（机械设计及理论专业论文）骨架密实结构水稳基层施工组织与质量控制技术研究.pdf

摘要 在我国公路的建设中，大部分高等级公路选择了半刚性基层路面结构。水泥稳定碎 石基层因其具有较高的强度和较好的水稳定性等特点，在目前我国半刚性路面高等级公 路的建设中得到广泛的应用，实践表明它具有优良的路用性能和很好的使用前景。 尽管水泥稳定碎石混合料被用作路面基层时有诸多优点，但不是所有采用水泥稳定 碎石混合料作路面基层的道路结构都能获得预期的效果。论文按照粗集料在半刚性基层 材料中的分布状态将其划分为三种结构类型：悬浮密实结构、骨架密实结构和骨架孔隙 结构。目前公路路面基层施工技术规范中各试验规程是以悬浮密实结构和骨架孔隙 结构为基础制定的，涉及骨架密实结构的并不多，且已有的研究结论又缺乏系统性，因 此设计和施工单位在具体应用时随意性很大。为了给今后的施工生产提供科学的依据， 针对目前我国水泥稳定碎石基层所存在的主要问题，本文从影响半刚性基层性能最主要 的四个方面：优良的材料、合理的组成设计、施工设备选择和施工工艺控制入手，分析 了影响骨架密实结构基层的施工质量的因素，提出了改进的方法。 本文以国道3 0 4 线鲁霍一级公路的水泥稳定碎石基层为基础，对影响半刚性基层性 能的设备因素进行了研究，分析了稳定土拌和设备的结构原理、配料系统及供水系统计 量精度、稳定性对混合料性能的影响；分析了摊铺机、压路机的结构性能及其工作参数 对骨架密实结构基层稳定材料性能的影响。在此基础上对各种施工设备进行了调试，如 稳定土拌和设备计量系统的静态和动态标定，压路机工作参数的调整等。 关键词：骨架密实结构、质量控制、振动压实方法、施工设备 a b s t r a c t i n0 1 1 1 c o u n t r yh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，m o s to ft h eh i g h w a yh a v et a k e nt h es e m i - r i g i d p a v e m e n ta st h e i rm a j o rp a v e m e n t c e m e n t s t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e sc o u r s eh a v et w od i s t i n c t a d v a n t a g e sw h i c ha r eh i 。g hi n t e n s i t yi nb a s ec o u r s ea n dg o o dm o i s t u r es u s c e p t i b i l i t 弘s oi ti s u s e dw i d e l yi no u r h i g h w a yc o n s t r u c t i o n i ti st e s t i f i e dt h a tt h i sm a t e r i a lh a sb e t t e rw o r k i n g p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e d e s p i t eo ft h em e r i t so ft h es t a b l ec e m e n t s t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e sm a t e r i a lb e i n gu s e d a sr o a db a s ec o u r s e ，s o m er o a ds t r u c t u r e sw h i c hu s et h es t a b l ec e m e n t s t a b i l i z e dc r u s h e d s t o n e sm a t e r i a la st h er o a db a s ec o u r s ew o n tg a i ne x p e c t e de f f e c t a c c o r d i n gt od i s t r i b u t i n g s t a t e so fc o a r s em i n e r a la g g r e g a t e si nt h em i x t u r e ，s e m i - r i g i db a s ec o u r s em a t e r i a li sd i v i d e d i n t ot h r e es t r u c t u r a l t y p e s ：s u s p e n d d e n s e s t r u c t u r e ，f r a m e w o r k d e n s e s t r u c t u r ea n d f r a m e w o r k - p o r e s t r u c t u r e b u tt h es t a n d a r d su s et h e s u s p e n d d e n s e s t r u c t u r ea n d “f r a m e w o r k - p o r e ”s t r u c t u r ea st h eb a s i s ，t h e r ea r eo n l yl i t t l es t a n d a r d sr e f e r r i n gt ot h e “f r a m e w o r k d e n s e ”s t r u c t u r e ，a n da v a i l a b l er e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r ed e f i c i e n ti n s y s t e m a t i z a t i o n ，s ot h ed e p a r t m e n to fh i g h w a y sd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nh a sf e wr e s t r i c t i o n s w h e na p p l y i n gt h i sm a t e r i a l i no r d e rt os u p p l ys c i e n t i f i cm e t h o df o rp r o s p e c t i v ed e p a r t m e n t s ， a i m i n ga tt h ep r i m a lp r o b l e mt h a te x i s t i n gi no u rc o u n t r yc e m e n t s t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e s a tp r e s e n t ，t h i sp a p e rc a m eo u tt h ef o l l o w i n gf o u rr e s e a r c hw o r k si nd e t a i l s ：g o o dm a t e r i a l ， p r o p e rp r o p o r t i o nd e s i g n i n g ，c h o o s i n go fc o n s t r u c t i o nm a c h i n ea n dc o n s t r u c t i o np r o c e s s u s i n gt h e s ef o u rd e t a i l sa st h eb a s i s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef a c t o r se f f e c t i n gt h ec o n s t r u c t i o n q u a l i t yo ft h ef r a m e w o r k d e n s es t r u c t u r eb a s ec o u r s ea n dp u tf o r w a r dt h ei m p r o v e dm e a s u r e s u s i n gt h ec e m e n t s t a b i l i z e dc r u s ho fg 3 0 4a s t h eb a s i s ，t h er e s e a r c hs t u d i e dt h e i n f l u e n c ef a c t o r so ft h es e m i r i g i db a s ec o u r s ep e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r eo ft h e s t a b i l i z e ds o i lm i x e r , t h es t a b i l i t yo ft h ed o s i n ga n dw a t e rs u p p l y i n gs y s t e ma n dt h es t r u c t u r e p e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gp a r a m e t e r so ft h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y a c c o r d i n gt ot h e o u t c o m e ，t h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yh a v eb e e nd e b u g g e d ，s u c ha st h es t a t i ca n dd y n a m i c c a l i b r a t i o no ft h es o i lm i x i n gm a c h i n e sm e t e r i n gs y s t e ma n ds oo n k e yw o r d s ：“f r a m e w o r k - d e n s e ”s t r u c t u r e ；q u a l i t yc o n t r o l ( q c ) ；v i b r a t i o nc o m p a c t i o n ； c o n s t r u c t i o nm a c h i n e i i 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： 下卜鹏沙1 年厂月坪日 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 研1 ) 、l i i i 马 名：珥莎呖 l oo 1 年r 月牛日 7 年尹耶。日 长安大学硕上学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 改革开放以来，中国公路发展速度很快，从1 9 8 8 年我国大陆第一条高速公路建成 通车以来，中国的公路事业进入了建设高等级公路为主的新时代。自1 9 8 8 年，中国以 每年超过2 0 0 0 亿元的投资用于公路建设，到2 0 0 8 年底，高速公路通车里程已突破6 万 公里，用短短的十几年时间走完了发达国家半个多世纪的发展历程，现在在建的高速公 路每年以4 0 0 0 - 5 0 0 0 公里速度在继续发展中。中国正在全力以赴地加快国家高速公路 网主骨架的建设。 在沥青路面各结构层中有一层或一层以上是用水硬性结合料( 即无机结合料) 处治， 且该层具有一定的厚度并能发挥其特性，此路面被称为半刚性基层沥青路面。半刚 性基层沥青路面能适应现代公路运输量大、车辆大型化的需要，能有效承担并传递面层 的行车荷载，并且强度可视要求进行调整，具有刚度大，抗冲刷能力强等特点，因此是 高等级公路的主要路面类型之一。我国已建成通车的高速公路有约9 0 以上采用了这种 结构，而水泥稳定碎石因其强度高，稳定性好，拌和方便，质量易控制等优点成为路面一 基层的主要结构形式。 按照粗集料在半刚性基层材料中的分布状态可将半刚性基层划分为三种结构类型： 悬浮密实结构、骨架密实结构和骨架孔隙结构。悬浮密实结构和骨架孔隙结构的材料要 求、集料级配可以参照现行规范确定，但对于骨架密实结构材料，可提供的参考并不多。 本文将从理论与试验两方面分析骨架密实结构的特点。 但是，我国半刚性基层迅速发展的同时，也出现了许多问题和不足眨1 。目前，半 刚性材料在使用过程中存在的主要问题是：半刚性基层容易出现抗裂性不足、抗冲刷能 力不足，还存在抗冻性不好以及与面层粘结差等缺陷。由于水泥稳定碎石、水泥稳定砂 砾等材料属于水硬性材料，在其强度形成过程中，水泥水解水化发生系列物理化学反应 产生体积收缩，基层内部产生较大拉应力，当拉应力超过抗拉强度时，导致基层开裂， 形成不规则的宏观裂缝。若不进行有效的控制，裂缝将向上发展，进而反射到沥青面层 形成反射裂缝。目前，由于柔性基层在国际上应用相对广泛，许多学者认为半刚性基层 已经不适应我国公路的发展需要，我们应该跟随国际的发展趋势，朝柔性基层方面发展。 但是，笔者通过对施工工艺的研究认为，半刚性基层的优点是其他基层形式不能取代的， 1 第一章绪论 它在我国还是有很好的应用前景的。 本课题研究的意义在于，通过影响水泥稳定碎石基层性能的四个主要因素：优良的 材料、合理的配合比设计、施工设备和施工过程质量控制的研究，提出合理的施工工艺 及质量控制技术，在实体工程中通过对设备的合理选择、参数优化设置、设备动、静态 标定与调试，并制定相应的施工工艺，从而使半刚性基层的施工质量得到保证和提高， 避免沥青面层过早出现损坏现象。 内蒙古鲁霍一级公路项目建设管理办公室按照科研和生产相结合地原则，及时将研 究成果转化为生产力，全线采取了合理的级配设计，机械设备匹配、稳定土拌合站标定、 改进和碾压工艺，直接将研究成果应用于工程实践，经过实践检验取得了良好的效果。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 由于研究认识不同以及施工机械、施工水平上的差异，国外路面基层的种类比较多， 发展比较平均，不偏重某一类型，所以半刚性基层的应用相对不如我国广泛，在半刚性 材料的研究工作方面也没有国内做的多。 l 、国外的文献中关于半刚性基层材料温度收缩方面的试验资料和针对半刚性基层 温缩开裂机理方面的研究比较少，可能的原因是：国外通常把柔性基层沥青路面的温缩 裂缝归结为沥青面层本身的温缩开裂，而把半刚性基层沥青路面的裂缝都看作是由于基 层引起的反射裂缝，且认为这些裂缝是由于半刚性基层材料的干缩裂缝引起的。因此， 相关的研究工作多集中在如何改善沥青混合料的性能、增加沥青路面的厚度、以及采取 设置中间过渡层等方法来改善或减少反射裂缝1 3 1 。例如：美国明尼苏达州曾经对1 0 0 公里的有裂缝的旧路面进行试验，以研究减少或预防半刚性基层沥青路面的反射裂缝。 2 、国外在于缩特性方面研究的比较多。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 1 ： ( 1 ) 土中小于0 0 0 2 r a m 的粘粒含量愈多，水泥土的收缩愈大，而且于缩量增加的速 度大于粘粒含量增加的速度。 ( 2 ) 锖l j 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。 2 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 水泥土的收缩先随水泥的含量的增加而减少，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 ) 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。 1 2 2 国内研究概况 1 、关于材料特性研究 研究表明在水泥稳定基层材料中掺粉煤灰，可以改善基层的结构性能。重庆交通大 学对比掺加粉煤灰和没有掺加粉煤灰两种稳定材料发现，掺入一定量粉煤灰对材料强度 有大幅度的提高。比如，配合比为4 ：9 6 水泥稳定碎石材料的7 d 强度为2 0 0 m p a ，而配 合比为4 ：1 1 ：8 5 的水泥粉煤灰稳定碎石其7 d 强度却可达到4 6 1 m p a 4 。东南大学的俞建 荣等探讨了以粉煤灰代替部分水泥的粉煤灰水泥稳定粒料的路用性能。他们得出了3 点 结论：在水泥和粉煤灰总剂量不变的情况下，随着粉煤灰含量的相对降低，混合料的 抗压强度增加，当达到一定程度时抗压强度基本上不再变化，其中以7 d ，2 8 d ，9 0 d 龄 期表现最为明显；适当比例的粉煤灰水泥稳定粒料不但早期强度接近或超过相同剂量 的水泥稳定碎石，而且后期强度的增长幅度也大大超过了后者；不同粉煤灰、水泥比 例的混合料强度指标均随龄期的增长而增长，但强度的发展速度并不一致。另外，他们 的干缩试验结果显示，用适量的粉煤灰替代部分水泥的粉煤灰水泥稳定粒料的干缩性能 良好t 5 1 。 2 、关于基层试验研究 水泥剂量的控制和检测直接影响路面基层的质量和经济效益，对半刚性基层施工有 重要的意义。沈卫国，周明凯等研究了影响e d t a 滴定法数据离散性的因素，其研究表 明：用2 3 6 m m 粒径以下颗粒绘制的标准曲线离散比较小，不同粒级颗粒的e d t a 消耗 量相差很大，取样的代表性是试验成功的关键。就此，提出了一种取样方式，大幅度降 低了e d t a 滴定法测试水泥剂量的离散性，增大了水泥剂量滴定值的可信度砸1 。刘洪 海，尹冉等通过室内试验的方法，研究了由于级配变化导致的水泥e d t a 滴定结果的差 异，试验结果证明级配对水泥e d t a 滴定结果的影响较大，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 。参考沥青混凝土中沥青膜厚度的概念提出了水泥 膜当量厚度的概念，从理论上解释了造成这种结果的原因，并且针对e d t a 滴定结果， 给出了误差的修正公式1 7 1 。 长安大学胡力群通过试验对不同结合料用量的悬浮密实结构水泥碎石、骨架密实结 3 第一章绪论 构水泥碎石、骨架孔隙结构水泥碎石、悬浮密实结构二灰碎石和骨架密实结构二灰碎石 进行了路用性能的对比试验。试验内容包括：抗压强度、劈裂强度、抗折强度、抗压回 弹模量、抗折回弹模量、温缩系数测定、干缩系数测定以及抗冲刷性能。得出了不同结 构类型水泥稳定碎石、二灰稳定碎石路用性能的变化规律和各指标的值域范围，提出了 以强度、收缩系数和冲刷量等指标综合控制的半刚性基层材料组成设计方法1 8 1 0 张嘎吱 从水泥粉煤灰稳定碎石基层材料配合比、化学反应机理、材料路用性能、基层力学分析、 混合料配合比设计方法五个方面进行了研究，比较全面的阐述了水泥粉煤灰稳定碎石基 层的特点眄1 。蒋应军在水泥稳定碎石收缩裂缝防治研究中提出，骨架密实结构水泥 稳定碎石混合料的级配形式，通过研究得出：骨架密实结构水泥稳定碎石混合料的无侧 限抗压强度、劈裂强度、抗冻性能、抗疲劳性能等方面明显优于规范推荐的悬浮结构水 泥稳定碎石混合料，尤其是骨架密实结构水泥稳定碎石抗裂能力大大提高，极大地延长 了基层的开裂间距1 0 1 。 3 、关于施工工艺质量控制研究 我国的路面可靠度研究起步较晚，1 9 8 5 年，朱照宏、郭忠印发表的“水泥稳定土路 面设计可靠性分析”引入了可靠性理论，提出了可靠性的分析方法，并对影响可靠度较 大的部分参数做了概率统计分析。1 9 9 0 年，国家科技工作引导项目高等级、重交通 道路修建水泥混凝土路面的研究报告，较详细地对可靠性做了分析。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段。 在施工的变异性方面，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，确定了变异性水平及其对水稳基层使用质量的影 响，总结提高施工水平、减小水稳基层施工变异性的措施，并提出保证水稳基层施工的 合理参数和控制方法，以提高水稳基层施工的过程控制水平1 1 2 1 。 李自林等以线弹性断裂力学理论和有限单元方法为基础、利用a n s y s 计算软件， 通过对半刚性基层在温度应力作用下裂缝扩展机理的分析，研究了产生反射裂缝的力学 机理，分析了各参数对含裂纹路面结构的应力场以及裂纹尖端应力强度因子的影响e 1 3 ) 。 4 、关于设备性能与匹配研究 刘刚，田晋跃等进行了摊铺机压实机构动态特性仿真，建立了熨平压实机构动态特 4 长安大学硕十学位论文 性力学模型，并利用计算机进行了仿真n 们；于槐三研究了l t 5 型摊铺机压实系统设计， 探讨了为达到压实度指标而采用的振动夯功率计算，熨平板比压设计以及压实度均匀性 设计方法1 1 5 1 郭小宏等进行了沥青混凝土路面机群施工配置研究。通过将单机与机群 有机组合形成合理规模的机群施工生产能力，实现最优资源配置，最优工作效率和降低 生产成本的目标1 6 1 现阶段路面基层的施工技术与工艺基本都是以悬浮密实结构和骨架孔隙结构作为 研究重点，骨架密实和结构虽然从道路材料结构类型上提出较早，但在基层材料中应用 不多，大部分研究也都是局限在对水泥剂量的分析，而对设备性能、材料性能研究的并 不多。有些试验在实验室也表现出较好的数据与性能，但是实际应用上出现了很多的病 害，这就要我们对骨架密实结构的材料级配、设备配备、施工工艺有一个全面的研究， 才能很好的指导骨架密实结构在我国高等级公路建设中的应用。 1 3 研究方法及内容 1 3 1 实体工程介绍 1 、工程概况 国道3 0 4 线鲁北图布信霍林郭勒一级公路是内蒙古自治区“三横九纵，十 二出口”纵线之一，是连接通辽地区的重要公路，也是霍林郭勒煤矿主要煤炭外运通道。 2 、建设标准 本项目起点位于通辽市鲁北镇，止于霍林郭勒市，主线全长1 5 3 3 5 8 k m 。其中鲁图 段采用一级公路标准，设计时速1 0 0 k m h ，采用分离式和整体式两种断面形式，整体式 路基宽度2 4 5 m ，分离式断面新建一副路基宽1 2 m ，路面宽l l m ，利用现有旧路一幅， 维持原有路基宽度。 路面采用“强基薄面”的方针，面层采用5 厘米a c 一1 6 ( 1 ) 型中粒式沥青砼，基层采用 2 0 厘米水泥稳定级配碎石，7 天龄期无侧限抗压强度不小于4 m p a ，底基层采用2 0 厘 米水泥稳定级配碎石，7 天龄期无侧限抗压强度不小于2 5 v l p a 。 1 3 2 研究方法及内容 本文以困道3 0 4 线鲁( 北卜霍( 林郭勒) 一级公路的水泥稳定碎石基层为对象，采用 理论分析、现场调查和试验研究相互结合，互为补充的方法，对施工设备、材料特性与 实验方法三个方面进行研究。一方面，通过对施工机械设备的特点性能进行分析，提出 5 第一章绪论 各类施工设备的匹配方法和对施工质量的影响；另一方面，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标定方法，探讨设备与材料的相 互作用特性；再次，通过振动击实和重型击实的比较、延时试验的研究，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；最后，根据从现场的施 工检测和完工后的验收检测等，迸一步验证和完善各关键技术，得出一套现场施工指导 准则，为施工技术应用提供依据。 具体研究内容如下： ( 1 ) 骨架密实结构技术性能和结构性能； ( 2 ) 骨架密实结构混合料配合比设计； ( 3 ) 施工设备参数选择与匹配； ( 4 ) 拌合设备的标定、技术性能与质量； ( 5 ) 振动法试件成型与重型击实试件成型相比较； ( 6 ) 碾压工艺确定，击实试验的击实功与现场压实的压实功之间关系的研究。 6 长安大学硕上学位论文 第二章骨架密实结构配合比设计 2 1 半刚性基层的分类 沥青路面基层按材料和力学性能的不同可分为柔性基层、半刚性基层和刚性基层三 种。柔性基层分有机结合料稳定碎石、无结合料稳定碎石；半刚性基层分为水泥、石灰、 工业废渣等无机结合料稳定碎石；刚性基层又称为低强度等级混凝土。各种基层有不同 的特点，不同的使用场合。在我国已建成通车的高速公路中，大部分采用了半刚性结构。 在划分半刚性基层混合料的结构类型时，主要标准是粗集料经过压实后，粗颗粒间 空隙体积与压实后起填充作用的细集料体积之间的关系。目前多数研究人认为在水泥稳 定碎石混合料中，根据公称粒径的不同，以筛孔尺寸为4 7 5 m m 或9 5 m m 作为粗细集料 的分界尺寸。划分的三种结构类型分别是i l l ( 1 ) 悬浮密实结构 这种结构形态的混合料，通常采用连续型密级配，骨料的颗粒尺寸由大到小连续存 在。这种结构中含有大量细料，而粗料数量少，且相互间没有形成石一石接触，不能形 成骨架，粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中，即混合料中细料的压实体积大于粗集料形成 的空隙体积。试验表明，该种结构虽然具有较高的粘聚力，但摩阻角较低，其强度主要 受粘结力所控制，在外部荷载作用下，易产生破坏。由此而修筑的水泥稳定类基层，受 结合料性质的影响较大，因而其抗收缩性能较差，使基层容易开裂，破坏了基层的整体 性，是造成路面结构破坏的因素之一。 ( 2 ) 骨架空隙结构 在这种结构中，粗骨料较多，而细料数量过少，混合料中细料的压实体积小于粗集 料形成的空隙体积，因此，虽然能够形成骨架，但其残余空隙较大。试验表明，虽然此 种结构粘聚力较低，但其内摩阻角较大，其强度主要取决于内摩阻力，粘聚力相对是次 要的。由此而修筑的水稳类基层，受水稳性质的影响较小，因而其抗收缩性能较好，但 由于其空隙率太大，使基层的耐久性受到影响。 ( 3 ) 骨架密实结构 骨架密实结构是密实悬浮结构和骨架空隙结构两种类型组成的结构。要求混合料既 有一定数量的粗骨料形成骨架，又根据残余空隙的多少加入细料，混合料中细集料的压 实体积应“临界”于粗集料形成的空隙体积，从而使混合料形成较高的密实度。这种结构 7 第一章骨架密实结构配台比设计 混合料的试验表明，此种结构具有较高的内摩阻角。理论上讲，属于该种结构类型的水 稳类混合料具有最优的力学性能、抗收缩性能和抗冲刷性能。 图2 1 悬浮密实结构图2 2 骨架密实结构图2 3 骨架孔隙结构 在悬浮密实类结构中，粗集料在某种意义上更多的起填充作用，细集料分散在混合 料的各处与粗集料、水泥浆一起形成强度。骨架密实结构与悬浮结构正好相反，粗集料 的作用就是形成稳定的骨架，增强基层的强度，细集料与水泥浆混合在一起充当填充物。 在混合料被压实成型以后，这种填充物起到两方面作用，一是将粗集料粘在一起，二是 形成约束骨架，将粗集料约束住，使粗集料形成的骨架能够充分的发挥作用。 对于骨架密实类半剐性基层材料结构来说，确定混合料中粗集料级配应该考虑到下 面几个因素：糨集料形成骨架后，剩余空隙体积的大小：骨架结构的力学性能f 应力应 变性能) ；骨架结构在外力作用下的破碎状况及其面部抵抗剪切破坏的能力等。在以上 几个因素中摄主要的应该是剩余空隙率，粗骨料的剩余空隙体积直接决定着混合料中能 够容纳多少填充物。对细集料级配和最大粒径有较严格的要求，首先细集料的最大粒径 不应太大，以免将粗集料撑开，影响骨架结构的性能，再者细集料的级配应有利于细集 料在与水泥混合后形成更为密实的结构。 2 2 骨架密实性级配的设计方法 1 、理论法 假设集料为直径d 的球体按简单的立方体填积颗粒排列堆积的最松状况即对边 长为d 的立方体放一个直径为d 的球，其空隙率为1 1 7 1 d ，一兰口f 里 v ： 3 l2 - - 4 76 ( 2 1 ) 如果为d 2 的圆球，则可放8 个；如果为d 4 的圆球，则可放6 4 个；如果为d 8 长安人学硕士学位论文 的圆球，则可放5 1 2 个；空隙率总是1 - n 6 = 4 7 6 。这就是嵌挤原则。 粒子干涉理论( 根据g a g 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 不得大于其间隙的距离，否则大小颗粒粒子之间势必发生干涉现象。为避免干涉发生， 大小粒子之间应按一定数量分配，并从临界干涉的情况下可导出前一级颗粒间隙距离t 为： f _ ( ) 班一1 d ( 2 2 ) 当处于临界状态时，即t 等于次粒级粒径d ，式( 2 1 ) 可写成式( 2 2 ) ： 纯= ( + ) 3 仁3 ， 式中：d 一次粒级粒径，即等于前粒级的间隙距离t ，姗； 卜前粒级粒径，m i l l ； 次粒级的理论实积率，即堆积密度与表观密度之比，； 纯次粒级的实用实积率，即分计筛余百分比，。 式( 2 3 ) 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 集料理论实积率。连续级配时d d = l 2 ，则可按式( 2 3 ) 求得实用实积率纯，由实用实 积率可计算出各级集料的分计筛余百分比。粒子干涉理论是以追求矿质集料的最大密实 度为目的的级配设计方法。 长安大学蒋应军采用上述嵌挤原理确定粗骨料用量1 1 0 1 。得出粗集料骨架的级配组 成为表2 1 所示，这种既有嵌挤又有填充的集料在理论上应该是摩阻力和密实度最好的 混合料。 表2 1 级配组成 筛孔尺寸( m m ) 3 1 5 1 919 - - 9 59 5 - - 4 7 54 7 5 2 3 6 用量( ) 6 71 71 06 2 、试验法 长安大学博士刘红瑛和腾旭秋用试验方法设计骨架密实型级配1 1 8 |由刘红英博士 从3 1 5 1 9 m m ，1 9 - - - 9 5 m m ，9 5 - - 一4 7 5 r a m ，4 7 5 - - 2 3 6 m m ，2 3 6 1 1 8 r n m ，1 1 8 - 0 6 m m 分别逐级填充；腾旭秋博士从4 7 5 m m 以上开始逐级填充，他们采用重型干击实和振实 9 第_ 二章骨架密实结构配合比设计 密度的试验确定各级料的空隙率，从而确定主骨料的级配为表2 2 所示。 表2 2 级配组成 筛孔尺寸( m m ) 3 1 5 1 91 9 9 59 5 _ 4 7 5 4 7 5 - 2 3 6 2 3 6 1 1 8 1 1 8 - 0 6 用量( )5 11 31 01 01 33 2 3 骨架密实结构配合比设计 按照公路工程集料试验规程j t ge 4 2 2 0 0 5 11 9 1 ，经对沿线原材料分布情况调查， 采用阿尔昆都楞、阿拉哈达碎石厂的石灰岩矿料；水泥选用东蒙水泥厂和天山水泥厂的 4 2 5 普通硅酸哉水泥或3 2 5 复合硅酸盐水泥；水为草原地下水，水质符合饮用标准。 本文对上述材料的基本性能及其配制的混合料性能进行了研究，提出基层材料的初步配 合比，并对路面基层底基层材料的相关力学性能，如回弹模量、劈裂抗拉强度、延迟成 型的干密度、强度变化等进行了研究。 2 3 1 原材料试验 1 、集料 该地区两个碎石厂生产的碎石有2 0 , - , 3 0 m m 、1 0 - 2 0 m m 、5 - 1 0 m m 、 5 m m 四个规 格。进行两次取料( 第一次在阿同昆都楞碎石厂取样，日期为：2 0 0 8 年4 月1 5 日分别将 其编号为1 1 撑、1 - 2 群、1 - 3 撑、1 一矿；第二次在阿拉哈达碎石厂取样，日期为：2 0 0 8 年4 月2 6 日分别将其编号为2 1 撑、2 - 2 撑、2 - 3 撑、2 。4 勺，通过试验集料的物理性质见表2 3 ， 24 表2 3阿日昆都楞碎石厂集料的物理性质 矿料 1 ( 2 0 3 0 r a m )2 4 ( 1 0 。2 0 n u n ) 3 4 ( 5 1 0 m m ) 4 。( o 5 r a m ) 毛体积相对密度( g c m ) 2 6 2 12 5 9 22 5 4 8 表观相对密度( g e r a 3 ) 2 7 0 12 6 9 52 7 1 72 6 8 4 吸水率( )1 1 3 1 4 2 2 4 4 压碎值 ( )1 9 2 针片状 ( )1 3 7 液塑限指数i p4 6 0 0 7 5 m 通过率( ) 0 30 95 42 3 6 表2 4 阿拉哈达碎石厂集料的物理性质 1 0 长安大学硕上学位论文 表观相对密度( g c m 3 ) 2 6 6l2 6 7 32 6 8 4 2 6 6 8 吸水率( ) 1 4 4 1 8 5 1 8 9 压碎值( ) 1 4 9 针片状 ( )1 8 6 液塑限指数i p 6 8 0 0 7 5 m 通过率( )0 10 10 58 2 该石灰石碎石结构致密，吸水率较低；含泥量低，塑指小，针片状等各项指标均满 足规范j t j0 3 4 2 0 0 0 要求 2 0 1 。 对比以上四种规格的碎石其颗粒级配有所不同，结果见表2 5 。 表2 5 集料颗粒分析 3 1 52 6 51 99 54 7 52 3 6o 60 0 7 5 l1 0 0 01 0 0 o3 6 4o 20 10 1o 10 1 1 # 21 0 0 o1 0 0 03 1 51 30 40 4o 40 4 11 0 0 o1 0 0 0l o o o2 2 8o 30 30 30 2 2 # 21 0 0 01 0 0 09 9 62 0 30 4 0 20 2 o 2 11 0 0 o1 0 0 01 0 0 o9 9 92 2 81 91 51 5 3 4 21 0 0 01 0 0 01 0 0 o9 9 22 5 11 41 o1 0 l1 0 0 0 1 0 0 o1 0 0 01 0 0 09 9 8 6 3 2 2 7 o4 4 牮 21 0 0 01 0 0 01 0 0 o1 0 0 09 9 。66 1 62 1 14 1 2 、水泥 应选用初凝时间3 h 以上和终凝时间较长( 宜在6 h 以上) 的水泥，不应使用快硬水泥、 早强水泥、安定期未到及受潮变质的水泥。采用东蒙水泥厂和天山水泥厂的普通硅酸盐 4 2 5 强度等级水泥，水泥的凝结时间、强度和膨胀值、干缩值试验结果如表2 6 和表2 7 所示。 表2 6 水泥凝结时间及强度 凝结时间( h - m i n )抗折强度( m p a )抗压强度( m p a ) 水泥品种 初凝终凝 3 d2 8 d3 d2 8 d 东蒙4 2 5 3 ：5 25 ：2 24 08 71 9 64 4 3 天山4 2 5 3 ：4 l 5 ：0 6 3 77 61 8 54 0 2 表2 7 水泥的膨胀值及干缩值 第二章骨架密实结构酉c 合比设计 1 d0 0 8 9 60 0 8 9 1 膨 3 d0 1 1 2 7o 1 6 0 6 7 do 1 5 5 3o 1 8 5 7 胀 1 4 do 1 7 5 50 2 1 9 5 1 个月 0 2 0 0 70 2 4 2 6 值 2 个月0 2 2 6 20 2 6 1 5 l d一0 0 1 5 70 0 2 2 5 干 3 d0 0 7 2 20 0 3 6 6 7 d 0 0 9 0 40 0 4 8 5 缩 1 4 d o 1 1 8 70 0 8 0 5 1 个月0 1 3 8 40 0 9 8 5 值 2 个月 o 0 9 1 4o 0 5 1 7 由试验结果可知，水泥的各项指标符合规范要求。 2 3 2 配合比试验 级配碎石材料对结构总变形的抵抗能力可以分为两部分：骨架之间的嵌挤会阻止结 构总变形发生的趋势，所以结构中最大粒径越大，嵌挤的作用表现越明显，总变形就会 越小；细集料的加入也会阻止结构总变形发生的趋势，细集料的填充使整体结构更为紧 密，减少大颗粒在空隙之间发生位移的可能性，结构的总变形也会减小。级配碎石混合 料应充分考虑骨架的嵌挤和细集料的填充，充分发挥两者的作用，以形成骨架密实型级 配t 1 7 1 。 ( 1 ) 将部分5 l o m m 粒径的集料放入1 5 - 2 2 c m 的圆型试筒，然后一边振动一边 继续加入，直到装满为止； ( 2 ) 将5 l o m m 与1 0 2 0 m m 粒径的集料按照9 5 ：5 ，9 0 ：1 0 ， 8 5 ：1 5 ，等比例分别掺配成混合料，并对各种混合料在圆型试筒内振动装满后进 行称重，然后绘制混合料重量与高一级集料百分比的关系曲线。此关系曲线的拐点，即 为高一级粒径即将相互搭结形成骨架而实际上悬浮在次一级粒径中的最大掺入量； ( 3 ) 按照( 2 ) 的方法再替换进部分更高一级集料，直到最大粒径； ( 4 ) 填充料用 2 3 6 m m 的细料，细集料采用逐级填充的连续级配； ( 5 ) 在振压作用下，一方面4 7 5 m m 以上粗集料的剩余孔隙率比试验室计算值小， 另一方面振碾下来的石屑也会填充部分剩余孔隙率。因此，填充料的体积采用试验室剩 余孔隙率计算值的9 8 ； 1 2 长安大学硕十学位论文 ( 6 ) 验证技术指标：v c a m i n v c a d r c ，如果满足的话，则配制的混合料为骨架 密实结构。其中v c a d r c 为捣实状态下筛孔尺寸4 7 5i i l n l 以上纯粗集料骨架间隙率，其 计算公式为： v c a d r c =等等坠1 0 0 ( 2 4 ) p c a p w ￥ 式中：砌一目集料的毛体积相对密度，g c m 3 办粗集料的松方相对密度，g c m 3 ： 风水的密度，g c m 3 。 v c a 椭是压实状态下混合料中粗集料骨架间隙率，其计算公式为： 嗽m = ( ，一等地 亿5 ， 式中：成。混合料的实测毛体积相对密度，g c m 3 ； 比粗集料的平均毛体积相对密度，g c m 3 ； 比混合料中粗集料的比例，即大于4 7 51 1 1 i l l 的颗粒含量。 2 3 3 集料级配的选择 在骨架密实结构水泥稳定碎石中，粗集料通常指粒径在4 7 5 - 3 1 5 m m 之间的石料， 从集料级配考虑，在此粒径范围内粗集料也可能有多种级配形式。图2 4 , 9 有3 条级配曲 线，室内试验结果表明：这3 条级配曲线的集料与水泥和水拌和并压实后均能形成骨架 密实结构，但3 种集料中的粗集料分别是以单一粒径为主的级配( 图2 4 中a 曲线) 、连续级 配( f 茎1 2 4 中b 曲线) 和多级嵌挤级配( 1 壅1 2 4 中c 曲线) 。 赫豫孔墨彩钒m 1 j 囊 鑫 蓄 第二章骨架密实结构配合比设计 图2 4 不同级配曲线的骨架密实结构集料级配 不同级配种类粗集料( 4 7 5 - - 3 1 5m m ) 的物理、力学试验结果表明：连续级配中各档 料含量相对均匀有利于整个混合料的抗离析能力，因此对于骨架密实结构水泥稳定碎 石，粗集料宜选用连续级配类型。骨架密实结构中细集料的最大粒径不应太大，以免将 粗集料撑开，影响骨架结构的性能，再者细集料的级配应有利于细集料在与水泥混合后 形成更为密实的结构。根据试验结果推荐的抗离析效果较好的骨架密实结构水泥稳定碎 石集料级配见表2 8 。 表2 8 水泥稳定类骨架密实结构粗级料级配范围 筛孔孔径m i l l 3 1 52 6 51 91 61 3 29 54 7 52 - 3 61 1 8o 60 30 1 5 0 0 7 5 上限 1 0 09 58 37 46 65 33 33 02 31 3953 下限 1 0 08 86 85 74 83 72 l2 01 6 452l0 2 3 4 确定集料的比例 配合比设计主要是以获得良好的碎石级配、压实效果和施工可行性为原则，级配碎 石以其各筛孔的通过量达到或接近规范要求的级配中值为最佳配合比。对集料颗粒筛分 结果分析，通过反复调整材料的比例，使之符合规定的级配范围，优先确定两种级配比 例进行对比试配。 第一种级配碎石试验组成范围见表2 9 ，设计试配曲线见图2 5 ； 第二种级配碎石试验组成范围见表2 1 0 ，设计试配曲线见图2 6 。 表2 9 第一种级配试验级配结果 材料名称 1 #2 43 。4 撑 上限下限中值合成级配 粒径( m m ) 2 0 3 01 0 2 05 l o0 5 配比( ) 2 6 3 01 82 6 3 7 51 0 0 ol o o 01 0 0 01 0 0 o1 0 01 0 01 0 0 o1 0 0 0 3 1 5 1 0 0 o1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 o