（交通运输工程专业论文）水泥稳定碎石路用性能研究.pdfVIP

摘要 摘要 水泥稳定碎石基层已广泛应用于我国高等级公路建设中，它具有强度高、稳定性好、抗 冲刷能力强以及工程造价低等优点，同时也存在裂缝这个目前还难以克服的缺点。 大量研究表明，水泥稳定碎石基层的裂缝可分为荷载因素引起的裂缝和非荷载因素引起 的裂缝。荷载因素引起的裂缝是车辆动静荷载疲劳作用下产生的裂缝，非荷载因素引起的裂 缝是干燥收缩和温度收缩或二者综合影响所引起的收缩裂缝。如何解决水泥稳定碎石基层开 裂问题是当前面临的重要任务。 因此，本文与安徽省境内的蒙蚌高速公路、庐铜高速公路、马芜高速公路水泥稳定碎石 基层施工实际相结合，在水泥稳定碎石基层强度和收缩性能研究的基础上，通过对施：| ：艺 组织和施工控制分析，对进一步提高水泥稳定碎石路用性能的技术措施进行总结，针对碎石 材料、水泥指标及剂量、混合料级配、摊铺碾压养生和交通管制等提出技术要求。 通过对现场裂缝的调查和产生原因的分析，提出水泥稳定碎石基层裂缝的处理方案，在 _ l 程实际中起到防i r 和延缓路面反射裂缝产生的作用。 关键词：水泥稳定碎石基层裂缝工艺研究质量控制分析 a b s t r a c t a b s t r a c t c e m e n ts t a b i l i z e db r o k e ns t o n eb a s eh a sw i d e l ya p p l j e di no u rc o u n t r yh i g h g r a d eh i 曲w a y c o n s t r u c t j o n ， i th a st h es n g t hh i g h ，血es t a b i l i t yg o o d ，t h ew a s h - r e s i s t a n ta b i l j t ys t r o n ga sw e “ a s1 0 wc o n s t r u c t i o nc o s ta n ds oo nt h em e r i t ，s i m u l t a n e o u s i ya l s oh a st h es h o r t c o m i n gw h i c hh a s c r a c k ，i ti ss t i l ld i m c u l tt oo v e r c o m ea tp r e s e n t t h em a s s i v er e s e a r c hj n d i c a t e st h a t ，廿l ec r a c ko fc e m e n ts t a b i l i z e db r o k e ns t o n eb a s em a y d i v i d ei n t ow h i c ht h el o a df h c t o rt oc a u s et h ec r a c ka n dt h en o n 1 0 a df a c t o rc a u s e s t h ec r a c k w h i c ht h el o a df a c t o rc a u s e di sp r o d u c e d b yv e h i c l e sd y n 啪i ca n dd e a dl o a df a t j g u e 缸n c t i o n t h e c r a c kw h i c ht h en o n - l o a df a c t o rc a u s e di si n n u e n c e db yt 1 1 ed r y j n gs h r i n k a g ea n dt h et e m p e r a t u r e c o n t r a c t i o no rt h et w os y n t h e s e s h d wt os 0 1 v ed e h i s c e n c eq u e s t i o no ft h ec e m 髓ts t a b i l i z e d b r o k e ns t o n eb a s ei sa ni m p o r t a n tt a s kt h a tf a c e da tp r e s e n t s o ，t h ea c l ec o m b i n e sw i t hc e m e n ts t a b i l i z e db m k e ns t o n ec o n s t n l c t i o no fm e n g - b e n 昌 l u t o n ga n dm a w ue ”p r e s s w a y i na n h u i ，i nt h ef o u n d a t i o no f s t r e n 口h a n dc o n t r a c t i o n p e r f o r m 肌c er e s e a r c ho f c e m e n ts t a b i l i z e db r o k e ns t o n e ，t h r o u g ht oc o n s t r u c t i o nc r a f to r g a n i 删j o n a n dc o n s t r u c t i o nc o n t m la n a l ”i s ，i tc a r r i e so nt h es u m m a r yt ot e c h n i c a lm e a s u r ew h i c ht o 如r t h e r e n h a n c e st h ec e m e n ts t a b j l i z e db m k e ns t o n ep e r f b n n a n c e ，i ts e t st h es p e c i f i c a t j o no ft h ec r u s h e d s t o n em a t er i a l ，t h ec e m e n t t a r g e t a n dt h e d o s a g e ， t h e c o m p o u n dg r a d i n g ，p a v i n g ， r o l l j n g ，m a i n t e n a n c ea n dt b et r a 筒cc o n t r o la n ds oo n t h r o u 曲a n dh a st h e r e a s o na n a l y s i st ot h es c e n ec r a c ki n v e s t i g a t i o n ， i tp r o p o s e st h e p r o c e s s i n gp l a no fc r a c ko fc e m e ms t a b i l j z e db r o k e ns t o n eb a s e ，i tc a np r e v e n ta n dd e l a yt h e f u n c t j o nj nt h ep r o j e c tw h i c hp a v e m e n tr e 日e c t i o nc r a c kp r o d u c e s k e yw o r d s ：c e m e n ts t a b i l i z e db r o k e ns t o n eb a s e ；c r a c k ，c r a rr e s e a r c h ；q u a l i t yc o n t m la n a l y s j s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究1 二作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材判。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名日期：地 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一虢娥聊繇丝蛰期：堕 1 第章绪论 1 1 概述 第一章绪论 水泥稳定碎石作为一种半刚性基层混合料已被广泛地应用于我国高等级公路基层建设 中，它具有强度高、稳定性好、抗冲刷能力强以及t 程造价低等优点。同时，其本身也具有 定的缺陷：以水泥稳定碎石等半刚性基层混合料铺筑的路面在使用数年甚至几个月后，面 层相继出现裂缝。这种裂缝在初期往往表现为微裂缝，但随着车辆荷载作用、路表雨水渗入、 环境温度交替变化等因素联合作用下，微裂缝进一步扩大，并逐渐发展成横向裂缝、纵向裂 缝乃至局部的网裂，导致路面使用性能降低，并最终产生结构性破坏。根据大量现场微裂缝 处的取芯，发现路表的裂缝宽度往往要小于纵深处( 即基层部位) 的宽度。这表明，裂缝的 演化发展往往是从基层处开始的，也就是说，基层自身产生的微裂缝诱发了高等级半刚性基 层路面的开裂。这种由基层混合料收缩引起、从基层部位开始逐步向面层扩展的裂缝称之为 “反射裂缝”。 大量研究表明，半刚性基层的裂缝可分为荷载因素引起的裂缝和非荷载因素引起的裂 缝。荷载因素就是车辆动静荷载疲劳作用下产生的裂缝，尤其是近年来超载现象比较严重的 情况f ，更容易造成、| = _ 刚性基层开裂；而对于非荷载因素则主要是由干燥收缩( 混合料随着 水分的蒸发，含水量不断减小，产生的收缩，称为干燥收缩，简称于缩) 和温度收缩( 混合 料由于温度降低而产生的收缩称为温度收缩，简称温缩) 或二者综台影响所引起的收缩丌裂。 不同地区，具有出不同的环境特征：北方冬季气温较低，有的地区达到3 0 ，在这种情况 f 混台料产生较大的温度收缩，一旦温缩应变超过材料所能承受的拉应变就出现裂缝，当然 在此过程中同时伴随着干燥收缩；在南方，炎热的夏季高温天气，混合料含水量急剧降低， 混合料产生收缩，如果干燥收缩超过混台料所能承受的拉应变也会出现裂缝，当然这种开裂 也包括温缩的成分。 无论是我国北方还是南方，路面开裂现象都比较普遍。济青高速公路1 9 9 3 年底通车， 在济南段( i 标段) 也有横向裂缝；广佛高速公路，建成的第二年，即1 9 9 0 年2 月全线1 5 k m 出现1 8 0 多条贯通横缝( 左右幅分别计算) ，最多l k m 左幅2 4 条横缝；沪嘉高速公路1 9 8 8 年竣：【通车后，1 9 9 2 年横向裂缝达3 0 0 多条，1 9 9 3 年每隔1 2 2 0 米一条，1 9 9 4 年每隔1 2 l j 米一条，全线已有1 0 0 0 余条横向裂缝：北京门头沟试验路1 9 8 1 年3 月和1 9 8 5 年儿月 两次裂缝调查，其中水泥砂砾路段的裂缝率从1 6 0 米千平方米增加到2 9 6 米千平方米， 而二灰砂砾则由1 2 0 米千平方米增加到6 2 l 米千平方米；南京至六合一级公路，通车后 第一个冬季，发现少量裂缝，1 9 8 1 年8 月完成第二期路面加铺工程，到第三个冬季( 1 9 8 4 年1 月) 全线调查，发现2 4 7 k m 路段内共有6 6 9 1 条裂缝，一般隔1 0 米一条裂缝，平均裂 缝率为6 9 1 米千平方米；莘松高速公路1 9 9 0 年1 2 月竣工通车，经过三年的通车使用， 出现了横向裂缝2 0 0 条，裂缝间距在1 2 1 5 米之间，大部分横向裂缝贯穿路面全宽。 在国外，裂缝问题同样是道路界的一个难题。英国道路委员会调查了m 4 高速公路上 9 2 公里路段的表面“反射裂缝”。该道路路面结构为：沥青层总厚1 3 5 毫米2 1 5 毫米，贫混 凝土基层1 3 0 毫米2 5 0 毫米和水泥粒料底基层。面层和基层厚度为3 5 5 毫米，水泥粒料底 基层1 2 0 毫米3 0 0 毫米。经调查多数路段上有密集的横缝，平均间距4 5 米。 从国内外半刚性基层数十年的工程实践可知，如何解决半刚性基层混合料开裂问题，提 高半刚陛基层沥青路面的使用品质是当前所面临的重要任务。因此，本文是在水泥稳定碎石 强度和收缩性能的研究基础上，与蒙蚌高速公路、庐铜高速公路和马芜高速公路水泥稳定碎 石基层施r 。实际相结合，研究水泥稳定碎石半刚性基层混合料的开裂问题，以及在施： 中通 过施t 控制，提高水稳基层的使用性能的施：口艺和方法。 1 2 水泥稳定碎石研究的现状 半刚性基层混合料具有较高的强度、较好的稳定性以及较强的抗冲刷能力，因而被厂 东南大学t 程硕十论文 泛地应用于道路建设中。表1 列出了安徽及我国典型的以二灰碎石或水泥稳定碎石为路面基 层的道路及其面层、底基层状况。 表1 国内采用水泥稳定类基层道路的路面结构 路面结构类型 公路名称 面层基层 底基层 a c 1 6 l4 c m 台安高速a c 2 5 i6c m3 4 c m 水泥稳定碎石2 0 c m 石灰土 a c 2 5 i6c m 5 c m 中a c2 5 3 5 c m 石灰土或水 京津塘高速6 c m 粗a c2 0 c m 水泥碎石或水泥砂砾泥土、水泥石灰土、二 1 2 c m a m 灰土 4 c m 细a c 济青高速 5 c m 粗a c 2 4 c m 二狄碎石4 2 c m 二灰碎土 6 c m 粗a c a c 13 i4c m ( 改进型) 蒙蚌高速公路 a c 一2 0 i5c m3 4 c m 水泥稳定碎石2 0 c m 石灰土 a c 2 0 i6c m a c 1 3 i4c m 庐铜高速公路 a c 2 5 i6c m 3 4 c m 水泥稳定碎石2 0 c m 石灰土 a c 2 5 i6c m 4 c m a c 磨耗层 1 0 c m 沥青碎石联结层 广深路8 c m a c2 5 c m 级配碎石 1 0 c m a c 2 3 c m 水泥碎石 a c 一1 6 i4c m 合徐南高速 a c 2 0 15c m 3 4 c m 水泥稳定碎石2 0 c m 石灰十 a c 一2 5 i6c m a c 1 6 i4c m 2 0 c m 二灰土 连霍高速 a c 2 0 i5c m 3 4 c m 水泥稳定碎石 a c 2 0 i6c m 2 0 c m 级配碎石 a c 1 3 i4c m 芜宣高速 a c 2 0 i5c m 3 4 c m 水泥稳定碎石2 4 c m 二灰土 a c 一2 5 i6c m 4 c m 中a c 西安铜川2 l c m 沥青碎石2 2 c m 二扶士 8 c m a m 注：a c + 一沥青混凝土：a m ”一沥青碎石；s a c 多碎石沥青混凝土。 国外从6 0 年代开始对二灰碎石进行研究。1 9 6 4 年，a h e r z o g 、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，a n d r e s 、r s 研究了影响石灰、粉煤灰碎石混合料耐久性 的因素。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，得出最佳石 灰和粉煤灰含量。1 9 8 8 年，b a p k a l 、g o l ( l a i l 对二灰稳定土进行短期高温养护和低温长期养 护试验，得出二者之间的关系，并研究用短期、高温养护条件下的实测值来预测i 殳计值。列 于二灰碎石的裂缝问题，国外一些学者认为主要是由于无机结合料收缩而产生的。m f m a g g s 等人认为减少横向裂缝的方法，应从限制基层的强度与刚度入手，不可片面追求高强度、高 刚度，并严格控制施 ：含水量。为防止基层裂缝的反射，需要有一定厚度的面层，多数国家 认为1 5 厘米2 0 厘米为宜。另外，用土工织物设置基层和面层之间的隔离层可减少反射裂 缝。对水泥稳定碎石，最早的水泥稳定材料基层是1 9 3 5 年在美国的j o h n s o n v _ 1 1 e ( s o u t h c a r 0 1 1 n a ) 修建的。1 9 3 7 年，美国加利福尼亚州铺筑了3 2 公里的水泥稳定土基层，随后被 广泛应用到公路和机场跑道中。 我国对半刚性基层混合料的应用和研究，始于7 0 年代援外的公路 j 程中。在赞比亚、 苏丹、卢旺达等围的援建：【程中，不同程度地采用了水泥稳定材料为路面基层。随后水泥稳 定材料和二灰稳定材料开始应用于我国的道路建设。 安徽的半刚性基层材料应用是随着合宁、沪蓉和合徐南高速公路等高等级公路的建设而 大规模用于l 程实践，近十年来半刚性基层材料在安徽高速公路建设中的应用里程达1 0 0 0 第一章绪论 余公里。在半刚性基层材料的应崩中也出现不少问题，主要问题有：半刚性基层的早期破 坏，即半刚性基层在面层施工前的破坏。半刚性基层在养生7 天后检验台格，即对施：l 车辆 开放交通，经过一段时间的施工和社会车辆的通行，在交工检测时发现，基层的表面有l _ 3 厘米的松散，部分段落取不出完整芯样。究其原因有施工中拌和物的质量可能存在问题，7 天养护期内的可能未保持基层表面湿润，7 天的养护期可能偏短，由于施工工序安排不尽科 学合理，致使部分段落开放交通后通行大量的施工重型车辆，且速度快冲击力大。半刚性 基层的温缩和干缩裂缝。基层施1 完成，间隔一个夏季或一个冬季，部分段落的裂缝可能出 现在施一j 一完成后一个月，裂缝的间距从儿米到百米以上不等。产生的原因可能有初期水分蒸 发、日夜温差的交替变化下由混合料干缩、湍缩所致的席力使混合料所产生的干缩和温缩超 过材料抗拉强度，将基层拉断，有现场施工中一些不可避免的冈素使混合料拌和4 ；均，致使 混合料含水量产生偏差，进而影响基层混合料总体干缩性能，有含水量偏大，使混合料产生 较大干缩。半刚性基层膨胀裂缝。基层施工完成后经一个冬季，在施工稀浆封层或下面层 完工经历夏季的一段高温时间，部分段落的基层膨胀起拱，间距从几十米到数百米不等。分 析原因有基层的水泥稳定碎石分两层施工，分别于秋季和春季施 _ ，在黑色的稀浆封层或沥 青面层施： 后，遇夏季高温暴晒，黑色容易大量吸热，使基层产生不均匀膨胀，造成基层起 拱。 通过对、r 刚性基层材料在安徽高速公路建设中出现问题的研究和处理，逐步加深了对半 刚性基层性能的认识：引起、f 刚性基层路面的裂缝有结构性破坏裂缝、沥青面层的温度收缩 裂缝以及半刚性基层的温缩和干缩裂缝引起的沥青面层产生的反射裂缝；半刚性基层材料开 裂主要有两种原因，即车辆荷载引起的荷载裂缝和由干缩、温缩引起的收缩裂缝，对荷载裂 缝，只要保证基层、底基层有足够的强度便可抵抗由面层传来的荷载，也就是说如果基层强 度足以抵抗荷载引起的应力。一般情况f ，行驶在道路上车辆的胎压在o8m p a 左右，进一 步考虑胎压随深度逐渐减小，实际基层所承受应力则更小，所以对基层而言由胎压引起的竖 向应力是相对较小的。即使考虑车辆的动荷作用( 动荷系数一般不超过l3 0 ) ，基层实际受 到的车辆荷载所引起的应力是比较小的。对于水泥稳定碎石基层，由于其较高的早期强度， 因此一般不会因为强度不足而使路面开裂。在这种情况下，路面出现早期裂缝主要是由丁干 缩、温缩引起的收缩裂缝反射到面层所致。对半刚性基层裂缝的控制也逐步统一到以下儿方 而：针对基层材料本身，基层混合料配合比设计阶段，在保证基层强度的前提下，进一步 考虑原材料组成对混合料强度、刚度和温缩干缩的影响关系，选择合理的强度和良好抗干温 缩性能的混合料配合比；在半刚性基层的施工过程中，严格按照混合料配合比组织施工， 选择性能良好的设备，设计合理的工艺流程，尽可能地避免混合料的离析，在基层建成的初 期，做好养护工作，适当延氏养护期，由7 天延长至1 2 天，有条件可延长至2 8 天；合理安 排施工：i ：序，尽量减少半刚性基层上人吨位施工车辆的通行，这要求从混合料拌和站的设置 开始考虑，从施：【段落的划分以及施工的先后次序。严格限制施： 车辆的通行速度，降低对 半刚性基层的冲击。加强对半刚性基层原材料生产的质量监控，避免从多个产量较小的料 厂进货，尽量采用产量大质量稳定的料厂的材料，逐步淘汰鳄式破碎设备，采用反击破碎设 备，将对材料的质量控制环节移到对材料生产设备、材质、产量等源头控制。在l ：刚性基 层和沥青面层之间设置隔离裂缝的中间层或应力吸收层，以阻止反射裂缝向面层扩展。 关于半刚性基层材料性能研究，目前国内外取得了以下j l 个方面的成果： l 半刚性基层混合料收缩性能综合评价 混合料本身性能研究是在充分认识组成、f 刚性基层混台料的主要原材料的基础上，对 混合料的整体收缩性能作综合评价。从半刚性材料开始应用于道路基层，就不断地对二灰稳 定和水泥稳定基层材料采用以理论分析、室内材料性能系统试验、结构模型试验和野外试验 路并举的理论计算与实践检验相结合的方法，得出了这些基层材料的性质、影响其强度的因 素、各因索对强度的影响规律、影响其收缩性能的因素以及各冈索对收缩性能的影响规律。 在此基础上，提出能够满足路面基层路用性能的原材料性能要求、混合料配合比，进而对其 强度及收缩性能作综合评价。 2 半刚性基层材料的微观分析 通过x 射线衍射、红外光谱、热差分析以及电子显微镜等多种实验手段，分析了半刚 性基层混合料强度形成过程中水化产物在混合料内的生成、发展状态及其与混合料整体强度 的变化关系。从扩张作用、毛细管张力作用和冰冻作用等方面研究了水对混合料热胀缩性能 东南大学工程硕士论文 的影响，另一方面从毛细管张力作用、吸附水和分子间力作用、矿物晶体或胶体的层间水作 用以及碳化脱水作用等方面研究半刚性基层混合料的干缩机理和从组成混合料各成分的热 膨胀系数来研究整体材料的温缩特性。 3 半刚性基层混合料开裂的防治措施 ( 1 ) 选择干温缩性能较好的混合料组成 在充分认识原材料性能基础上，控制集料或粒料的级配组成”】，选择混合料收缩量小的 结合料剂量。 ( 2 ) 研制低强度路用水泥和早强外加剂 针对半刚性基层混合料应用的实际情况，目前的普通硅酸盐水泥强度较高，最低的强 度等级也是3 25 级，对于仅须强度3 5 m p a 基层可以适当降低水泥的强度等级，但是这需 要有关标准的修订和水泥生产厂商的协作。在混合料中掺加一定的外加剂，来克服或改善混 合料的一些弱点，增强其强度减小收缩性，目前已研制出不少性能有效的外加剂。 ( 3 ) 设置中间层 俄罗斯曾在1 0 1 4 厘米厚的沥青混凝土下设置乳化沥青处治集料防裂中间层或集料中 间层。英国则采用高抗拉强度的聚合物网作为半刚性基层与沥青面层的中间层以延缓裂缝向 上传播。另外一些国家使用土工织物或橡胶沥青中间层以减少路面裂缝。 ( 4 ) 预制微裂纹、预切缝 在基层中预先制造微裂纹以降低其收缩性。德国的1 9 8 6 年设计规范规定，当沥青罩面 的厚度小于或等于1 4 厘米，不管基层厚度多大，只要基层抗压强度超过1 2 m p a ，基层必须 预先切纵缝和横缝；捷克斯洛伐克用反复碾压的方法人为地制造微细裂缝网。 4 针对收缩裂缝的施工控制 ( 1 ) 含水量的变化对半刚性基层混合料收缩的影响 由丁现场施工中一些不可避免的因素使混合料拌和不坶，致使混合料含水量产生偏差， 进而影响基层混合料总体干缩性能。含水量偏大，使混合料产生较大干缩。因此，施：i ：中应 充分拌和混合料，减小混合料含水量偏差。另外根据施工经验，为尽可能地防止干缩裂缝的 产生，宜在略低于混合料最佳含水量情况f 碾压成形。 ( 2 ) 养生条件 在基层建成初期( 尤其是7 天之内) 面层还没有铺筑，基层暴露在空气中，易造成混 合料水分的大量挥发，既影响混合料强度的形成又会产生较大的干缩。所以养生期间要少洒 水、勤洒水，始终保持基层处于湿润状态。根据现在施工期间的车辆通行情况，应适当延长 养生期，最好在1 2 2 8 天。 ( 3 ) 对离析的施：c 控制方法 混合料离析使基层强度降低、稳定性丧失、平整度也很难保证。经大量工程实践，对施 工中混合料的离析可从混合料拌和、运输、施工碾压以及人工操作等方面采取相应的控制和 补救措施。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文在大量研究相关资料和现有研究成果的基础上，吸取半刚性基层混合料应用成败 经验的基础上，结合蒙蚌、庐铜、马芜高速公路路面水泥稳定碎石基层的施工实践，将室内 试验研究与工程实践相结合，来研究半刚性基层混合料的强度、收缩性能，进而提出可显著 降低收缩量的混合料配合比、混合料设计方法，以及混合料施上工艺、裂缝处理和施工质量 控制。主要进行了如下内容的研究： 1 通过相关室内试验，研究组成水泥稳定碎石的原材料与混合料强度之间的关系； 确定混合料的最佳配合比，总结出以保证强度为基础、降低收缩为目的的混合料组成范围。 2 保证混合料强度的基础上，研究水泥稳定碎石收缩性能的影响因素和影响规律； 提出减小水泥稳定碎石收缩裂缝的途径，提出综台考虑混合料强度和收缩性能的混合料设计 方法。 3 结合蒙蚌、庐铜、马芜高速公路，试验研究施 二工艺环节对水泥稳定碎石基层质 量的影响，提出综合考虑各方面因素、显著提高基层施工质量的工艺组合、施： 方法和施一l 质量控制；分析基层裂缝产生原因，提出裂缝处理方案，以及处理效果的评价。 4 第_ 二章水泥稳定碎石混台料的强度研究 第二章水泥稳定碎石混合料的强度研究 本研究结合蒙蚌、庐铜、马芜高速公路项目实践，主要研究蒙蚌高速公路。蒙城至蚌埠 高速公路全长8 9 5 3 公里，为全封闭全立交平原微丘高速公路。路基宽2 6 米，路面宽2 2 5 米，殴计时速l o o 公里j 、时。路线位于淮河以北，属暖温带半湿润季风气候，季风明显， 四季分明，气候温和，雨量适中，光照充足，年平均气温1 4 5 1 5 ，元月份气温最低，平 均为。o 2 1 2 ，最低2 0 ，有轻冻，七月份最热，平均2 7 2 8 ，最高4 0 ，年平均降水 量8 5 0 9 1 0 毫米。 2 1 原材料性能试验 2 1 1 水泥 针对基层水泥稳定碎石的通病，蒙蚌高速公路建设中，首次由业主与厂商签定协议，生 产供蒙蚌高速公路专用的特制缓凝3 2 5 级路用水、栊。要求生产及生产材料按水泥的常规生 产，初凝时间不小于3 小时，终凝时间不小于6 小时，2 8 天水泥胶砂强度不小于3 2 5 m p a ，试 验方法按国标水泥胶砂强度检验方法( i s o 法) g b 厂r 1 7 6 7 1 1 9 9 9 规定进行。 对进场的水泥3 个施工单位分别进行水泥的常规试验，得到各指标如表2 所示。 表2 水泥参数检测 初黼拥 终凝时间安定性 细度3 d 强度( m p a ) 2 8 d 强度 项目 ( m p a ) ( h ：m 讪)( | l ：m m )渲氏珐( c a ) m d( 0 n 8 r r n ) 抗折 抗压抗折抗压 l 合同段5 ：1 57 ：3 5合格 4 24 o1 6 27 03 9 5 2 合同段 6 ：4 08 ：4 0 合格 4 84 31 8 5834 3 5 3 合同段 4 ：2 56 ：2 0 合格 3 73 5 72 027 4 13 4 7 水泥的强度技术指标按3 2 5 p o 普通硅酸盐水泥强度技术要求，如表3 所示。 表33 2 5 p o 普通硅酸盐水泥胶砂强度要求 沁竺 抗折强度( m p a )抗压强度( m p a ) 3 天 2 5 l l 2 8 天 5 5 3 2 5 经检验，进场水泥符台3 2 5 p o 水泥技术要求。 2 2 2 集料 工程使用的石料主要来源于宿州境内的龟山石料场、怀远境内的荆山和涂山料场，料 场产量能够稳定供应蒙蚌高速公路路面基层施工。为研究集料级配变化对混合料性能的影响 规律，在试验研究中，选择了两种不同级配：一是公路路面基层施工技术规范 ( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 中集料级配范围中值；另种是47 5 毫米粒径的通过量为2 9 。分别将这 两种级配称为中值级配和粗级配( 以_ 卜同) 。 按公路工程集料试验规程( j t j 0 5 8 2 0 0 0 ) 检验其压碎值；对于粒径小于06 毫米的 颗粒，检验其液限和塑性指数。集料的各项性能指标如表4 所示，经检验集料各项指标均满 足规范要求。 东南大学工程硕士论文 表4 集料技术指标值 液限 表干相对密度 项目压碎值( )塑性指数含泥量( ) ( ) 1 “ 2 83 “ 1 合同段 】62 324 227 4 12 7 1 22 615 2 合同段 1 801 9 31 92 7 0 92 7 0 72 7 0 6o9 5 3 合同段 1 8 72 1 8 36 2 6 9 72 6 9 7 2 7 2 6 0 8 对现场3 种集料，分别取代表性试样进行筛分，结果如表5 。其中14 集料为粗集料，2 4 为瓜子片，3 4 为石粉。根据3 种集料的筛分结果，根据室内试验的成果，计算得出施：l 集 料配合比如表6 ，实际所用集料级配如表7 。图1 中所示为公路路面基层施：【试验规范 ( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 关于高等级沥青路面水泥稳定碎石基层混台料级配范同，试验所采用的级 配基本处于规范级配范围内。 表5 集料筛分结果 、 筛7 l 尺寸 、( m m ) 3 1 52 6 51 99 54 7 52 3 6o 600 7 5 级配类型、 1 “1 0 07 5 41 8 10 2 4 1 0 0 7 l73 2 11 7089 o 3 “1 0 07 4 43 4 59 6 表6 集料配合比 集料类型 1 4 2 “3 4 级配类型 中值级配 2 5 5 2 2 3 粗级配 4 2 4 3 1 5 表7 两种集料级配组成 筛孔尺寸 ( m m )3 1 5 2 6 51 99 54 7 523 6o6 0 0 7 5 级配类型 中值级配 1 0 09 5 o8 055 7 o3 9o2 6 o 1 5 03 5 台成l 1 0 09 3 97 9 56 0 33 9 72 6 o1 2 62 2 粗级配 1 0 08 5 o7 0 54 7 02 9 o1 6 o5 00 台成21 0 0 8 9 7 6 5 64 5 82 8 81 8 59o1 4 6 第二章水泥稳定碎石混合料的强度研究 2 2 混合料击实试验 2 2 1 试验方法 一 0 ，0 7 50 62 r 647 59 51 92 6 s3 1 5 l l ，l _ j “、- 、v 图l 集料级配图 混合料试件成型前，需通过击实试验确定其最佳含水量( mo ) 和最大干密度( pd ) 。 试验方法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 ) 击实试验的丙法：分三 层分别进行重型击实，每层击9 8 下，而后测定混合料实际含水量并计算相应的干密度。由 此绘制击实曲线，爿由曲线定出混合料最佳含水量( uo ) 和最大干密度( pd ) 。 2 2 2 混合料击实试验结果 对方案中的2 种级配( 中值级配和粗级配) 、4 种水泥用量( 4 o 、45 、5 0 、5 5 ) 共8 种混合料分别进行击实，得出混合料击实曲线如图2 9 ，混合料晟佳含水量和最大= = i _ _ 密度如表8 。 一2 3 4 鼍23 2 盖23 0 剖2 2 8 锥22 6 巾22 4 7 含水量( ) 图3c 2 标准击实试验 帅舳乏加旧0 一基一斛采陋刘恻 # l 0 实 量击水准o 含标 ； 2图 o4 东南大学工程硕士论文 23 6 营23 2 芒 掌2 2 8 葶22 4 r h 2 2 0 2 3 9 薯23 3 扣， 壁zz - 2 1 5 40 5 06 070 含水量( ) 图4c 3 标准击实试验 4 o5o 含水量( ? o7o 图6c 5 标准击实试验 一2 3 5 芎2 3 0 毒z z s 篷22 0 2 1 5 455 5 含水量( ) 6 5 图8c 7 标准击实试验 一2 3 6 飞2 3 2 翥2 2 8 篷22 4 2 2 0 2 3 4 飞2 3 2 詈：2 9 嫠z ：， 22 4 4 05 06 o7 o 含水量( ) 图5c 4 标准击实试验 40 5 06 07o 含水量( 呦 图7c 6 标准击实实验 4 0506 070 含水量( ) 图9c 8 标准击实试验 表8 混合料击实试验结果 混台料水泥用量( )碎石级配虽佳含水量do ( )最大干密度od ( c m 3 ) c 1 4 o 中值级配 5 o23 3 c 24 5 中值级配 5 223 4 c 3 5 0 中值级配5 623 4 c 45 5 中值级配 5 82 3 5 c 54 0 粗级配 4 823 3 c 64 5 粗级配5 42 3 4 c 750 粗级配 5 42 _ 3 2 c 85 5 粗级配5 82 3 l 8 撕 埘 船 | 詈 一勘笃越轮 第二章水泥稳定碎石混台料的强度研究 2 2 3 最佳含水量与最大干密度影响因素分析 根据试验结果，按级配和水泥剂量两个因素考虑，同时不考虑两个因素的交互影响。由 菲重复试验的两因素方差分析理论可知，只须在各种组合水平f 各作一次试验就可进行方差 分析，以上试验资料符合此方差分析数学模型的要求。 表9 最大干密度试验数据 水泥用量( ) 碎石级配x 。 ( x n ) 2 4 o455 05 、5 中级配 2 3 32 3 42 _ 3 42 3 59 3 68 7 6 0 9 6 粗级配 23 323 4 2 3 22 3 1938 6 4 9 x d 4 6 64 6 846 6 4 6 61 8 6 6 1 7 40 9 6 9 ( x 。) 2 2 1 7 1 5 62 19 0 2 42 17 1 5 62 1 7 1 5 68 7 0 4 9 2 x 。2 l o 8 5 7 81 09 5 1 2i o 8 5 81 0 8 5 8 64 35 2 5 6 p = 4 35 2 4 4 5 u a = 4 3 5 2 4 2 2 5u b = 4 35 2 4 6 w = 4 35 2 5 6 s a = 一00 0 0 2 2 5s b = o0 0 0 1 5s e = 0 0 0 1 2 2 5s t ：0 0 0 1 1 5 表l o 方差分析表 方差来源离差平方和自由度均方离差f n 值 因素a ( 级配) s a = 一0 0 0 0 2 2 5f a = 1 - o 0 0 0 2 2 5 因素b ( 水泥)s b = o 0 0 0 1 5f b = 3 o 0 0 0 0 5 f a 0 = 一o5 5 误差 s e = 0 0 0 1 2 2 5f e = 3 o 0 0 0 4 0 8 总变筹s t = 0 0 0 1 1 5 f f l 0 0 0 1 1 5 f b o = o 1 2 2 5 f a o0 5 ( 1 ，3 ) = 1 0 1 3 f 分布的上a ( a = 0 0 5 ) 点 f b o0 5 ( 3 ，3 ) = 9 2 8 从方差分析的结论看，f 。o f a 。 f b o ( f b 级配和水泥剂量都对最大干密度不产生显著差异。 表1 1 最佳含水量试验数据 水泥用量( ) ( x 。) 2 碎石级配 x 0 4 04 55 055 中级配 5 o5 25 6582 1 64 6 6 5 6 粗级配 4 8 54 5 45 82 1 44 5 79 6 981 0 6l l1 1 64 39 2 45 2 ( x 。) 2 9 6 0 41 1 2 3 61 2 11 3 4 5 64 6 39 6 x 。2 4 8 0 45 626 0 2 56 7 2 82 3 1 7 7 p = 2 3 1 1 2 5 u a = 2 3 1 1 3u b = 2 3 1 9 8 w = 2 3 】7 7 s a = 00 0 5s b = o8 5 5s e = - o 2 1 5s t = 0 6 4 5 表1 2 方差分析表 方差来源 离差平方和自由度均方离差f o 值 因素a ( 级配) s a = 0 0 0 5 f a = 1 0 0 0 5 因素b ( 水泥)s b = 0 8 5 5f b = 3 0 2 8 5 f a o = 一0 0 7 误差 s e = 一o 2 1 5f e _ 3 一o 0 7 ” 总变差 s t = o 6 4 5f t = 10 6 4 5 f b o = 一39 7 f a 。( 1 ，3 ) = 1 0 1 3 f 分布的上o ( n = 0 0 5 ) 点 f b 。( 3 ，3 ) = 92 8 从方差分析的结论看，f a o f b 。 因此级配和水泥剂量都引起无侧限强度产生显著差异。 ( 2 ) 水泥用量对强度的影响 如图1 0 所示，随着水泥用量的增加，混合料7 天无侧限抗压强度逐步增k ，对中值级配， 水泥用量为5 5 时的混合料强度是用量为4 时的12 倍，而对粗级配，则为l5 倍。由此， 水泥用量的多少对混合料强度影响十分显著，混合料中水泥用量的增大，混合料强度也随之 增大。 美 i l 蚕 ( 3 ) 集料级配对混合料强度的影响 舍6 山 茎 似4 嘣 出 辗2 咄 限o 4 55 o5 5 水讹用量( ) 一中值级配口粗级配 、一o ，一一二= ( 一一一4 ) 一一一 3 54 04 55 05 56 o 水泥用量( ) 图1 1 集料级配与强度关系 东南大学工程硕士论文 图1 l 为4 种水泥用量下不同集料级配的混台料强度的柱状图。当水泥用量为45 时，集 料中细料含量由3 9 下降到2 9 ，强度从37 m p a 上升到52 m p a ，升幅为4 0 ；水泥用量为5 时，则为l3 ；水泥用量为55 时，为1 5 ，而水泥用量为4 时，在两种级配中，水泥 用量对混合料强度影响差别不大。 2 4 小结 ( 1 ) 采用特制缓凝3 25 级水泥，强度和凝结时间等指标符合规范要求，所采t l j 的集料的针 片状、含泥量、压碎值和塑性指数等指标在规范允许范围内。 ( 2 ) 试验结果，混合料最佳含水量( uo ) 在4 8 5 8 之间，最大干密度( pd ) 在2 3 1 2 3 5 9 ，c m 3 之间。方差分析表明，级配和水泥剂量对最大干密度、最佳含水量均没有显著影响 ( 3 ) 在标准养护条件( 温度2 5 ，湿度9 0 以上) 下养生6 天，第7 天进行浸水养生，饱 水无侧限抗压强度在3 5 5 3 m p a 之间。对无侧限抗压强度试验进行分析，表明水泥是影响 水泥稳定碎石基层混合料强度的决定因素，随着水泥用量增加，混合料7 大无侧限抗压强度 迅速增长。另外，方差分析也表明，水泥剂量和级配都对强度产生显著影响。 第三章水泥稳定碎石的收缩性能研究 第三章水泥稳定碎石的收缩性能研究 3 1 混合料干缩性能研究 3 1 1 试验方法 按最住含水量和最大干密度制备混合料，闷料4 小时斤，按所需混合料质量制作1 0 0 1 0 0 4 0 0 m m 的梁式试件。脱模后放入养护室，保温、保湿养护7 天后，进行干缩试验。 试验中混合料干缩应变的测量用电测法，采用由长安大学研制生产的w g d 高低温交变 箱( 如图1 2 所示) 。将8 0 m m 标距、1 2 0 0 的电阻应变片对称粘贴于梁试件的两个侧面( 如 阁1 3 所示) ，两个应变片之间为串联电路，并与温度补偿片及转换箱、静态应变处理仪相联 构成平行半桥电路。 图1 2w g d 高低温交变箱 图1 3 对称粘贴于试件两侧的电阻应变片 将到达龄期的试件从养护宝取出，把表面擦拭干净，粘贴应变片，接好桥式电路。然后 将试件放入恒温箱中，并在4 0 条什r 恒温测定一定时间间隔( 时间间隔设为2 、2 、4 、4 、 1 2 、2 4 个小时) 后试件的干燥收缩应变值及相应的含水量。 东南大学工程硕士论文 3 1 2 数据处理方法 干缩系数是指单位含水量变化条件f 材料的线胀缩系数。若一定温度下，两相邻测点 测得的材料干燥收缩应变为e 、e 。对应的混合料含水量为u 、u ，则该区段的平均 干缩系数为 夏：垡 f 2 1 j _ i 一国j 其中，u ，、u 为相邻两测点测定的试件含水量；e 、e 为相邻两测点测定的试件 干缩应变值。 3 1 3 试验结果 在干缩试验中，时间从干缩开始到试验结束，历时4 8 小时。混合料干缩是在毛细管张 力作用、吸附水以及层问水吸引力和分子与分子间的作用力综合作用下，产生收缩，并且随 时间的推移，干缩应变逐渐增大的过程。由于水泥用量为4 0 的混台料强度偏低，对剩余 的6 种混合料进行干缩试验，试验结果如表1 7 所示。 表1 7 水泥稳定碎石混合料干缩试验数据 、时间( h ) 混合料 试验指标、 02481 22 44 8 干缩应变m 0 88 01 6 22 1 l2 7 53 2 53 5 6 失水率( ) oo 2 0o 4 0o 7 01 o o22 02 9 0 c 2 含水量( ) 5 0 04 8 04 6 04 3 04 0 028 021 0 干缩系数( u 咖6 ) 3 6 0