（机械设计及理论专业论文）水泥稳定碎石半刚性基层施工与质量控制技术研究.pdf

摘要 水泥稳定碎石半刚性基层以其优良的性能在我国的高速公路建设中得到了广泛的 应用，本文从对半刚性基层的性能特点及施工设备的性能分析出发，对影响水稳碎石半 刚性基层的施工质量的各种因素进行了研究。 在对施工设备的性能研究中，选取拌和设备的拌和均匀性及其计量系统的准确性为 重点，这两项参数对混合料中水泥的均匀性和水泥剂量的准确性都有重要影响。首先通 过对稳定土拌和设备拌和均匀性的理论研究，得出了混合料的拌和均匀性、充盈率、搅 拌器长宽比及桨叶安装角度四者之间的关系，并进行了试验验证；研究表明拌和均匀性 随着充盈率的增加逐渐变坏，其中长宽比影响较大；对于5 的水泥剂量的混合料，充 盈率为4 0 ，有效长宽比大于2 0 3 时，可满足拌和均匀性高于0 2 的要求。其次对稳 定土拌和设备计量系统的准确性进行了研究，提出了具体的标定过程；研究表明拌和设 备计量准确性依赖于准确的标定，标定可以提高计量系统的准确性。最后在对施工设备 技术性能分析的基础上，提出了具体的施工设备配置要求。 本文系统分析了施工设备、材料及其试验方法等方面对施工质量的影响因素并进行 了试验研究。在级配变化对水稳碎石水泥剂量检测结果的影响的研究中发现，采用e d t a 滴定法进行检测时，其滴定结果受级配变化的影响较大，当4 7 5 m m 筛孔通过质量变化 1 0 时，水泥滴定结果相差2 4 ，引入水泥膜当量厚度的概念解释了造成滴定结果 差异的原因，并给出了修正公式。通过对不同击实功下的水稳碎石压实特性的研究，得 出的结论是：击实功大，最大干密度提高，最佳含水量降低；通过改变击实锤重改变击 实功，不仅最佳含水量降低，最大干密度增加，而且曲线变的平缓，干密度对含水量的 敏感度降低，表现为不敏感系数r i 增大，旌工难度降低。 本文还对施工设备如摊铺机、压路机的工作参数选择进行了分析，在此基础上，结 合试验路段，进行了施工机械匹配研究，包括设备选型和数量计算，总结了水稳碎石的 施工工艺和质量控制的要点。 关键词：半刚性基层水泥稳定碎石质量控制施工设备匹配均匀性 a bs t r a c t t h ec e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mo fs e m i r i g i db a s ec o u r s eh a sb e e nb r o a d l yu s e di nt h e h i g h w a yc o n s t r u c t i o n f o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e f r o mt h ep o i n to fa n a l y z i n gi t s p e r f o r m a n c ea n dt h ec o n s t r u c t i o np l a n t s ，t h ep a p e rs t u d i e do nv a r i o u sf a c t o r si n f l u e n c i n gt h e c o n s t r u c t i o nq u a l i t yo ft h ec e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mo fs e m i r i g i db a s ec o u r s e i nt h ec o u r s eo fr e s e a r c h i n gt h ec o n s t r u c t i o np l a n t s p e r f o r m a n c e ，t h ep a p e rf o c u so nt h e t w op a r a m e t e r sm i x i n gu n i f o r m i t ya n dw e i g h ts y s t e mv e r a c i t yo fs t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n t w h i c hi n f l u e n c et h ec e m e n tu n i f o r m i t ya n dv e r a c i t yo fc e m e n td o s a g es e r i o u s l y t h ep a p e r s t u d i e dt h em i x i n gu n i f o r m i t yo fs t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n t ，a n dt h e nf o u n dt h er e l a t i o n s h i p o fm i x i n gu n i f o r m i t y , f i l l i n gr a t e ，t h er a t i oo fl e n g t ht ow i d t ho fm i x e ra n dw i n gs e t t i n ga n g e l ， a n dv a l i d a t e si tb ye x p e r i m e n t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em i x i n gu n i f o r m i t yb e c a m ew o r s e w h e nt h ef i l l i n gr a t er o s e ，a n dt h er a t i oo fl e n g t ht ow i d t hi n f l u e n c e di to b v i o u s l y t h em i x e r w h i c hf i l l i n gr a t ei s4 0 a n di t sm i x t u r eh a s5 c e m e n td o s a g e ，i t sm i x i n gu n i f o r m i t yc o u l d e x c e e do 2 w h e nt h er a t i oo fl e n g t ht ow i d t ho fm i x e rm o r et h a n2 0 3 f u r t h e r m o r e ，i t s t u d i e dt h ew e i g h ts y s t e mv e r a c i t yo fs t a b i l i z e ds o i lm i x i n gp l a n ta n da d v a n c e dt h ec o n c r e t e c a l i b r a t ep r o c e s s t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tt h ew e i g h ts y s t e mv e r a c i t yd e p e n do ne x a c t c a l i b r a t ew h i c hc o u l di n c r e a s et h ew e i g h ts y s t e mv e r a c i t ya l s o a tl a s t ，t h ep a p e ra d v a n c e d t h ec o n c r e t es c h e m eo ft h ec o n s t r u c t i o np l a n tb a s e do na n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo f c o n s t r u c t i o np l a n t t h ep a p e ra n a l y z e df a c t o r si n f l u e n c i n gt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t ys u c ha st h ec o n s t r u c t i o n p l a n t ，m a t e r i a l s ，t e s tm e t h o d sa n de t e ，a n ds t u d i e di tb ye x p e r i m e n t s i nt h er e s e a r c ho f g r a d a t i o nc h a n g ei n f l u e n c i n gt ot h ee d t at i t r a t i o nr e s u l to fc e m e n td o s a g e ，f o u n dt h a tt h e e d t at i t r a t i o nr e s u l tw a so b v i o u s l yi n f l u e n c e db yt h eg r a d a t i o n ，f o ri n s t a n c e ，w h e nt h e p a s s a g eq u a n t i t yo f4 7 5 m ms c r e e nc h a n g e d10p e r c e n t ，c e m e n td o s a g ec h a n g e d2 4p e r c e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ec e m e n tf i l me q u i v a l e n tt h i c k n e s st oe x p l a i nt h ec a u s ea n de d u c e d t h er e v i s ef o r m u l a s t u d yo nt h ec o m p a c t i o np r o p e r t yu n d e rd i f f e r e n tc o m p a c t i o nw o r ko f c e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a m ，t h ec o n c l u s i o ni st h ec o m p a c t i o nw o r ki n c r e a s e , a n dt h e nt h e g r e a t e s td r yd e n s i t yi n c r e a s ea n dt h eb e s tm o i s t u r ec o n t e n tr e d u c e c h a n g i n gt h ec o m p a c t i o n w o r kb ya d dt h ec o m p a c t i o nw e i g h tw o u l dm a k et h ed r yd e n s i t yi n c r e a s ea n dt h em o i s t u r e c o n t e n tr e d u c e ，a n df u r t h e r m o r e ，t h ec o m p a c t i o nc u r v eb e c o m e ss m o o t h l y , t h em o i s t u r e c o n t e n ts e n s i t i v e n e s so ft h eg r e a t e s td r yd e n s i t yi sf a l l i n g ，t h ep e r f o r m a n c ei si n s e n s i t i v i t y c o e f f i c i e n ti n c r e a s e da n dt h ec o n s t r u c t i o nd i f f i c u l t yr e d u c e d a n a l y z i n gt h ew o r k i n gp a r a m e t e r so fp a v e ra n dr o a dr o l l e r , c o m b i n i n gt e s tr o a d ，t h e p a p e rs t u d i e dc o m p o s i t i o no fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e s ，i n c l u d i n gt h ep l a n tc h o i c ea n dt h e q u a n t i t yc a l c u l a t i o n ，a n dt h e ns u m m a r i z e dt h ep o i n to fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e sa n dq u a l i t y c o n t r o lo fc e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a m k e yw o r d s ：s e m i r i g i db a s ec o u r s e ；c e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a m ；q u a l i t yc o n t r o l ； c o m p o s i t i o no f c o n s t r u c t i o nm a c h i n e s ；u n i f o r m i t y 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： 弛 硼年年月歹日 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： 导师签名： 伽1 年争月je l 一7 年f 月f 日 长安火学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 1 概述 截止2 0 0 5 年底，我国的高速公路通车里程已突破4 万公里，其中路面基层大部分 采用的都是半刚性基层。近几年来，水泥稳定碎石半刚性基层以其良好的水稳性、抗冻 性，力学强度可根据需要进行调整及整体承载能力强，可利用本地资源，经济性好等特 点，得到越来越广泛的应用。 水泥稳定碎石半刚性基层材料是由水泥、集料和水等多种固体结构元、孔结构元和 水分等组成的非均质体系，在配合比设计时，一般还掺有一定比例的粉煤灰、外掺剂， 以改善其综合路用性能。随着时间的变化，该非均质体系发生变化，混合料的宏观物理 性能如强度、抗收缩性和抗疲劳性等均随之变化，并会带来一些路面病害，最为常见的 就是路面裂缝。目前对于半刚性基层沥青路面的裂缝，通常认为由半刚性基层开裂引起 的反射裂缝在面层裂缝中占有重要地位，而半刚性基层的开裂主要是由于半刚性材料的 干缩和温缩引起的。国内外的研究认为半刚性基层在铺筑沥青面层之前或之后必然要产 生裂缝，即：基层开裂是不可避免的。研究还表明，影响半刚性材料开裂的因素很多， 比如基层碾压时的含水量，含水量越大越易于开裂：水泥剂量对干缩也有影响，水泥剂 量越大，干缩应力也越大，裂缝也越多；施工因素如基层养生结束后若不及时铺筑面层 而让其暴晒，基层或迟或早会产生干缩裂缝【l 】。 由于半刚性材料存在的开裂等问题无法避免，而由基层开裂引起的面层开裂也是造 成沥青面层早期损坏的主要因素之一，加上近年来我国许多高速公路由于半刚性基层发 生了结构性破坏而进行的大规模近乎重修式的道路维修，目前有一种趋势认为半刚性基 层已不适应当前我国公路发展的需要，尤其是随着国际上永久性路面( p e r p e t u a l p a v e m e n t s ) 或长寿命路面【2 】( l o n g - l i f ea s p h a l tp a v e m e n t s ) 的理念的提出，半刚性基 层也受到许多质疑，许多学者转而研究柔性基层。但半刚性基层具有的经济性好等优点 确是柔性基层所不可比拟的，因此笔者认为虽然开裂不可避免，但可以通过对水稳材料 的特性研究和施工环节的质量控制等方法将基层的开裂控制在一个合理的范围内，进而 保证基层的施工质量。 课题研究的意义在于，通过施工设备及材料两方面的研究，总结出合理的施工工艺 及质量控制技术，提高水稳基层的施工质量，改善基层的路用性能，从而避免沥青面层 1 概述 过早出现早期损坏现象。 1 2 国内外研究概况 一、国外研究状况 国外对半刚性材料作为道路基层的研究要比我国早，早期的研究主要侧重于半刚性 基层的收缩特性，对改善基层特性的外掺剂如粉煤灰的研究也起步较早。 1 、国外在干缩特性研究方面作了大量的工作。美国的乔治和澳大利亚的r e 洛林 斯分别就水泥稳定类材料的干缩特性进行了系统的研究。根据乔治( g e o r g e ) 的试验，由 于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 。通过对水泥稳定 土干缩特性系统的研究，得出以下结论【1 】： ( 1 ) 土中小于0 0 0 2 m m 的粘粒含量愈多，水泥土的收缩愈大，而且干缩量增加的速 度大于粘粒含量增加的速度。 ( 2 ) 制件含水量愈大，试件的干缩应变也愈大。 ( 3 ) 采用重型击实可以减少试件的干缩应变。 ( 4 ) 水泥土的收缩先随水泥含量的增加而减少，并达到一个最小值，而后又随水泥 含量的增加而增加，存在一个干缩应变最小的水泥含量。 ( 5 ) 增加养护时间可增加砂质土的总收缩率，但对粘质土则相反。 ( 6 ) 添加石灰代替部分水泥或添加粉煤灰代替1 4 水泥可减少干缩。 澳大利亚的r 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这样魄结 论： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 试件含水量越大，其干缩应变也越大。 ( 3 ) 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。 2 、国外通常认为柔性基层沥青路面的温缩裂缝一般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通常看作是反射裂缝，且认为这种反射裂缝是半 刚性基层材料的干缩裂缝引起的。因此，国外文献中很少能看到有关半刚性基层材料温 度收缩特性的资料。 3 、粉煤灰作为工业废渣，在美国道路工程中的应用可以追溯到2 0 世纪5 0 年代， 2 长安人学硕士学位论文 当时有一项名为p o z - o - p a c 的专利问世，这项专利实际上就是由不同比例的石灰、粉煤 灰和集料组成的道路基层材料。根据美国1 9 9 2 年州运输机构的调查，至少有2 2 个州在 道路基层中使用了粉煤灰【3 1 。 二、国内研究现状 1 、关于材料特性、路用性能的研究 许多从事道路工程及道路材料研究的专家、学者从不同角度对水稳碎石半刚性基层 的材料组成及特性、混合料的路用性能等进行了研究。 徐宏、周诚喜通过在水泥稳定碎石混合料中掺加一定量的粉煤灰和外加剂的研究， 认为水泥对水泥稳定碎石混合料强度起主要作用，建议水泥含量为5 ，这样不仅能满 足强度要求，又能提高抗裂性；粉煤灰能起填隙作用，能改善施工的和易性，提高后期 强度，但如果粉煤灰含量过高，能产生较大的干缩应变，建议其含量控制在7 ，则能 有效降低混合料最大干、温缩应变和平均温缩系数，从而提高混合料抗干缩、温缩性能。 南京林业大学的李雨晖对水泥粉煤灰稳定碎石混合料的性能进行了试验研究；浙江大学 的关笑楠研究了大粒径水泥稳定碎石基层的抗裂性能；长安大学的杨文丁研究了半刚性 基层材料收缩性能；长安大学的张嘎吱针对水泥粉煤灰稳定碎石基层材料配合比设计， 水泥与粉煤灰化学反应机理，水泥粉煤灰稳定碎石基层路用性能特点和力学特点等方面 展开了系统研究【4 引。 2 、关于施工工艺及质量控制的研究 质量优良的半刚性基层离不开合理的材料组成设计及良好的路用性能，同样离不开 合理的施工工艺及质量控制技术。许多道路、机械工程专家从各自专业的角度出发对水 稳碎石半刚性基层的施工工艺及质量控制进行了总结、研究，得出了许多具有借鉴意义 的经验。 郭忠印等人对水泥稳定碎石基层施工质量控制的研究认为：集料级配、水泥剂量、 延迟时间、细集料的含水量等对水稳碎石基层的质量具有重要影响，并且提出配套协调 施工机械生产能力是保证工程质量的重要手剧9 1 。 羡蓓蓓从集料的组成与变异、拌和过程中主要参数的变异、混合料运输和摊铺过程 中参数变异、混合料成型特征变异四个方面对影响水泥稳定碎石基层性能的变异性因素 进行研究分析；研究表明，其施工质量的变异性是影响基层修筑质量的关键因素之一， 并确定了变异性水平及其对水稳基层使用质量的影响，总结了提高施工水平、减小水稳 基层施工变异性的措施【1 0 l 。 1 概述 一些科研院校也对半刚性基层的施工质量控制进行了研究。长安大学对内蒙古省际 通道半刚性沥青路面非荷载性裂缝杌理及防治措施的研究指出】：影响半刚性基层性能 的因素主要有两个方面：合理的组成设计和施工控制，在基层材料和配比确定以后，基 层的机械化施工对基层质量的影响十分重要。 3 、关于基层试验的研究 路面基层的设计、施工离不开试验，而试验结果又与取样方法、试验方法等诸多因 素紧密联系，基层的众多试验中，与混合料性质及施工关系最密切的莫过于与压实度关 系密切的击实试验和确定水泥剂量的e d t a 滴定试验。 在基层击实试验与压实度方面，张志权、王志勇【1 2 】对土的压实原理做了简单论述， 同时还提出了提高击实试验结果准确性时应注意的几个问题；对试验时采用不同土样制 备方法求得的最大干密度和最优含水率进行了比较和较透彻的理论分析；对击实功对最 大干密度的影响做了一定的试验研究。而且为了减少人为因素导致最大干密度和最优含 水率产生的偏差，提出借助e x c e l 或插值函数计算法来处理室内标准击实试验数据。吴 超凡、申爱琴等【l3 】研究了半刚性基层材料的碾压机械优化组合，对传统的碾压机械组合 产生的基层上下材料不均匀和压碎集料的缺点，提出了新的压实机械组合；黄煜镔、吕 伟民等【1 4 】研究了水泥稳定碎石半刚性基层施工质量控制，提出积极应用新技术、新材料 实施压实度动态监测、无损检测等方法实现均匀密实的半刚性基层；刘登普【1 5 】研究了半 刚性基层材料压实度与抗压强度的关系，结果表明：各种基层材料的抗压强度与压实度 基本上成直线变化，压实度越大抗压强度越高。 击实试验确定的水泥稳定土的最大干密度是计算现场压实度的一个重要参数，压实 度又与成型路面的强度关系密切，加上试验室击实功与现场压实功也存在差异，如何根 据击实试验来进行现场压实机械的选型? 在水泥剂量检测方面，龚翠芬【l6 】对水泥稳定土水泥剂量检测时标准曲线的制作及现 场滴定时对试样的处理方法进行了研究，认为对水泥稳定土混合料，做标准曲线时，取 风干集料拌水泥过筛，不加水，直接加氯化铵溶液进行试验；滴定取样时，也是先将混 合料风干后过筛，然后加氯化铵滴定，这样的试验方法得到的结果是：标准曲线高而直， 线条基本呈直线上升，很有规律性，试验误差较小。陈少华、张肖宁【1 7 】研究了水泥剂量 检测时标准曲线的制作方法，认为将集料加水泥和水后直接过筛，由于水泥粘结作用， 过2 3 6 m m 筛非常困难，采用过4 7 5 m m 筛得出的结果符合实际情况，而且曲线较平顺， 现场滴定时采用混合料过4 7 5 m m 筛后得出的滴定结果变异性也较小。沈卫国等人【1 8 】在 4 长安大学硕士学位论文 对水泥剂量e d t a 滴定法的研究中认为滴定时采用四分法取样，试验结果离散性较大， 并提出了一种筛分比例法来取样，即将代表性混合料过4 7 5 m m 筛，测得筛上、筛下的 重量比例，取样时的3 0 0 9 混合料也按此比例重新配合，其试验结果显示采用筛分比例 法的离散性较低。 上述研究都是从标准曲线制作方法和现场取样方法的角度来研究如何减小试验误 差及试验结果的离散性、变异性，其研究结果在实践中也取得了一定的效果。作者认为， 标准曲线实际上是一个载体，它是将e d t a 消耗量与水泥剂量大小的数值联系起来的纽 带，起一种媒介作用。水泥剂量e d t a 滴定法的实质是e d t a 消耗量的多少体现了水泥剂 量的差异，二者之间存在必然的联系。而各种取样方法不同造成的滴定结果的差异，实 际上是由于级配的变化导致的。因此，研究级配变化与e d t a 滴定结果的关系成为解决 e d t a 滴定法用于检测水泥剂量的准确性的一个重要方面。 1 3 本文研究方法及内容 采用现场调查、试验研究和理论分析相结合的方法，以赤通高速赤撒段某标段所用 的水泥稳定碎石基层为重点，从施工设备与材料特性两个方面出发，通过对施工所用机 械设备的技术性能进行分析，提出合理的_ 旌工设备配套方案；通过对材料在试验室内的 击实特性研究，找出击实功和含水量的关系，进而与现场压实相结合，提出合理的压实 方案：通过材料拌和均匀性和水泥剂量检测影响因素的研究，提出拌和设备的选择依据 和试验结果的修正方法，探讨设备与材料的相互作用特性。 具体研究内容如下： l 、半刚性基层技术性能研究； 2 、施工设备的技术性能研究，包括稳定土拌和设备拌和均匀性的试验研究，计量 系统稳定性的研究等； 3 、设备与材料相互作用特性研究； 4 、施工设备匹配研究； 5 、施工工艺与质量控制技术研究。 5 2 半刚性基层技术性能要求 2 半刚性基层技术性能要求 基层的强弱和好坏对整个路面，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。本章主要总结前人对于半刚性基层性能的一些研究成果，以水泥稳定 类材料为例介绍半刚性基层的技术性能。 2 1 路面基层应具备的基本条件 l 、有足够的强度和刚度 基层必须能承受车轮荷载的反复作用，即在预定设计标准轴载反复作用下，基层不 会产生过多的残余形变，更不会产生剪切破坏或疲劳弯拉破坏。上述技术要求，除必需 的厚度外，主要取决于基层材料本身的强度。另外，基层的刚度( 回弹模量) 必须与面 层的刚度相配，如面层和基层的刚度差别过大，则面层会由于过大的拉应力或拉应变而 过早开裂破坏。 2 、有足够的水稳性和冰冻稳定性 沥青面层并不是完全不透水的，加上面层可能存在的裂缝，表面水会从空隙和裂缝 透入路面结构层中，进入路面结构层的水( 包括气态水) 能使含土较多、土的塑性指数 较大的基层或底基层材料的含水量增加，使强度大大降低，从而导致沥青路面过早破坏。 而调查试验表明：水分从沥青面层中蒸发出来要比透进去困难得多，慢的多。因此足够 的水稳性可以避免或减轻基层材料遇水后强度的降低。 在冰冻地区，。当地下水位接近地表或路基两侧有长期积水的情况下，如果路基填土 高度不大，在冬季土路基中会发生水分重分布，在0 一3 温度较长期滞留的深度会 形成严重的聚冰现象，土层中会有很多冰晶体，甚至冰夹层，这层土称作路基中的聚冰 带。到春融期间该聚冰带化冻时，土层变得过分潮湿，使土基的强度急剧下降。如果在 这种可能变得过分潮湿的土基上直接铺筑与土基相接触的路面结构层的材料具有明显 的毛细水作用，则在这种材料层内也会发生水分重分布现象。如果冰冻稳定性不够，到 春融化冻期间，这些材料的强度也会明显下降，导致路面整体承载能力明显下降，甚至 发生破坏。 3 、有足够的抗冲刷能力 表面水会通过多种途径进入沥青路面结构层内，如果进入的水不能及时排出，而是 停留在面层与基层的交界面上，就会使得基层局部潮湿甚至接近饱和。例如从沥青面层 的裂缝进入的自由水，往往使裂缝附近的基层材料过分潮湿，特别是面层裂缝下基层材 6 长安大学硕士学位论文 料也开裂的情况，基层裂缝中往往会充满自由水。在行车荷载作用下，路面结构层内或 基层材料中的自由水会产生相当大的水压力，这种有压力的水会冲刷基层材料中的细 料，在裂缝中形成细料浆。在行车荷载反复作用下，细料浆被逐渐挤压出裂缝，形成面 层上裂缝处的唧浆现象。 除裂缝处的唧浆外，若半刚性基层强度形成不足，那么一旦雨水从面层侵入，在大 量行车作用下，还会形成局部冲刷唧浆，导致沥青面层形成局部低洼甚至坑洞。此外， 当半刚性基层( 分层施工时) 内沿施工界面有水运动时，结构层底面也容易受到冲刷。 4 、收缩性好 半刚性材料的收缩性包括两个方面，一是由于水分减少而产生干缩的程度，二是由 于温度降低而产生温度收缩的程度。 。 干缩性大的半刚性基层铺成后，在铺筑沥青面层前就有可能产生干缩裂缝。例如， 石灰土、水泥土或水泥石灰土基层碾压结束后，如果不及时养生或养生结束后未及时铺 筑沥青封层或沥青面层，只要曝晒2 - - - 3 天就可能出现干缩裂缝，随曝晒时间增长，裂 缝会越来越严重。半刚性基层材料的干缩性与采用的结合料剂量、土的粒径和土中细粒 土的塑性指数等因素有关。 半刚性基层内部的温度变化和坡差会产生温度应力，在冷的季节，基层表面的温度 低，基层顶部会产生拉应力：在暖和的季节，基层底部的温度低，在基层的底部可能产 生温度应力。这个拉应力与行车荷载在基层底部产生的拉应力相结合，会促使基层底面 开裂。因此，半刚性基层材料的温度收缩特性对薄沥青面层的开裂有重要影响。 5 、有足够的平整度 基层的平整度对薄沥青面层的平整度有十分重大的影响。对较厚沥青面层，基层的 不平整会引起沥青混凝土面层厚薄不匀，使沥青面层在使用过程中的平整度较快降低， 并导致沥青混凝土面层产生一些薄弱面。 6 、与面层结合良好 面层与基层间的良好结合，可以减少面层底面由行车荷载引起的拉应力和拉应变， 还可以明显减少由温度变化引起的沥青面层内的拉应力和拉应变f l 】。 2 2 水泥稳定类半刚性材料的基本特点 l 、具有一定的抗拉强度。 2 、环境温度对水稳材料强度的形成和发展有很大影响 环境温度越高，水稳材料内部的化学反应就越快和越剧烈，因此其强度也越高。试 7 2 半刚性基层技术性能要求 验证明，水稳材料的强度在高温下形成和发展很快，当温度低于5 到o c 时水稳材料 的强度就难于形成和基本上没有什么增长。 3 、强度和刚性都随龄期增长 虽然水稳材料的早期强度较高，但其内部的化学反应要持续一个相当长的时期才能 完成。在水泥终凝后，水泥混合料的硬结过程也常延续到一至两年以上，且结合料剂量 越大，龄期对强度的影响也越大。 4 、刚性介于柔性材料和刚性材料之间【1 1 。 2 3 水泥稳定类材料强度形成原理 水泥稳定类包括水泥稳定砂砾、砂砾土、碎石土、土等，其强度的形成主要是水泥 与细粒土的相互作用。 水泥矿物与土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出c a ( o h ) ： 并形成其它水化物。水泥的各种水化物生成后，有的自行继续硬化形成水泥石骨架，有 的则与土相互作用，其作用形式有：离子交换及团粒化作用、硬凝反应、碳酸化作用。 在水泥水化后的胶体中，c a ( 0 h ) ：和c a 2 + + 2 ( o h ) 共存。而构成粘土的矿物是以s i0 2 为骨架合成的板状或针状的结晶，通常其表面会带有n a + 和k + 离子。析出的c a 2 + 离子与 土中的n a + 、k + 离子进行当量吸附交换。其结果使大量的土粒形成较大的土团。由于水 泥水化生成物c a ( o h ) ：具有强烈的吸附活性，而使这些较大的土团粒进一步结合起来， 形成水泥土的链条状结构，并封闭土团之间的孔隙，形成稳定的联结。 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量c a 2 + ，当c a 2 ：的数量超过上述离子交换 需要量后，则在碱性环境中使组成粘土矿物的s i0 2 和a 1 ：0 3 的一部分或大部分同c a 2 + 进 行化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶矿物( 即硬凝反应) ，增大了土的强度。 水泥水化物中的游离c a ( o h ) ：不断吸收水中的h c 0 3 - 和空气中的c o ：生成c a c o 。这种 反应能使土固结，提高土的强度，但比硬凝反应的作用差一些。 综上所述，随着结晶进行的同时，结晶的析出端，也就是露出晶边的a l 3 + 离子的正 电荷将吸引结合于已析出晶面的( 0 h ) 一离子的负电荷，结果晶面之间发生排斥，从而形 成“晶边一晶面结合 的蜂窝状结构，把土中的矿物颗粒包络于蜂窝状结构里。 总之，水泥稳定土是水泥石的骨架作用与c a ( o h ) ：的物理化学作用的结果，后者使 粘土微粒和微团粒形成稳定的团粒结构，而水泥石则把这些团粒包裹和连接成坚强的整 体【1 9 1 。 影响水泥稳定土强度与稳定性主要因素有土质、水泥成份与剂量、水等。 长安大学硕士学位论文 土的类别和性质是影响水泥稳定土强度的重要因素之一。土的矿物成分对水泥稳定 土的性质有重要影响。除有机质或硫酸盐含量高的土外，各种砂砾土、砂土、粉土和粘 土均可用水泥稳定。有少量蒙脱石类矿物和不含腐殖质的各种碳酸盐土、覆盖粘土和冰 碛粘土用水泥稳定后可取得良好效果。由石英颗粒所组成的最佳级配土，由于土体的密 实度很大而保证了水泥能充分表现其结合性质，因而适于用水泥稳定。黑土腐殖层，尤 其是草皮灰化土的腐殖层，用水泥稳定得到的强度最低。用水泥稳定含有大量蒙脱石和 过于亲水的碱土其效果亦较差。 就土的粒度组成而言，适宜于用水泥稳定的土的范围相当广泛。但要达到规定的强 度，水混剂量随粉粒和粘粒含量的增加而增高。因此，稳定重粘土水泥用量过高而不经 济，且重粘土难于粉碎和拌和。实践证明用水泥稳定级配良好的土，既可节约水泥，又 能取得满意的稳定效果。 水泥的成分和剂量对水泥稳定土的强度有重要影响。通常认为，各种类型的水泥都 可用于稳定土。实践证明，对于同一种土，水泥矿物成分是决定水泥稳定土强度的主导 因素。一般情况下，硅酸盐水泥的稳定效果较好，而铝酸盐水泥则较差。当水泥的矿物 成分相同时，水泥稳定土的强度随着水泥比表面和活性的增大而提高。在硬化条件相似 的情况下，当水泥的矿物成分相同时，随着水泥分散度的增大，其化学活性和硬化能力 也有所增长。 水泥稳定土的强度随水泥剂量的增加而增加，但考虑到水泥稳定土的抗温缩与抗干 缩以及经济性，应有一个合理的水泥用量范围。 含水量对水泥稳定土的强度有重大影响。当混合料中含水量不足时，水泥就要与土 争水，若土对水有较大的亲和力，就不能保证水泥完成水化和水解作用。水泥稳定土需 要湿法养生，以满足水泥水化的需要。水泥剂量大、养生温度高时，其增长速率大。水 泥稳定土的强度随龄期的增长而增长，二者之间大致呈指数关系。 2 4 水泥稳定类半刚性材料的缩裂特性 半刚性基层材料的缺点是抗变形能力低，在温度或湿度变化时易收缩而开裂，当沥 青面层较薄时，易形成反射裂缝，进而严重影响路面的使用性能。半刚性基层材料的收 缩分为干燥收缩与温度收缩两种。 半刚性基层材料的干缩与温缩并不是单独进行的，这是由于基层材料实际是处于相 对湿度和温度不断变化的环境，而相对温度又与湿度成反比。因此，半刚性基层的干燥 收缩与温度收缩一般同时发生，而且往往产生相反效应。处于平衡含水量状态的半刚性 9 2 半刚住基层技术性能要求 基层材料，随着内部温度的进一步降低，含水量会有所上升。所以实际当中材料收缩其 实是温度与湿度相互作用的综合效应。 半刚性基层一般在高温季节中建成，成型初期内部含水量大，且未被沥青面层封闭。 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。同时，环境温度也存 在昼夜温差。所以，修建初期的半刚性基层同时受到水分散失引起的干燥收缩和由昼夜 温差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 的综合过程。经过一定龄期的养生，半刚性基层铺筑沥青面层后，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。对于含土较多的材料以干缩为主，对于含集料较多的材料以温缩为主【1 9 】。 2 4 1 水稳材料的千缩特性 水泥与各种细粒土( 中粒土或粗粒土) 和水经拌和、压实后，由于蒸发和混合料内 部发生水化作用，混合料的水分会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附 作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水作用和碳化收缩作用等会引起 水稳材料产生体积收缩。根据g e o r g e 的试验，由于水泥水化作用混合料水分减少而产 生的收缩约占总收缩的1 7 【1 1 。 水稳材料产生体积干缩的程度或干缩性的大小与下列因素有关：结合料的类型和剂 量、被稳定土的类别( 细粒土、中粒土或粗粒土) 、粒料的含量、小于0 5 m m 的细土含 量和塑性指数、小于0 0 0 2 n f l r n 的粘粒含量和矿物成分、含水量和龄期等。本节以水泥稳 定中粒土和粗粒土( 简称粒料土) 为例介绍其干缩性的影响因素。 l 、粒料土类型 澳大利亚r e 洛林斯( r a w l i n g s ) 研究了水泥稳定四种粒料土的干缩性，结果发 现粒料土类型对干缩应变有很大影响，小于0 4 2 5 m m 颗粒含量、塑性指数越大，其粒料 土的干缩应变也越大。 2 、粒料土的塑性 粒料土的塑性对于水泥混合料的干缩应变的影响是正比关系，即塑性愈大，干缩应 变也愈大。 3 、含水量 制件含水量对水稳粒料土的干缩应变有明显影响，但其影响程度又随粒料土的塑性 而变。粒料土的塑性愈大，制件含水量对混合料的干缩应变的影响也愈大。 4 、水泥剂量 水泥剂量对水稳砂砾混合料干缩性的影响不很明显；但是当粒料土的塑性较大时， 1 0 长安人学硕士学位论文 水泥剂量对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。 5 、龄期 对不含土的水稳砂砾，其平均干缩系数与龄期无明显关系。 6 、暴露时间 水稳粒料土的干缩应变和干缩系数都随暴露时间的增长而增加。 7 、失水量 水稳砂砾的失水量在2 2 - - - , 2 3 以下时，混合料的干缩系数相当小。 8 、集料的平均粒径 研究表明，没有约束的干缩应变随集料级配和水泥剂量有很大变化。水泥剂量的影 响，随集料平均粒径增大而减小： 2 4 2 水稳材料的温缩特性 半刚性基层材料中的固相、液相( 水) 和气相在降温过程中相互作用的结果，导致半 刚性基层材料产生体积收缩，以往的研究和资料也表明，对于材料中的固体颗粒，其组 成混合料的较粗集料的温度收缩系数较小，材料中细集料和新生成的胶结物有较大的温 度收缩系数；细土颗粒中，粘土矿物的温缩系数较大。 由于国外通常认为柔性基层沥青路面的温缩裂缝一般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通常看作是反射裂缝，且认为这种反射裂缝是由 半刚性基层材料的干缩裂缝引起的。因此，国外文献中很少能看到有关半刚性基层材料 温度收缩特性的资料。国内一些单位做了一些半刚性基层材料的温缩试验。 国内的张洪华通过对水泥稳定细粒土、水泥稳定中粒土和粗粒土的温缩性进行了系 统的研究，得到了几点结论：( 1 ) 稳定粒料土的温缩系数明显小于稳定细粒土的温缩系 数：( 2 ) 影响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；( 3 ) 水泥剂量 对水泥稳定粒料土的温缩性影响显著；( 4 ) 在4 种半刚性基层材料即石灰土砂砾，悬浮 式石灰粉煤灰粒料、密实式石灰粉煤灰粒料和水泥砂砾中，水泥砂砾的温缩性最小。 室内外试验研究同样表明：稳定粒料土的温缩系数明显小于稳定细粒土的温缩系 数。影响稳定粒料土的温缩系数的主要因素有粒料土中土的含量、粒料含量、水泥种类 及剂量等【1 1 。 2 5 本章小结 本章回顾了半刚性基层研究历程中提出的一些基本性能要求，如基层应具备的基本 条件，半刚性材料的基本特点等。着重阐述了水泥稳定类材料的强度形成原理，并对其 2 半刚性基层技术性能要求 干缩及温缩特性进行了分析，为下文对于水稳碎石半刚性基层质量影响因素的分析打下 了基础。 1 2 长安大学硕士学位论文 3 施工设备技术性能研究 铺筑质量优良的水泥稳定碎石半刚性基层离不开性能良好的材料，离不开材料级配 的合理组成设计，同样离不开性能优良的施工设备。而且一旦材料、级配确定后，施工 质量的好坏在很大程度上取决于施工设备的性能。本章通过对赤通高速沿线部分标段基 层施工设备，尤其是水稳碎石混合料拌和设备的调查研究，提出合理的施工设备的配置 要求；通过对部分水稳碎石混合料搅拌设备计量系统标定的对比，提出对水泥计量系统 的改进措施。 3 1 稳定土拌和设备的技术性能调查及试验研究 3 1 1 部分标段所用稳定土拌和设备种类及存在问题 1 、施工初期，笔者配合业主对各施工单位的设备到位及配备情况进行了摸底调查。 根据合同要求，稳定土拌和设备产量应不小于5 0 0 t h ，调查结果发现，大部分标段达 到了要求，只有个别产量为4 0 0 t h ，部分标段设备的具体厂家和型号如表3 1 所示。 表3 - 1 稳定土拌和设备情况统计 3mr 设# # $ n 能日院 2 、经过检查发现， 量采用电子计量方式， 量的准确性。 1 ) 总体质量较好设备： 各施工单位的稳定土拌和设备质量良并不齐，绝大部分设备计 个别设备采用容积式计量，而容积式计量邓能保证集料和水泥计 这部分设备不需改进，没有 明显缺陷，整体结构设计合理， 能生产出合格混合料，这部分设 备占检查总量的4 0 。 优点：拌锅较长，水泥计量 较合理，如图3 1 。 图3 - i 较长的搅拌锅 圉3 - 2 水泥过渡仓 有水泥供给的过渡 仓过渡仓的存在，将使 水泥的供给变得比较稳 定，计量也比较均匀，可 以减少水泥密度变化带 来的计量误差，如图 3 2 。 2 ) 存在缺陷设备，这部分设备占检查总量的6 0 ，需要进行局部的结构改进和零 部件的更换；其中占总量3 0 的部分必须更新或改进系统。特别是水泥、粉煤灰的供 给，均不能采用振动破拱，水泥可以采用气吹或搅拌等方式破拱，而粉煤灰宜用机械式 破拱。水的供给也需采用流量计，不能采用手动阀门控制方式。 安大学硕士学位论文 部分存在缺陷设备如图3 - 3 图3 - 8 。 图3