（交通运输工程专业论文）高速公路半刚性基层试验研究.pdf

摘要 高等级公路的基层是直接位于面层下的结构层次，主要起承重、扩散荷载应力和改善路基水温状况 的作用。开展针对性的基层材料研究及试验工作，有利于更加了解基层的工作特性，在工程实际运用中 更加合理、科学，使之更适合工程实际。 本文主要从抗冲刷性能方面着手，研究了一种基层冲刷性试验；并主要针对基层材料本身进行研究， 探讨了两种半刚性基层的干缩、温缩性能比对及二灰碎石的合理配合比研究，针对二灰碎石基层材料进 行干缩特性、温缩特性试验研究，掌握二灰碎石基层材料组成与干缩、温缩特性之间的关系。同时，利 用正交试验设计方法分析石灰、粉煤灰、细料对二灰碎石半刚性基层干缩、温缩的影响程度，确定出上 述三者之间的主要影响因素，为优选材料组合提供可靠的依据。 关键词：半刚性基层冲刷试验级配材料 东南大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb a s i cu n i to ft h es u p e r h i 曲w a yi st h es t r u c t u r e1 e v e l l y i n gu n d e rn l es u r f a c es t o r yd i r e c t l y ，m a i nc a s e s o fb e a r i n g 、 s p r e a d i n gt h es t r e s so fl o a d i n ga n di n l p r o v i n gt h e 如n c t i o no f t h et e m p e r a t u r es t a t eo fr o a db e d p r o m o t et h er e s e a r c ho fm a t e r i a la tt h eb a s i cl e v e lo fp e r t i n e n c ea n dt e s tw o r k ，h e l pt ou n d e r s t a n dt h e p e r f o 珊a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eb a s i cu n i t 如r t h e r ，m o r er a t i o n a l ，s c i e n c ei nt h ep r o j e c ti su s e da c t u a l l y ，m a k e i ts u i t a b l ef o rp r o j e c tm o r er e a l i t ye v e nm o r e t h i st e x ts e t sa b o u t 行o mr e s i s t i n gt h ep e r f o n l l a n c eo fe r o d i n gm a i n l y ，h a ss t u d i e dt h ee r o d i n gt e s to fak i n d o fb a s i c1 e v e l a n dc a r r yo nr e s e a r c ht oa tt h eb a s i c1 e v e lm a t e r i a l i t s e l fm a i n l y ，d i s c u s s i o nt w os e i l l i r i g i db a s i c l e v e l i si tc o n t m c t ，n o tw a n i lt oc o n t r a c tp e r f o m l a n c et h a nr i g h ta j l dt w og m yr e a s o n a b l em a t c hr a t i oo f b r o k e n s t o n es t u d vt od o ，d oa n dd r a wb a c kt h ec h m c t e r i s t i c ，d m wb a c kt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i ct o t h em a t e r i a la tt h eb a s i cl e v e lo f t w og r a yb m k e ns t o n e s ，伊a s pt w o 乒a yb r o k e ns t o n ea tt h eb a s i cl e v e lm a t e r i a l m a k eu pa n di si tc o n t r a c t ，n o tw a 珊t oc o n t r a c tr e l a t i o no fc h a r a c t e r i s t i ct od o m e a n w h i l e ，i ti st e s td e s i 印 m e m o d a n a l y s el i m e ，f l ya s h ，d e t a i l e dm a t e 订a ld oc o n t r a c t i n g ，w a u r mi n f l u e n c ed e g r e et h a tc o m m c tt ot w o g r a yb r o k e ns t o n es e i i l i r i g i d b a s i cu n i tt op a yt ou t i l i z e ，d e t e m ：1 i n et 1 1 em a i ni n n u e n c ef a c t o rb e 觚e e n a b o v e m e n t i o n e dt h r e e ，o n ht h er e l i a b l eb a s i sf o rt h ef a c tt h a tm eo p t i m u ms e e k i n gm a t e r i a l i sm a d eu p k e y w o r d s ：s e m i r i g i db a s i cl e v e l e r o d et e s t g m d em i x i n g m a t e r i a l 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工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加哕、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丽使用过的榭判。与我 一同工作的同志对刁_ 研究所做的任何贡献均己在论文中作了职确的说明并表示了谢意。 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。一论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期：2 d 啮、7 2 护 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 目前，我国高速公路建设规模巨大，为了确保工程质量、节约投资、提高经济效益，开展有针对性的 路面材料和路面结构的系统研究工作是十分必要的。 从总体上看，我国在高速公路建设上的经验还比较缺乏，加之我国幅员辽阔，不同地区的自然条件差 异极大，各地所取得的经验大多是有条件性的。因此大多经验并不能直接套用，通过近年的工程实践和科 学研究工作还认识到，即使全国统一的规范和标准，各地也应有分析、有研究地加以利用，完全硬套是很 难建成令人满意的工程。发达国家如美国高速公路网络早已建成，并积累了数十年的工程建设经验，但仍 然非常重视对新建工程的针对性科学研究工作。9 0 年代前后美国开展的公路战略研究计划( s h r p ) 就是一个 很好的例子。 从高速公路的需要和江苏省的实际出发，通过调查研究、广泛收集资料，充分利用相关高速公路 等相关研究成果，系统开展室内外试验研究。选择符合高速公路路面使用功能和服务寿命要求，有充分 科学依据及经济合理的路面结构类型、材料、施工工艺、施工方案等，以指导高速公路全线工程建设， 并为今后的高速公路建设积累经验。 随着我国公路建设事业的发展，高等级公路发展日新月异。对基层的工作特性提出了新的要求。 在路面结构中，基层是直接位于面层下的结构层次，主要起承重，扩散荷载应力和改善路基水温状况的 作用。为此我国相关规范对基层在刚度和水稳性等方面的要求越来越高。目前我国常用的两种高等级公 路半刚性基层是：水泥稳定基层和二灰稳定基层。水泥稳定基层整体性好，板块性强，二灰稳定基层后期 强度增长快，整体性亦很好。但是两种半刚性基层存在一个共同缺点：在面层遭受破坏时，很易受到水的 破坏。尤其是随着交通量和汽车轴载的增加，这种破坏呈加剧趋势，因此，近几年来道路研究者对如何 评价半刚性基层的抗冲刷能力引起了极大的关注。法国等国家采用旋转刷进行冲刷试验，并取得了一定 的研究结论，但该法并不能模拟道路的冲刷机理，存在局限性；而国内对如何评价半刚性基层的抗冲刷 性研究较少，规范也无具体规定。本文探讨了一种简单易行的试验方法。 1 2 国内外研究现状 目前，半刚性路面的裂缝有荷载引起的结构性破坏裂缝，有沥青面层的温度收缩裂缝，还有由半刚 性基层的温缩裂缝或干缩裂缝引起沥青面层产生的反射裂缝。保证半刚性路面不发生荷载性破坏裂缝可 从路面结构设计上考虑，如保证基层有足够的厚度，有坚固的底基层、垫层和路基，控制半刚性基层和 底基层底面弯拉应力等等。对裂缝问题研究主要从三个方面入手：第一是针对基层材料本身，第二是针 对半刚性基层和沥青面层之间设置的隔离裂缝中间层或应力吸收中间层，第三是针对沥青面层。本文主 要对前一个方面进行研究，探讨半刚性基层水稳、二灰碎石的干缩、温缩性能比对及二灰碎石的合理配 合比研究。 对于高速公路，基层破坏形式多表现为冲刷唧浆现象。国内外的调查研究表明，基层材料的冲刷及 由此产生的唧浆现象经常存在。由此可见半刚性基层的水稳性即抗冲刷能力的研究及提出相应的改善方 案有着非常大的实际价值。考虑到半刚性基层抗对抗冲刷能力的研究还较少，本文探讨一种简单易行的 试验方法。 卜， f 东南大学工程硕士学位论文 1 3 本文研究重点 本文着重对水泥稳定碎石、二灰碎石二类半刚性基层的基本特性进行分析研究。主要从强度、干 缩特性、温缩特性上进行比对研究。并根据水泥稳定碎石和二灰碎石的材料特性和已有的工程实践，建 议采用水泥稳定碎石基层。 本文还从试验中研究了二灰稳定粒料试件各冲刷阶段的特性并提出了提高半刚性基层水稳性的措 施。 本文从：i ：程实际运用角度提出了合理的二灰碎石级配。针对二灰碎石基层材料进行干缩特性、温 缩特性试验研究，掌握二灰碎石基层材料组成与干缩、温缩特性之间的关系。同时，利用正交试验设计 方法分析石灰、粉煤灰、细料对二灰碎石半刚性基层干缩、温缩的影响程度，确定出上述三者之间的主 要影响因素，为优选材料组合提供可靠的依据。材料组成体现“足够的强度，适宜的刚度和耐久性，较 小的变形，良好的抗裂性能”要求。 2 第二章高速公路半刚性基层应用与特性分析 第二章高速公路半刚性基层应用与特性分析 高速公路研究内容极为丰富和广泛。美国等西方发达国家，对高速公路的系统研究工作已持续了半 个多世纪，从最著名的5 0 年代和6 0 年代的w a s h 0 和a a s h 0 试验路，到当今最引人瞩目的公路战略研究 计划( s h r p ) ，已有近4 0 年历史。我国高速公路的建设已有十多年的时间，但与美国许多大规模研究计划 相比，无论是系统性还是深度上都有待于进一步加强。但是，随着建设项目的不断实施以及科技攻关等 研究工作的开展，也已取得了不少可供：l ：程实践借鉴的研究成果。 2 1 常用高速公路路面结构 2 1 1 国外某些高速公路采用的沥青路面结构 表2 一l 摘录了国外某些高速公路路段上采用的沥青路面结构。 表2 1 国外部分高速公路路段上采用的沥青路面结构 国名面层及厚度( c m )基层及厚度( c m )底基层及厚度( c m ) 奥地利沥青混凝土( 2 7 + 3 0 + 4 1 )沥青稳定碎石( 1 4 + 1 6 )防冻层( 3 0 ) 比利时混凝土( 4 + 8 )沥青稳定碎石( 1 6 )底基层 意大利沥青混凝土( 3 + 7 )沥青稳定碎石( 1 5 )级配砂砾( 3 5 ) + 砂层( 3 0 4 0 ) 浇注式沥青混凝土( 3 5 ) + 沥青混凝土 德国贫混凝土( 1 5 )防冻层 ( 8 5 ) + 砂砾沥青混凝土( 1 8 ) 德国沥青混凝土( 4 + 3 + 5 )沥青碎石( 1 8 )级配砂砾( 1 5 ) + 防冻层 浇注式沥青混凝土( 3 5 ) 德国沥青稳定碎石( 1 8 )级配砂砾( 1 5 ) + 防冻层 + 沥青混凝土( 3 5 + 5 ) 挪威沥青混凝土( 1 0 )沥青稳定碎石( 1 0 ) + 未筛分碎石( 5 0 )砂砾( 3 0 ) + 防冻层( 4 0 9 0 ) 沥青稳定碎石( 1 2 5 ) 阿根廷沥青混凝土( 7 5 )防冻层( 3 5 ) + 沥青乳液稳定砂土( 1 0 ) 法国沥青混凝土( 3 + 4 )沥青稳定碎石( 1 6 ) + 水泥处治( 1 0 3 5 )底基层砂( 1 5 ) 荷兰沥青混凝土( 4 + 4 )沥青稳定砂砾( 1 2 1 8 )水泥稳定砂( 1 5 4 0 ) 瑞士 沥青混凝土( 3 + 4 )沥青稳定碎石( 1 1 )砂砾( 3 0 ) + 水泥处治砂砾( 2 0 ) 热压式沥青混凝土( 3 8 ) + 粗粒式沥青 英国贫混凝土( 1 9 )级配砂砾( 2 0 ) 混凝土( 6 8 ) + 热压式沥青混凝土( 6 3 ) 英国m 4 ( 9 5 2 1 5 ) ( 路面总厚4 0 6 4 )贫混凝土( 1 0 3 6 )水泥结粒料( 1 0 3 0 ) 瑞典沥青混凝土( 5 ) + 沥青碎石( 7 5 )水泥砂砾( 1 8 ) 西班牙沥青混凝土( 3 5 + 4 6 )沥青碎石( 6 l o ) + 水泥砂砾( 2 0 )级配砂砾或水泥砂砾( 1 5 ) 西班牙沥青混凝土( 8 ) 沥青混凝土( 1 5 )碾压混凝土水泥结粒料结合粒处治结合料处治 德国( 最小1 2 ) 水泥结粒料 中粒沥青混凝土( 4 ) + 粗料沥青混凝土 波兰水泥石屑( 石拌，2 7 )水泥石屑( 路拌( 1 2 ) + 石屑( 5 ) ) ( 6 ) + 沥青矿料混合料( 8 ) 意大利( 1 0 1 5 ，中等交通) ( 2 0 高速公路)水泥结粒料水泥结粒料( 2 0 ) 1 8 c m 沥青面层水泥稳定粒料1 8 c m + 石灰土 东南大学工程硕士学位论文 2 1 2 我国己建设的一些高等级公路的沥青路面结构 表2 2 为我国已建设的一些高等级公路的沥青路面结构。 表2 2 我国近期建设的一些高等级公路的沥青路面结构 高速公 长度( k m ) 路面结构 路名称面层( c m )基层( c m ) 底基层( c m ) 沿江 7 0 4 细粒式6 中粒式8 中料式3 8 水稳2 0 二灰土 广佛1 5 74 中粒式5 粗粒式2 5 水泥碎石或3 l 水泥石屑2 5 2 8 水泥土 2 0 水泥粒料( 碎石或砾石) 或二2 5 3 5 石灰土或水泥土、水泥 京津塘 1 4 2 5 5 中粒式6 粗粒式1 2 沥青碎石 灰碎石石灰土、石灰粉煤灰土 沈大 3 7 5 4 中粒式5 粗粒式6 沥青碎石2 0 水泥砂砾 京石 1 4 4 中粒式8 沥青碎石1 5 二灰砂砾4 0 石灰土 济青 3 1 8 4 中粒式5 粗粒式6 粗料式2 4 二灰粒料4 2 石灰土二灰土 沪嘉 2 0 5 1 4 细粒式6 粗料式7 粗粒式4 6 二灰碎石2 0 砂砾 莘松 1 8 9 2 沥青砂4 细粒式8 沥青碎石4 4 二灰碎石1 5 砾石砂 沪宁2 7 4 4 中粒式6 粗料式6 粗粒式3 0 二灰碎石3 0 二灰土 2 1 3 内外高等级公路路面结构的比较 通过表2 1 和表2 2 所列的路面结构进行比较，国内外高等级公路路面结构的特点可以归纳如下： ( 1 ) 中国高等级公路路面结构都采用半刚性基层结构，半刚性基层的类型以石灰粉煤灰稳定粒料和水 泥稳定粒料为主，底基层的材料以石灰土、水泥土、二灰土、二灰等为主要材料。 ( 2 ) 国外高等级公路的路面结构除了半刚性路面结构以外，柔性路面结构占有相当大的比例，柔性路 面结构的基层大多采用沥青碎石基层，底基层大多采用粒料基层或处治的粒料基层。 ( 3 ) 国外的半刚性路面其基层一般都采用水泥结粒料基层，极少采用其它类稳定处治基层。 ( 4 ) 就路面结构总体厚度而言，我国路面结构总厚度与国外的总厚度大体相当，但面层厚度却比国外 的薄，我国把沥青碎石一并计入沥青面层厚度，而国外则把沥青碎石作为沥青稳定类基层或作为面层与 基层的联贯层。沥青碎石层的厚度通常在1 5 2 0 c m ，有时达到3 0 c m 以上。 上述的比较主要是针对结构而言的，事实上在材料基本要求、材料组成设计、路基路面结构排水设 计、设计指导思想等诸多方面，我国高速公路的设计与发达国家尤其是美国还有显著差异。 2 2 半刚性基层 国外高速公路的基层分柔性基层和半刚性基层，半刚性基层实质上都使用水泥稳定粒料。我国已建 的高速公路基层均为半刚性基层，常用的是水泥稳定粒料和石灰粉煤灰稳定粒料，江苏省已建高等级公 路基层大多都是石灰粉煤灰粒料，因此这里就这二类基层的基本特性进行分析。 2 2 1 强度 表2 3 是各类半刚性基层的抗弯拉强度，表中s 。是小梁三分点加载得到的抗弯拉强度，表中s 。是由 圆柱形试件通过劈裂试验( 间接拉伸) 得到的劈裂强度。由表2 3 可知： ( 1 ) 水泥砂砾2 8 和9 0 d 龄期的抗弯拉强度和劈裂强度分别为0 8 4 0 9 0 m p a 和大致为1 2 1 4 m p a 。 4 第二章高速公路半刚性基层应用与特性分析 ( 2 ) 石灰粉煤灰砂砾9 0 d 龄期的间接抗拉强度为0 3 6 0 4 5 m p a ，明显低于水泥砂砾2 8 d 龄期的间接 抗拉强度。 表2 3 二灰基层材料强度比较 单位：m p a 2 89 0 1 8 0 龄期( d ) 混合料 s bs ls bs ls bs l 3 水泥砂砾 o 2 4 4 2 水泥砂砾o 8 0o 3 91 0 5o 4 51 2 3o 5 9 5 水泥砂砾 0 3 0 0 4 0 6 水泥砂砾0 8 4 0 4 6 0 7 6 6 水泥中碎石土o 9 00 4 2 8 水泥土 o 2 90 0 9 0 1 20 5 20 1 5 1 0 水泥土 o 4 0o 1 6 0 2 l0 6 30 1 9 o 2 1 1 2 水泥土0 6 0o 2 0 0 2 l 7 ：6 3 ：3 0 o 5 5 石灰土碎石 1 1 石灰土 0 3 0o 1 7o 6 30 2 3 1 4 石灰土 0 2 40 1 2o 3 l 0 50 1 9 o 3 4 4 ：1 6 ：8 0 3 ：1 2 ：8 5 0 6 41 5 0 1 7 2 0 5 3 o 7 4 石灰粉煤灰矿渣 6 ：2 4 ：7 0 0 5 82 0 0o 7 0 石灰粉煤灰矿渣 4 ：8 ：8 8 0 1 90 8 90 4 50 5 6 石灰粉煤灰砂砾 5 ：1 5 ：8 0 o 8 l 0 9 60 3 6 0 4 51 0 8 1 1 70 6 2 o 6 8 石灰粉煤灰砂砾 1 0 ：3 0 ：6 0 0 4 4o 3 20 7 3 石灰粉煤灰碎石 1 l ：2 2 ：6 7 o 2 10 1 2o 2 5 石灰粉煤灰土 l ：4 ：5 o 3 8 0 4 60 2 00 7 9 1 2 2o 3 71 2 4o 6 7 石灰粉煤灰土 表2 4 二灰碎石和水泥稳定粒料的抗压强度比较 单位：m p a 5 水泥结碎石 石灰粉煤灰碎石( 3 ：1 7 ：8 0 ) 龄期( d ) - 一 试件数 r o rc 。( )r 试件数 r 0 rc 。( )r 744 50 1 4 13 1 4 2 73 o 6 l o 0 69 8 o 5 l 2 855 9 3 2o 3 9 0 56 65 2 932 3 40 0 83 02 2 1 9 067 8 3o 3 74 77 2 267 3 3o 4 19 53 6 6 1 8 048 9 30 3 8 94 48 2 966 4 01 3 84 9 54 9 5 东南大学工程硕士学位论文 表2 5 二灰碎石和水泥稳定粒料的劈裂强度比较 单位：m p a 5 水泥结碎石石灰粉煤灰碎石( 3 ：1 7 ：8 0 ) 龄期( d ) 试件数s 。 c 。( )s 试件数s 。 0 c ，( )墨 9 05o 8 2 50 0 89 7o 6 97o 4 10 0 4l o 40 3 4 1 8 050 9 lo 0 9 21 0 2 l0 7 65o 6 1o 0 46 60 5 4 从试验结果可见，二类基层都有较好的强度，都可以作为高速公路的基层，但水泥结碎石的早期强 度要比二灰碎石的早期强度高得多，特别是2 8 d 以前的强度，早期强度对施： 进度安排及施工季节气温 等具有重要意义。应该予以强调指出的是，二灰碎石的后期强度( 9 0 d ) 增长数据是由实验室标准养护得 到的。在实际工程中，由于受到施工、开放交通、自然条件、特别是成型季节等的影响，后期强度的增 加将受到影响，在不少情况下可能达不到人们基于实验数据而预期的强度。 应该指出，基层的疲劳破坏是路面破坏的重要原因之一。过去这方面的研究工作开展得很少，基层 材料的疲劳特性应该成为高速公路基层选型的重要依据之一。 2 2 2 半刚性基层材料的干缩系数 表2 6 是几种半刚性材料干缩试验得到的干缩系数。 根据“七五”攻关等许多研究结果，对于稳定粒料土( 中粒土和粗粒土) ，三类半刚性材料的收缩性 大小的次序为，石灰稳定类 石灰粉煤灰稳定类 水泥稳定类。 例如，砂砾含量均为5 5 的石灰土 表2 6 半刚性基层干缩特性 干缩系数( 1 0 “) 材料名称 1 2 最大失水量最大失水量 石灰土6 8 0 9 3 04 2 0 4 8 4 水泥土 3 8 6 5 4 53 0 4 3 8 4 石灰土粒料 1 0 4 1 2 2 二灰粒料( 悬浮式)2 31 0 9 二灰粒料( 密实式) 1 3 5 1 5 55 5 6 5 水泥粒料 5 3 84 1 8 3 砂砾和二灰砂砾( 7 d 龄期) 的最大干缩系数分别为3 0 1 8 1 0 喃和1 1 2 3 1 0 一，风干状态时的平均干 缩系数分别为1 2 1 5 1 0 1 和5 0 2 1 0 一。砂砾含量均为7 5 时( 2 8 d 龄期) ，石灰土砂砾和二灰砂砾的最 大干缩系数分别为2 4 4 2 1 0 “和1 2 2 4 1 0 一，以及风干状态的干缩系数分别为1 0 4 7 1 0 “和 5 1 4 1 0 一。剂量为5 、6 、7 的水泥砂砾( 7 d 龄期) 风干状态时的最大干缩应变分别为1 4 5 1 0 一， 1 7 9 1 0 “和2 9 9 1 0 一，以及相应的平均干缩系数分别为4 1 1 0 一、6 1 1 0 “和8 3 1 0 一。 众多的研究还表明，水泥砂砾的干缩性稍优于密实式二灰砂砾的干缩性，明显优于悬浮式二灰砂砾 的干缩性。 2 2 3 半刚性基层材料的温缩特性 表2 7 是半刚性基层材料自由状态下的温缩试验结果，其中封闭最大温缩系数是最佳含水量下的试 验结果。 6 第二章高速公路半刚性基层应用与特性分析 表2 7 半刚性基层材料的温缩特性 干缩应变温缩应变平均温缩系数最大混合收缩系数封闭最大温缩系数 材料名称 ( 1 0 。6 )( l o 。6 )( 1 0 6 )( 1 0 6 )( l o 。6 ) 石灰土 3 5 5 0 石灰粉煤灰 1 5 9 61 6 8 0 42 4 0 13 1 0 51 7 2 0 二灰砂砾 1 1 2 0 1 5 0 8 0 2 1 5 41 7 7 02 4 8 3 石灰土砂砾 9 2 92 2 5 8 13 2 2 63 4 7 01 9 9 8 水泥砂砾 5 6 5 1 4 1 1 5 2 0 1 62 3 3 21 6 8 9 许多试验结果表明，三种稳定粒料的温缩性大小依次排列为( 一2 0 。c ) ： 石灰土砂砾( 1 6 7 1 0 咱) 悬浮式石灰粉煤灰粒料( 1 5 3 1 0 。6 ) 密实式石灰粉煤灰粒料 ( “4 l o “) 和水泥砂砾( 5 和7 水泥剂量，1 0 1 0 一1 5 l o 。6 ) 。 2 2 4 二灰碎石与水泥处治级配碎石的经济比较 对于高速公路，基层的施工都必须采用机械摊铺，因此二灰碎石基层与水泥处治级配碎石基层的施 工方法是一致的，造价的不同主要在于水泥和石灰的价格不同及用量的不同，一般对于水泥处治级配碎 石，水泥用量不超过5 6 ，而二灰结石石灰用量约5 6 ，按水泥和石灰的单价分别为3 3 0 元t 和1 1 0 元t ，石料单价按8 0 元m3 ( 设粉煤灰与石料同价) ，则二灰碎石与水泥处治级配碎石的单价比 约为1 ：1 2 。 如考虑到水泥处治级配碎石强度约比二灰碎石大5 0 ，以及再考虑路面结构厚度，按等效折算，则 前者的经济性要优于后者。 2 2 5 两类基层的比选 根据水泥稳定碎石和二灰碎石的材料特性和已有的工程实践，这两种基层都可以作为高等级公路路 面的基层。建议采用水泥稳定碎石基层，其理由是：水泥稳定碎石早期强度高，对保证工期有利； 水泥稳定碎石基层疲劳特性较好，路面长期性能好；江苏省已建高等级公路路面基层二灰碎石形式居 多，从技术积累角度不利，加之有些地区粉煤灰资源开始减少，价格上扬，原来价廉的优点开始丧失。 2 3 半刚性基层材料的抗冲刷特性要求 对于高速公路，基层破坏形式多表现为冲刷唧浆现象。国内外的调查研究表明，基层材料的冲刷及 由此产生的唧浆现象经常存在。 据研究表明，表面水会通过多种途径进入沥青路面结构层内，同样也会通过接缝进入水泥混凝土路 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。 一次冲刷的量是很小的，但行车荷载的反复多次冲刷，就会积少成多，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而增加。因此，在轻交 通道路上不易发生的冲刷唧浆现象，在重交通道路上就容易发生。 行车荷载在路面结构层内引起的水压力是如此之大，它不但可以冲刷级配集料基层中的细料，而且 可以冲刷石灰稳定基层材料中的细料。虽然水泥稳定基层材料的7 d 龄期无侧限抗压强度超过2 m p a ，但 7 东南大学工程硕士学位论文 只要原集料中含有较多的细料( 特别是小于0 0 7 5 m m 的颗粒) ，仍然会产生冲刷现象。甚至水泥混凝土也 会产生冲刷现象。 2 3 1 沥青路面的冲刷唧浆现象 ( 1 ) 发生在裂缝处的唧浆现象 1 9 8 6 和1 9 8 7 年： 程研究人员在广东惠阳地区的多段半刚性基层沥青路面上发现唧浆现象，在沥青 面层上裂缝的两侧布有已变干的灰浆。这些路段的基层材料既有石灰土、石灰土砾石，也有水泥石灰砂 土。 半刚性基层沥青路面的唧浆现象，不单在广东等多雨地区发生；在较干旱的河北省及北京地区也有 发生。1 9 8 7 年春，研究人员在河北省几个地区进行半刚性路面的强度和裂缝调查时，在1 0 7 线( 北京一 深圳) 上以及北京一大名二级路上( 均为石灰土基层) 发现相当多的唧浆现象。北京一大名二级路霸县段的 沥青路面( 石灰土基层上为沥青贯入式碎石加沥青混凝土磨耗层，厚7 5 c m ) 建于1 9 8 3 年和1 9 8 4 年，1 9 8 7 年3 月初调查时，沥青面层上有较规则的横向裂缝，局部也有块裂和网裂。在某些段落，唧浆现象相当 严重，在这些不同类型裂缝的两侧都布有已变干的石灰土浆。有些产生唧浆现象的横缝已明显下陷，下 陷量达3 m m 5 m m ，同时裂缝两侧的沥青面层又产生新的裂缝，见图2 1 。 爨 苣 “ ? 图2 1 北京一大名线霸县段沥青路面唧浆后的横缝下陷示意图 京一大线上的基层冲刷唧浆现象也发生在春天路面化冻期间，这是由于冻前雨水以及冻期雪水从沥 青面层的裂缝透入，使裂缝两侧基层材料过分潮湿。冬季路面上层发生反复冻融现象，路面下层则始终 冻结；春天化冻期间，路面上层首先融解，而下层仍然冻结。因此，基层裂缝附近材料中的过多自由水 不能下渗，并在行车荷载的反复作用下导致基层石灰土被冲刷并发生唧浆现象。而一旦灰浆被唧出，沥 青面层就会沿裂缝产生下陷现象，同时在裂缝两侧引起新裂缝产生。 我国的高速公路沥青路面大多采用水泥稳定级配集料和石灰粉煤灰稳定级配集料做基层。冲刷唧浆 现象是一些高速公路沥青路面早期损坏的主要现象之一。冲刷唧浆现象在南方多雨地区的高速公路上有， 在北方包括西北半干旱地区的高速公路上也有，且一般都在雨后发生。 ( 2 ) 局部唧浆和坑洞 如果沥青面层下局部半刚性基层由于结合料太少或水分不足而形成得不好，那么一旦雨水从面层侵 入，在大量行车作用下，就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。这种破坏现象 在京石高速公路上多段发生过，在京石高速公路正定试验路第六段进行加速加载试验( a l f ) 过程中也发生 过。在澳大利亚新南威尔斯州一条重交通道路上也曾发生过这类破坏，此处水泥剂量为3 5 ，车轮颠簸 和雨水侵入使得水泥处治基层中形成灰浆并唧出表面，导致坑洞。 ( 3 ) 第三类冲刷 第三类冲刷是半刚性基层( 分层施工时) 内沿施工界面有水运动时，结构层底面受到冲刷，然后冲 刷下来的材料被唧出到表面。这类冲刷在澳大利皿昆士兰州的a l f 试验场曾发生过，如图2 2 所示。在 该试验场产生的沿界面的冲刷，使界面增加了滑动和缺少均匀支承，导致水泥处治基层( c t b ) 产生较大的 形变。它最终导致水泥处治基层完全破坏。实际中，我们应将这类冲刷与水泥处治基层底部“素土”夹 层的冲刷相区别就地拌和半刚性材料层时，在该层的底部可能留有一薄层“素土”夹层，这层材料 更易被冲刷。 第二章高速公路半刚性基层应用与特性分析 ac c tb ， ctb 二 ctb 、 图2 2 在昆士兰州a l f 试验场水泥处治基层的冲刷 2 3 2 水泥混凝土路面的冲刷唧浆现象 水泥混凝土路面的混凝土面板下的基础同样会产生冲刷现象。早在5 0 年代，美国等一些国家就有 报道，在混凝土板的接缝处由于板在行车作用下的泵吸作用造成唧浆现象；由于唧浆使混凝土板的边、 角脱空而造成边、角断裂。为了避免这种现象，改善水泥混凝土路面的使用性能和延长其使用寿命，现 在普遍地采用水泥处治碎石集料或水泥处治砾石集料作为混凝土面板的基层。在美国为了建设优质水泥 混凝土路面，采用贫混凝土做基层，以避免基层产生冲刷和导致混凝土面板错台等损坏现象。 安徽省合肥市一段混凝土路面的基层为石灰土，在混凝土板错台明显的地方，进行钻孔检验，发现 石灰土基层有冲刷现象。至于浆是否被唧出面层表面，则视面层厚度而定。在一定的交通量下，面层超 过某一厚度后，冲刷形成的浆就不会被唧到表面。例如，在澳大利亚的昆士兰州，一般情况下，沥青混 凝土面层厚度到1 2 5 m m ，冲刷形成的浆就不会被唧到面层表面。而1 9 8 9 年7 月在广东惠州试验路上，在 沥青面层厚2 2 c m 的段上却发现裂缝处有唧浆现象。 由此可见半刚性基层的水稳性即抗冲刷能力的研究及提出相应的改善方案有着非常大的实际价值。 2 4 小结 从强度试验结果可见，二类基层都有较好的强度，都可以作为高速公路的基层，但水泥结碎石的早 期强度要比二灰碎石的早期强度高得多，特别是2 8 d 以前的强度，早期强度对施工进度安排及施工季节 气温等具有重要意义。应该予以强调指出的是，二灰碎石的后期强度( 9 0 d ) 增长数据是由实验室标准养 护得到的。在实际工程中，由于受到施工、开放交通、自然条件、特别是成型季节等的影响，后期强度 的增加将受到影响，在不少情况下可能达不到人们基于实验数据而预期的强度。 基层的疲劳破坏是路面破坏的重要原因之一。基层材料的疲劳特性应该成为高速公路基层选型的重 要依据之一。 水泥砂砾的干缩性稍优于密实式二灰砂砾的干缩性，明显优于悬浮式二灰砂砾的干缩性。 许多试验结果表明，三种稳定粒料的温缩性大小依次排列为( 一2 0 。c ) ： 石灰土砂砾( 1 6 7 1 0 “) 悬浮式石灰粉煤灰粒料( 1 5 3 1 0 6 ) 密实式石灰粉煤灰粒料 ( 1 1 4 1 0 6 ) 和水泥砂砾( 5 和7 水泥剂量，1 0 1 0 一1 5 1 0 1 ) 。 对于高速公路，基层的施工都必须采用机械摊铺，通过经济性比选水泥稳定碎石要优于二灰碎石。 对于高速公路，基层破坏形式多表现为冲刷唧浆现象。国内外的调查研究表明，基层材料的冲刷及 由此产生的唧浆现象经常存在。由此可见半刚性基层的水稳性即抗冲刷能力的研究及提出相应的改善方 案有着非常大的实际价值。 9 东南大学工程硕：e 学位论文 第三章半刚性基层的水破坏理论研究 基层的冲刷程度与进入路面结构的水量大小有很大关系。进入的水越多，冲刷程度越大。冲刷程度 还与基层材料本身有很大关系。对于未处治的级配集料来说，集料中小于o 0 7 5 唧的粉粒与粘粒愈多， 冲刷愈严重。对于无机结合料处治基层材料，稳定细粒土( 如石灰土、水泥土和石灰粉煤灰土) 的冲刷最 严重。基层中稳定粒料土( 中粒土或粗粒土) 的冲刷程度随集料中0 0 7 5 m m 以下的颗粒含量而变，细料含 量愈多，冲刷愈严重。对于同一种稳定粒料土而言，其冲刷程度随水泥剂量增加而减少，水泥剂量在4 5 以上时，抗冲刷能力大幅度提高，参看表2 1 。 3 1 法国的实践 法国道路当局利用旋转刷( 图3 一1 ) 或振动台( 图3 2 ) 做了大量冲刷试验。检验用这些装置得到的结果 后，可得出下列结论： 径：1 0 0 m m 数量：l o0 0 0 直径：0 2 5 m 巾 长度：4 5 m m n ：4 8 0 试件 垂直质量：l k g 图3 1 旋转刷试验 2 0 0 ) 度的混凝土 频率：1 5 0 h z 无载加速：1 0 9 图3 2 振动台试验( 尺寸单位：m m ) ( 1 ) 有一临界水泥剂量，在此剂量以下冲刷( 损失量g m i n ) 戏剧性地增加，见图3 3 。 ( 2 ) 强度试验与c t b 的冲刷性之间没有相关关系。从图3 3 可以看到这一点。在此图上4 水泥的c t b 与5 和6 的c t b 有相似的冲刷率。 水泥( ) 图3 3 用振动台试验的冲刷性( g m i n ) 与水泥剂量的关系 贫混凝土混合料 一水泥结粒料 ( 3 ) 粒料一矿渣，即粒状矿渣( 1 5 2 0 ) 、石灰( 1 ) 和集料( 8 5 8 0 ) ，在法国虽用于重交通道路， 但其冲刷性较2 c t b 大得多，见表3 1 。 l o cuu1?蕃是目粤 第三章半刚性基层的水破坏理论研究 表3 一l 用旋转刷试验的不同材料的冲刷性 材料结合料剂量( )平均冲刷( g m i n ) 贫混凝土混合料 2 25 7 4 41 0 6 66 8 83 水泥结粒料 21 3 2 33 0 3 52 6 41 2 61 0 9 8 粒料一矿渣 2 0 4 0 半2 01 6 8 4 0 6 0 水2 01 9 3 石灰处治 73 5 0 注：木2 0 4 0 和4 0 6 0 指粒状矿渣反应性。 ( 4 ) 冻融循环的次数增加，冲刷量也增加。 此外，法国道路的野外实验指出，水泥剂量不足、压实不足和养生不好会加速c t b 的冲刷；降雨的 时间长、交通量的增加、水分侵入以及路面排水系统的不完善都会增加冲刷。 研究还表明： ( 1 ) 抗拉或抗压强度试验不能预示水泥处治材料的抗冲刷能力。 ( 2 ) 冲刷在潮湿气候条件下加速。 ( 3 ) 冲刷随车辆质量和交通量的增加而增加。 ( 4 ) 冲刷随水进入路面，缺少排水设施而增加，在有施工缺陷的路段冲刷也会增加。 3 2 澳大利亚的实践 ( 1 ) 室内试验 近几年来，在澳大利亚利用压实混凝土收缩试件的振动台做了许多水泥处治材料的冲刷试验。此振 动台的频率是5 0 h z ，见图3 4 。 用c b r 模筒制备试件，将试件击实到1 0 0 标准击实法的最大干密度，脱模，养生并浸水，然后放在 钢容器内。向钢容器中放水，至水深5 0 m m ，然后开动振动台5 m i n 。烘干从试件上冲刷下的水泥处治材料， 称量后除以5 ，以确定每分钟的冲刷率g m i n ( 称作冲刷性) 。 内径 内懵 加倚 屯 仆r 忘! 鲁黑搿1i 】：f 1 1 i ( j 策5 0mt n 1 图3 4用于测量冲刷性的振动台 东南大学工程硕二i 二学位论文 用图3 4 所示装置试验了许多不同的水泥处治材料，同时，也使用了不同的压实度、不同的养生和 浸水方法。此外，在试件顶上粘着附加荷载( 8 9 0 0 9 ) 也做了某些试验，以评价接触压力对冲刷性的影响。 根据澳大利亚的研究结果，多种材料在不同情况下的冲刷性列在表3 2 中。 1 2 g 三* 。至f如长如蠕垦圣f。骚李芒鳝 。普o 。褰长掣蜷副昌害il。只ns憨攀窭熙*副3u盛暑。)ilid 一长酞长辎g呈v邻鑫s蜘蟹裂h霎好责z如靶熙*副星甚il时o o j o寸 戈罱甘 _ 一 oo hn o o z i do寸 =2譬。do hn o oo 1 l no， 罱譬。o hnl 力 o on u o 中。寸 。口ohhno o l f )o 2 ：2 。吲“ oh一nl do o o l do、寸 晶 莴。 。乓 z dhp qo ho o o = = 寸。 dn o o oe q l no 中 譬2 葛_ 三。c 口ohno 日 dl o odo“。 ohonno h 略 hho 寸o 高。譬 “ o op q no h 昌。“m 删 h o十 u o nhon h u o州o譬“ 正略 do卜 on _ 一 h u ho、十o h hnh 对oo op a _ o 卜_ o 芝2 。”寸寸 hn o c 。ho o o 器 器。一n 略 oohhnu o o o h 寸n。甘“ 寸_ a e qhh 【工】 oo o 略o dn h nod oo 时oonno o 譬 兰2 。 c 口oo- 一no o o l 力o 譬罱。日oohhno o甘o 葛略 、一l f on ( oh o甘o昌 ( 。nl don o h o十o 曷 u 面 “ on o h o c 。oo甘o 罱o hn o l r o 昌 器器。c 廿oo dn o o中 高。寸n 砖一 oonl r o _ 一 o o =。 卜_卜oo dnu ， o 啦 导昌戈日oo 、一 no oh l oo 导 2 。 日oohno n目o u 趟 磷 三 羹 性 2p 窒 永 葵 。 v v弓5。 厂、 粼袜鲻，赵垦垦舔 武哥 e士 出囊 3楚 茔莹禧帐* 叶7 *督 =n 口 嗵赠裂划黑 鋈 较 硝*斟栋鑫书。蟛蜷薹* 皇sv趟j曙是g窭葵嚣雌g姐臀蜷罡犁n搽 蹑枣秘哥酶罄长g哒粥赳壹* 料捺 东南大学工程硕士学位论文 根据这些试验，分离出许多重要影响因素，兹介绍如下： 水泥剂量。如同法国的试验，存在一个临界的水泥剂量。此临界剂量取决于养生条件、浸水时间 和接触压力。 养生温度。养生的方式和时间能戏剧性地影响冲刷性。拿材料f 为例，由表3 3 表明，2 水泥的 试件，当养生温度为2 3 。c 时，其冲刷性明显要比养生温度为6 5 。c 时大得多，而对于较高的水泥剂量 就不是这种情况。 表3 3 养生温度对冲刷性的影响 水泥剂量 冲 刷性( g m i n ) 水泥剂量 冲刷性( g m i n ) ( ) 6 5 2 3 o c ( ) 6 5 2 3 21 99 34 32 393538 养生湿度。养生期间的不同湿度对冲刷性所产生的影响更大。材料a 用不同剂量水泥处治后，一 批试件在6 5 和1 0 0 湿度下养生7 d ，另一批试件在烘箱内在6 5 下烘干并养生7 d 。试验结果表明，烘 干试件的冲刷性较湿气养生试件大得很多。 浸水时间。试验中，养生后进行冲刷试验前的浸水时间为2 h 和2 4 h 。比较试验结果表明，冲刷性 随浸水时间增加而增大，水泥剂量少时更是如此。 延迟压实。当压实前的延迟时