（道路与铁道工程专业论文）水泥稳定粒料基层路用性能试验研究及温度应力有限元分析.pdf

摘要 如何克服水泥稳定粒料基层的缺蹈，在充分发挥其高强度优点的同时尽可能 抑制其开裂，并在基层开裂无法完全避免的情况下，如何减少基层裂缝对面层的 影u 1 日，从而在根本上减轻半刚性基层沥青路面的开裂现象。这些问题成为长期以 来普遍关注的课题。 影响水泥稳定粒料强度及收缩性能的因素是很复杂的，本文依托交通部西部 科技项目黄土地区沥青路面设计与施工技术研究( 编号：2 0 0 13 1 82 2 37 0 ) ，将 各种影响因素如矿料级配组成、结合料剂量及养生龄期等组合起来，通过系统全 面的室内比较试验研究，得出各因素对强度则度及收缩性能的影响规律。在此基 础上，运用有限元计算软件计算分析了基层未开裂无中间夹层、基层已开裂无中 问夹层及基层已开裂有中间夹层三种模型下的温度应力分布规律。 通过试验研究，发现密实骨架结构的水泥稳定粒料较其他组成结构的水泥稳 定粒料路用性能有了较大改善，这种结构的水泥稳定粒料在具有很高的强度性能 的同时，具有较好的抗收缩性能。建议在实际生产中，结合实际予以选用。通过 计算分析，指出改善基层材料性能不仅有助于减小基层自身温度应力，还有助于 延缓或减少整个路面结构的开裂。采取铺设中间层等抗裂措施，将有助于削减基 层开裂对面层的影响，并进一步指出对温差大、温度应力作用居主导地位的地区， 选用模量较低的应力吸收膜或模量较高的玻纤格栅将具有更好的效果。 关键词：水泥稳定粒料强度性能收缩性能水泥剂量级配养生龄期 温度应力 a b s t r a c t h o wt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fc e m e n ts t a b i l i z e dg r a n u l a rm a t e r i a l sa n dh o w t op r e v e n ti tf r o mc r a c k i n ga sp o s s i b l ea n dh o wt om i n i m i z et h ei n f l u e n c eo na s p h a l t s u r f a c i n go fb a s ec r a c ka i m i n ga tm i n i m i z i n gc r a c k i n go fs e m i - r i g i db a s ea n da s p h a l t s u r f a c i n g t h e s ep r o b l e m sh a sb e e nc o n c e r n e df o ral o n gt i m e f a c t o r st h a ti n f l u e n c i n gt h es i r e n g t ha n ds h r i n k a g ep r o p e r t i e so fc e m e n ts t a b i l i z e d g r a n u l a rm a t e r i a l sa r ec o m p l i c a t e d t h i st h e s i s ，b a s e do nw e s t e r nt e c h n o l o g yp r o j e c to f m i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n s “r e s e a r c ho ft e c h n o l o g yo fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f a s p h a l tp a v e m e n ti n l o e s s a ls o i l r e g i o n s ”( p r o j e c tn o 2 0 0 1 3 1 8 2 2 3 7 0 ) ，c o m p o s es u c h f a c t o r sa sa g g r e g a t eg r a d a t i o n ，c e m e n tc o n t e n ta n dc u r m ga g et oa n a l y s et h ei n f l u e n c e o i l s t r e n g t h ，r i g i d i t y a n ds h r i n k a g ep r o p e r t i e so ft h o s ef a c t o r sb ys y s t e m a t i c a la n d o v e r a l li n d o o rt e s t s o nt h eb a s i so fi t ，t h e r m a ls t r e s so f t h r e em o d e l s ：u n c r a c k i n gb a s e w i t h o u tm i d d l ec o u r s e ，c r a c k i n gb a s ew i t h o u tm i d d l ec o u r s e ，c r a c k i n gb a s ew i t hm i d d l e c o u p ei sc a l c u l a t e da n d a n a l y s e dw i t hf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e w i t hi n d o o re x p e r i m e n t s ，t h i st h e s i sp o i n t so u tt h a tp r o p e r t i e so fc e m e n ts t a b i l i z e d g r a n u l a rm a t e r i a l so fd e n s ef r a m et e x t u r ea r ei m p r o v e d c e m e n ts t a b i l i z e dg r a n u l a r m a t e r i a l so ft h i st e x t u r ec a l lm e e tt h ed e m a n df o rh i g h - s t r e n g t hb a s ec o u r s ea n dh a s g o o da n t i - c r a c k i n gp e r f o r m a n c e ，i t i s p r o p o s e d i n p r a c t i c a l m a n u f a c t u r e w i t h c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h i st h e s i sp o i n t so u tt h a ti m p r o v i n g p r o p e r t i e so f b a s ec a nn o t o n l yd e c r e a s et h e r m a l s t r e s so fi t s e l fb u ta l s od e l a yo rd e c r e a s ec r a c ko ft h ee n t i r e p a v e m e n ts t r u c t u r e m i d d l e c o u r s ec a n g r e a t l y d e c r e a s et h ei n f l u e n c eo na s ；p h a i r s u r f a c i n go f b a s ec r a c k s a m io fl o wm o d u l u so rf i b e r g l a s so fh i 曲m o d u l u s a r em o r e a v a i l a b l ef o rr e g i o n sw i t h h i g h t h e r m a ld i f f e r e n c e k e yw o r d s ： c e m e n ts t a b i l i z e d g r a n u l a rm a t e r i a l s ，s t r e n g t hp r o p e r t i e s ，s h r i n k a g e p r o p e r t i e s ，c e m e n tc o n t e n t ，g r a d a t i o n ，c u r i n ga g e ，t h e r m a ls t r e s s 重庆交通学院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 人或集体已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，均己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：菇。i 歹 日期：矽u r 年；月话日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 自上世纪9 0 年代以来，我国的公路交通建设进入了高速发展时期。预计2 0 0 5 年公路总罩程将达到1 9 0 万公里，高速公路将超过3 ，5 万公里。公路j 担程的不断 延伸，公路质量与路网结构的明显改善以及通达深度的不断提高，公路运输的综 合能力有了极大提升，缓解了交通对国民经济的“瓶颈”制约作用o j 。 而经济的快速发展，表现在交通行为上的特征就是交通量的增大、轴载的加 重。因而对公路的承载能力也提出了更高的要求。高强度水泥稳定粒料、二灰稳 定粒料等半刚性基层顺应这一要求，成为了最主要的路面基层结构型式。据统计， 自上世纪9 0 年代以来，己建成的高等级公路中约7 5 以上采用了半刚性基层沥 青路面的组合。这种组合充分发挥了半刚性基层材料板体性好、承载能力高、施 工简便的特点，具有其他结构组合无法比拟的优点。 水泥稳定粒料作为典型的半刚性基层材料，不仅具有半刚性基层材料的共同 优点，还有早期强度高( 7 天无侧限抗压强度可达3 一一4 m p a ) 、便于大规模机械化 施工等突出优点。因而在公路建设特别是高等级公路建设中发挥了非常重要的作 用。但是在长期的使用过程中，同样暴露出很多问题。最主要的就是水泥稳定粒 料材料与其他半刚性基层材料一样，对于温度和湿度的变化非常敏感，当温度降 低、水分减少时产生的收缩应力超过其极限抗拉强度时，就会产生收缩裂缝。收 缩裂缝的产生不仅降低了基层自身的板体性，在交通荷载的作用下，还极易诱使 上覆的薄沥青面层产生反射或对应裂缝。( 参见图1 1 ) 水分从这些裂缝与沥青面 层自身的温缩裂缝中渗入，在交通荷载产生的动水压力作用下，导致沥青从矿料 表面剥落，还可能进一步下渗至基层，导致基层的进一步破坏，从而加速了整个 路面结构的早期破坏，极大降低了公路服务水平与使用年限。 图1 1 黄土地区某高速公路沥青面层的裂缝 第一章绪论2 因此。如何克服以水泥稳定粒料为代表的半刚性基层材料的不足，尽叫能使 其不开裂或者说少开裂，从而提高公路的使用- 陛能成为道路工程界长期以来普遍 关注的课题。国内外也对此开展了大量的研究工作。但是必须认识到，不管怎样 改变混合料组成，采取各种抗裂措施，要使半刚性基层材料完全不开裂是不可能 的。任何事物都是一分为二：的，半刚性基层材料刚度大、强度高的优点就决定了 其适应收缩变形能力必定较差。基于此，很多研究机构试图采用新的基层材料代 替半刚性基层材料，从而根本解决裂缝问题，真正提高路用性能。姑且玎i 论这些 新型材料在实际推广中会遇到哪些新问题，这些材料必定会大大增加修筑成本。 高等级道路的水泥稳定类材料能够很好的适应当前特别是西部的交通条件、自然 条件和经济条件，是一种比较合适的选择【2 3 】。至少在今后一个相当长的时期内， 水泥稳定粒料等半刚性材料仍是无可替代的基层材料。因此对水泥稳定粒料的力 学性能秘收缩抗裂性能进行系统研究，分析其收缩性能的影响因素，提出合理的 混合料组成设计，对于尽可能地克服水泥稳定粒料的主要缺点，延长沥青路面的 使用寿命仍具有重要的现实与理论意义。 1 2 国内外研究现状 前文已指出，对水泥稳定粒料收缩性能的研究是国内外普遍关注的问题。各 相关部门也已做了大量的研究工作，得出了一些宝贵的结论。对于充分认识水泥 稳定粒料的收缩规律以及后续研究的开展，具有一定的指导意义。现将国内外的 研究现状综述如下1 删8 j i f * - q ： 1 2 1 收缩性能 国外对于水泥稳定粒料的干缩性能研究较多。美国g e o r g e ( 乔治) 和澳大利亚 r e 洛林斯对水泥稳定粒料基层干缩特性作了较系统的研究。根据g e o r g e ( 乔治) 的试验，山于水泥水化作用导致混合料水分减少而产生的收缩量占总收缩量的 1 7 左右。半刚性材料产生体积收缩的程度或干缩性( 干缩应变和平均于缩系数) 的大小与下述因素有关：结合料的类型和剂量、被稳定( 或处治) 的类别( 细粒土、 中粒土或粗粒土) 、碎石的含量、小于0 5 m m 的细土含量和塑性指数、小于o 0 0 2 m m 的粘粒含量和矿物成分、制作( 室内试件) 含水量和龄期等。澳大利业r e 洛林斯 的观点基本与g e o r g e 的一致。同时，r b 洛林斯还指出外加剂对水泥稳定粒料基 层的于缩特性有一定的影响，使用的外加剂主要是膨胀剂或减缩剂等。 在我国西北的黄土地区，干缩对水泥稳定类半刚性基层的收缩裂缝影响较大。 国内以长安大学对水泥稳定粒料的干缩特性研究较多。1 9 8 9 年，张登良教授、郑 南翔副教授等人针对各种条件下水泥稳定粒料于缩系数做了大量研究。近年来， 戴经梁教授、蒋应军博士等人又进行了系统的研究。同时，东南大学及其它一些 第一章绪论3 院校和科研单位也在这方面进行了一定研究，他们基本上一致认为： ( 1 ) 水泥品种和剂量对干缩性能有较大影响，当水泥剂量超过一定限度( 约为 6 ) 时，干缩系数增长较快。 ( 2 ) 掺加粗集料可以在定程度上降低干缩系数。 ( 3 ) 养生环境影响明显，特别在施工期间及养生期，保持水泥稳定粒科的潮 湿可以减少干缩。 至于温缩性能，国外通常认为水泥稳定粒料基层的收缩主要来源于干燥收缩， 因此对温度收缩的研究较少。国内张洪华通过对水泥稳定细粒上、水泥稳定中粒 土和粗粒土的温缩性的研究，表明：稳定碎石土的温缩系数明显小于稳定细粒士的 温缩系数：影响稳定碎石土温缩系数的主要因素有碎石土中碎石或土的含量：水泥 剂量对水泥稳定粒料土的温缩性影响显著：在4 种半刚性基层材料即石灰土砂砾， 悬浮式石灰粉煤灰碎石、密实式石灰粉煤灰碎石和水泥砂砾中，水泥砂砾的温缩 性最小。 1 2 2 抗裂措施 抗裂措施不外乎两大类，第一，尽量使基层不开裂或少开裂；第二，在基层 已经开裂或者说不可能完全使其不开裂的情况下，采取各种措施来抑制或延缓沥 青面层反射裂缝的形成。国内外通常从以下方面入手： ( 1 ) 注意原材料性质的影响：不同稳定料的半刚性基层，其收缩系数是不一样 的。至j ：某一具体稳定类，还因该稳定剂的品种不同而有所差异。比如水泥稳定 类，对纯熟料水泥净浆收缩主要取决于c 3 a 、s 0 3 、石膏的含量和水泥的细度等。 一般而言，水泥熟料中c 3 a 含量大，细度较细、石膏较细、石膏含量较少、s o 。 含量小的水泥干缩较大。在普通骨料范围内，砂岩骨料的收缩最大。石灰岩和石 灰石的收缩都较小。 ( 2 ) 改善混合料组成：在条件允许的情况下，减少水泥的含量，增加粗骨料的 相对含量，对减少碎石基层的收缩具有一定的意义。在原材料一定的情况下，粗 骨料的弹性模量越大，半刚性基层收缩开裂程度就越小。尽量选择不含或含少量 粘土、弹性模量较大的粗骨料，对减小收缩是很有利的。 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：针对水泥石灰粉煤 灰稳定碎石类，其材料组成可采用填充理论。他认为：首先，集料的最大粒径d 以小大f 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，无机结合料填充料不能充分压实， 总容重量大，但强度不能发挥：骨科太少，则骨科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- 丁开裂。 第一章绪论4 因此骨料的合理含量要根据实际材私h , - f 算，骨料空隙部分即为密实的结合料含量。 ( 3 ) 采取工程技术措施防止或延缓反射裂缝： 一是对基层进行预锯缝处理。基层预锯缝缝隙处若预加处理( 如填缝并锚设一 定长度的带条土工织物) ，可以防止基层锯缝反射到沥青面层卜来。即使基层预锯 缝反射到沥青面层上来，反射裂缝也比出于基层自由开裂而产生的面层反射裂缝 舰j l ! l j 。其中确定基层预锯缝的最大缩缝问距是基层预锯缝措施的主要内容。预锯 缝间距越小，接缝越多，不仅增加施工的复杂性，同时如果对基层预锯缝处理不 当还容易使面层产生反射裂缝，从而影响路面的整体强度。但是基层预锯缝过长 也会带来一些问题：干缩、温缩引起基层的伸缩量增大，增加基层开裂的可能性。 长安大学的戴经梁教授等人针对预切缝作了深入系统的研究，认为合适时j 1 j ：j 、合 理的长度、合适的预切缝再铺上土工布可以有效延缓反射裂缝形成。 二是铺设碎石层。实践证明，在基层和面层之间铺筑一定厚度的碎石层，可 以缓冲基层中的裂缝向面层反射。在石料丰富的山区和丘陵区，这种方法是可行 的。它防止反射裂缝的原理和铺设土工布相似。 三是控制施工工艺。水泥稳定类基层碾压时的含水量越大，干缩越严重。或 由丁养生不善，导致基层材料时干时湿，甚至长时间曝晒都会导致半剐性基层的 早期开裂。凶此水泥稳定类基层施工过程中及施工完毕后有效养护是保证半刚性 基层不出现或少出现早期开裂的必要手段。压实较密的路段与压实较小的相比， 不易产生干燥收缩。在水泥稳定材料结硬过程中，捷克斯洛伐克用反复碾压的方 法人为地创造微细裂缝网：科威特在新铺的水泥土基层上用重型钢轮压路机碾压， 故意使水泥土基层预先开裂：在法国，目前正在研究的方法是在水泥稳定基层的下 部2 3 内每隔2 m 安置一块波纹状塑料诱发横缝板，板的形状能保证裂缝有良好的 传荷能力。 此外，在可能情况下还可以适当增加面层厚度，一方面可以增加路面结构的 弯曲刚度，减少层内的弯曲应力和剪切应力：另一方面，裂缝从底面反射到顶面需 要的距离变长。但如果厚度增加过多，可能导致修筑成本增加很大。因此，根据 具体情况，综合使用以上措施，可以有效减少水泥稳定粒料基层的开裂和延缓反 射裂缝的形成。 综合国内外研究现状来看，尽管国内外各研究机构对水泥稳定粒料的强度、 收缩性能已进行了大量研究工作，但仍存在不足之处，主要表现在：各单位般 都是侧重于影响强度及收缩性能的某一具体因素，没有将各因素组合起来进行系 统的全面的研究；对水泥稳定粒料级配类型的研究还很少，矿料级配对强度及收 缩性能的影响规律还不是很清楚。这些也是本文研究的重点所在。 第一章绪论5 1 3 本文的主要研究内容 本文依托交通部西部科技项目黄土地区沥青路面设计与施工技术研究( 项 目编号：2 0 0 13 1 82 2 37 0 ) ，选择不同水泥剂量、不同集料级配类型、不同养生龄 期进行组合，通过室内无侧限抗压强度试验、劈裂试验、抗压回弹模量试验、干 缩试验及温缩试验等，系统分析结合料剂量、集料级配类型、养生龄期等因素对 水泥稳定粒料强度特性及收缩性能的影响，得出对其强度性能及收缩性能的规律 性认识。主要内容包括： 1 、水泥稳定粒料的组成设计：综合考虑强度及收缩性能，结合实际应用情况， 水泥剂量选用3 种( 4 、5 、6 ) ，集料级配选用3 种典型的级配结构，一种为 规范级配( 采用中值) ，另两种分别为按最大密度曲线理论及问断级配理论所确定 的级配。 2 、水泥稳定粒料的强度刚度特性的试验研究：按照上面选定的9 种组合情况， 进行7 d 、1 4 d 、2 8 d 、6 0 d 、9 0 d 共5 个龄期的全面比较试验，包括不同水泥剂量、 不同集料级配类型、不同养生龄期的无侧限抗压强度试验、劈裂试验、抗压回弹 模量试验，系统分析水泥稳定粒料材料的强度、刚度增长规律，以及结合料剂量、 集料级配类型、养生龄期等因素对水泥稳定粒料强度刚度特性的影响。 3 、水泥稳定粒料的收缩特性的试验研究：包括不同水泥剂量、不同集料级配 类型、不同养生龄期的干缩试验、温缩试验，系统分析结合料剂量、集料缴配类 型、养生龄期等因素对水泥稳定粒料收缩特性的影响，得出其收缩性能随不同影 响凶素的变化规律。 4 、综合考虑水泥稳定粒料强度、收缩性能的各种影响因素，结合实际，提出 满足高强度基层要求、同时具有较好抗裂性能的建议水泥稳定粒料材料组成a 5 、在以上研究内容的基础上，运用a n s y s 有限元分析软件计算基层未开裂 无中间夹层、基层已开裂无中间夹层及基层已开裂有中间夹层三种模型下的面层 温度应力，得出不同工况下温度应力的分布规律，分析抗裂措施对面层温度应力 的影响规律。 第二章高强度水泥稳定粒料基层级酉己组成6 第二章高强度水泥稳定粒料基层级配组成 高强度水泥稳定粒料基层适应了重载交通对基层材料承载能力的高要求，与 此同时其在温度降低或水分减少时易产生收缩裂缝，却加速了整个路面结构的早 期破坏。外界的温度湿度变化是导致水泥稳定粒料材料收缩开裂的诱因，而水泥 稳定粒料材料自身刚度大、适应收缩变形能力差的特点决定了其在外因作用下必 然会产生开裂。材料的性能是由其结构组成状况决定的。因此要减少水泥稳定粒 料材料的收缩开裂，就应设法改善其结构组成状况。 2 1 水泥稳定粒料级配理论 研究级配理论的目的是用于指导实践，以期得出兼顾强度与收缩两项性能的 矿料的级配组成，从而能够在满足重载交通对基层提出的高强度的要求的前提下 尽可能减少基层的收缩开裂。 目前常用的级配理论，主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理论。前一理论， 主要描述了连续级配的粒径分布，可用于计算连续级配。后一理论，不仅可用于 连续级配，也可用于计算间断级配。 2 1 1 最大密度曲线理论p i 最大密度曲线是通过试验提出的一种理想曲线。w b f u l l e r 和他的同事研究 认为：固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大、 空隙最小的混合料。初期研究的理想曲线是：细集料以下的颗粒级配为椭圆形曲 线，粗集料为与椭圆曲线相切的直线，由这两部分组成的级配曲线，可以得到最 大的密度。这种曲线计算比较复杂，后经过多次研究改进，提出“抛物线最大密 度理想曲线”，认为矿质混合料的颗粒级配曲线越接近抛物线，其密度越大。 根据上述理论，当矿质混合料的级配曲线为抛物线时，最大密度曲线可用颗 粒粒径d 与通过率p 表示： p 2 = k d ( 2 1 ) 式中，d 为矿质混合料各级颗粒粒径( n u n ) ；p 为各级颗粒粒径集料的通过 率( ) ；k 为常数。当颗粒粒径d 等于最大粒径d 时，通过率p = 1 0 0 。故： k ：丝( 2 2 ) 行= 一 l z z ， d 当需要计算任一级颗粒粒径d 的通过率p 时 得： 川。5 可将式( 2 2 ) 代入( 2 1 ) ( 2 3 ) 第二章高强度水泥稳定粒料基层级配组成7 上式即为最大密度理想曲线的级配组成计算公式。但最大密度曲线只是种 理论的绒配曲线，在实际应用中，许多研究认为这一公式的指数不应固定为o 5 。 目前采用n 次幂的通式( 简称n 法) 表达。通常使用的矿质混合料的级配范围n 幂常在o 3 0 7 之间。 前苏联的伊疗诺夫、奥浩饮等提出用颗粒分缀重量递减系数k 为参数的矿料 级配曲线( 简称k 法) 。奥氏发现，当矿质混合料中粗细颗粒粒径按1 1 6 递减， 次一缴碎石重量为上一级的4 3 ，则可使混合料获得最高密实度。当颗粒重量递 减系数变动于2 5 5 0 时。混合料仍可保持较高的密实度。 但是这种级配的混合料，由于相邻粗细粒径相差过于悬殊，在拌和、摊铺时 很容易产生离析现象而使混合料很难达到预期最佳密实度的目的。为了改善这一 缺陷，伊氏将碎石粒径按1 2 递减，并认为颗粒重量递减系数按相同次数开方变 化，其时混合料的密实度仍可保持不变。 我国同济大学道路与交通工程研究所参照上述的i 1 法和k 法，提出了当颗粒 粒径以1 2 递减时，直接采用通过百分率递减系数i 为参数的矿料级配组成计算 方法( 简称i 法) 。即当矿料中最大粒径为d l 时其通过百分率为1 0 0 ，则d 2 = d i 2 时通过百分率为1 0 0 i ( ) ，依次类推。以公式表示，则为： p，=100i。一1(2-4) 式巾：p 。一当粒径按1 ，2 递减时，矿料在第x 级的通过率，； 羔一矿料粒径的级数，最大粒径为d i 对x = l ，则d j 趁时x = 2 ，依次类推； f 一通过百分率的递减系数。 对照国外规定与国内经验，认为i = 0 6 5 0 7 5 时可以得到比较密实和使用满意 的混合料。通常用作基层时取i = 0 6 5 。气候寒冷地区i 可取较大值，气候温暖地 区则取较小值。 2 1 2 粒子干涉理论”l 粒子干涉理论( 根据c k a w e g m o u t h 研究) 认为：为达到最大密度，前一级 颗粒之间的空隙应由次一级颗粒所填充，其余空隙又由再次小颗粒所填充：但填 隙的颗粒粒径不得大于其间隙之距离，否则大小颗粒之间势必发生干涉现象。为 避免干涉，大小粒子之间应按一定数量分配，并从临界干涉情况下可导出前一级 颗粒间距离应按下式计算： ，、： f - i f 塑i 一l b ( 2 5 ) m j j 当处于临界干涉状态时t = d ，则式( 2 5 ) 可写成： 第二章高强度水泥稳定粒料基层级配组成8 ”裔 沪6 ) l d 式中：卜前粒级的间隙距离( 即等于次粒缴粒径d ) ： d 前粒级粒径； 1 l r0 _ 次粒级的理论实积率，即堆积密度与表观密度之比： 1 l r 。次粒级的实用实积率。 式( 2 - - 6 ) 即为粒子干涉理论，在应用时如已知集料的堆积密度和表观密度 即可求得集料的理论实积率。连续级配时d d = 1 2 ，则可按上式求得实用实积率 由实用实积率可计算出各级集料的分计筛余。 2 2 水泥稳定粒料组成设计 2 2 1 三种级配类型的选定 从理论上讲，传统的连续密级配使矿料形成悬浮密实结构，这种组成结构的 混合料应该有较高的密实度和强度。但从提高材料抗裂性能的角度出发，本文认 为悬浮密实结构对于混合料的抗裂性能是不利的这是因为：在水化水泥浆体与 骨料的结合面中存在着微裂纹，按照断裂力学的观点在荷载应力或因温度降低、 水分蒸发而产生的收缩应力作用下，在微裂纹尖端存在着很大的应力集中现象， 当裂纹尖端的应力强度因子k 超过材料的断裂韧性k c 时，裂缝将进一步扩展。 诸多裂缝扩展连通，即表现为宏观的裂缝，而悬浮密实结构中的微裂纹相对于骨 架密实结构中微裂纹更易于相互贯通，或者说更容易产生宏观可见的开裂现象。 间断级配的优点在于矿料中既有足够数量的粗碎石可以形成骨架，又有一定 数量的细料来填充骨架间的空隙，形成一种骨架密实结构。随着s m a 的应用， 间断级配引起了普遍关注。近些年来，有许多研究尝试在基层材料中引入间断级 配。但到目前为止，还未有间断级配标准。一般都是采用前文所述的粒子干涉理 论来计算级配组成。 为通过试验验证分析不同级配类型对水泥稳定粒料强度、收缩等性能的影响， 本文选定三种不同的级配类型：i 连续密级配，采用现行规范级配中值；i i 连续 开级配，采用n 法确定，n 取值为0 7 ：i i i 间断级配，从试验的角度出发，参照n 法，同时为减少相邻粒径问的相互干涉，本文提出一种新的间断缴配组成计算方 法： 首先按照n 法，计算出各级粒径的分计筛余a 之后，再去除4 7 5 r a m 一9 5 m m 的 中间料，即： 第一：章高强度水泥稳定粒料基层级配组成9 口2 ( 1 - a 4 7 5 ) 2 7 其中a 、a 分别为修币后与原有的分计筛余，口为按n 法计算出的 4 7 5 f i u n 一9 5 m m 的中间料用量，也即4 7 5 r a m 筛的分计筛余。在计算级配i f i h 寸，为便 于与级配i 和级配l l 的比较，将n 取为0 6 。之所以将4 7 5 n m _ i 一9 5 m m 档的中间粒径 去除，是因为本文认为在各尺寸筛孔中，4 7 5 r a m 和9 5 m m 是两个非常关键的分界 点。9 5 i t l l 以上的粗料应当相互嵌挤成骨架，而4 7 5 r a m 以下的细料则填充骨架间 的空隙。但是在级配i 和级配l i 中由于4 7 5 r a m 一9 m m 中间料的存在，使得9 5 m m 以 上的粗料被推开不能相互嵌挤成骨架，4 7 5 r a m 以下的细料无法填充骨架间的空隙。 三种级配的具体组成见下表： 表2 1三种级配组成 懑 3 1 51 99 54 7 52 3 6o 60 0 7 5 l1 0 09 46 73 92 61 63 1 i1 0 07 04 32 71 66 1 1 1 11 0 06 93 83 82 5 l l3 2 2 2 水泥剂量的确定 混合料组成设计的另一个重要方面就是确定适合的结合料剂量。对水泥稳定 粒料而言，水泥剂量太低，则无法形成板体，不能发挥半刚性基层强度高、整体 性好的特点。水泥剂量过高，则导致混合料刚度太大，适应收缩变形能力差，更 易产生收缩开裂。因此必然存在一个最佳的水泥剂量，但这个最佳的剂量是与材 料性质相关的。换言之，不同产地、不同性质的集料采用完全相同的级配，所需 要的最佳剂量也不一定相同。最佳剂量必须根据具体材料来确定。 本文研究的目的之一就在于对比分析不同水泥剂量对水泥稳定粒料强度、收 缩等性能的影响。因此兼顾强度性能、收缩性能与经济性，结合实际生产中常用 的剂量，对已经选定的三种级配都由低到高采用三种剂量，分别为4 、5 和 6 ( 水泥质量：集料质量) 。总共形成9 种组合，按照公路工程无机结合料稳定 材料试验规程进行室内重型击实试验。 蔓三至蔓塑壅查望整窒垫整茎星丝望塾盛 ! ! 芎 瓣 捌 咧 以 | ?| 4 ，履 级配i 0 、 ， i 级渐1 1 i ，多y 气、 级配j i 夕 061 1 823 647 5951 9 3 15 筛孔尺寸( 咖) 图2 1 级配曲线圈 2 2 3 原材料性质及击实试验结果 本文试验采用的水泥为4 2 5 # 普通硅酸盐水泥，主要技术指标见表2 2 。 表2 2水泥主要技术指标 凝结时间抗折强抗压强 细度安有害化学成分( ) ( r a i n )度 度 项目( 0 0 8 m定 ( 2 8 d ，( 2 8 d ， 烧失 m 筛余)初凝终凝性 m g os i 0 2 m p a )m p a ) 量 实测 a 6 91 7 02 1 06 13 6 8 口 3 32 53 5 值格 采用的矿质混合料由石灰岩轧制而成，由不同粒径碎石逐级搭配。粗集料主 要技术指标见表2 3 。 表2 3集料主要技术指标 l材料规格表观密度c g c l l l 3 )吸水率( )压碎值( )针片状含量( ) 5 3 0 m m2 6 50 1 52 3 1 99 6 上述9 种组合的击实试验结果见下表 第二章高强度水泥稳定粒料基层级配组成 11 表2 4不同配比水泥碎石重型击实试验结果 最人干密度 试什编号级配类型水泥剂量最佳含水量 ( 曲i t i ) 1 4 连续密级配4 5 6 9 2 3 1 1 5 连续密级配 5 5 8 3 2 3 2 1 6 连续密级配 6 5 9 3 2 3 4 1 1 4 连续开级配4 5 1 8 2 2 8 1 1 5 连续开级配5 5 2 9 2 3 0 1 1 6 连续开级配 6 5 3 1 2 _ 3 l 1 1 1 4 间断级配 4 5 5 3 2 3 4 i l l 5 问断级配 5 5 5 8 2 3 6 1 1 1 6 间断级配 6 5 6 6 2 3 7 由表2 4 可知：相同水泥剂量不同级配的水泥稳定粒料的最大干密度有一定 差别，规律是：级配l i j 级配i 级配1 1 。证明级配i 形成的混合料具有较高的密 实度，缴配i i 形成的混合料密实程度最差。而相同级配的水泥稳定粒料在水泥剂 量变化1 时，最佳含水量和最大干密度的变化非常小。 2 3 小结 本章选定了3 种级配类型，3 种水泥剂量总共9 种组合，以便后续工作的开 展进行全面多龄期比较试验。将主要内容总结如下： l 、介绍了两种传统的级配理论最大密度曲线理论和粒子干涉理论，并参 照最大密度曲线理论的计算方法和粒子干涉理论的思想，提出了一种新的间断级 配组成的计算方法。 2 、利用上述方法和最大密度曲线理论计算得到两种级配组成，与规范级配中 值组成3 种级配类型。 3 、兼顾强度性能、收缩性能与经济性，结合实际生产中常用的剂量，对已经 选定的3 种级配都由低到高采用3 种剂量( 4 、5 、6 ) ，总共形成9 种组合。 4 、由9 组室内重型击实试验结果可知，不同级配的水泥稳定粒料的最大干密 度有一定差别：级配i i i 级配i 级配i i 。说明绒配i 形成的混合料具有较高的密 实度，级配i i 形成的混合料密实程度最差。同种级配的水泥稳定粒料在水泥剂量 变化1 时，最佳含水量和最大干密度的变化很小。说明影响水泥稳定粒料最佳 含水量和最大干密度的主要因素是矿料的级配组成a 兰三兰 亟墨壁查婆整塞垫整苎墨堡堕鲨丝型壅 坚 第三章高强度水泥稳定粒料基层强度特性研究 对不同缴配、不同结合料剂量共9 种组合的水泥稳定粒料进行全面系统的多 龄期强度刚度试验。试验内容包括无侧限抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量等， 从力学角度来对比分析其路用性能以及各因素对路用性能的影响。 3 1 水泥稳定粒料抗压强度 3 1 1 试件的制备及测试方法 试件的制备和养，耋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 ) 规定的方法进行，试件规格为：直径高= 1 5 0 m m 1 5 0 m m ，抗压强度的测定按 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 ) 规定的方法进豹：。 3 1 2 试验结果 试验结果见表3 1 。 图3 1 抗压强度的测定 表31不同配比水泥碎石抗压强度试验结果( m p a ) 养 生 龄期 试件编号 7 d1 4 d2 8 d6 0 d9 0 d 1 4 3 44 25 26 77 3 1 5 4 25 66 47 5 8 4 1 6 4 96 37 78 99 2 1 1 4 2 93 74 66 26 9 1 1 5 3 54 7 6 57 - 38 2 1 1 6 3 85 o7 28 48 9 第三章高强度水泥稳定粒科基层强度特- 陛研究 1 3 续表3 1不同配比水泥碎石抗压强度试验结果( i d p a ) 【1 1 1 4 3 24 86 5839 4 1 1 1 5 4 35 87 39 1 1 0 4 1 1 1 6 5 36 58 1 9 81 j 3 3 1 3 影响因素的分析 1 、级配类型的影响 从试验结果中可明显发现，在水泥剂量和养生龄期相同的情况下，才i 同矿料 级配类型的水泥稳定粒料的抗压强度相差较大。尤其是早期龄期( t d 和1 4 d ) 时 差别尤大。到中后龄期，则级配的影响减小。对此不难作出解释：初期由于水泥 水化反应生成物不多，矿料骨架的嵌挤作用对整体强度有相对较大的贡献；到后 期，水化反应生成物则对强度表现出较大的贡献率【l ”。 由图3 2 可知，在水泥剂量和养生龄期一定的条件下，级配i i i 的强度要明显 高于缴配f 和i i ，而级配i i 的强度是三者中最低的。这就证实了不同级配所形成 的不同结构类型对于混合料的强度确实有很大影响：级配i i i 既有相当数量的粗骨 料相互嵌挤形成骨架，又有大量的细料来填充骨架阃的空隙，使混合料形成所谓 的骨架密实结构，既充分发挥了骨料间的相互嵌挤作用，又发挥了细料和反应生 成物的填隙密实作用，从而使这种级配类型的水泥稳定粒料表现出很高的强度特 性；级配i i 虽然有较多的粗骨料相互嵌挤形成空问骨架，但是由于细料太少不能 填充密实骨架问的空隙，使混合料形成骨架空隙结构，在较低的应力水平作用下 就发生了破坏：级配i 使混合料形成悬浮结构，由于没有粗骨料的嵌挤作用来分 担，因而强度要低于级配i 】i 。 笙三至壁望堡垄堡整塞鳖整茎星堡堡垫丝翌窒 坐 5 6 水泥剂量( ) 1 4 d 龄期 水泥剂量( ) 2 8 d 龄期 舯酣鬯 赢峨竺 一墅三兰 苎堡坐坠堡塑星塾翌至星堡壁堑堡型! 塞 ! ! ； 考 划 骥 圳 擐 1 2 1 0 8 6 4 2 0 456 水泥剂量( ) 9 0 d 龄期 图3 2 级配类型、水泥剂量对抗压强度的影响 2 、水泥剂量的影响 山表3 1 可知，不同级配类型、不同养生龄期的水泥稳定粒料的强度均随着 水泥剂量的增大而增大。现以7 d 抗压强度为纵坐标，水泥剂量为横坐标，绘出抗 压强度与水泥剂量的关系曲线。( 图3 3 ) 由图3 3 可知，各种级配类型水泥稳定 粒料的强度均随水泥剂量的增加近似呈线形增加关系，并可得出7 d 抗压强度 r 7 ( m p a ) 与水泥剂量c ( ) 的线形回归方程： 级配i ：r 。= 0 7 5 c + 0 4 5 r2 = 0 9 8【3 1 ) 级配i l ：r ，= 0 4 5 c + 1 1 5r2 = 0 9 6( 3 2 ) 级配h i ：兄，= 1 o s c o 9 8r 2 = o 9 9( 3 - - 3 ) 虽然随着水泥剂量的增加，不同级配的水泥稳定粒料的强度均近似线形增加， 但是增加的速率却有差别。很明显，增加的速率就是上面三式中直线的斜率： k m k k u 这可从另一方面说明级配i i i 所形成的骨架密实结构确实表现出最佳 的强度性能。 对其余龄期强度与水泥剂量的关系进行分析，可得出同样的结论。 第三章高强度水泥稳定粒料基层强度特性研究 图3 37 d 无侧限抗压强度与水泥剂量关系 3 、养生龄期的影响 图3 , 4 给出了不同级配、不同水泥剂量的水泥稳定粒料强度随龄期的变化曲 线。由图可知：巧i 同级配、不同水泥剂量的水泥稳定粒料的强度均随龄期的增加 而不断增加，增长的曲线却不相同。但各条曲线也有相同的规律：曲线的斜率随 龄期的增加而逐渐减小，表示强度增长率随龄期增加逐渐变小。龄期t 到达7 d 时，其强度增长幅度达到最大；龄期t 至2 8 d 时，强度增长幅度开始变小，但仍较 大：至6 0 d 时增长幅度已明显减小。 图3 4 无侧限抗压强度与龄期变化曲线 一 一 笺三至壹塑壅查堡整塞垫整茔壁塑壁堑丝婴塑! ! 之所以表现出这样的规律，是因为：水泥稳定粒料基层材料强度主要由骨料 与骨料问嵌挤作用、水泥水化产物以及水泥与骨料阃作用所决定。一旦其级配选 定其强度就主要决定于水泥水化产物。由于硅酸盐水泥熟料中的四种矿物尤其是 c a a 、c 3 s 反应速度较快”，而且c 3 s 是硅酸盐水泥中最主要的矿物组分，含量一 般在4 0 左右，c 3 s 水化产物对水泥早期强度和后期强度起主要作用：c 3 a 含量不 高，但是反应速度最快，其含量决定水泥凝结速度和释热量，对水泥早期强度起 一定作用：c 2 s 在硅酸赫水泥中含量约为3 5 ，亦为主要矿物，其遇水反应速度最 慢，水化热也较低，对水泥早期强度贡献较小，但对水泥后期强度超重要作 用：c 4 a f 通常含量为1 0 ，遇水反应较快，水化热较高，但是其强度较低，对抗 弯拉强度起重要作用。正是因为水泥熟料中四种矿物含量不同、水化速度不同作 蠲下，水泥类基层材料在初期强度增长表现为较快，往后强度增长逐渐减缓。另 外同是水泥稳定粒料材料其强度增长规律虽相同，但级配m 的曲线高于其他两种 级配，这是因为级配i i i 使矿料形成骨架密实结构，其矿料间嵌挤作用明显，而且 孔隙少，所以强度高于其他级配。 经回归处理，可得到总共9 种组合的水泥稳定粒料强度随龄期变化方程，见 表3 2 。 表3 2不同配比水泥碎石抗压强度与养生龄期的关系 抗压强度r 。= a 1 n ( t ) 岫 试件编号 b 1 4 i 5 6 70 1 8 20 9 9 1 5 1 7 2 11 5 4 70 9 9 1 6 2 4 1 81 7 1 60 9 8 1 1 4 1 5 6 6 o 2 1 20 9 6 1 1 5 1 8 4 0o 1 5 70 9 9 1 1 6 2 1 4 10 3 7 00 9 8 i l i 4 2 3 1 21 5 4 709 9 1 1 1 5 2 3 4 90 3 7 90 9 6 1 1 1 6 2 4 1 80 5 6 50 9 8 一笙三茎 亟堂丝查塑塑塞垫垫墨星塑堕堂丝婴壅 ! 1 3 2 水泥稳定粒料劈裂强度 3 2 1 试件的制备及测试方法 试件的制备和养生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 ) 规定的方法进行，试件规格为：直径x 高= 1 5 0 r m n