（道路与铁道工程专业论文）基于胶浆理论的水泥稳定砂砾组成设计参数及骨架状态评价指标研究.pdf

摘要 针对水泥稳定砂砾基层材料组成设计参数对路用性能的影响这一问题，本文 在查阅大量国内外文献，掌握了有关该问题的国内外研究现状及动态的基础上， 从材料组成设计参数和骨架结构评价两方面入手，通过大量室内外试验研究和理 论分析，对水泥胶浆富余量和粗集料粒径间距对水泥稳定砂砾基层路用性能的影 响进行了深入研究，建立了水泥胶浆富余量与路用性能的回归关系式，并推荐了 合理的富余量范围。本文还对粒径间距特别是平均粒径间距与路用性能进行了相 关性分析，建立了平均粒径间距与水泥胶浆富余量的回归关系式，进而引出了骨 架面积指数的概念，为水泥稳定砂砾基层设计及施工提供了评价集料骨架状态的 实测指标。 关键词：水泥稳定砂砾基层密实骨架结构胶浆富余量路用性能 粒径间距骨架面积指数 a b s t r a c t b a s e do nt h ec o n s u l t so fd o c u m e n t sa th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h e i n n u e n c eo fb a s ec e m e n t s t a b i l i z e d 掣a v e lt ot h ep e r f o 咖a n c e0 fp a v e m e n t s t u d i e s w e r ec o n d u c t e df r o mm i x t u r cd e s i g na n dt h ee v a l u a t i o no fs k e l e t o ns t m c t u r e ，w i t hl o t s o ft h e o r c t j c a la l l a 】y s j s ，c o m b j n e dw n hj n d o o r 柚do u t d 0 0 r t e s t j n g ， s t u d j e sw c r c c o n d u c t e do nt h ei n n u e n c eo f 掣a i ns p a c i n ga n dc e m e n tm u c i l a g e - s l a c k m e a s u r ct ot h e p e r f o 咖a n c eo fc e m e n t - s t a b i l i z e d 孕a v e lb a s e c o u r s ea n dt h er e g r c s s i o nf o 丌i l u l a b e “v e e nc e m e n tm u c i l a g e s l a c k - m e a s u r ea n dp a v e m e n tp e r f o 加a n c ew a sc r e a t e d t h e p m p e rr a i l g eo fc e m e n tm u c i l a g e - s l a c k - m e a s u r ew a sa l s or e m m e n d e di nt h i sp a p e l t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e 酽a i ns p a c i n go fc o a r s ea g 口e g a t e ，e s p e c i a l l ya n a l y z e dt h e c o 丌e l a t i o n sb e t 、v e e na v e r a g eg m i ns p a c i n g 卸dp a v e m e n tp e r f o 加a i l c e ，c r c a t e dt h e r c g r e s s j o nf o 珊u l ab e t w e e na v e m g cg r a i ns p a c i i l g 柚dc e m e n tm u c i l a g e s l a c k m e a s u r c ， b a s e do nw h i c hs k e l e t o n a r e a j n d e xw a si n t r o d u c c da i l dt h i sc a i lp r o v i d ei n d e xf o r c v a l u a t i n gt h es t a t eo fa g 孕e g a t es k e l e t o nf o rd e s i 印a i l dc o n s t n l c to fc e m e n t s t a b i l i z e d 擘a v e lb a s e k e yw o r d s ： t h ec e m e n t s t a b i l i z e dg r a v e ib a s e ；d e n s es k e l e t o ns t n l c t u r e ； m u c i l a g e s l a c k - m e a s u r e ；m a dp e f f o n i l a n c e ；伊a i ns p a c i n g ； s k e l e t o n a r e a i n d e x 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已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或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：乃i - ；襞f 辱沁，年厂月亿日 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的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人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：朗、浓彳荤 导师签名八辛尝 年f 月，l 日 功6 年6 刚据 警 第一章绪论 1 1问题的提出及研究意义 进入8 0 年代以来，随着我国经济的迅速发展，高等级公路的里程不断增加1 7 】o 为了适应高等级公路重交通、重载对道路的要求，一种以无机结合料稳定粒料( 土) 类为基层，沥青混凝土为面层的所谓“半刚性路面”被大量应用于高等级公路路 面。为此，国家于“七五”科技攻关项目中专门立项对其进行研究，并已取得大 量成果。 “半刚性路面”用于重交通路面结构具有其合理性【5 l ，其优点表现在： 1 、具有较高的强度和承载能力。一般来说，半刚性基层材料具有较高的抗压 强度和抗压回弹模量( 常介于5 0 0 3 0 0 0 m p a ) ，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，因此半刚性沥青路面通常具有较小的弯沉和 较强的荷载分布能力。目前，国内大多数高速公路路面结构在使用期内不同时期 的代表弯沉值均在2 0 ( 1 1 0 0 m m ) 以内。因此，半刚性沥青路面适宜于重交通道 路。 2 、半刚性基层刚度大，使得其上沥青面层的弯拉应力值较小( 一般 v c a m 【2 3 1 ，该指标与混合料路用 性能间相关性较差；且该指标仅对应混合料在设计时的状态，而实际试件制备会 由于多种因素导致材料内部排列组合形式发生较大改变，因而缺少根据实测结果 反映骨架结构组成性能的评价指标及标准。 1 3 研究思路及研究内容 l 、研究思路 水泥稳定砂砾混合料的材料组成是影响其使用性能的最主要的因素。为使水 泥稳定砂砾获得较高的早期强度及强度增长潜力、较好的使用性能，应具有以下 理想状态：压实成型的混合料中，粒径大于5 m m 的粗集料形成骨架结构，水泥及 细集料组成水泥胶浆混合物填满骨架空隙，并且将骨架结构撑开一定程度，粘结 成稳定的整体。 胶浆用量是粗集料骨架结构的主要影响因素，只有严格控制该指标，才能确 保密实骨架结构的形成，但从填充理论出发所提出的胶浆用量仍有待实践进一步 验证。 此外，考虑到骨架结构被撑开后，此时粗集料悬浮于水泥胶浆中，反映到单 个骨料颗粒表现为骨料颗粒间距的增大， 余量指标与粗集料的粒径间距密切相关， 这表明混合料组成设计参数胶浆富 因此研究提出用粗集料颗粒间距反映撑 开程度，即与胶浆富余量加以联系，据此提出粗集料粒径间距的概念，分析集料 粒径间距与路用性能的关系，并进一步提出粒径间距实测指标一骨架面积指数，建 立骨架面积指数与胶浆富余量的回归关系式。 2 、研究内容 本研究以水泥稳定砂砾为研究对象，技术路线采用：资料收集和室内试验研 究相结合；理论分析与室内试验相结合：测定试验材料的技术性质及各种不同的 路用性能；在分析室内大量试验数据的基础上，对综合路用性能与材料组成参数 及骨架状态的关系进行评价研究，主要研究内容包括： 1 ) 原材料性质分析： 2 ) 水泥稳定砂砾配合比设计研究： 3 ) 室内试验方案的确定； 4 ) 水泥稳定砂砾路用性能与材料组成设计参数的关系研究： 5 ) 水泥稳定砂砾骨架状态评价指标研究： 6 ) 基于胶浆理论的配合比设计方法研究； 7 ) 试验路工程。 第二章试验方案设计与试验方法 2 1 试验方案设计 2 1 1 原材料的选用 1 、水泥 选用大同水泥集团有限公司生产的草原牌普硅水泥，强度等级为3 2 5 ，其具 体技术指标见表2 一卜l 。 表2 一卜1水泥的技术性质测试结果 材料 3 d 强度( m p a ) 细度 标准稠度凝结时间 安定性 用水量 名称 抗压抗折 ( ) 初凝 终凝 ( m 1 ) 草原 4 小时1 66 小时1 4 3 2 5 级 1 6 93 5 合格 2 41 4 5 分分 水泥 2 、砂砾的选用 砂砾选用内蒙地区吴家塔河产的天然砂砾，首先对原材料进行筛分试验并测 试每档材料的表观密度，得到其级配组成及表观密度，见表2 一卜2 、2 一卜3 与图 2 1 1 。 表2 一卜2天然砂砾级配表 、筛孔( ) 精号 3 1 52 6 51 99 54 7 52 3 6o 6o 0 7 5 砂砾 l o o9 7 9 88 3 9 5 6 6 3 05 4 0 94 5 9 13 1 9 3o 8 3 规范值 l o o9 0 1 0 06 7 9 04 5 6 8 2 9 5 0 1 8 3 88 2 2 o 7 表2 一卜3不同粒径集料的表观视密度 规格 3 1 5 2 6 5 9 5 4 7 5 2 3 6 0 6 1 9 9 5 ( 帅) 2 6 51 9 4 7 52 3 6o 6o 0 7 5 表观密 度 2 6 3 92 6 3 92 6 1 32 6 4 l2 6 4 5 2 6 3 92 7 0 4 ( g c m 3 ) 图2 一卜1天然砂砾筛分曲线图 2 1 2 集料级配设计 1 、方案卜采用交通部二灰砂砾基层综合路用性能及配比设计研究课题 中推荐的级配上限方案，方案代号j p l ； 2 、方案2 按照最大密度曲线理论，取n = 0 4 5 ，方案代号j p 2 ： 3 、方案3 一采用规范中值，方案代号j p 3 ； 4 、方案4 一采用天然砂砾级配为对比方案，方案代号j p t ： 各方案的集料级配见表2 一卜4 与图2 一卜2 ： 表2 一卜4试验方案集料级配表 、筛孔( m ) 龙号 3 1 52 6 51 99 54 7 52 3 6o 60 0 7 5 j p l1 0 08 57 05 34 03 52 l5 j p 2 1 0 09 0 97 5 75 1 73 5 32 4 01 1 33 6 j p 31 0 09 57 8 55 6 53 9 52 81 53 5 j p t 1 0 09 7 9 88 3 9 56 6 35 4 0 94 5 9 13 1 9 3o 8 3 规范上限1 0 01 0 09 06 85 03 8 2 2 7 规范下限 l o o9 06 74 52 91 88o 图2 一卜2试验方案集料级配曲线图 2 1 3 试验方案设计 选取上述四种集料级配j p l 、j p 2 、j p 3 、j p t 与4 ，5 ，6 三种水泥剂量 进行击实试验【l l ，试验结果见表2 一卜5 。 表2 一卜5水泥稳定砂砾击实试验； 配合比 水泥剂量( )最大干密度( g c m 3 ) 最佳含水量( ) j p l 2 3 2 3 5 5 7 l、 j p 2 2 3 2 34 9 8 9 4 j p 3 2 2 7 55 6 9 1 j p t2 2 8 1 5 7 3 3 j p l 2 3 3 05 8 7 5 j p 22 2 9 3 5 7 7 4 5 j p 3 2 3 0 l5 4 8 7 j p t 2 2 9 15 8 8 7 j p l 2 3 2 45 3 5 7 j p 2 2 3 2 05 2 2 7 6 j p 3 2 2 9 65 4 1 7 j p t2 2 9 75 9 1 3 根据以上击实结果成型( b1 5 c m h 1 5 c m 试件，测试其7 d 抗压强度见表2 一卜6 。 表2 一卜6水泥稳定砂砾7 d 抗压强度表 方j p l 一j p 2 j p 3 j p t 一j p 卜j p 2 j p 3 j p t 一p 卜j p 2 j p 3 j p t 一 案444455556666 强 27 325 32 2 62 3 83 6 33 3 63 4 9 2 8 340 23 7 83 8 73 5 9 度 从表中可以看出，水泥用量为4 的各级配7 d 抗压强度均不满足规范的要求， 不能应用于高等级公路的基层，水泥用量为5 的各方案7 d 强度均满足要求。因 此确定研究的水泥用量采用5 ，试验方案代号分别为j p 卜5 ，j p 2 5 ，j p 3 5 ，j p t 一5 。 2 2 试验方法 1 、力学性能试验 试件均按最大干密度和最佳含水量采用静力压实法制备，并进行标准养生。 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、抗弯拉强度及回弹模量试验、疲劳试验采用1 0 c m 1 0 c m 4 0 锄的中梁试件。 1 ) 无侧限抗压强度试验【1 l 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 ) 中的规定 进行，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，使试件以约 l m l i l m i n 的等加载速率进行抗压强度试验。 抗压强度r c 按下式计算： r c = p a = 0 0 5 6 6 p ( m p a )( 式2 2 1 ) 式中：p 一试件破坏时的最大压力( k n ) ； a 一试件的截面积：a = 廊2 4 ，d 为试件的直径( c m ) 。 2 ) 劈裂强度试验【1 】 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 ) 中的规定 进行，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， 然后在试验过程中，保持使试件以约l m m m i n 的等加载速率进行劈裂试验。 劈裂强度r i 按下式2 2 2 计算： r = 等= o 0 0 4 1 7 8 告：o - 0 2 7 8 5 3 3 p ( 式2 2 2 ) 1 磁hh 1 式中：p 一试件破坏时的最大压力( k n ) ； 1 0 盱一试件高度( m ) 。 3 ) 抗压回弹模量试验1 1 】 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。 4 ) 抗弯拉强度和抗弯拉模量试验 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，并用电测法进行 加载卸载测试模量。按下式2 2 3 计算抗弯拉强度r w ： 凡。等_ o o 0 0 3 p ( 式2 - 2 _ 3 ) 式中：州件破坏时最大压力( n ) ； 卜一试件长度( 唧) ： 一试件宽度( 姗) 。 抗弯拉回弹模量的计算见式2 2 4 ： 驴悬= 0 0 0 0 ( 船z - 4 ) 式中：p 一试件所加分级荷载( n ) ： j 试件在对应荷载作用下所测得的应变值。 2 、收缩性能试验 。 1 ) 温度收缩系数测定 将养生至预定龄期的试件在4 0 温箱中烘至恒重，然后将被测试件与标准材 料温度补偿试件以半桥法接入应变仪中，再将被测试件与标准补偿试件放入恒温 箱中。接着按预定开始温度2 5 恒温2 h 后将全部测点平衡至零。待完成后即以温 差t 降温，待降至t i = t i 1 一t 后，恒温2 h 然后采集数据，依次类推直到测试 温度t = 一2 5 为止。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t i + 1 ) 测定的材料温度收缩应变相应为s ；和s 。，则该温度区间内平均温 缩系数口。： 驴5 等惫帆： 式中：t _ 一温差( ) ： 一t 内应变差； b 。2 _ 一标准材料的温度收缩系数( “) ； k 。一应变仪灵敏系数； kt 一实际所用应变片的灵敏系数。 2 ) 干燥收缩系数测定 在最佳含水量和最大干密度的条件下，利用静压法成型中梁试样( 尺寸：l o c m l o c m 4 0 锄) 。试验中利用千分表在三角支架上测定刚成型试件的干缩量，原 因在于般认为温缩主要发生在后期，尤其是温度变化较大的季节，而干缩主要 发生在早期，所以为了测定试件早期水分散失与干缩量的关系，可采用此法。该 方法是将试件放在试验室内，上下面均需要整平( 如放上玻璃片) ，把千分表固定 在其表面，在常温下让水分自由散失，每天称试件的重量，直到水分散失尽( 即 试件重量不再明显减少) 为止，最后确定干缩系数以及干缩率。 半刚性基层材料的干缩性能主要以干缩应变。和平均干缩系数两个指标 来衡量： 。：竺( 式2 2 6 ) 白2 _ l az z e ， 旷孟 ( 式2 _ 2 - 7 ) 式中：s 。由于水分损失引起的试件单位长度的收缩量( 1 0 。6 ) ； 在某失水量，试件的干缩应变与试件的失水率之比( 1 0 “) ； 4 工含水量损失w 时，试件的整体收缩量( l o 唧) ； 试件的整体长度( 咖) ； 4 ”r 一失水率( 即失水量与试件的干重的比值) 。 3 、其它性能试验 1 ) 抗冲刷试验 采用长安大学自行研制的冲刷仪进行【2 7 】。对于抗冲刷试验而言，为了能够模 拟道路基层在实际中受冲刷的情况，试验装置应当能满足以下要求： 试验装置必须提供激振源用来模拟路面行车对基层的作用力。 为了进一步对基层所受的冲刷作出定量的研究，试验装置须在提供作用力 时能够对作用力的大小和频率作出准确地控制。 利用该试验装置作出的试验结果必须有足够的稳定性，即同组试验结果的 变异性应较小。 为了满足上述要求，在试验装置的设计中确定了以下原则： 作用在试件上的力应自上而下施加在试件顶面，力的大小和频率可独立施 加和控制。 为了避免试件在冲刷过程中因自身质量的损失对试验结果带来影响，应该 将试件固定起来。 该方法同样是根据击实结果，在最佳含水量和最大干密度的条件下，成型 中1 5 c m h 1 5 c m 圆柱体。此处采用9 5 的压实度，这样做的目的是为了增大其冲刷 量。该冲刷仪的特点是模拟行车荷载对路面基层产生的冲刷。 该试验方法是将试件在标准条件下养生9 0 天，泡水2 4 小时，然后将其固定 在冲刷仪上，加入适量的水，使液面超过试件顶面5 哪，然后开启电源，进行冲刷 试验，2 0 分钟后将试件取出，收集冲刷桶里的剩余物并烘干称重，可计算其冲刷 量。具体计算见式2 2 8 所示。 w = g ，i( 式2 2 8 ) 式中：、卜单位时间内的冲刷量( g m i n ) ： e t 时间内的冲刷重量( g ) ： t 冲刷时间( m i n ) 。 2 ) 疲劳试验 疲劳试验在m t s 8 5 0 材料试验机上进行。由于汽车在路面上行驶，使半刚性 基层承受车轮加载、卸载多次重复作用，因此疲劳试验按试件经受重复的不变应 力模拟纯弯曲情况是不合适的，而采用交变荷载进行疲劳试验能够更好模拟半刚 性基层在随机动载下的挠曲状态，故本次疲劳试验施加荷载为正弦荷载，荷载作 用的频率为1 0 h z 。荷载循环特征值p 为： d ：堕 p m x 式中：p 一荷载循环特征值； 岛h 一作用在试件上最小荷载( k n ) ； p m 。一作用在试件上最大荷载( k n ) 。 基层是在荷载应力及温度应力和干缩应力共同作用下产生疲劳破坏，假设当 荷载应力卸除后基层所受温度应力和干缩应力的综合作用为三者共同作用时的1 0 ，亦即p = 1 0 。 试验时，调节m t s 上、下荷载，待示值稳定后，即进行交变荷载、交变幅度 为p 【i i i n 至p i i l a x ，如图2 2 1 所示。 d m 图2 2 1疲劳试验加载示意图 3 1 胶浆理论 第三章胶浆理论及基本概念 胶浆理论认为水泥稳定砂砾是一种多级空间网状结构分散系，即是以粗集料 为分散相分散在水泥胶浆介质中的一种粗分散系：同样砂浆是以细集料为分散相 分散在水泥介质中的一种细分散系【2 6 1 。这种理论认识的图解见图3 一卜l 所示： ，分散相粗集料 水泥稳定砂砾( 粗分散系) 广分散相细集料 l 分散介质水泥胶浆( 细分散系) 。分散介质水泥 图3 一卜1胶浆理论示意图： 细分散系中细集料为分散相，水泥为分散介质，也就是有一定级配的细集料 形成“骨架结构”，水泥用来填充空隙，并提供粘结强度，使水泥胶浆形成致密整 体，就可以使得水泥胶浆达到最优的性能。 粗分散系中粗集料为分散相，水泥胶浆为分散介质，也就是粗集料形成骨架 结构，水泥胶浆填充空隙，并将水泥胶浆形成的粘结强度传递于水泥稳定砂砾， 使其形成整体。所以，只要确定合理粗集料级配和水泥胶浆富余量，就可使混合 料达到最优性能( 目标路用性能) ，如图3 一卜2 所示。 细分散系 粗分散系 粗集料 + + 砂浆混和料 图3 1 2粗细分散相示意图 1 5 从上面描述不难发现，水泥胶浆富余量为零时，骨架结构最佳，但由于缺乏 细集料和结合料，此时混合料的早期强度以及疲劳性能很差，而随着水泥胶浆富 余量的增加，水泥稳定砂砾使用性能也随之发生改变，因此对应不同使用要求， 存在相应的最佳富余量值。而超过最佳富余量以后，混合料使用性能会有较为明 显的降低。 3 2 基本概念 l 、水泥胶浆富余量 水泥胶浆富余量的计算方法：该指标为水泥胶浆实际用量比形成密实骨架结 构所需的水泥胶浆理论用量多用的倍数，具体计算见式3 2 1 所示： 水泥胶浆富余量= c 柰鋈篆黼一) o o c 式。一z 一) 式中：水泥胶浆实际用量= 实际混合料确定的( 细集料质量+ 水泥质量) ； 水泥胶浆理论用量= 由形成骨架结构的骨料插捣孔隙率确定的( 细集料+ 水 泥质量) 。 2 、密实骨架结构标准状态 按照上述设计思想，在水泥稳定砂砾中，以粗集料形成骨架嵌挤结构，使空 隙率最小，以水泥胶浆填充骨料间空隙，形成密实结构，使整体混合料获得最大 的密实度。因此粗集料与水泥胶浆的适宜配比组成应该是： 单位体积的水泥稳定砂砾中含有单位体积插捣状态的粗集料；压实后密实的 水泥胶浆完全填充到粗集料骨架结构的空隙中。采用体积法计算水泥胶浆用量， 流程图见图3 2 1 所示： i 测试粗集料插捣密度、表观密度 士 l 计算粗集料在插捣状态下空隙率 上 i 计算填充空隙所需水泥胶浆用量 上 确定水泥胶浆理论用量 图3 2 1体积法计算水泥胶浆富余量流程图 将一定级配的粗集料，在不加结合料及细集料的情况下，测量其捣实状态下 的松方干密度p d r y ，计算其空隙率。 n ；( 1 一鱼竺) 1 0 0 式中：n _ 一空隙率( ) ； p m 松方干密度( g c m 3 ) ； 凡水泥稳定砂砾混合料中的砂砾表观密度( g c 时) 凡。再 计算式如下 a r 一组成中各档集料的重量百分率( ) ： p i _ 一各档砂砾的表观密度( g c m 3 ) 。 则水泥胶浆理论用量见式3 2 4 ： 水泥胶浆理论用量= 试件的总体积空隙率水泥胶浆的最大干密度 ( 式3 2 4 ) 3 j 合理胶浆富余量 根据混合料组成材料主要技术参数与混合料主要路用性能测试结果间的关 系，提出基于不同路用性能要求下的组成设计参数要求值是材料研究的最终目标。 在保证骨架结构的前提下，随着水泥胶浆富余量的增加，混合料使用性能也随之 发生改变，满足不同路用性能要求的胶浆富余量即为合理胶浆富余量值。 根据路用性能胶浆富余量关系，确定每种路用性能最佳值对应最佳富余 量a l ，a 2 ，并根据路用性能的规定范围b 1 b 2 ，确定合理富余量a 1 一b 1 ， a 2 一b 2 ，( 见图3 2 2 所示) 。 图3 2 2路用性能与富余量示意图 第四章水泥稳定砂砾组成设计参数与 路用性能测试及相关性分析 在确定了试验方案并对胶浆理论及基本概念有了一定了解后，本章将对各试 验方案的路用性能进行室内研究，分析胶浆富余量对各方案路用性能的影响，建 立它们之间的回归关系，并推荐出合理胶浆富余量范围。 4 1 水泥胶浆富余量计算 骨料级配确定后，也就确定了骨料孔隙率，然后确定出水泥胶浆富余量即可 建立水泥胶浆富余量与路用性能回归关系式，确定出不同路用性能要求下水泥胶 浆富余量的合理值范围。 通过式3 2 1 计算出实际状态下单位体积中水泥胶浆的用量，见表4 一卜1 所 刁k 。 表4 _ 卜1实际状态下单位体积内水泥胶浆用量汇总表 l 方案 配合比( 质量比) 单位体积( 1 c m l ) 中用量( 曲 混合料最大干屉佳含水 水泥粗集料细集料密度( g c 寸) 量( 帖 水水泥胶浆( 千) t p l 554 n6 n 冀r5 只7 5 o 1 3 7l ；0 4 9 j p 2 553 5 3 36 4 6 72 2 9 35 7 7 4 0 1 3 2o 9 2 5 j p 3 553 9 56 0 52 3 2 l4 5 8 70 1 0 61 0 3 3 j p t 一555 4 0 94 5 9 12 2 9 54 5 0 lo 1 0 31 3 5 6 通过式3 2 4 计算出标准状态下单位体积中水泥胶浆含量，见表4 一卜2 所示。 表4 一卜2标准状态下单位体积中水泥胶浆用量汇总表 配合比 糨集料昂大干密度水泥胶浆最 单位体积中用量( g ) 富余量 方案 水泥粗集料细集料 空隙 ( g c m 3 ) 佳含水量 水泥胶浆( 干)水用量 ( ) j p 卜554 06 02 9 72 5 3 81 0o 7 5 4o 1 1 93 9 1 j p 2 553 5 3 36 4 6 73 0 12 4 5 81 00 7 4 0o 1 1 72 5 o j p 3 5 5 3 9 56 0 53 1 22 4 3 6l oo 7 6 0o 0 8 2 3 5 9 j p t 一555 4 0 94 5 9 13 2 12 4 6 8l oo 7 9 20 0 8 97 1 2 4 2 力学性能测试及分析 4 2 1 抗压强度 按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 ) 方法测得的各方案 抗压强度见表4 2 一l 及图4 2 1 所示。 表4 2 1 水泥稳定砂砾各龄期抗压强度汇总表 强度代表值( m p a ) 变异系数( g ) ( ) 代号 7 天2 8 天9 0 天1 8 0 天7 天2 l 天2 8 天1 8 0 天 j p 卜53 6 35 6 47 4 79 6 79 88 34 5 1 0 2 j p 2 5 3 3 64 4 46 0 07 7 58 9 8 81 1 51 2 6 j p 3 5 3 4 94 6 56 7 88 1 2 l o 55 28 69 5 j p t 一5 2 8 33 9 94 8 5 5 7 87 65 69 87 6 图：4 2 1水泥稳定砂砾各龄期抗压强度对比图 四种方案的抗压强度均随着龄期增加而增长，但强度随龄期增长的幅度不同。 7 天和1 8 0 天抗压强度从大到小均为j p 卜5 j p 3 5 j p 2 5 j p t 一5 。综合考虑各龄期 的抗压强度，j p 卜5 方案为最优方案。 同时，从表4 2 1 还可发现，不同集料级配的水泥稳定砂砾在不同龄期的强 度互不相同，且差异很大。由于集料级配的不同，推荐级配的7 天抗压强度是 3 6 3 m p a ，而天然砂砾级配的7 天强度只有2 8 3 m p a 。 1 9 图4 2 2 是水泥稳定砂砾的无侧限抗压强度随龄期的变化规律图，强度变化规 律经回归处理结果见表4 2 2 ，a 为材料强度增长率，越大表明强度增长越快。 表4 2 2抗压强度参数变化规律 抗压强度r c = a 1 n ( t ) + b 材料名称代号 ab j p 卜51 7 8 5 lo 0 7 8 5o 9 7 1 3 j p 2 5 1 4 3 7 3o 3 8 0 7o 9 6 5 5 水泥稳定砂砾 j p 3 5 1 3 0 4 4 0 5 0 5 7o 9 4 2 4 j p t 一5 o 8 7 7 81 0 7 7 1o 9 8 8 5 公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 规定：高速公路、一级公路基 层材料要求7 天饱水无侧限抗压强度满足3 5 m p a ，底基层抗压强度要求相对较低。 测试结果显示j p 卜5 方案7 天强度最高，且后期强度增长较快，9 0 天强度就超过 了规范级配方案1 0 ，1 8 0 天强度超过规范近1 9 。说明此种方案混合料具有较高 的早期强度以及较高的后期强度增长潜力。 4 2 2 劈裂强度与抗弯拉强度 良好的基层材料不仅要求其有较高的抗压强度，还必须具备一定的抗拉强度， 而劈裂强度就是衡量抗拉强度的一个重要指标。依据公路工程无机结合料稳定 材料试验规程( j m j 0 5 7 9 4 ) 试验方法，各龄期的劈裂强度见表4 一z 一3 所示。 表4 2 3水泥稳定砂砾各龄期劈裂强度汇总表 强度代表值( 冲a )变异系数啦) 代号 7 天2 8 天9 0 天1 8 0 天7 天2 1 天2 8 天1 8 0 天 j p 卜5 o 2 7o 3 9 0 6 40 8 79 9 1 0 18 2 9 2 j p 2 5 o 2 2o 3 4 o 5 30 7 37 9 6 8 9 15 8 j p 3 5 o 2 60 3 7 0 5 90 7 87 8 1 0 5 8 18 9 j p t 一5 o 1 8o 2 6o 4 10 5 38 77 49 57 6 图4 2 3不同龄期各方案劈裂强度对比图 由表4 2 3 可知，不同集料级配的水泥稳定砂砾在不同龄期的劈裂强度是不 同的，其劈裂强度的增长也不同，但强度增长规律大致相同。 图4 2 4劈裂强度变化规律一 图- 4 2 4 是劈裂强度随龄期的增长曲线图。由图可以看出，劈裂强度随龄期 的变化规律基本上与无侧限抗压强度增长规律一致，不同级配的水泥稳走砂砾的 劈裂强度均随龄期的增加而增长。劈裂强度增长规律参数见表4 2 4 。 表4 2 4劈裂强度增长规律参数表： 劈裂强度r i - ”l i l f d + b 1 材料名称代号 abrr j p 卜5 0 1 8 1 3一o 1 3 6 0o 9 3 1 5 j p 2 50 1 5 2 30 1 1 5 1 o 9 4 1 2 水泥稳定砂砾 j p 3 5 0 1 5 7 9一o 0 9 0 9o 9 4 0 2 j p t 一5 0 1 0 6 8一o ，0 5 4 9o 9 5 0 9 由上表可以看出强度增长系数a 从大到小依次为j p 卜5 j p 3 5 j p 2 5 j p t 一5 ， 这说明各方案的劈裂强度增长速度j p 卜5 最大，j p t 一5 最小。 各方案9 0 天、1 8 0 天龄期抗弯拉强度结果见表4 2 5 所示。 表4 2 5 水泥稳定砂砾抗弯拉强度试验结果 龄期 9 0 d1 8 0 d 方案代号j p 卜5j p 2 5j p 3 5j p t 一5j p 卜5j p 2 5j p 3 5j p t 一5 抗弯拉强度 l5 l l 1 2 7 31 2 9 7o 8 7 71 6 5 41 3 9 7l _ 4 3 3o 9 6 5 ( m p a ) 图4 2 5 水泥稳定砂砾抗弯拉强度对比图 水泥稳定砂砾的抗弯拉强度在1 4 m p a 左右，且波动不大，远低于同龄期水泥 稳定砂砾的抗压强度。从图4 2 5 中可见各方案的抗弯拉强度从大到小的顺序依 次是：p 1 5 j p 3 5 j p 2 5 j p t 一5 。 设计方案j p 卜5 具有最高的劈裂强度和抗弯拉强度，而天然砂砾的方案j p t 一5 具有最低劈裂强度和抗弯拉强度。其一般规律是级配越粗，劈裂强度就越高，抗 弯拉强度也越高。 4 2 3 回弹模量 抗压回弹模量依据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 的顶面法进行测试，抗弯拉回弹模量借鉴了水泥混凝土的抗弯拉回弹模量测试方 法( 测试不同龄期试件) 。 1 、抗压回弹模量 不同龄期抗压回弹模量变化规律结果见表4 2 6 和图4 2 6 。 表4 2 6不同龄期抗压回弹模量及参数变化规律 不同龄期( 天) 的模量值( m p a )模量e c = 口l n ( f ) + 6 材料 代号 名称 72 89 01 8 0b j p 卜5 1 1 2 01 3 1 0 1 5 2 4 1 6 5 3 1 6 4 7 9 7 8 4 9 9 o 9 9 4 3 水泥稳定 j p 2 5 8 9 51 1 0 31 3 2 01 4 9 7 1 8 2 6 7 5 2 0 0 9 8 8 6 砂砾 1 4 7 9 87 0 3 3 8o 9 8 9 2 j p 3 5 9 8 71 2 1 51 3 4 01 4 8 7 j p t 一5 6 0 48 2 69 8 21 1 5 0 1 6 2 4 92 8 2 3 4o9 9 0 1 由表4 2 6 、图4 2 6 可见，抗压回弹模量增长规律同强度增长规律基本一致， 增长规律的解释是：稳定类材料刚度取决于原材料本身模量、反应生成物模量及 组成结构形式。初期由于反应刚进行，胶结料不足以使混合料成为整体，此时混 合料仍处于松散状态，刚度主要由组成结构及原材料本身模量决定，所以刚度很 低。随着反应的进行，胶结物不断生成，颗粒问结构逐步加强，所以刚度逐步增 大；往后由于反应不断减弱，胶结物生成量不断减少，刚度增长趋于平稳。不同 材料之间刚度大小以及其增长曲线不同主要是因为其结构状况不同、反应生成胶 t r 结物速度不同等引起的。 2 、抗弯拉回弹模量 水泥稳定砂砾抗弯拉回弹模量试验结果见表4 2 7 和图4 2 7 所示。 表4 2 7 水泥稳定砂砾抗弯拉回弹模量试验结果( 9 0 天) 代号j p 卜5j p 2 5j p 3 5j p t 一5 抗弯拉回弹模量m p a ) 3 3 1 92 4 5 13 0 1 32 0 5 7 试件个数( 个) 9999 变异系数( c “) 1 5 41 6 91 9 31 4 8 由表4 2 7 、图4 2 7 可见，水泥稳定砂砾的抗弯拉回弹模量介于1 9 0 0 m p a 3 5 0 0 m p a ，从大到小依次为j p 卜5 j p 3 5 j p 2 5 j p t 一5 ，其中对应于级配j p l 一5 方 案的抗弯拉回弹模量最大，是天然砂砾方案的1 6 倍。 4 2 4 水泥胶浆富余量与力学性能相关性分析 水泥胶浆的富余量与水泥稳定砂砾的力学性能密切相关，回归关系见图 4 2 8 图4 2 1 4 所示： 图4 2 87 d 强度一富余量回归关系曲线图4 - 2 99 0 d 强度一富余量回归关系曲线 图4 2 1 0 7 1 8 0 d 强度增长一富余量回归关系曲线图4 2 1 1 劈裂强度一富余量回归关系曲线 9 0 d 弯拉强度 l b 1 5 1 4 l3 7 7 1 2 li 二磊；丢；# 1 0 9 2 03 04 05 06 07 08 0 图4 2 1 2 抗压回弹模量一富余量回归关系曲线图4 2 1 3 弯拉强度一富余量回归关系曲线 图4 2 1 4 弯拉回弹模量一富余量回归关系曲线 由上图可以看出： 1 、水泥胶浆富余量与混合料在7 d 、9 0 d 龄期的抗压强度表现出很好的相关性， 表明水泥胶浆富余量对于水泥稳定砂砾混合料的抗压强度有较大影响。对应于早 期和后期强度均存在最佳的富余量，其值约为5 0 。 2 、强度增长与水泥胶浆富余量关系曲线表明，胶浆富余量大致在5 0 左右时 强度增长存在较大值，与单独考虑7 d 强度要求确定的富余量值大致相同。 3 、水泥胶浆富余量与混合料在9 0 d 龄期的劈裂强度、抗弯拉强度表现出很好 的相关性，表明水泥胶浆富余量对于水泥稳定砂砾混合料的抗拉强度有较大影响。 4 、水泥胶浆富余量与混合料在9 0 d 龄期的抗压回弹模量、抗弯拉回弹模量表 现出很好的相关性，表明水泥胶浆富余量对于水泥稳定砂砾混合料的刚度有较大 影响。 4 3 抗裂性能测试及分析 4 3 1 收缩开裂机理 水泥稳定砂砾材料组成不当，容易在温湿状况改变情况下产生开裂，而基层 一旦开裂，就会加速形成反射裂缝，或促进沥青面层由顶到底产生对应裂缝。裂 缝受到路表水下渗影响，在行车荷载作用下，将产生较大的动水压力，加速基层 和路基的破坏，最终导致路面的结构性破坏。 l 、干燥收缩机理 水泥稳定砂砾材料的干燥收缩是由于其内部含水量的变化而引起整体宏观体 积收缩的现象。水泥稳定砂砾材料之所以随含水量减少而发生干燥收缩，是因为 随含水量的减少，该材料依次经受了毛细管张力作用、吸附水和分子间力作用及 层问水作用。由于水泥稳定砂砾材料为多孔结构的材料，水以各种形式存在于其 内部：结构水( 层间水、结晶水等) ：表面吸附水( 结合水) ：以及包括材料内部 颗粒之间孔隙、胶结物和各种矿物团粒内部孔隙间的孔隙毛细水，这些水的蒸发 会引起材料宏观上的干燥收缩。因此影响其内部水蒸发的因素无疑也是影响整体 材料干燥收缩的因素。下面将分别论述干燥收缩的三个作用过程，即毛细管张力 作用、吸附水和分子间力作用及层间水作用： 1 ) 毛细管张力作用1 1 7 】 一般首先散失的是大孔隙中的重力水，这种形式的水分的蒸发引起水泥稳定 砂砾材料宏观体积的收缩较小，基本上可以不予考虑。接着就是毛细孔隙中水的 散失，这就涉及到毛细管张力作用。为了认清其作用机理，首先必须了解弯曲液 面的表面现象的物理实质，以及弯曲液面附加压力的大小与液体表面张力及液面 曲率半径之间关系。 根据胶体化学原理，液体和其蒸汽平衡时的压力叫饱和蒸汽压( p 。) 。当液面 处于水平状态时，在液面上的蒸汽压( p ) 低于pm ，就发 生液体的蒸发，反之就发生液体的凝结。而在水泥稳定砂砾 材料中液面并不处于水平状态，常处于曲面状。同时物理化 学理论也告诉我们，毛细管中的弯液面曲率半径的变化，使图4 3 1 弯曲液面系统 得毛细管曲液面的内外存在压力差4 p 。根据图4 3 1 弯曲液面系统进行推导可得 式4 3 1 ： 幻：堡：坐l n 旦 rm p o 式中：卜弯曲液面内外压力差，凸面为负，凹面为正， r _ 一水面曲率半径，指向水面外为负( m ) ； o 一液面表面张力( n m ) ； p 一曲面饱和蒸汽压( p a ) ； d 0 _ 一平面时水的饱和蒸汽压( p a ) ： t 一绝对温度( k ) ； p 一水的密度( 1 0 6 m 3 ) ； m 一水的摩尔质量( 1 8 咖0 1 ) ； r 一气体常数，r = 8 3 1 4 ( j m 0 1 k ) 。 方向指向液面外( p a ) 由上式可以看出，在恒温下p 是p p 0 的函数。p 随相对湿度的减少而增大， 也就是说相对湿度越小，毛细管越细，毛细管张力也就越大。因此随着干燥的进 行，毛细管中的液面曲率半径不断变小，干燥收缩率ad 也就越大。在w ) w h d ( 半 风干含水量) 以前，主要是毛细管张力的作用。随着w 的减少，4 p 增大，干缩的 增加，同时伴随着材料的模量和强度的增加。据相关文献有： 干缩应变值 干缩系数： 。垫二塾l 丝l n 旦 2 e肌 p o 铲掣警- n 云 a 。与材料刚度成反比，由于含水量下降时材料刚度和强度增加，抵消了部分 幻增加作用效应。这也主要涉及水泥稳定砂砾的收缩与龄期的关系，龄期越长， 其干燥收缩系数越小。同时，也提示要在施工结束的初期花大力气控制水泥稳定 砂砾基层材料干燥收缩的发生和发展。 2 ) 吸附水和分子间力作用 在毛细管张力作用的后期，随着相对湿度的