（道路与铁道工程专业论文）厚层水泥稳定碎石基层压实机理及路用性能研究.pdf

摘要整体大厚度水泥稳定碎石基层是我国高等级公路路面基层主要结构形式。长期以来，受铺筑厚度的制约，实际中多采用分层施工方式进行，造成层间非连续状态的普遍存在，使得设计时假设的厚板受力变为实际使用中的多薄层受力，影响了使用效果。在大厚度、大宽度摊铺机和大吨位压路机出现的今天，变分层旌工为一次施工的厚层水泥稳定碎石已成为一种可能。开展大激振力碾压作用下厚层水泥稳定碎石压实机理和路用性能研究，对于此类结构的推广和使用具有重要的理论与现实意义。通过大激振力试验仪室内测试和河北、浙江、河南三省厚层水泥稳定碎石试验路段取芯试样分析，对其物理参数、胶凝材料和集料等压实特性进行了研究，揭示了厚层水泥稳定碎石压实机理，并首次提出阻裂带概念。在此基础上，开展了厚层水泥稳定碎石路用性能的研究，测试结果显示，和普通水泥稳定碎石相比，由于基层结构整体性能的提高，厚层水泥稳定碎石的力学、抗裂、耐久等路用性能均有明显提高。在厚层水泥稳定碎石压实特性和整体性能测试研究基础上，进行了室内试槽试验，推荐了厚层水泥稳定碎石压实度检测流程，并最终在浙江龙丽丽龙高速公路铺筑了相关试验路。关键词：厚层水泥稳定碎石、压实机理、阻裂带、路用性能、大激振力、整体性基层、压实度检测a b s t r a c tl a r g et h i c k n e s sc e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mb a s er o a di st h em a i ns t r u c t u r eo ft h eg r a s s - r o o t sl e v e li nc h i n a f o ral o n gt i m e ，c o n s t r a i n e db yt h et h i c k n e s su s e d ，t h ea c t u a lc o n s t r u c t i o no fm u l t i - t i e r e da p p r o a c ht oa d o p t , r e s u l t i n gi nb e t w e e nl a y e r so ft h ep r e v a l e n c eo fn o n - c o n t i n u o u ss t a t e ，m a k i n gt h ea s s u m p t i o nt h a tt h ed e s i g no ft h ep l a t ei n t ot h ea c t u a lu s eo ff o r c ei nt h em u l t i - t h i n - l a y e rf o r c ea f f e c t e dt h er e s u l t s a st h et h i c k n e s sa n dw i d t ho fp a v e ra n dr o l l e rt o n n a g ea p p e a r s ，a sav a r i a b l ec o n s t r u c t i o no fl a y e r e dc o n s t r u c t i o no ft h et h i c kl a y e ro fc e m e n ts t a b i l i z e dg r a v e lh a sb e c o m eap o s s i b i l i t y s t u d i e so ft h ec o m p a c t i o nm e c h a n i s ma n dt h es t a b i l i t yo f g r a v e lr o a dp e r f o r m a n c eo f r c ce x c i t i n gf o r c ef o rb i gt h i c kl a y e ro f c e m e n t ,w i l lg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eg i v et h ep r o m o t i o no f s u c hs t r u c t u r ea n du s e e x c i t a t i o nt h r o u g ht h ei n d o o rt e s ta n dt e s t e r , h e b e i ，z h e j i a n ga n dh e n a np r o v i n c e st h i c kc e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n et e s ts e c t i o no fc o r es a m p l ea n a l y s i s ，i t sp h y s i c a lp a r a m e t e r s ，c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l sa n da g g r e g a t e s ，s u c ha sc o m p a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t u d yr e v e a l e dat h i c kl a y e ro fc e m e n ts t a b i l i z e dg r a v e lc o m p a c t i o nm e c h a n i s m , a n dt h ef i r s tt i m ew i t ht h ec o n c e p to fc r a c kr e s i s t a n c e o nt h i sb a s i s ，t oc a r r yo u tat h i c kl a y e ro fc e m e n ts t a b i l i z e dg r a v e lp e r f o r m a n c es t u d yr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t a b i l i t yo fo r d i n a r yc e m e n ta n dg r a v e lc o m p a r e dt ot h es t r u c t u r ea sar e s u l to ft h eg r a s s - r o o t sl e v e lt oi m p r o v et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h et h i c kl a y e ro fc e m e n ts t a b i l i z e dg r a v e lm e c h a n i c a l ，a n t i - b i f i d a , a n do t h e rd u r a b l ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eh a sm a r k e d l yi m p r o v e d w i t hs t u d yo fc o m p a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h et e s to fo v e r a l lp e r f o r m a n c eo nt h et h i c kl a y e rc e m e n ts t a b i l i z e dg r a v e l ，i n d o o rt e s tt a n kf o rt e s t i n g , r e c o m m e n d e dat h i c kl a y e ro fc e m e n ts t a b i l i z e dg r a v e lc o m p a c t i o nt e s t i n gp r o c e s s e s ，a n du l t i m a t e l yp a v e dr e l e v a n te x p e r i m e n t si nz h e j i a n gl o n g - l i l i - l o n ge x p r e s s w a y k e yw o r d s ：t l l i c kl a y e ro f c e m e n ts t a b i l i z e dg r a v e l ：c o m p a c t i o nm e c h a n i s m ；r e s i s t a n c ew i t hc r a c k ：r o a dp e r f o r m a n c e ；r c ce x c i t i n gf o r c e ；t h eo v e r a l lg r a s s - r o o t sl e v e l ：d e g r e eo fc o m p a c t i o nt e s t i n g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：育电品。夕年f 月3 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：育迎品、导师签长安大学硕士学位论文第一章绪论1 1 概述上世纪8 0 年代以来，伴随着国民经济的迅速发展，我国高速公路的里程不断增加，公路建设进入了新的发展时期。1 9 8 9 年我国大陆高速公路通车里程仅为2 7 1 公里，截至2 0 0 7 年底我国公路通车总里程达3 5 7 3 万公里，其中高速公路5 3 6 万公里，居世界第二。我国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。在过去的十几年中，随着经济的快速增长，交通状况有了明显改善，汽车轴载明显剧增，为了适应交通事业的发展，经历了从适应低、中交通的泥结碎石、级配砾碎石路面、贯入式路面到目前适应于高等级重交通的沥青混凝土路面、水泥混凝土路面。以无机结合料稳定粒料( 土) 类为基层，由于其力学性能接近水泥混凝土等刚性结构而定义为“半刚性路面”，被大量应用于高等级公路路面，已成为目前我国高等级公路路面结构的主要型式i n 。半刚性基层沥青路面是一种比较理想的结构，具有很高的强度。车辆荷载主要通过基层和底基层所使用的半刚性材料来承担，面层主要起功能性作用，可以达到“薄面”的目的。半刚性基层材料的使用可以充分利用当地的资源，有的还可以利用工业废渣，工程造价比较节省，有利于保护环境。半刚性基层材料中，水泥稳定土的性能较二灰或石灰类基层材料有许多优势。水泥稳定土的适宜范围很广，含土较多的或塑性指数较大的砂砾土、含土很少、没有塑性指数的砂砾、以及有机质含量不多的各种细粒土，都可以用水泥稳定，尤其在我国广大的南方地区，由于缺少粉煤灰，半刚性基层多采用水泥稳定。水泥稳定材料的强度可以方便地加以控制，因此它既可以在一般交通的道路上，又可以成功地在重交通道路和高速公路上。它既能适应重交通道路上路面基层的要求，又能适应轻交通道路上路面底基层的要求。因此，水泥稳定类半刚性基层路面实际上成为半刚性基层路面的主要材料类型。1 2 问题的提出为了提高路面的整体性能，我们正在逐步探索一种大厚度基层的路面结构形式，设计中采用较厚( 2 5 3 5 e m ) 的路面基层结构。但是在实际施工中，一般考虑分两层施工，在层间结合处，存在薄弱面，钻芯取样显示，上一层下部2 - - 3 e m 范围内，破坏较为严重，近而引起半刚性基层结构性破坏。按照现行规范公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 的规定：“水泥稳定土结构用1 2 - 1 5 t 三轮压路机碾压时，每层压实厚度不应超过1 5 e m ，用1 8 - - 2 0 t 三轮压第一章绪论路机碾压时，每层压实厚度不得大于2 0 c m ；对于水泥稳定中粒、粗粒土，采用能量大的振动压路机碾压时，每层压实厚度可以根据试验适当增加，压实厚度超过上述规定时，应分层修筑”。规范中上述规定是因为传统碾压机械激振力达不到设计要求，不能够保证基层材料压实度，必须分层施工，这使得大厚度半刚性基层的施工工艺呈现出多样性。追求设计与施工的统一成为一种趋势，为此，定义一次性铺筑、大吨位压实设备碾压成型的厚度大于2 2 c m 的水泥稳定碎石基层叫做厚层水泥稳定碎石基层。近年来，随着施工碾压机械功率越来越大、振动碾压机械越来越普及和吨位的增加，铺筑一次成型的厚层水泥稳定碎石结构在许多地方开始试验。在大吨位压路机逐渐兴起的今天，室内试验依然采用静压成型的方法作为室内的质量控制指标使得室内试验结构与现场存在越来越大的差距。随着厚层水泥稳定碎石结构的推广，其厚度的增加是否会影响其压实效果，通过对其压实机理的研究就显得尤为必要。性能通常是评价路面结构优劣的一个重要指标，厚层水泥稳定碎石采用大吨位压路机一次碾压施工，由于减少了层间问题，其整体性能较分层施工好，对其路用性能和整体性性能的测试深入研究压实特性以掌握其性能是十分必要的。同时，水泥稳定碎石施工质量是对良好路面结构的重要表达。作为水泥稳定碎石施工质量控制的重要指标，压实度必须满足最低要求。厚层水泥稳定碎石由于厚度的增加，适用于普通水泥稳定碎石结构的压实度检测方法已经不能完全用于此结构，其压实度检测也具有其特殊性。如何全面检测整个结构层的压实质量成为厚层水泥稳定碎石施工首先要解决的一个重要问题。1 3 国内外研究现状水泥稳定碎石基层检测技术在国内已广泛应用于公路建设中，但目前针对厚层水泥稳定碎石的检测技术尚在探索阶段。通过调查、检索、查阅国内外文献资料发现该领域主要研究成果和存在的问题如下。1 ) 水泥稳定碎石室内试验( 1 ) 长安大学胡力群【3 】采用振动压实成型试验机，对水泥稳定碎石的振动压实特性进行了研究，结果证明在激振力5 6 1 2 n 、频率2 8 h z 、静面压力1 0 4 k p a 情况下进行水泥稳定碎石振动压实效果较好。并利用所研仪器进行击实试验，将试验结果同标准击实试验结果对比，得出水泥稳定碎石振动最大干密度高于重型击实最大干密度。( 2 ) 长安大学李美江【4 1 主要研制了一台可调频、调偏心块夹角和静面压力的振动压2长安大学硕士学位论文实成型试验机，并在此基础上进行水泥稳定碎石的振动压实试验。水泥稳定碎石在频率为3 5 i - i z ，配重块s 3 6 ，当偏心块夹角为9 0 时达到了较好的压实效果。并在此条件下进行击实试验，结果显示振动干密度为2 4 4 6 9 c m 3 ，比击实的干密度增大约3 。( 3 ) 长安大学赵伟 3 1 通过现今的主流压路机的参数研究，研制了一台振动试验机，在此基础上进行了振动击实试验和路用性能试验，结果证明其性能要优于静压成型。2 ) 厚层水泥稳定碎石路用性能吉林交通科学研究所时成林等【6 】以空隙率和强度为设计指标，设计了水泥稳定碎石排水基层材料的粗骨架级配、水泥胶浆配合比和用量及合理稠度。通过抗压强度、劈裂强度、回弹模量、收缩试验、疲劳试验和抗冻试验分析了水泥稳定碎石排水基层材料的路用性能：3 ) 厚层水泥稳定碎石施工及检测针对基层施工存在的问题，为使结构层的连续性增强，山东省研究了半刚性材料基层连续摊铺、压实的施工工艺，加强了双层半刚性材料之间的联结，可使双层结构成为单层式整体结构，提高了承载力和耐久性【刀。全国一些地方开始尝试进行连续施工。简要介绍如下：( 1 ) 云南第五公路桥梁工程有限责任公t s j ，在国道3 2 0 线大理保山高速公路第1 5 合同段，基层厚度超过3 0 e r a ，达到3 2 - 3 4 e m 。其相关施工工艺如下：摊铺：先用普通平地机摊铺( 其厚度约为总层厚的一半) ，铺筑长度2 5m 左右，只要能满足平地机的工作面即可，并且不宜过长，紧接着使用摊铺机( 充分发挥摊铺机易保证平整度和标高的优势) 铺筑。碾压：先用1 2 - 1 5 t 的普通压路机或振动压路机稳压2 3 遍，再用拖式重型压路机振压6 - - 8 遍，最后再用1 2 - - 一1 5 t 压路机收轮迹。现场压实度检测情况：现场压实度检测采用直径为2 0 0 m m 的灌砂筒，共抽样8组，检测上2 0 c m 压实度，结果显示，上2 0 e m 压实度均大于1 0 3 。上述施工主要采用是两层铺筑，一层碾压。因为要用平地机摊铺，路面平整度很难控制。用拖式振动压路机碾压，影响平整度，增加施工难度。( 2 ) 广西河池公路管理局【9 】，在北流宝圩二级公路改建工程中，路面结构采用整体大厚度水泥稳定碎石基层作为承重层，水泥稳定碎石基层厚度2 7 3 2 e m 。其主要施工工艺如下：全线水泥稳定碎石基层均采用间歇式强制拌和机拌和，小功率拖拉机自卸车装3第一章绪论运、人工摊铺、装模整型。基层采用不间断地连续施工第一、二层。具体做法是，首先第一层摊铺、整型、碾压，经快速检测压实度合格后，紧接着立即进行第二层摊铺、整型、碾压、精平，碾压至规定压实度。这两个工序是连续、紧凑的，第一层摊铺至第二层碾压结束的时间间隔不得超过水泥的初凝时间( 与水泥厂家联系，要求提供缓凝水泥) ，一般控制在4 h 之内。钻芯取样表明，即使上、下层施工时间间隔在4 小时以内，上、下两层界面也明显存在，不能成为整体、均质的单一结构受力层，施工实际厚度不能等效于设计厚度。采用分层摊铺、碾压，缩短水泥稳定碎石两层施工间隔时间，施工间隙时间极难控制，受突发事件影响较大，两层铺筑间隔时间容易超过4 小时，这也造成了层间结合问题。( 3 ) 河南省鹤壁市经济开发区管委会【1 0 1 ，在省道分当路、汉宜路上铺筑相关试验路，基层结构为水泥稳定级配碎石基层，厚度为2 5 c m - 3 5 c m 。采用的主要施工工艺如下：摊铺：配备普通平地机及铺筑厚度不少于1 5 c m 厚的摊铺机各一台。碾压：配备1 5 - - 1 8 t 振动压路机及自重为2 0 t 以上、激振力为5 0 t ( 拖式振动压路机) 以上的重型压路机各一台。压实度检测同云南第五公路桥梁工程有限责任公司，有超密现象，达到1 0 3 。路面各项指标达到要求，裂缝率大幅度减少，施工周期缩短约4 0 ，成本降低约2 0 。主要施工方法同云南第五公路桥梁工程有限责任公司，且采用拖式振动压路机进行施工碾压，增加施工难度导致平整度很难控制、水泥稳定碎石标准干密度数值偏低( 压实功过大，出现超密现象) 。现今的压实度的测定方法有很多，环刀法、灌砂法，核子8 0 密度仪法。水泥稳定碎石基层主要采用灌砂法，其检测主要是针对1 5 c m 和2 0 c m 厚度，尚没有关于一次性铺筑的厚层水泥稳定碎石结构压实度检测方法的研究。张国云【1 1 1 等在晋侯高速公路3 2 c m 水泥稳定碎石全宽全厚摊铺试验路中，采用灌砂法分层测试压实度。分上、下层对水泥稳定碎石的压实度进行研究，压实度检测结果存在较大的偏差，建议以整体检测为主，辅以分层检测法进行对比分析。在室内通过振动仪器成型对厚层水泥稳定碎石使用性能的材料组成变化特性及性能和施工质量检测手段研究，对减少室内外结果差异，提高施工质量，确保厚层水泥稳4长安大学硕士学位论文定碎石路面的使用，提高典型基层结构使用质量将会有重要指导意义与应用价值。1 4 主要研究内容本课题从厚层水泥稳定碎石的压实机理分析入手，逐步开始对厚层水泥稳定碎石压实特性及测试技术进行系统研究。在对水泥稳定碎石使用现状及使用中存在问题分析的基础上，通过理论分析、室内试验及结合施工现场数据，对厚层水泥稳定碎石压实特性及测试技术进行深入、系统的研究。主要研究内容有：1 厚层水泥稳定碎石压实特性研究1 1 压实机理分析1 2 振动配置条件分析1 3 物理参数变化变化特性2 厚层水泥稳定碎石路用性能研究2 1 力学性能研究2 2 抗裂性能研究2 3 耐久性能研究3 整体性基层路用性能研究3 1 力学性能研究3 2 抗裂性能研究3 3 耐久性能研究4 厚层水泥稳定碎石压实度检测技术研究4 1 不同测试方法对比分析4 2 室内试槽试验通过以上的研究对厚层水泥稳定碎石的压实特性及路用性能等进行全面研究。5第二章研究方案及试验方法第二章研究方案及试验方法通过对水泥稳定碎石基层使用现状的调查和分析【1 2 1 可以看出，水泥稳定碎石存在的一个首要问题就是设计与施工的不统一，导致了厚层水泥稳定碎石的整体性能差。在加大摊铺厚度后，大激振力作用下其压实特性是其性能影响的重要因素，对其压实机理和特性的研究。在厚层水泥稳定碎石日益推广的今天，缺少这方面的研究。2 1 技术路线( 1 ) 前期调研与后期试验相结合对国内常用路面结构、厚层水泥稳定碎石的测试情况进行调查分析，开展厚层水泥稳定碎石基层结构测试的试验研究。( 2 ) 理论分析、室内试验与现场数据相结合在对厚层水泥稳定碎石压实机理进行分析的基础上，分析厚层水泥稳定碎石的振动配置条件，并通过室内试验，结合试验路现场取芯试件的测试和压实度检测结果，对厚层水泥稳定碎石的物理参数和性能及现场压实度检测方法进行逐步研究。在理论分析及研究的基础上，通过试验进行验证与完善。( 3 ) 资料搜集与研究创新相结合广泛收集半刚性基层材料的研究成果，吸收分析，辨别真伪。在本文研究中，充分体现优秀的研究思想，进行理论创新。2 2 研究思路及试验方案随着大宽度、大厚度摊铺机械和大吨位碾压机械的出现，水泥稳定碎石一次铺筑厚度日益增大，厚层水泥稳定碎石基层的逐渐推广，有利于提高路面的整体力学性能，所以被越来越广泛地使用，但是受施工机械的限制，在实际施工中仍然采用分层施工的方式。振动碾压作为现今施工碾压的主要方式，其技术已经日益成熟，压路机的激振力日益增大和大厚度大宽度压路机的出现，使得采用厚层水泥稳定碎石结构成为一种趋势。作为室内控制的重要指标，依然采用静压成型的方式，这也造成了与实际的巨大差异，所以使用能够模拟现场大激振力的振动成型设备进行相关的室内试验符合发展的要求。一次成型可能造成下部压实不足从而影响路面的整体性能，水泥稳定碎石的压实效果变化，使用室内模拟大激振力振动成型设备，测试其上、下差异，对其压实特性作进一步研究。同时，由于其整体性能的提高，对其整体性能的研究也是必要的。在厚层水泥稳定碎石施工时，由于一次摊铺的厚度加大，通过对其压实特性的了解，结合室内试验，6长安大学硕士学位论文提出适合其的现场检测方法。针对以上的问题，确定的试验方案如下图2 1 所示。调查分析水泥稳定碎石基层使用现状及存在的问题l 、施工中的问题：2 、室内试验中的问题上确定主要研究方案l 、大激振力作用下的压实特性研究；2 、大激振力下路用性能对比分析；3 、整体性基层的使用性能；4 、厚层水泥稳定碎石压实度检测：上提出主要理论研究成果l 、厚层水泥稳定碎石材料分布特性；2 、厚层水泥稳定碎石的路用性能差异；3 、厚层水泥稳定碎石压实度检测方法；图2 1 研究思路及试验方案2 3 材料参数及试验方法2 3 1 材料参数( 1 ) 水泥稳定碎石所用水泥的类型很多，主要品种如普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥以及粉煤灰硅酸盐水泥。其标号多采用3 2 5 。在众多的性能指标中，凝结时间、水化热、强度等为选择水泥关注的重点指标。基于材料设计的特点，水泥稳定碎石所选择的水泥应满足以下几点：水泥的凝结时间，一般选用终凝时间较长的水泥，而又不能过长，终凝时间宜为5 8 小时之间。水泥的水化热，其大小对水泥稳定类基层材料的收缩变形有一定的影响，所以对于道路材料一般应选择水化热较小的水泥。火山灰水泥和粉煤灰水泥硬化时的水化热很低，对水泥稳定类基层材料的抗裂有利，但在同样条件下其初期强度较低，因此，不宜在气温较低的环境下使用火山灰水泥和粉煤灰水泥。水泥强度是影响水泥稳定碎石使用性能的关键因素，一般道路水泥标号不低于3 2 5 m p a 。7第二章研究方案及试验方法( 2 ) 水泥稳定碎石材料中石料的指标除了考虑压碎值，还应该考虑石料的颗粒形状，这对于骨架密实及骨架孔隙型半刚性材料很重要。不同种类的石料吸水率、热膨胀系数也不同，应选择吸水率小、热膨胀系数小的石料，有利于改善混合料整体的抗裂性能。j t j 0 3 4 2 0 0 0 公路基层施工技术规范规定水泥稳定土中碎石或砾石的压碎值应符合表2 2 要求。表2 2 普通厚度水泥稳定碎石基层石料要求一高速公路、一级公路二级、二级以下公路试验项目石料压碎值不大于3 0 不大于3 5 以，规范对水泥稳定碎石基层石料的压碎值要求依然适用于振动力状况下碾压。( 3 ) 为了使试验结果更具有代表性，本研究试验中采用公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 中规定的水泥稳定集料级配的中值，试验中碎石为石灰岩，水泥标号为e s 3 2 5 水泥，水泥用量4 o ，水泥稳定碎石级配见表2 3 和图2 2 。表2 , 3 水泥稳定碎石的级配方孔筛尺寸( m )3 1 51 99 54 7 52 3 6o 60 0 7 5规范上限1 0 01 0 07 26 73 52 27通过规范下限1 0 09 08 94 71 780百分率( )规范中值1 0 09 58 0 55 72 61 53 52 3 2 试验方法1 水泥剂量滴定试验8长安大学硕士学位论文将室内成型的厚层水泥稳定碎石试件人为地分为上、下两部分，破碎，分别通过4 7 5 r a m 筛孔，对通过筛孔的部分混合料立即进行e d t a 滴定。具体滴定方法同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 ) 。2 密度测定本试验最适合采用蜡封法对方法测定。先将厚层水泥稳定碎石试件横向分段切割，每段5 - - 6 e m ，分段测试其密度，具体测试方法为按照沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 。3 标准击实试验具体试验方法见公路工程无机结合料稳定材料试验规程( 邢0 5 7 9 4 ) 。4 振动击实试验采用长安大学开发的室内大激振力试验仪，首先按照以往的经验确定需要石料的总量( 以恰好装满单节试模为最佳) ，然后分别选定几种变化范围较大的含水量( 水泥稳定碎石的最佳含水量范围一般为4 - 6 之间) ，按照3 、4 、5 、6 、7 的含水量掺水，分别在试模中振动，可以按照时间控制其振动的停止时刻( 结合已有研究成果和试验经验，单节试模一般控制在6 0 s 以内) 或者按照振动时发生共振( 即配重台在某一位置不再向下运动) 时刻作为停止时刻。取下试模，量取试件高度，称取试模和试件总重得到试件湿重，脱模取出试件，按照四分法( 如图) 分割试件，取其中两份( i 、或i i 、) 作为含水量测定样本分别在烘箱烘干，计算含水量。试件湿密度计算方法如下：p 漫= 4 ( w 总一w 黼) 2 2 5 7 r * h( 2 1 )其中：w 曹试件与试模总质量；w 试r 叫模质量；h 试件高度。含水量计算方法如下：w _ ( w 前一w 后) ( w 后- w 盒)( 2 2 )其中：w r 一盒重；w r _ 试样烘前质量；9第二章研究方案及试验方法w 萨叫样烘干后重量。厂八jj。|i v1 1 1图2 3 含水量取样分割方法示意图5 振动成型试件试件按照振动击实试验所得最大干密度和最佳含水量成型试件，并进行标准养生。无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量试验均采用1 5 c m x h l 5 c m 试件。在室内利用大激振力振动击实仪，为了脱模完整，先将试模底部放置一张塑料薄膜纸，然后将所需结合料按照四分法分成四份，将计算好的混合料依次装入试筒内，并分别用击实锤分层锤击，每层循环锤击两次，路线如下图2 4 。图2 4 装料的锤击路线当混合料装完后将其上表面整平并稍加压紧，然后覆盖一片塑料薄膜纸。将装好混合料的钢模放在振动击实机的钢质底板上，固定底座上的各个螺栓。将振动压头对准钢模后，放下岛链，使压头与钢模内的混合料紧密接触，取下岛链末端的吊钩，放置好岛链。检查各个螺栓及相关的连接处，确定安全。启动电源开关，开始振动，仔细观察压实机械压头高度的变化，达到预定标尺位置后( 结合已有研究成果和试验经验，3 0 c m 试件大约9 0 s ) 立即关闭电源。拉动岛链，松开螺栓，取出钢模，松开其上的螺栓。大激振力振动击实仪如下图2 5 所示。1 0* 堂大学填十学位论立图2 5 大撒振力振动击实仪及试模对于振动成型1 5 e r a 试件可直接放到脱模器上脱模，对于3 0 c m 试件需将其从中间两截钢模连接处折断成两节标准试件尺寸为m 1 5 c m h 1 5 c m 并用水泥砂浆将断裂面补平后将两截分别脱模。示意图如2 6 。上0 1 5 c m下m 1 5 e r a图2 6 丈激振力下成型厚层水稳碎石试件示意图试件脱模后用塑料袋包裹，写t 编号，放置3 5 小时后放入养护室中进行不同龄期的养生，如图27 。第= 章研究方镕及试验方法图2 7 室内太激振力下成型厚层水泥稳定碎石试件按照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 ) 规定的试验方法进行力学试验。6 无侧限抗压强度测试本试验按照公路工程无机结台料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 中的规定进行。7 劈裂强度测试本试验按照公路工程无机结台料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 中的规定进行。8 抗压回弹模量测试本试验按照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 ) 中有关顶面法规定进行。1 1 收缩性能试验1 ) 干缩水泥稳定碎石基层材料由于内部水分世失而引起体积收缩现象称为干缩。从微观上讲是由水分蒸发而导致的毛细管张力作用、吸附水及分子间力作用、矿物晶体或凝胶体的层问水作用、碳化脱水作用而引起的结构层宏观e 体积变化i “j 。半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在若毛细管张力，并咀压的形式作用于毛细管壁- 其大小与毛细管的半径成反比。当水分蒸发时，毛细管水面下降，弯液面的曲率半径变小，致使毛细管压力增大，从而产生收缩。毛细水蒸发完后，随着相对湿度的继续减小，半刚性基层材料的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，颗粒间距离变小，分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。其收缩量要比毛细管作用的影响大得多。当吸附水膜减薄到一定程度以后，收缩量逐渐臧小，直至终止收缩。半剐性基层材料中有大量层状结构晶体或非晶体，如粘土矿物、c s h 凝胶、c - a - h结晶体等，其层 i j 夹有大量的层间水与水化离子。随着相对湿度的进步下降，层间水长安大学硕士学位论文蒸发，致使晶格间距减小，从而引起整体收缩。水泥矿物成分和分散度对干缩影响最大，集料增加对水的作用减小，可以减少干缩；龄期增长，强度增高，可使干缩降低。初期养生不良或含水量太大，将导致水泥稳定碎石产生很大干缩。在最佳含水量和最大干密度的条件下，按照振动的最大干密度、最佳含水量和测定力学强度时试件的水泥剂量成型试件。试验中利用千分表在三角支架上测定刚成型试件的干缩量，原因在于一般认为温缩主要发生在后期，尤其是温度变化较大的季节，而干缩主要发生在早期，所以为了测定试件早期水分散失与干缩量的关系，可采用此法。该方法是将试件放在试验室内，上、下面均需要整平( 如放上玻璃片) ，把千分表固定在其表面，在常温下让水分自由散失，每天称试件的重量，直到水分散失尽( 即试件重量不再明显减少) 为止，最后确定干缩系数以及干缩率。2 ) 温缩由于沥青的温度敏感性要高于水泥稳定碎石，因此由沥青面层覆盖的基层，不会由于单纯的降温而开裂。在北方冬季昼夜温差大，特别是寒流到来时，急剧降温伴随着干燥的大风，此时，面层容易产生裂缝，而面层的裂缝会影响到基层。当面层的裂缝拉开时，裂缝尖端下的基层表面就会产生一个附加拉应力，与低温收缩应力相结合，可能超过基层材料的抗拉强度而开裂。水泥稳定碎石基层材料由固相( 组成其空间骨架的原材料颗粒和其间的胶结料) 、液相( 存在于固相表面与空隙中的水和水溶液) 和气相( 存在于空隙中的气体) 组成。水泥稳定碎石的三相体降温过程中相互作用，使其产生体积收缩即温度收缩。一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略；原材料中碎石的温度收缩系数较小，石屑的温度收缩性较大。水泥稳定碎石基层材料内部广泛分布有大空隙、毛细孔和胶凝孔。自由水存在于大空隙中，毛细水存在于毛细孔和胶凝孔中，结合水存在于一切固体表面，层间水存在于晶胞和凝胶物层间，结构水和结晶水存在于矿物晶体结构内部。水是影响此类材料温度收缩的主要因素，特别是在非饱水状态时影响较大。水对水泥稳定碎石材料收缩性能的影响主要通过扩张作用、毛细管张力和冰冻作用实现。采用温缩试验仪，首先将养生至预定龄期的试件在恒温箱中，然后将被测试件与标准材料温度补偿试件以半桥法接入应变仪中，再将被测试件与标准补偿试件放入恒温箱中4 0 烘至恒重。温缩试验仪器，如图2 8 。1 3第= 章研究方案及试验方法圈2 0 温缩试验仪接着按预定开始温度2 5 c 恒温2 h 后将全部测点平衡至零。待完成后即以温差t降温，待降至t i = t 一t 后恒温2 h 然后采集数据，依次类推直到测试温度t = 2 5 ( 2为止。计算单位温度变化所产生的应变值，即若每一温度区间( 例如从t 到t ) 授啶的材料温度收缩应变相应为e 和e 川，则该温度区间内平均温缩系数口。：铲耻等急坻旺，式中：t - 温著( ) ：6 r _ t 内应变差；p 。口一标准材料的温度收缩系数( 时) ；kn 一应变仪灵敏系数；k 女一实际所用应变片的灵敏系数。1 2 抗冲刷试验采用长安大学自行研制的冲刷仪进行，试验配置为频率1 0 h z ，配重为3 块，偏心块夹角为1 2 6 。冲刷时间为3 0 分钟。对于抗冲刷试验而言为了能够模拟道路基层在实际中受冲刷的情况，该试验方法是将试件在标准条件下养生9 0 天，每3 个为一组，泡水2 4 小时，然后将其固定在冲刷仪上加入适量的水，使液面超过试件顶面5 m m ，然后开启电源，进行冲刷试验，3 0 分钟后将试件取出，收集冲刷桶里的剩余物并烘干称重，可计算其冲刷量。具体计算见下式( 24 ) 所示。w=gt(2a)式中：长安大学硕士学位论文w 单位时间内的冲刷量( g r a i n ) ：g 一时间内的冲刷重量( g ) ；t _ 一刷时间( m i n ) 。1 3 压实度试验借用 公路路基路面现场测试规程( j t j0 5 9 9 5 ) ( t 0 9 2 1 9 5 ) 的方法检测，采用标准灌砂桶( 直径1 5 c m 和直径2 0 c m ) ，和经过改装、可以增加灌砂深度的大型灌砂桶以测试3 0 c m 深度范围内的压实度( 详细介绍见具体章节) 。1 5第三章厚层水泥稳定碎石压实机理研究第三章厚层水泥稳定碎石压实机理研究3 1 水泥稳定碎石压实机理到目前为止，现代压实方法常见的有静力压实、搓揉压实、振动压实、夯实和冲击压实。而适用于水泥稳定碎石施工的压实方法主要有静力压实、振动压实和夯击压实。其压实机理简要分析如下：静力压实将重物置于被压材料的表面，利用重物的重力，对被压材料施以压力，以克服松散材料中固体颗粒间的滑动摩擦力和粘附力，同时排除空气，使被压材料逐渐产生变形，趋于密实。但是有限的静力只能引起被压材料较小的变形，只能获得较低的压实度。夯实利用专门的设备能对被压材料施以冲击作用力，破坏被压材料内部颗粒之间原来的连接，强迫颗粒产生移动，进行重新排列，变得更加密实。由于夯击压力波较振动压力波能传至更深的层面，所以，夯实能获得最大的压实深度。对于水泥稳定碎石施工路面中，压实机械不能到达的边界，就常常采用人工平板夯进行夯实。振动压实利用专门的设备可对被压材料施以连续的振动作用，使被压材料内部颗粒间的连接力和摩擦力减弱，克服骨料与相邻骨料脱离咬合产生的咬合摩擦力( 颗粒接触面粗糙不平形成的细微咬合力) 。其中颗粒间距的微弱增长，会使微细咬合摩擦力产生很大的衰弱。振动压实就是使颗粒质点间的距离产生微弱增长，从而使咬合摩擦力减小，导致振动轮下的粒料随着振动而挤密，颗粒间的部分集料将随之压实，但部分细集料也将因被挤出而松散。振动压实不仅作用深度较大，而且能获得较大的压实度，压实功效较大。振动压实在土中产生的剪切应力r 大于土的抗剪强度r f 时，才能使土颗粒重新排列，土体压密变实。振动压实使骨料之间的移动除要克服滑动还要克服咬合摩擦，咬合摩擦是由骨料与相邻骨料脱离咬合而产生的，即o = 中u 恂i( 3 1 )式中：u 为滑动摩擦角；l 为咬合摩擦角。咬合摩擦力是颗粒接触面粗糙不平形成的细微咬合力。其中颗粒间距离的微弱增1 6长安大学硕士学位论文长，会使微细咬合摩擦力产生很大的衰减。振动压实就是使颗粒质点间的距离产生微弱增长，从而使咬合摩擦力减小，导致振动轮下粒料随着振动而挤密。微观效果的累积最终表现的宏观效果是混合料的密实导致力学强度增加。3 。2 碾压机械振动配置条件水泥稳定碎石的性能与其在振动压实作用下所表现出的特性有关，为了在室内进行相关研究，必须首先通过大激振力压路机的参数，研究厚层水泥稳定碎石室内成型设备的最佳振动配置条件。在进行路面压实时，激振力的大小对密度影响较大，随着施工碾压机械功率越来越大、振动碾压机械越来越普及，加上大厚度大宽度摊铺机械的出现，使得一次铺筑的厚层水泥稳定碎石结构的逐渐推广。通过对现今流行的集中大吨位压路机的振动参数的分析，分析适合室内试验的振动试验仪的振动配置条件。压路机的压实能力主要与其在单位面积上的作用力大小有关，这就是应力集度。对于振动压路机的压实效果，通过对振动压实理论的分析，将其转化为半径为a 、应力集度为p 的集中荷载n 6 1 。半径和应力集度计算公式如下：a = o 1 5 4 d l( 3 2 )式中：d 振动轮的直径：i 振动轮轮宽；1 3 ( g + f o )p = odl( 3 3 )式中：g _ _ 动轮静重；f r 离心力或激振力；根据长安大学赵伟的研究成果，通过对现今使用比较普遍的压路机的各项参数进行分析选取有代表性的压路机的参数计算出振动压路机的应力集度，见表3 1 。表3 1 常见压路机参数一栏表整机振动轮尺寸额定额定行走额定总作用力型号质量直径宽度振频激振力方式0 , u , 0( t )( m m )( h z )( k n )y z t y l 81 8 01 8 0 0 x 2 0 0 0拖式3 04 2 06 0 01 7第三章厚层水泥稳定碎石压实机理研究y z t y 2 22 2 018 0 0 2 0 0 0拖式2 6 无级可调5 5 0 无级可调7 7 0 无级可调y z 2 01 9 81 6 0 0 2 1 7 0自行2 9 3 53 4 5 2 6 64 7 0 无级可调x s 2 2 02 2 51 6 0 0 2 1 3 0自行2 7 3 24 1 6 2 8 06 4 lx s 2 6 02 5 61 6 0 0 x 2 1 3 0自行2 74 3 0 2 9 05 6 0 无级可调y z 3 23 2 01 7 0 0 x 2 1 3 0自行2 8 3 35 9 0 ，4 5 08 0 0s d l 7 51 1 216 0 0 2 5 4 0自行3 6 0 1 8 04 7 2s d 2 0 02 0 41 6 5 1 2 1 3 4自行2 3 3 3 0 83 6 8 1 3 75 7 2将以上各种主流压路机的额定总作用力进行统计，见下图3 1金6 0 0雹、- r旺4 0 0世躜篷2 0 0o毽_l曩圆润1函豳豳y z t y l 8y z t y 2 2y z 2 0x s 2 2 0x s 2 6 0y z 3 2s d l 7 5s d 2 0 0图3 1 各种类型压路机额定最大功率统计将振动压路机振动轮对被压实层的压实作用简化成半径为a 、应力集度为p 的圆形均布荷载。反算半径为7 5 c m 的圆上，计算结果如下表3 2 。表3 2 不同振动压路机激振力和应力集度压路机型号y z t y l 8y z t y 2 2y z 2 0x $ 2 6 0s d l 7 5y z 3 2激振力( k n )2 6 8 0 73 5 0 9 52 2 8 3 12 8 9 8 12 0 3 7 53 7 4 2 8应力集度( m p a )1 5 1 71 9 8 61 2 9 21 6 41 1 5 22 1 1 8通过比选发现陕西中大生产的y z 3 2 振动压路机的激振力最大，其实际最大激振力达到了8 0 0 k n ，计算得到其室内激振力达到3 7 4 2 8 k n ，应力集度达到2 118 m p a 。在公路工程中，当振动压路机等效圆激振力应力集度大于等于1 1 m p a 时，认为该压路机拥有大激振力【1 7 】。大激振力振动压路机在公路工程中有广阔的应用前景，在其他土建工程中越来越显示它的优越性。3 3 大激振力作用下水泥稳定碎石基层压实机理研究选取浙江龙丽丽龙高速莲都段、青红高速邯郸段、二广高速的整体性大厚度水泥稳1 8长安大学硕士学位论文定碎石试验路现场取芯试件，对大激振力作用下水泥稳定碎石的密度变化规律进行研究，以掌握其压实特性。采用蜡封法对厚层水泥稳定碎石试验路现场取芯试件按照预定的尺寸切割，大致按照o 6 c m ( 1 ) 、6 1 2 c m ( 2 ) 、1 2 18 c m ( 3 ) 、18 2 4 c m ( 4 ) 、2 4 - - 3 0 e m ( 5 ) 切割，密度检测结果如下表3 3 。表3 3 厚层水稳碎石密度试验结果位置( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 5 )组数第一组2 3 8 92 3 9 22 3 8 92 3 8 22 3 5 9第二组2 3 8 52 3 9 92 3 7 92 3 6 92 3 3 8第三组2 3 7 42 3 9 72 3 8 12 3 5 62 3 4 2第四组2 3 7 42 4 0 12 3 7 92 3 5 42 3 2 5第五组2 3 7 12 3 9 12 3 7 72 3 6 42 3 3 9第六组2 3 7 52 3 8 62 3 7 82 3 6 62 3 3 9第七组2 3 7 22 3 9 12 3 8 52 3 6 62 3 5 2第八组2 3 7 82 4 1 12 3 7 12 3 5 82 3 3 5对以上各试件密度作数据拟合，以对其变化趋势作大致的了解。如图3 2 。图