（交通运输工程专业论文）半刚性基层材料路用性能研究.pdf

摘要 近几十年来，随着公路的发展，及半刚性基层在国内外的广泛应用，半刚性基层材 料的路用性能研究越来越受到人们的关注。本文针对半刚性基层沥青路面结构具体特 点，以济宁地区公路路面基本形式和主要问题为例，以半刚性基层路用性能和强度形成 机理为出发点，通过试验和材料性能分析，对不同基层材料的路用特点进行了合理评价， 并提出其各自适用的条件和技术特点，为济宁地区公路建设的实际应用和发展提供科学 依据。 关键词：半刚性基层、材料、路用性能 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h w a yd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r sa n dw i d e l yu s i n go fs e m i - r i g i db a s ea t h o m ea n da b r o a d ，t h er o a da b i l i t yo fs e m i - r i g i db a s em a t e r i a lw a sp a i da t t e n t i o nb ym o r ea n d m o r ep e o p l e a i ma tt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r so fs e m i r i g i db a s eb i t u m e np a v e m e n t ，t a k et h e b a s i cf o r ma n dm a i np r o b l e m so fh i g h w a yp a v e m e n ti nj i n i n gr e g i o n ，s t a r tf r o mt h er o a d a b i l i t ya n ds t r e n g t hf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs e m i - r i g i db a s e ，a n dt h r o u g ht e s ta n dm a t e r i a l c a p a b i l i t ya n a l y s i s ，t h i sa r t i c l ec a r r y so u tt h er e a s o n a b l ee v a l u a t i o nt od i f f e r e n tb a s em a t e r i a l a b i l i t i e s ，p r o v i d e st h ee a c hs u i t a b l ec o n d i t i o na n dt e c h n o l o g y , a n do f f e r st h es c i e n t i f i cb a s i s f o rt h ea c t u a la p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fj i n i n gr e g i o nh i g h w a yc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：s e m i r i g i db a s e ；m a t e r i a l r o a da b i l i t y 玎 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：棚鸟 矽 年石月归日 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：窍自鸸 导师签名：季陟 调年月d 曰 p7 年6 月，o 曰 k 安人学t 程硕i - 论文 1 1 概述 第一章概述 近几十年来，伴随着改革开放国策的巨大成功，我国的经济水平和生产力水平已经 发生了翻天覆地的变化。飞速发展的国民经济急切要求交通建设必须先行，国家根据加 大基础设施建设，拉动经济增长的战略决策，确立了“经济发展，交通先行。的发展规 划。从上世纪八十年代至今，我国公路交通建设已进入了提高路线和路面等级，改建和 新建高等级公路，同时大量建设高速公路的新的历史时期。 在这个新的历史时期，一方面交通量迅速增长，另一方面车载质量和轴载都有较大 增加且重车比例也明显提高，以往使用的路面材料和基层材料已显然不能适应新的交通 状况，从这一阶段，开始采用沥青铺筑较厚的贯入式面层、沥青碎石面层和沥青混凝土 面层。在高等级公路上，则进一步使用了质量更好的沥青混凝土、有些地方还使用了改 性沥青和新型结构的沥青混凝土做面层结构。同时，水泥混凝土路面里程也大大增加。 在这个阶段的初期，由于采用的基层材料不合适，加之其它原因，许多路面发生了 严重的早期损坏现象，严重影响了道路的使用质量和使用寿命。为提高路面质量，克服 早期损坏现象，改善路面的使用性能及延长使用寿命，结合国内外的施工经验，我国在 不同地区铺筑的以半刚性材料为基层主体的道路采用了不同的路面结构。这种半刚性材 料包括水泥稳定土、石灰稳定土、石灰稳定工业废渣和综合稳定土等8 1 。 据统计，除水泥混凝土路面外，采用半刚性材料的沥青路面已成为了我国公路建设 中最典型的路面结构形式。而且世界上的其他国家也较多地采用半刚性材料作沥青路面 的基层或底基层。 中外公路学者历经了数十年的施工实践和理论研究，一致认为基层是柔性路面和半 刚性路面的主要承重层，基层的强弱和好坏对整个路面，特别是沥青路面的强度、质量 和寿命都有十分重要的影响。 尽管各国公路等级不同，其等级道路上的交通量和车辆组成不同，路面结构也有较 大的区别，但在道路结构中普遍采用半刚性材料却有相类似的情况。虽然，半刚性材料 已成为我国路面结构中常用的基层或底基层材料，但是，由于我国高等级路面建设时间 较短，路面结构厚度设计中也只单纯强调了半刚性基层的抗压强度和模量，加之施工、 经济投入和交通量增长过快等诸多因素，已经建成的许多道路出现了早期损坏、不同程 第一章概述 度的裂缝、稳定性不足、冲刷唧浆等问题，这些道路病害的起因可以说都与路面基罢的 性能密切相关口3 。 因此，深入地了解半刚性材料，特别是半刚性路面中半刚性基层的路用性能，对于 进一步完善我国的路面结构设计，提高路面使用质量和寿命，经济高效的建设城市道路、 公路和机场道路都十分必要且深具意义。 1 2 国内外半刚性基层的使用情况 目前，国内外常见的半刚性基层( 底基层) 材料的类型有：1 ) 水泥稳定类：主要 有水泥稳定土、水泥稳定碎石( 或砂砾) 及水泥稳定未筛分碎石( 或石屑石渣) 等。2 ) 石狄稳定类：主要有石灰土、石灰碎、砾石土及石灰土稳定级配碎石和级配砂砾等。3 ) 石灰工业废渣类：主要有石灰粉煤灰( 简称二灰) 土，二灰砂、二灰砂砾、二灰碎石等， 石灰煤渣、石灰煤渣土、石灰煤渣碎石( 或砂砾) 、石灰煤渣矿渣等。4 ) 综合稳定类： 主要有水泥石灰综合稳定土、水泥石灰稳定碎石( 或砂砾) 、水泥石灰粉煤灰综合稳定 土、碎石( 或砂砾) 等。 半刚性材料作为路用材料的历史由来已久，但大量采用这么多种类型的水硬性结合 料处治粒料和处治土做不同等级道路的基层或底基层还是近三四十年来的事。像美国、 同本、法国、德国、意大利、瑞典、前苏联等许多公路交通极为发达的国家，在设计和 建设高速公路时都较多地采用了半刚性材料作为路面结构的基层或结构层之一。所不同 的是，不同的国家因其交通组成不同、地理气候条件不同、材料资源不同、设计经验或 方法不同等因素，使得采用的半刚性基层的类型与厚度也不大相同而已。 综上所述，目前国外干线道路上使用的基层的类型、结构有以下特点“7 1 ： 】主要采用结合料稳定的粒料( 包括各种粗粒土和中粒土) 做基层，稳定细粒土 ( 如水泥土、石灰土等) 做底基层，有的国家只用作路基改善层。 2 使用最广泛的结合料是水泥和沥青，石灰使用得较少。当地有条件时还使用当 地的低活性慢凝材料和工业废渣，如粉煤灰、矿渣粉等。例如，法国采用矿渣稳定砂砾、 石灰耪煤灰稳定砂砾和火山灰稳定砂砾等材料。 3 为减少基层材料的开裂，可采用强度不大于1 5 m p a 一6 m p a ( 2 8 d 龄期) 的水泥混凝 土、贫混凝土、碾压混凝土或4 6 的水泥稳定粒料。 4 一些国家在高等级公路上因诸多因素的差异所采用的路面结构形式和厚度有较 大差别。 2 长安人学t 程硕： = 论文 我国从1 9 5 4 年丌始在公路上应用石灰土( 半刚性材料的一种) 做基层材料。在约 3 0 年期间里石灰土基层是我国等级公路上的主要基层类型。在7 0 年代中期，公路上开 始使用水泥稳定材料基层，到8 0 年代逐渐推广，至今已成为我国公路主要基层材料之 一。最早将石灰粉煤狄稳定土基层做为路面结构层的是上海市，时间是1 9 6 7 年。其后 由于资源问题和对该材料了解不充分的原因，并未大量推广。1 9 8 4 年，我国第一条高速 公路京津塘高速公路设计时，采用了石灰粉煤灰稳定粒料做为半刚性路面基层。随 着对这种材料优越性了解的加深，近十多年来，在粉煤灰资源丰富的地区，用石灰或水 泥粉煤灰稳定土和粒料做路面的基层和底基层也应用得越来越多。 半刚性基层目前已是我国高等级路面所使用的最主要的材料类型。具体到每一条道 路上的材料选择，也只是根掘设计要求的强度值，结合当地料源及经验来确定半刚性基 层材料的类型与配合比，而同样影响整个面层使用质量、寿命等路用效果的其他路用性 能，比如基层材料的抗拉强度和变形问题；冲刷、唧浆；收缩开裂；水稳性和冰冻稳定 性等半刚性材料的许多其它路用性能，至今在规范内却仍未作什么明确要求和指标规 定，而实践证明这些性能对整个路面的使用也起到了非常重要的作用l ”j 。因此在基层材 料选材时则直接导致了半刚性基层评价体系的不完善，进而造成当前许多路面病害产生 的诸多原因之一。从我国半刚性基层使用效果的调查和分析中可以看出，全面分析评价 半刚性基层的路用性能，而不是单纯以强度这一个指标来确定材料形式和配比是未来选 择材料时的大趋势1 1 6 l 。 1 3 本文主要研究内容 本论文针对半刚性基层沥青路面结构具体特点，结合实际情况，以济宁地区公路路 面基本形式和主要问题为依据，通过调查研究，广泛收集资料，系统开展室内试验和试 验工程，参考国内外高速公路半刚性基层沥青路面使用的成果经验，研究三种半刚性基 层材料的几个重要路用性能，通过对三种半刚性材料综合性能的研究分析，合理评价了 三种不同基层材料的路用特点，提出其各自适用的条件和技术特点，为济宁地区公路建 设的实际应用和发展提供科学依据。 3 第一二章山东济宁地区半刚t 牛基层路用情况调查 第二章山东济宁地区半刚性基层路用情况调查 2 - 1 济宁地区气候特点分析 济宁市整体地貌呈平原微丘区特征，雨量充沛，水资源较丰富，地表水和地下水均 很多，但降雨年际变化大，丰枯交替，年内分配也极不平衡。济宁地区受地形和季m 影 响，- 风向、风速、频率随季节变化明显。因为地处山东半岛西南腹地，大部分位于淮河 流域，属我国东部暖温带季风型大陆性气候，一年四季分明、冷热季和干湿季区别明显。 年平均气温1 3 5 1 4 度，全年最高气温在7 月，平均气温2 6 8 - 2 7 4 度，最低气温存1 月份，平均气温一o 8 - - 2 5 度。年平均相对湿度较大，属半湿润地区。 可见本地区修筑公路要求基层针对丰水期间要具有水稳定性，面对四季分明的气候 要有良好的抗收缩能力的特点。 2 2 济宁地区公路特点及高等级路面结构分析 2 2 1 济宁公路特点 从当地公路建设历程看，目前的济宁公路总里程已经达到五千多公里以上，干线 公路与支线公路基本成网，高等级道路从无到有已取得迅速发展。据统计，高速公路、 一级路目前已达到5 0 0 公里左右，二级公路达到1 0 0 0 多公里左右。当然，还存在一些 问题，例如，总体公路技术等级不高，现有通车里程中，低标准的道路占到近六成。此 外，近几年车辆增长较为迅速，有些路段交通严重饱和，加上车辆超载严重，对路面结 构层破坏较大，造成路用寿命缩短、养护费用增加等一系列问题。济宁交通部门已经制 定了未来的“十五”建设计划，现在存在的许多问题将来都会逐步得到改善。 2 2 2 济宁地区高等级路面结构分析 截至2 0 0 2 年底，济宁公路中高级次高级路面铺装率已达到了9 5 3 。其中沥青类 面层加无机结合料稳定层的结构形式占绝大多数。因此，半刚性路面结构为主要的路面 结构形式。 从济宁地区的气候特征可以看出，当地降水多，地下水也多，年平均气温温差穴， 多风。这些因素都决定了路面结构中半刚性基层或底基层选材时，不仅要考虑强度，还 要考虑材料的水稳定性、收缩性、冲刷性等其它性能。 济宁现有的公路在基层材料选取时已经考虑了上述性能，较多的采用了水泥稳定 4 k 安，：学t 程硕l ：论文 类、水泥工业废渣稳定类、综合稳定类等些综合性能较好的材料，石灰稳定类也有一 定的应用。 高速公路和一级公路的路面结构组成为：l o c m 左右或l o c m 以上的沥青砼+ 1 8 c m 以上的无机结合料稳定碎石基层+ 3 0 c m 以上的稳定土底基层。 二级公路路面结构组成为：6 c m 以下的沥青砼+ 1 8 c m 以下的无机结合料稳定粒料 土基层+ 1 8 c m 以上的稳定土底基层。 2 3 济宁地区半刚性基层使用情况调查 济宁地区的半刚性材料使用非常广泛，从大量调查可知，地区主要公路干道，路面 结构基本都是用半刚性材料做基层、底基层。比如：京福高速公路曲张段、国道1 0 5 金 乡西环段一级公路、岚济线二期一级公路、肥梁线梁山段二级公路、济微线山拖北段二 级公路等主要干线上使用了水泥稳定类、石灰稳定类、水泥或石灰工业废渣稳定类、综 合稳定类等各类型的半刚性材料作为基层，特别是粒料类的稳定材料。稳定土被用作底 基层材料和路基改善土。 本文筛选了上述在前几年竣工并已投入使用的一些干道的路面结构资料和它们的 使用状况评价、主要损坏形式和养护经历，分析不同半刚性基层材料实际的路用表现， 得出以下结论。 1 、各类型稳定基层材料中，粒料含量较高的( 一般8 0 以上时) 路用状态较好， 裂缝也较少； 2 、无论是水泥稳定类，还是综合稳定类基层材料配合比中，水泥掺量较高者，路 用性能相对较好； 3 、单一石灰稳定类基层路用表现较差； 4 、水泥稳定类或综合稳定类加入粉煤灰后，路用性能提高、使用状态也较好； 5 、综合稳定类一石灰粉煤灰水泥稳定碎石材料，配比适宜时，路用性能良好也较 经济。 6 、各类基层或底基层厚度高者，使用状况一般较好。 5 第三帝中刚十牛煨层路用性能和强嗖形成机理分 f 第三章半刚性基层路用性能和强度形成机理分析 3 1 基层性能要求及课题评价方法 基层性能的好坏对整个路面，特别是沥青路面的强度、使用质量和使用寿命都育十 分重要的影响。因此，作为路面的基层，无论是水泥混凝土路面还是沥青路面的基层， 一般必须具备以下几个基本条件： 3 1 1 有足够的强度和刚度 ( 一) 较高的强度 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次反复作用下，基层不 会产生过多的残余形变，更不会产生剪切破坏( 无结合料的粒料基层) 或疲劳弯拉破坏 ( 用各种结合料处治的基层) 。基层要满足上述技术要求，除必需的厚度外，主要取决 于基层材料本身的强度。该强度主要包括两个方面：一是石料颗粒本身的硬度或强熏， 可用集料压碎值或集料磨耗值表示，另外也可用岩石的抗压强度表示；另一方面是材料 整体( 混合料) 的强度或刚度，如回弹模量、承载比、抗压强度、抗剪切强度、抗弯拉 强度或间接抗拉强度( 劈裂强度) 等。 目前，我国高等级公路的路面基层大都采用半刚性类基层，它属于水硬性结合料处 治类的材料，强度与结合料类型及龄期有极大的关系。在以往的道路施工中，有时由于 过分强调混合料的强度，导致基层出现由其它性能不足造成的破坏。现行规范中，评价 半刚性基层性能仅有抗压强度这一个指标。虽说我国对抗压强度指标已积累了很丰富的 资料和经验，并建立了不同强度指标之间的关系，但是，详细考察该类混合料的路用性 能还应从多方面考虑。 ( 二) 一定的刚度 在整个路面结构中，基层的刚度( 回弹模量) 也是整个道路质量的关键。基层只有 在具备一定的刚度条件下，才能有效克服由于车辆反复行驶所造成的累计变形，从而避 免道路整估服务水亚的下降：但如果面尽和基层的刚嚏差别过大。将导致面层由于 之直 力或拉应变过大而丌裂破坏。就其强度和刚度而言，不同的基层材料大致可分为三个等 级。强度和刚度最高的一级包括水泥稳定粒料( 土) 、石灰粉煤灰稳定粒料( 土) 、石灰 土稳定碎石( 或砂砾) 等。强度和刚度中等的一级中可包括水泥土、石灰粉煤灰七、石 狄土、级配碎石或填隙碎石。强度和刚度最低的是级配砾石和级配碎砾石。当日订，由于 6 长安人学t 程硕士论文 我国的高等级公路需要较高的强寰和刚度，通常采用水泥稳定粒料( 土) 、石灰粉煤欢 稳定粒料( 土) 、石灰土稳定碎石( 或砂砾) 土、水泥土及石灰粉煤次土等半刚性基层。 3 1 2 有足够的水稳定性和冰冻稳定性 ( 一) 足够的水稳性 当由于沥青面层的原因( 如表层透水) 、或者从两侧路肩或路面与路肩的结合处渗 水、或者在地下水位接近地表的地段，特别在路基填土不高时，地下水通过毛细作尉、 或者由于冬季水分的再分布造成基层处于潮湿或过分潮湿状态，易使半刚性基层由于水 的影响而强度大大降低，从而导致路面过早破坏。就各种基层材料的水稳性而言，石灰 粉煤灰粒料和水泥粒料的水稳性较好，细土含量多且塑性指数大的级配碎石和级配砾石 的水稳性较差。由于结合料性质的不同，水泥粒料的早期水稳性要好于石灰粉煤灰粒料。 ( 二) 足够的冰冻稳定性 当处于环境气温较低的冬季时，基层还要考虑冰冻对其造成的影响，要求路面基层 材料应具有足够的抗冰冻稳定性。当基层受到水分的侵蚀时，由于水的润湿作用及结冰 的冻胀作用，导致基层强度的降低。春融期冰体融化，水稳性不良的基层其强度会急剧 下降，也会造成路面整体承载能力明显削弱，甚至发生破坏的现象。一般来说，各种粒 料、含土少的粒料土、水泥结合料稳定粒料都是冰冻稳定性相对较好的材料n5 】。 3 1 3 有足够的抗冲刷能力 随着交通量和汽车轴载量的增加，对路面基层材料提出了新的性能要求抗冲刷 性。国内外的调查研究表明，基层材料受到冲刷及由此而产生的唧浆现象是一种普遍现 象。在通常情况下，表面水会通过多种途径进入路面结构层，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。从沥青 面层的裂缝进入路面结构的自由水，往往使裂缝附近的基层材料过分潮湿，特别是面层 裂缝下无机结合料稳定基层也开裂的情况，基层裂缝中往往会充满自由水。在行车荷载 作用下，路面结构层或基层材料中的自由水会产生相当大的动水压力，这种有压力的水 会对基层产生类似冲届0 的作嗣，并由此带走基层材料中的细料。虽然一次冲届l 造成的损 失量是很小的，但经过行车荷载的反复作用多次冲刷，就会积少成多，在裂缝中形成细 料浆被逐渐压挤出裂缝，形成沥青面层上裂缝处的唧浆现象。显然，路面结构层内自由 水产生的水压力随行车荷载的增加而增大，同时冲刷量随行车反复作用的次数增加而增 加。因此，在轻交通道路上往往不易发生冲刷唧浆，而在重交通道路上就很容易发生。 7 第三章半刚性幕层路开j 忡能和强度形成机理分析 由于行车荷载在路面结构层内引起的水压力相当大，它不但可以冲刷石灰稳定细粒料 ( 尤其是小于0 0 7 4 m m 的颗粒) 类半刚性基层材料，对于水泥稳定级配集料基层中的 细料也会产生冲刷现象。由于我国目前的高等级公路沥青路面几乎全部采用水泥稳定级 配集料或石狄粉煤灰稳定级配集料做基层，因此冲刷唧浆现象是一些高等级公路沥青路 面早期损坏的常见现象之一【1 2 j 。 3 1 4 较低的收缩性 对于高等级公路由于要考虑抗开裂性能，故要求基层材料收缩性要小。通常半刚性 材料的收缩包括两个方面，一是由于材料内部水分减少而产生的干缩现象，二是由于环 境温度降低而产生的温度收缩现象。 ( 一) 半刚性材料的干缩性 于缩性大的半刚性材料基层铺筑完成后，在铺筑沥青面层前就可能产生干缩裂缝。 各种半刚性材料的干缩裂缝，主要是横向裂缝，大部分间距是3 m 一l o m ：也有少数纵 向裂缝，缝的顶宽约0 5 m m - - 3 m m 。沥青路面使用过程中，在一定条件下裂缝会逐渐向 上扩展并通过沥青面层出现在表面，或在某种条件下基层的裂缝会促使沥青面层表面先 开裂，并逐渐向下扩展与基层的裂缝相连。这两种方式形成的沥青面层裂缝统称“反射 裂缝”，针对半刚性基层抗开裂能力的研究是工程中的一个重要问题。如果采用干缩性 较小的半刚性材料做沥青路面的基层，且在施工碾压时注意含水量控制能保护基层在 铺筑沥青面层前不开裂，而且在铺筑较厚的沥青面层后，一般情况下就不会出现基层先 于沥青面层开裂的现象1 1 4 】。 ( 二) 半刚性材料的温缩性 半刚性基层内部的温度变化和温差会产生温度应力。在寒冷季节，半刚性基层表面 的温度低，基层的顶部会产生拉应力；在温暖春季，半刚性基层底部的温度低( 特别在 薄沥青面层的情况下) ，在基层的底部可能产生温度应力( 拉应力) 。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 湿度收缩程度对沥青路面，特别是薄沥青面层的开裂有直接影响。不同半刚性材料的温 缩性质有很大差异。石灰土、水泥土和石灰粉煤灰土等稳定细粒土的温缩程度( 包括温 缩系数和温缩应变) 最大。半刚性基层，即使是温缩性较小的无机结合料稳定粒料类基 层，经历较长时期的暴露或其上仅有一较薄沥青封层的条件下，都会受到日温差产生的 温度应力的反复作用。而此温度应力与基层顶面产生的干缩应力相结合，就容易引起半 8 长安人学t 程硕士论文 刚性基层的温缩丌裂1 6 j 。 3 1 5 有良好的耐疲劳性能 对于重交通道路、一级公路和高速公路，基层材料还应该有良好的抗疲劳破坏能力。 半刚性材料由于具有较高的强度与刚良，其抗疲劳破坏能力的高低就成为基层在长期使 用过程中抗破坏能力的关键所在1 4 1 。 3 2 半刚性基层的强度形成机理 半刚性基层通常是指水泥稳定( 土) 类、石灰粉煤灰稳定类以及石灰水泥综合稳定 类基层。强度形成的关键是结合料自身的物理、化学反应及结合料与稳定材料之间的物 理、化学反应。 3 2 1 水泥稳定类强度形成机理 水泥属于水硬性胶结料，通过水泥稳定的材料，能够较好的改善其物理力学性质， 适应各种不同的气候条件与水文地质条件。特点是具有良好的整体性、足够的力学强度、 水稳性和耐冻性、初期强度增长很快，使用范围很广，是目前我国常见的基层类型。 在水泥稳定基层材料的过程中，水泥和被稳定材料之间发生了多种复杂作用，使被 稳定材料的性能发生明显的变化。这些作用可以概括为： 化学作用：如水泥颗粒的水化、硬化作用，以及水泥水化产物与粘土矿物之间的化 学作用等等。 物理化学作用：如粘土颗粒与水泥及水泥水化产物之i 的吸附作用，微粒的凝聚作 用，水及水化产物的扩散、渗透作用，水化产物的溶解、结晶作用等等。 物理力学作用：如土块的机械粉碎作用，混合料的拌和、压实作用等等1 9 1 。 1 ) 水泥的水化作用 在水泥稳定土中，首先发生的是水泥自身的水化反应，从而产生出具有胶结能力的 水化产物，这是水泥稳定土强度的主要来源。这些作用过程可以简单表示为： 硅酸三钙：2 c 3 s + 6 h ：o = c 3 s ：h 3 + 3 c h 硅酸二钙：2 c 2 s + 4 h 2 0 = c 3 s 2 h 3 - f c h 铝酸三钙：c 3 a + 6 h ：o = c 弭h 6 。 铁铝酸四钙：c 4 f + 7 h 2 0 = c a a f h 7 水泥水化生成的水化产物，在土的孔隙中相互交织搭接，将土颗粒包覆连接起来， 9 第三审半刚住基层路用r 圭能1 5 , 仆- 强- i 度形成机理分析 使土逐渐丧失了原有的塑性等性质并且随着水化产物的增加，混合料也逐渐坚固起柬。 但水泥稳定土中水泥的水化与水泥混凝土中水泥的水化之间还有所不同。这是因为：i1 ) 土具有非常高的比表面积和亲水性；( 2 3 水泥稳定土中的水泥含量较少；( 3 ) 土对水泥 的水化产物具有强烈的吸附性；( 4 ) 在一些土中常存在酸性介质环境。由于这些特点 在水泥稳定土中，水泥的水化硬化条件较混凝土中差得多；特别是出于粘土矿物对才，比 产物中的c a ( o h ) ：具有极强的吸附和吸收作用，使溶液中的碱度降低，从而影响了水泥 一 水化产物的稳定性；水化硅酸钙中的c s 会逐渐降低，析出c a ( o h ) 2 ，从而使水化产物 的结构和性能发生变化，进而影响到混合料的性能。因此在选用水泥时，在其它条件相 同时，应优先选用硅酸盐水泥，必要时还应对水泥稳定土进行“补钙”，以提高混合料中 的碱度，这也正是采用石灰水泥综合稳定的原因所在。 2 ) 离子交换作用 。 土中的粘土颗粒由于颗粒细小、比表面积大，因而具有较高的活性，当粘土颗粒与 水接触时，粘土颗粒表面通常带有一定量的负电荷，在粘土颗粒周围形成一个电场，这 层带负电荷的离子就称为电位离子。带负电的粘土颗粒表面，进而吸引周围溶液中自3 ；芒 离子，如k + 、n a + 等，而在颗粒表面形成了一个双电层结构，这些与电位离子电荷相眨 的离子就称为反离子。在双电层中电位离子形成了内层，反离子形成外层。靠近颗粒的 反离子与颗粒表面结合较紧密，当粘土颗粒运动时，结合较紧密的反离子将随颗粒一起 运动，而其它反离子不运动：由此在运动与不运动的反离子之间便出现了一个滑移面： 由于在粘土颗粒表面存在着电场，因此也存在着电位，颗粒表面电位离子形成的电 位称为热力学电位( 甲) ，滑移面上的电位称为电动电位( e ) ；由于反离子的存在离 开颗粒表面越远电位越低，经过一定的距离电位将降低为零，此距离称为双电层厚度， 由于各个粘土颗粒表面都具有相同的双电层结构，因此粘土颗粒之间往往间隔着一定的 距离。 在硅酸盐水泥中，硅酸三钙和硅酸二钙占主要部分，其水化后所生成的氢氧化钙所 占的比例也较高，可达水化产物的2 5 。大量的氢氧化钙溶于水以后，在土中形成了一 个看台c a “的溶液环境。因为c a 2 + 的电价高于k 4 、n a + 等离子，因此与甩位离子 j 冬n 砭 引力较强，从而取代了l 1 5 2 0 ) 时，温缩 系数由小到大的顺序为：水泥碎石 水泥粉煤灰碎石 二狄碎石+ 水泥。水泥碎石的温 缩系数最小，此时水处于液体状态，混合料内部的自由水、毛细水、表面结合水、层i 可 水、结构水和结晶水等对温缩系数影响较大，而水泥稳定时的含水量最小，二灰碎石+ 水泥的含水量最大，从而形成了如此的温缩系数排序。 而当温度较低( 一1 5 。c ) 时，温缩系数由小到大的顺序为：水泥粉煤灰碎石 二 灰碎石+ 水泥 水泥碎石。因为在温度较低( 1 5 c ) 的地区，采用水泥稳定碎石做基 层的抗温缩性能较好；而在温度较低的区域，采用掺入一定量的粉煤灰基层材料为好。 结合济宁地区的实际气候状况，该地区近年来的最低气温一般不超过一1 0 c ，因此， 评价当地的半刚性基层材料的温缩性能应以o 一1 0 c 的温缩系数为指标，在此区间， 6 1 第五帝试验结果分析 温缩系数由小到大的顺序为：水泥碎石 水泥 粉煤灰碎石，说明水泥碎石在压实度降低时对温缩比较敏感，相比较而言两种掺入粉煤 狄的混合料，在压实度变化时对温缩变化的敏感性要小一些。 6 、不同类型的。1 0 温缩系数分析 图6 4 5 不同类型的1 0 c 温缩系数对比图 由前分析，所有类型的材料在一i o c 时的温缩系数最大，故针对一1 0 的温缩系数 单独进行分析。从图5 4 5 可知，在一1 0 时的温缩系数的大小规律是：( 1 ) 在压实度 为9 8 时，二灰碎石+ 水泥 水泥粉煤灰碎石 水泥碎石。说明在一l o c 时，水泥碎石 具有较强的抗温裂性能，最差的是二灰碎石+ 水泥。( 2 ) 而当压实度降低至9 5 ，温缩 系数的大小顺序为：水泥碎石 - - 狄碎石+ 水泥 水泥粉煤灰碎石。当压实度变化时， 水泥碎石的抗温裂性能的改变相当敏感，可能是出于在同级配的情况下水泥砖石的空 隙率较大，当压实度降低时过大的空隙率成为引起收缩的主要因素。 5 4 2 半刚性基层的干燥收缩特性分析 由于稳定类材料内部含水量的变化，而引起的宏观体积收缩现象称为干燥收缩。半 刚性稳定类材料属于孔隙结构，水以各种形成存在于其内部，包括结构水( 结晶水、层 6 3 第五章试验结果分析 i 白j 水等) 、结合水、毛细管水( 包括稳定类材料内部颗粒之间孔隙中的毛细孔水和水化 胶结物及各种矿物团粒内部的毛细孔水) 。所有这些水的散失，都会引起宏观上的干燥 收缩。 一般来说，首先散失的是大孔隙中的重力水。但是这种形式的水的蒸发，却很难引 起稳定类材料整体宏观体积的变化，接着是毛细管孔中的水的毛细管张力作用。在管张 力作用阶段，随着水分的散失，毛细管孔径越来越细，稳定类材料的干燥收缩率越来越 大，对于稳定类材料中有孔隙的石料，毛细管张力同样起压缩作用。 在毛细管张力作用的后期，随着相对湿度的继续变小，吸附水和分子间力开始起作 用。这是由于随着固相物质表面吸附水的逐渐解附，颗粒表面的吸附水膜逐渐变薄，颗 粒间距离逐渐变小，分子引力逐渐增加，从而引起稳定类材料宏观体积进一步收缩。 吸附水的解附和分子间力的作用对水化胶结物和非粘土类矿物的影响与对粘土皎 体颗粒的略有不同。水化胶结物和非粘土类矿物表面吸附水时，通过润湿现象使表面 张力和表面积减小，从而使吉布斯函数降低。而这一过程必然因接触角口的存在而使固 体颗粒膨胀。当水解附后由于接触角秒的消失，固体颗粒收缩，伴随着吸附水的作慝过 程有分子间力的吸引作用。稳定土的宏观体积变化与粘土胶体颗粒之间扩散层。 对于稳定材料而言，由于粘土胶体颗粒表面的扩散层易吸附较厚的水分子层，所以 所含的粘土胶体颗粒越多，稳定土的干燥收缩率越大。 在吸附水和分子问力作用的末期，层问水开始引起干燥收缩。 除了以上几种主要形式的水会引起干燥收缩之外，碳化收缩和集料自身的干燥收缩 性对稳定类材料整体收缩的贡献也不容忽视。所谓的碳化收缩是由碳化反应所引起。 c a ( o h ) 2 矛 i c o ：反应生成c a c 0 3 ，结晶水散失后所引起的体积收缩即为碳化收缩。 集料自身的干燥收缩是由于岩石和矿物等集料大多具有孑l 隙性、渗透性、吸水性 在毛细管张力及吸附水和分子间力的作用下，必然会产生一定的干燥收缩。 由上述分析可知，凡是影响稳定类材料的最佳含水量、含水量散失速率、以及材蚪 中几种形式的水分的体积比例的因素，诸如材料的类型，物理化学性质、矿物成分、配 合比、材料强度、含水量、龄期等都无疑是彰响稳短类材料干燥收缩的医素。 1 、干缩系数试验测试原理 ( 1 ) 试验原理 本次研究中采用电阻应变计电测法测试水泥稳定粒料的干燥收缩应变。其基本原理 是：将被测试件的电阻应变片以串联方式接入应变仪，当某一恒温下，不发生蠕变或零 k 安人学丁程硕l 论文 漂时，电桥输出电压为： u 4 ( 譬) lrj 即仅有被测试件由于干燥收缩而发生的电阻变化，其指示应变为： 小k 警 经修正，实际半刚性材料的干燥收缩应变。为： 驴警 式中：e 输入电压； 型被测- 试件的电阻变化率； r 忙电阻应变片的灵敏系数； k 仪应变仪的电阻灵敏系数； k r 实用应变片的电阻灵敏系数。 ( 2 ) 试件 试件按静压法在最佳含水量和预定干密度下制成尺寸为1 0 x 1 0 x 4 0 c m 的小梁试件。 测试混合料干缩性能时，用湿布覆盖保湿养生一天后再饱水2 4 h 。 将达到预定龄期的试件，用电吹风将其两个表面吹干，紧密牢固地粘贴应变片，将 两个应变片串联接入应变仪。应变片选择时应注意同批平行试件均用相同的立变片，且 阻值差不应超过o 2 。一切正常后即可进行测试。 ( 3 ) 测试 本次研究试验采用y j 一2 5 型静态应变仪及转换箱。应变片采用b q l 2 0 - - 8 0 a a 型， 为缩醛浸纸基底，康铜箔制成，温度可以自补偿，适用于复合材料的应力分析。 2 、干缩系数试验结果与分析 ( 1 ) 不同级配的不同制件含水量的温缩系数 在实际施工过程中，多秤原因均可造成含水量的变化，这样引起的抗裂性能可能有 所不同。本文基于上述思路，采用不同含水量制作试件，然后将试件放于4 0 。c 的环境下， 随着水份的散失，干缩系数不断增大，直至应变不发生变化为止，最后确定其总应变。 第五章试验结果分析 表5 4 2 不同制件含水量的干缩系数( x lo ) 最佳 编号类型含水不同制件含水鼙的试验结果( x 1 0 - - 6 ) 量( ) 制件含水量( ) 4 55 66 57 5 i 水泥碎石 5 6 总干缩应变( x l o 1 7 102 3 2 03 4 0 04 4 5 05 7 8 0 一6 1 制件含水量( ) 4 56 。87 58 5 水泥粉煤 i i6 8 总干缩应变( x l0 灰碎石5 4 017 8 02 5 6 03 3 2 04 13 0 - - 6 ) 制件含水量( ) 5 6 5 7 88 59 5 二灰碎石 n i7 8 总千缩应变( x l0 + 水泥18 7 52 4 6 03 2 104 5 3 05 1 4 0 - - 6 ) f i 。 一 、- ， 刮 笙 婷 l 涵 制件的含水量( ) 91 0 图5 4 6不同类型的不同制件含水量的干缩系数对比图 基层的抗干缩能力是一项重要指标，其中含水量的变化直接影响到其抗干裂性能。 f 、表5 4 2 和图5 4 6 可知制件含水量旁勺变f 匕与总千缩应变之间基本的规德是随着 含水量的增加，干缩系数增大，抗干裂性能降低。这是因为随着含水量的增加，混台料 内部的重力水、毛细管孔中的水以及吸附水就逐渐增多，也就是说混合料内部的水份所 占的体积增大，这样混合料内部的水份容易蒸发和散失，从而导致混合科干缩应变增大。 从图中的变化规律来看，当制件的含水量小于最佳含水量时，总干缩应变增大幅度 o 的 加 一 4 一 k 安大学t 程硕上论文 较小，这是由于在含水量较小的情况下，加入的水几乎全部作为结合料水化所需的水参 与到加固稳定过程中，水化后剩余的自由水数量较少。因而在环境变化时，产生的失水 对干缩应变影响就较小：而当制件的含水量大于最佳含水量时，多余的水份几乎全部变 成了重力水、毛细管孔中的水以及自由水，这部分的水份一方面容易蒸发散失，引起混 合料内部体系状态的变化；另一方面还易导致混合料内部孔隙率过大，使材料的干缩应 变急剧增加。 从总干缩应变来看，水泥碎石的干缩系数对含水量的变化最为敏感，而其他两类混 合料对含水量的敏感性相对较小。对于相同集料级配的混合料，水泥碎石的比表面积较 小，而水泥粉煤狄碎石和二灰碎石+ 水泥中类似的细颗粒粒料( 如粉煤灰) 含量较多， 比表面积较大。这样内部的水份状态不一样，孔隙率大小不同，实际上是水泥碎石内部 的重力水、毛细管孔中的水以及吸附水容易蒸发或散失，造成干缩系数较大，其它两类 则相反，结合水多些，空隙率小些，干缩系数就比水泥稳定碎石材料小许多。对于水泥 粉煤灰碎石和二狄碎石+ 水泥，当含水量小于7 ，且两者含水量相近时，干缩应变量 也相当接近，后者稍微小于前者，这是因为二灰碎石+ 水泥的最佳含水量较大，当两者 含水量相同时，二狄碎石细料多，需要的结合水数量要高些，导致二灰碎石+ 水泥内部 的水分的结合水膜较薄，使其对干缩的影响较小；而当含水量大于7 时，情况j 下好相 反，这是由于二灰碎石+ 水泥中多余的水份使胶结料的物理化学反应较为强烈，从而在 水份过度散失后引起的体积收缩也较为显著，这说明水泥粉煤灰碎石具有较好的抗干裂 能力，加入水泥可能对其性质有所改善。 ( 2 ) 养生7 d 后不同暴露时间的干缩系数分析 在半刚性基层施工完毕后，一般都有一段养生时间和基层的暴露时间，暴露基层会 导致其开裂。本文采用最佳含水量制作试件，然后将试件放于自然的环境下观察干缩 应变随时间延长的变化规律，可以看出随着时i 旬的延长，水份不断散失，干缩应变不断 增大。 6 7 第五章试验结果分析 表5 4 3 不同暴露时间的干缩系数( x 1 0 4 ) 试件养生7 d 后不同的暴露时间的干缩系数( x 1 0 6 ) 编号类型 1 d2 d 4 d一7 d1 4 d2 8 d i 水泥碎石 3 4 0 05 0 3 0 5 7 8 05 9 6 06 15 06 19 0 水泥粉煤灰 i i2 5 6 03 3 104 1 3 04 6 3 05 16 d5 2 10 碎石 二灰碎石+ 水 i i i3 2 1 04 3 2 05 1 5 05 5 5 05 7 9 0 5 9 8 0 泥 p 一 、- ， 斟 ：争 誊 l 翻 暴露时间( d ) 图5 4 7 不同类型的不同暴露时间的干缩夜变对比图 在旌工过程中半刚性基层被暴露不可避免，其原因可能是多样的，且被暴露的 时闯也各不相同。本文研究了不同暴露时间的干缩系数变化规律。从图中可以看出， 随着暴露时间的延长，其于缩应变变大，但是其变化速率逐渐减小。 究其原因，水分的损失首先是从毛细水蒸发开始的，因而这种毛细管张力作用产 生初期体积收缩。当环境中的湿度进一步变小时，半刚性基层材料中固相物质表面的 吸附水或表面结合水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，颗粒问距离变小，分子引力增 大导致整体材蚪宏观佐积的进一步收缩。这一阶段的收缩量要比毛细管作用的暑硐匈 大得多。当吸附水膜减薄到一定程度以后，颗粒问斥力增加，阻止颗粒的进一步靠近， 从而使收缩应变速率减小。 三类混合料干缩应变整体值的排列顺序力：水泥碎石 二灰碎石+ 水泥 水泥粉煤 狄碎石。这说明在基层的暴露过程中，水泥碎石的抗- 丌裂性能最差，而水泥粉煤灰砰石 一o o 0 o 0 o o o d o一的卯洲洲鲫删似 一伽 删舢删 舢舢舢舢舢 长安歹、学丁程硕卜论文 则具有较好的抗干裂性能。这说明混合料的内部晶体结构、空隙率大小、以及结合料的 类型与含量都会对混合料的失水干缩造成很大影响，细料过多或者拳r 料过多都可能导致 早期干缩应变量的增加i 从干缩系数变化趋势线可以看出，在暴露日 f5 d 内，其干缩系数的变化率最大，而 后逐渐变小。在施工过程中尤其应注意在基层施工结束后的一段时间内应及时养生，保 证水分不能损失过多，降低失水率，从而最大限度的减少碾压后半刚性基层的早期干缩 开裂和应变。 5 5 半刚性基层疲劳特性分析 疲劳是路面材料在荷载多次重复作用下的应力或应变标准低于材料极限强度而产 生开裂的一种破坏现象。疲劳试验的室内研究多使用梁式试件法，因为它的费用少，周期 短且易于实现。评价时利用应力比与疲劳破坏次数建立的疲劳方程进行。研究证明，控 制应力模式的一般规律是疲劳寿命n f 与重复作用的弯拉应力s 成如下指数关系： 即七( 1 一詈) “ 式中：n ，疲劳寿命( 次) ； 口每次重复施加的弯拉应力( m p a ) ； s 沥青混合料的抗弯拉强度( m p a ) ； n , k 取决于材料性质的试验常数。 表5 5 1 与表5 5 2 分别为不同材料的抗弯拉强度与疲劳试验结果。 表5 5 1 三种基层材料的疲劳试验结果表 不同应力比下( s s ) 的疲劳寿命结果( n ) 级配类型 0 50 60 6 60 。70 7 50 80 9 5 1 6 91 8 4 5 i水泥稳定碎石3 8 5 5 4 1 58 8 5 8 22 0 8 81 6 3 0 i i 水泥粉煤灰碎石 4 7 0 1 3 7 二灰稳定碎石+ 4 2 2 6 3 0 4 5 i i i6 3 2 61 1 81 0 水泥52 第五鼋试验结果分析 表5 5 2 三种基层的疲劳试验结果整理表 疲劳试验( - ，k ( i o - ) ”) 级配类型 弯拉强度系数k系数n i 水泥稳定碎石 1 9 83 ，7 6 7 x 1 0 1 31 4 0 8 1 i i水泥粉煤灰碎石 1 4 7 3 2 6 6 x l0 8 6 8 9 2 二灰稳定碎石+ 水 1 i 1 6 87 3 7 9 x 1 0 1 21 3 2 1 2 泥 倒5 5 1 分别为不同材料的疲劳试验结果。 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 3 o o o 2 0 0 0 1 0 0 0 疲劳试验结果 。_-。1。_-。h。_。_-。-。、。1。、一一。_“。1_。1。-。-_ o 6 应力比0 7 0 8由9 一一 图5 5 1三种疲劳试验结果图 基层材料的抗疲劳性能一般通过应力比与疲劳作用次数的回归方程的两个参数来 反映，k 值表示疲劳曲线线位的高低，值越大说明其耐疲劳性越强，1 1 值表示疲劳寿命 对应力水平变化的敏感程度，值越大耐疲劳性越差。 从表5 5 2 ，系数k 值的规律：i i i i i i ，其中水泥稳定碎石和二灰稳定碎石+ 水泥大致处于同一水平，疲劳寿命基数较大，