料的路用性能，以水泥稳定碎石基层、水泥粉煤灰稳定碎石基层和水泥石灰粉煤灰 稳定碎石基层为研究对象，采用规范骨架密实结构级配中值。采用体积设计法和常规击实 的方法设计，通过室内试验考察它们的强度、刚度、收缩和冲刷等性能，研究各种水泥稳 定碎石基层的各项路用性能的情况。通过多指标评价体系评价并推介综合路用性能最优的 水泥稳定碎石混合料类型及其配比，并对体积设计法加以完善。 3 1 2 集料级配组成及含量研究 3 1 2 1 级配选择 为了研究各种水泥稳定基层的路用性能的优劣，本试验选用规范骨架密实级配中值为 使用级配。 襄3 1 级配方案 筛孔尺寸( m ) 3 1 51 99 54 佰2 3 6o 6 0 0 7 5 规范上限( ) 1 0 08 65 8 3 22 81 5o 规范中值( ) 1 0 07 74 8 2 72 21 1 5o 规范下限( ) 1 0 06 83 8 2 21 680 目标级配( ) 1 0 07 74 8 2 72 21 1 50 3 1 2 2 集料含量 混合料组成中，集料含量和结合料剂量是相对的。结合料的剂量太低，则不能成为半 刚性材料。剂量太高则刚度太大，容易脆裂。实际上，限制低剂量是为了保证整体性材料 具有基本的抗拉强度，并且满足荷载作用的强度要求。 从多年的实践经验来看，按规范要求做山的配合比结合料剂量往往偏高，集料含量偏 低。一些骨架密实结构的稳定碎石基层材料试验表明，增加混合料的集料含量，突破松排 骨架中集料的用量极限，可以减小收缩系数，提高混合料的抗裂性和抗疲劳性能。 在室内试验中，为了达到提高集料含量的目的，且与当前公路设计和施工现状相接轨， 本文提出了按捣实或人工振实来确定集料的含量。即以捣实密度或振实密度来计算集料的 含量和结合料的剂量。 3 1 3 混合料组成 3 1 3 1 体积设计法 集料含量和结合料配合比独立设计，混合料的组成由体积比来确定，故可命名为体积 设计法。通过捣实或振实密度来确定混合料的集料含量，突破松排骨架中集料的用量极限。 再以最大干密度的结合料来填充连续级配集料间的空隙，以最小量的填隙料获得最大的填 隙率。提高混合料的最大干密度，从而改善混合料的力学性质，提高水泥稳定基层各方面 的性能指标。 结合料的剂量并不来源于混合料的击实试验，而是根据级配的空隙率推算其应填充的 体积。至于具体配合比例，由结合料强度试验决定。在做结合料强度试验时，仅仅将结合 料按常规的静压法成型巾5 h 5 c m 试样，再测试其强度。最后根据强度和经济指标确定具 体配合比例。 其设计流程如下： 将具有定级配的集料，在不加结合料的情况下，对其进行振动( 或捣实) 试验，然 后量测振动条件下的密度，计算集料的空隙率： v 。= l pz ps( 4 1 ) v 。集料的空隙率 pz 集料的振实密度( g c m 3 ) ps 集料的视密度( g c m 3 ) 1 6 根据算得的空隙率，求得集料的体积和质量，将此体积用击实条件下最佳含水量的结 合料填满，从而获得方程为： v j = 1 v t( 4 2 ) v j 集料的体积( c m 3 ) m j = v j pz ( 4 3 ) m j 集料质量( g ) 根据以上两个方程即可分别得出结合料的体积及结合料的质量，即： v n = v 。( 4 4 ) v h _ 结合料的体积( c m 3 ) m h = v ph ( 4 5 ) p 。结合料的密度( g c m 3 ) 啦- 一结合料的质量( g ) 3 1 3 2 混合料试验方案 根据研究方案，本章试验总共采用7 种混合料组成。为了更好地考察新的设计方法和 不同配比混合料对路用性能的效果，编号c 混合料组成按照规范设计方法设计，根据实际 经验水泥剂量取5 ，其路用性能即能满足规范要求。其他混合料中为保证一定的强度， 水泥剂量固定为3 ，石灰与粉煤灰的比例均为1 ：4 ，结合料剂量按照体积设计法预留不 同空隙率设计。 本章混合料均采用粉煤灰作为填充料对集料空隙进行填充。但事实上不可能用粉煤灰 填满所有的空隙。由于集料排列的空间结构理想中与实际情况存在较大差距，全部填满将 导致集料骨架被撑开，失去了体积法设计混合料的意义。那么对相同的集料、相同的级配， 是否存在一个最佳的填充比例，使得混合料具有较佳的路用性能? 为此，本章设计了如下 七种混合料。 表3 2 混合料设计方案 结合料类型 水泥剂量 编号水泥：粉煤灰：集料 纯水泥5 c 5 ：1 0 0 水泥粉煤灰 c f l 3 ：l l ：1 0 0 3 c f 23 ：7 2 ：1 0 0 ( c f ) c f 33 ：3 3 ：1 0 0 1 ) c f 按研究方案，对c f g 采用规范推荐范围的骨架密实级配中限，采用体积法设计混合料 的组成，简称为c f l 、c f 2 和c f 3 。设计结果见上表： 2 )c 集料级配采用规范推荐范围的中值，按规范设计方法来确定水泥剂量。根据规范要求， 试件7 d 无侧限抗压强度大于3 m p a 为合格。考虑到目前基层路用性能中刚度和材料的收缩 性能是关注的重心，所以选取符合强度要求的较低剂量5 。 袭3 3 混合科击实试验结果 l结合料剂量最佳含水量( )最大干密度( g c m 3 ) l s 4 62 3 4 3 1 4 混合料路用性能 3 1 4 1 力学性能( 图表数据均采用平均值) 强度特性研究内容包括抗压强度、劈裂强度和抗弯拉强度。 表3 - 4 抗压强度、劈裂强度试验结果 龄期 项目cc f lc f 2c f 3 7 d 抗压强度平均值 4 0 63 4 24 1 42 0 3 劈裂强度平均值 o 3 3o 5 4o 3 9o 2 3 2 8 d 抗压强度平均值 4 3 26 o l6 4 34 3 2 劈裂强度平均值 0 3 51 0 80 9 10 4 7 围3 1 抗压强度 由材料的抗压强度试验结果可得出下列结论： ( 1 ) c f l 、c f 3 的7 天强度均明显低于c 的7 天强度。c f 3 的7 天强度不符合规范要求。 1 8 c f l 、c f 2 的2 8 天强度明显高于c 的2 8 天强度。 ( 2 ) c 的2 8 天强度为7 天强度的1 0 6 倍，而c f l 、c f 2 为c 强度的1 5 5 2 1 3 倍 且为c 的1 4 1 5 倍，后期强度增长明显。 ( 3 ) 2 8 d 强度排序为：c f 2 c f l c c f 3 。 图3 - 2 劈裂强度 倍。 由材料的劈裂强度试验结果可得出下列结论： ( 1 ) 各种配比的材料的劈裂强度随龄期的增长而增大。c f l 、c f 2 、c f 3 水泥剂量相同。 ( 2 ) 在相同龄期和养护条件下，劈裂强度随着粉煤灰剂量的增加劈裂强度增加。 ( 3 ) c 随着龄期的增长，劈裂强度增长不明显，而c f l 、c f 2 、c f 3 劈裂强度增长到2 2 ：7 1 ( 4 ) c f 2 效果比较好，同时也能满足经济性的要求。 ( 5 ) 2 8 d 劈裂强度排序为：c f l c f 2 c f 3 c 。 表3 5 抗弯拉强度试验结果 l 2 8 d 抗弯拉强度( 胛a ) cc f l c f 2c f 3 i 代表值 o 7 1 6o 8 9 50 8 4 4 0 4 2 6 l 平均值 0 7 9 51 1 9 81 1 0 lo 6 1 7 ( 1 ) c f l 、c f 2 、c f 3 水泥剂量相同，相同龄期和养护条件下，抗弯