（材料学专业论文）道路基层水泥稳定碎石结构材料的再生利用.pdf

摘嘤 道路基层水泥稳定碎石结构材料的再生利用 作者简介：刘晓娜，女，1 9 7 7 年1 月生于山东，2 0 0 4 年从师于成都理工大学杨尽副教授， 于2 0 0 7 年6 月毕业。 摘要 本文在国内外已有研究成果的基础上，根据目前国内的研究情况，进行了 大量的室内和外业试验、测试，初步研究了利用水泥为稳定剂的旧水泥稳定碎 石基础道路的现场再生技术。我国每年有大量的旧路需要修整，其中很大一部 分要求从水泥稳定碎石基层开始大修改建，传统的施工方法是将旧有水泥稳定 碎石基层挖除外运，运送到填埋场弃置，再用新材料做原料拌合水泥稳定碎石， 重新铺设道路基层。由此产生了大量的水泥稳定碎石废弃材料，这不仅会占用 大量的土地，造成周边环境的污染，还因为新材料的使用，开采石材，浪费资 源，造成水土流失。水泥稳定碎石基层就地再生技术不仅能够大大减少原材料 的使用，降低工程造价，节约能源，还是一项保护环境，符合可持续发展规律 的有效措施，具有明显的经济效益、环境效益和社会效益。 本文深入探讨了旧有道路和再生骨料的水泥稳定碎石基层路用性能( 力学 性能、稳定性、收缩性、抗疲劳和耐久性等) ，再生骨料组成结构和水泥稳定碎 石混合料配合比设计理论，分析了再生水泥稳定碎石强度随骨料级配变化、水 泥掺量不同、养生龄期长短差异的变化规律，又通过理论分析，探讨了采用旧 路水泥稳定碎石废料做再生骨料铺设道路基层时的最佳再生混合料的配合比设 计。由室内实验检测结果表明水泥稳定碎石再生技术完全可以满足相应的路用 性能要求。 最后将实验室内得到的实验结果应用到实验路段，通过试验路段的道路施 工和跟踪监测，对水泥稳定碎石再生结构强度形成机理进行了分析，得出了旧 水泥稳定碎石路基材料再生形成的结构层可以应用于高等级公路的底基层和二 级公路的基层的结论，并对下一步研究工作提出建议。 关键词：水泥稳定碎石再生利用水泥稳定碎石配合比设计 施工工艺流程及质量控制 成都理工大学顼士研究生论文 r e c y c l e du s eo fc e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a m s t r u c t u r a lm a t e r i a l so fr o a db a s e a b s t r a c t 0 nt h eb a s i so fp r e s e n tr e s e a r c hr e s u l t sh o m ea n da b r o a da n da c c o r d i n gt ot h e p r e s e mr e s e a r c hs i t u a t i o ni n0 1 1 1 c o u n l t y , t h i sp a d e l n l a k e sal o to fi n d o o ra n d o u t d o o rt e s t sa n dr e s e a r c h e sp r i m a r i l yr e c y c l e dt e c h n i q u eo nt h es p i o to fo l dc e m e n t s t a b i l i z e dm a c a d a mb a s e su s i n gc e m e ma ss t a b i l i z i n ga g e n t t h e r ea r em a n yo l d w a y sn e e dr e p a i r e da n dr e b u i l te v e r yy e a ri no u rc o u n t r y , m o s to fw h i c ha r en e e d e d t or e p a i rf r o mc e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mb a s e s t h et r a d i t i o n a lc o n s t r u c t i n gw a yi s d i g g i n ga w a yt h eo l dc e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mb a s e s ，c a r r y i n gt h es c r a pa w a ya n d r e b u i l d i n gn e wo n e s t h i sw a yg e n a r a t e sal o to fc e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a ms c r a p w h i c ht a k e su pag r e a td e a lo f1 a n d s p o l l u t e st h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t a n d 、 ，i t l l t h eu s eo fn e wm a t e r i a l s 。w a s t e sr e s o u r c e sa n dm a k e ss o i la n dw a t e rl o s sb e c a u s eo f e x p l o r i n gs t o n e s t 酞i n r e c y c l e dt e c h n i q u eo nt h es p o tn o to n l yr e u s e sc e m e n t s t a b i l i z e dm a c a d a ms c r a p 。s a v e sr a wm a t e r i a l sa n dr e d u c e sc o s t s ，b u ta l s oi sa n e f f e c t i v em e a s u r ep r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n da c c o r d i n gw i t hl a wo fc o n t i n u o u s d e v e l o p m e n t ，w h i c hs h o w so b v i o u se c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s f i r s t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sd e e p l yt h eh i g h w a yp e r f o r m a n c e s ( i n c l u d i n g m e c h a n i c a lp r o p e r t y , s t a b i l i t y , c o n t r a c t i l i t y , a n t i - f a t i g u ea n dd u r a b i l i t y ) o fc e m e n t s t a b i l i z e dm a c a d a mb a s eo fo l dr o a d sa n dr e c y c l e da g g r e g a t e ，t h es t r u c t u r eo f r e c y c l e da g g r e g a t ea n dt h e o r i e so fc e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mm i x t u r er a t i od e s i g n s e c o n d t h i sp a p e ra n a l y z e st l l e c h a n g i n gr u l e so fr e c y c l e d c e m e n ts t a b i l i z e d m a c a d a mw i t ht h ec e m e n td o s a g e ，m a i n t e n a n c ep e r i o da n dt e s t i n gt e m p e r a t u r e t l l i r d t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep e r f e c tr e c y c l e dm i x t u r er a t i od e s i g nw h i l eu s i n g c e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a ms c r a pa sr e c y c l e da g g r e g a t et op a v er o a d b e d st h r o u g h a n a l y z i n gm e c h a n i c a lt h e o r i e s t h er e s u l t so fi n d o o rt e s t ss h o wt h a tt h ed e s i g n s a t i s f i e st l l er e l a t i v en e e d so f h i g h w a yp e r f o r m a n c e s t h r o u g ht h et e s t i n gr o a dc o n s t r u c t i o na n df o l l o w i n gi n s p e c t i o n , a n dt h e a n a l y s i so ft h ef o r m a t i o no fc 即f l e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mr e c y c l e ds t r u c t u r ei n t e n s i o n , t h i s p a d e ra tl a s tc o n c l u d e st h a tt h es t r u c t u r eb a s ef o r m e db yr e c y c l e dc e m e n t s t a b i l i z e dm a c a d a mc a l lb eu s e di nt h eb o t t o mb a s eo fa r t e r i a lr o a d sa n di nt h eb a s e o f s e c o n d a r yr o a d s ，a n dp u t sf o r w a r ds o m es u g g e s t i o nf o rf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：c e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a m ；r e c y c l e du s e ；c e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a m m i x t u r er a t i od e s i g n ；c o n s t r u c t i o nc o u r s ea n dq u a l i t yc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得盛壑堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作剩币签名邱奶 姊糍辄别嘶 阳年罗月习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：别唬甥p 阳7 年 5 月j 弓日 第1 章绪论 1 1 选题依据 第1 章绪论 到2 0 0 5 年末，我国等级公路里程己达到1 9 3 0 5 万公里，其中高速公路总 里程4 1 万公里，国道1 3 3 6 万公里，省道2 3 4 万公里，县道4 9 4 万公里，分 别占公路总里程的2 1 、6 9 、1 2 1 、2 5 6 ，稳居世界第二i l 】。在公路建设 事业蓬勃发展的同时，由于交通量不断增长、轴载显著增加，给道路带来明显 损坏。我国上世纪八、九十年代修建的许多高等级公路在巨大应力的作用下已 磨损严重，出现车辙、表面骨料不足及结构层破坏等损害。我国的公路基础设 施已由以建设为主的建设高峰期，转为建设、养护并重高峰期。在我国已建成 的高级和次高级道路中，按照这些道路的设计寿命和实际使用情况，近年来， 每年大约有1 2 左右的道路需要翻修，这其中大量旧路改造需要采用铣刨1 日路 基层，然后加铺新结构层和新面层的措施。仅仅路面材料的废弃量每年就超过 2 2 0 万吨【2 】。对于这些被铣刨下来的材料，如果仅仅采用抛弃这种简单的处理方 式，不仅会占用大量的土地，而且还会造成周边环境的污染，就材料本身而言， 也是一种极大的资源浪费。采用废弃骨料再生技术，使得旧路材料得到重新利 用，是一项符合可持续发展规律的有效措施，也是研究人员、工程技术人员需 要深入研究的问题。 随着公路建设投资多元化体制的不断深入，公路建设受市场经济制约的特 点越来越突出，对公路建设投资效益的要求也越来越高，为了使有限的资金能 够发挥最大的效益，新技术、新材料和新工艺逐渐受到建设单位和工程技术人 员的重视，也越来越多的应用于公路工程建设中。废料再生技术由于其快速、 经济、环保、节约资源的优点而得到广泛的利用。 水泥稳定碎石道路基层结构材料是属于道路刚性结构向沥青面欧层柔性结 构过渡的半刚性、半柔性材料，该种材料的优点是整体性好，强度高、透水性 小。水泥稳定碎石道路基层结构材料的再生利用，能够节约大量的砂石材料， 节省工程投资，有利于处治废料，节约能源，保护环境。由于水泥稳定碎石道 路基层结构材料得以利用，减少了新材料的开采，具有显著的经济效益、社会 效益和环境效益。特别是在我们强调可持续发展的今天，大量地再生利用公路 上的旧筑路材料，可以减少开山取石和占用土地，避免环境污染和水土流失， 有利于树立公路建设良好的社会形象。因此，研究水泥稳定碎石基层材料的再 生利用有着极其重要的现实意义。 成都理工大学硕士学位论文 1 2 研究现状和存在问题 高等级公路可以分为沥青路面和水泥混凝土路面两大类。这两类高等级公 路很多都采用水泥稳定碎石做道路基层。在沥青面层和废弃混凝土的再生利用 方面，国内外均取得了很大的成绩，但是水泥稳定碎石基层的再生利用方面的 系统理论研究尚为少见。 1 2 1 国外现状 1 ) 发达国家特别重视旧道路再生技术的研究，他们在再生混合料的拌制工 艺，以及与之配套的各种挖掘、铣刨、破碎、拌和等机具的研制方面，都取得 了很大成就，己经形成了一套比较完整的再生实用技术，并且达到了规范化和 标准化的成熟程度。 2 ) 据美国联邦公路局统计，美国现在已有超过2 0 个州在公路建设中采用 再生水泥混凝土1 3 j 。虽然再生混凝土强度等性能要低些，但设计出使混凝土增 强的混合料，或通过结构设计来降低路面应力就能增强再生水泥混凝土的性能。 我国目前对于破旧水泥混凝土路面的处理方法有按原结构进行整修：以混凝土 路面做基层，在其上加铺面层；全部拆除掉，重新铺筑新的路面结构三大类， 对于水泥混凝土路面废料的再生利用，一般是将高等级公路路面的废料应用于 低等级公路的基层材料。 1 2 2 国内现状 1 ) 国内高等级公路的路面材料再生技术己日趋完善，已逐步形成了自己特 有的沥青路面再生工艺。五十到七十年代，就曾在不同程度上利用过废旧沥青 混合料来做轻交通道路、人行道或道路的垫层。北京在海淀区羊坊店路首次采 用废旧沥青混合料再生利用技术，铺设了第一条环保沥青道路，标志我国旧沥 青再生技术已经进入生产阶段1 4 1 。但是由于公路基层材料的使用寿命长于路面 材料，进入大修期较道路面层晚，因此对路基基层材料的可再生利用尚未受到 广泛重视。道路基层在经受车辆荷载和自然因素长期作用后，大量道路产生了 基层局部破损，最后导致面层破坏，而路基结构材料的再生，既可节约道路成 本，节约社会资源，又保护了生态环境，应该引起科技工作者和工程技术人员 的重视。 2 ) 国内自发已经获得成功的实验路段有太原市滨河西路【5 1 。该路为太原市 南北方向交通主干线，机动载重车流量大、超载车多。从路况调查来看，路面 除沥青面层外水泥稳定碎石基层也损坏严重，采用传统的对旧路沥青面层铣刨 2 第1 章绪论 修补的办法己不能满足要求，为此，首次采用道路基层冷再生旌工工艺对原道 路基层及面层进行处理，重新形成冷再生水泥稳定碎石基层，再铺筑沥青面层， 取得了较好的效果。 1 3 本论文研究思路、内容及创新点 1 3 1 研究内容 1 ) 对原水泥稳定碎石进行铣刨，将筛分清洗得到的可再生利用物( 主要包 括石粉、石屑和石子骨料) 进行成分分析，确定各物料的组成和含量。 2 ) 根据上述得到的各物料的组成和含量，基于公路工程无机结合料稳定 材料试验规程和公路工程骨料试验规程分别进行配比试验，测试再生骨 料的水泥稳定碎石各项性能，以确定最佳配合比。 3 ) 根据实验室配合比设计结论，在实验路段上用再生骨料的水泥稳定碎石 铺设基层，进行实验，施工完成后检测无侧限抗压强度、弯沉值等指标，验证 其可行性，并找到水泥稳定碎石再生技术应用于工程实际的方法和途径。 1 3 2 研究目标 原水泥稳定碎石结构在铣刨后，石屑、石粉多，粗骨料相对减少，石子骨 料被石屑粉及水泥包裹，可根据不同情况对铣刨后的废料进行筛分，并按照公 路工程无机结合料稳定材料试验规程和公路工程骨料试验规程，对其重新 利用，通过对这些材料的成分、强度以及其他性能的测试，确定最佳的废旧物 料参量，得到合理的新旧物料配合比。为道路基层水泥稳定碎石再生利用提供 理论研究和实践根据。 1 3 3 创新点 水泥稳定碎石道路基层结构材料的就地再生利用在国内尚没有更深入的研 究报道，所以本文拟从以下几点进行了创新性探讨： 1 ) 本文拟对局部或连续破坏的水泥稳定碎石基层进行铣刨、筛分、清洗后， 充分利用其中的旧骨料，再根据级配添加水泥、水或新骨料，对其进行再生利 用，以达到节约能源，保护环境，降低工程成本的目的。 2 ) 另外，本研究提供了水泥稳定碎石再生利用的方法，能有效的解决由于 再生骨料的来源不一，材料的各种性能差异较大的问题。提供了一套再生骨料 的再利用的具体使用方法和依据。 成都理工大学硕士学位论文 1 3 4 拟解决的主要技术问题 1 ) 原石子骨料被石屑粉及水泥包裹，重新使用时能否保证骨料与水泥的黏 结强度；在铣刨时一些粗骨料会破碎，铣刨下来的旧基层材料的级配会发生改 变；基层材料的结合料如水泥已完全反应，失去了活性。这些废旧物料对水稳 结构强度及稳定性的影响是正面影响还是负面影响。 再生细骨料主要包含有砂浆体破碎后形成的表面黏附着水泥浆的砂粒，表 面无水泥浆附着的砂粒、水泥石颗粒以及破碎过程中产生的少量石粉。再生粗 骨料一般包括表面包裹有部分砂浆的石子，少部分与砂浆完全脱离的石子，很 少一部分砂浆颗粒。再生粗骨料表面包裹砂浆的多少等情况与原始水泥稳定碎 石的强度等级及骨料种类有关。原始水泥稳定碎石强度等级越高，则再生粗骨 料表面包裹砂浆的程度越大；碎石表面包裹砂浆的程度比卵石表面的大；再生 粗骨料一般棱危较多，且表面较粗糙，容易黏附水泥、石灰等结合料，要尽可 能使之对再生水泥稳定碎石性能的负面影响降至最低。再生粗骨料的技术要求 及级配要求也可以参照天然骨料的标准公路工程无机结合料稳定材料试验规 程和公路工程骨料试验规程，对再生骨料的级配组成进行评估。 2 ) 水泥的矿物成分和分散度对水泥稳定碎石的稳定效果有明显影响，道路 施工通常情况下使用稳定效果最好的硅酸盐水泥：水泥稳定碎石的强度随水泥 用量的增加而增长，但过多的水泥用量，虽获得强度的增加，在经济上却不合 理，在效果上也不一定显著，且会增加水稳结构横向裂缝产生的几率。对于一 般的碎石、砂砾等中粒或粗粒碎石、水泥的合理用量范围为3 7 m 1 。 水泥稳定碎石的稳定性通常采用软化系数和耐冻系数来评价。实际应用时， 由于无侧限抗压强度是比较容易测定的参数，因此它是研究水泥稳定碎石性质 及施工质量控制时最常采用的试验指标。 道路施工中当为了满足抗压强度而增加水泥用量导致横向裂缝时，拟解决 方案为：在水稳结构层每3 5 4 0 m 增加一道横向施工缝，在割缝处铺设土工格 栅，解决该问题。 4 第2 章水泥稳定碎石基层概述 第2 章水泥稳定碎石基层概述 水泥稳定碎石是由石子、石粉、石屑和水泥、水拌合碾压而成的低标号碾 压混凝土，大量应用于高等级公路的基层施工，是道路刚性结构向沥青柔性结 构过渡的半刚性半柔性材料。 为了能够设计一种在各个路用性能方面都表现突出的水泥稳定碎石混合 料，必须对其基础理论有一个比较全面的认识。本章主要就水泥稳定碎石作为 基层材料的一些基础理论做简要的介绍，为后续的研究提供理论基础。 2 1 水泥稳定碎石基层性能要求 我国高等级公路经过十几年的建设，积累了丰富的经验，在路面结构方面 形成了一种主流模式半刚性基层沥青路面。作为半刚性材料之一的水泥稳 定碎石混合料在修筑沥青路面结构中普遍被用于基层和底基层。水泥稳定碎石 混合料由于对周围环境温度和湿度的变化比较敏感，加之其刚度大，在强度形 成过程中以及营运期间会产生干缩裂缝和低温收缩裂缝。当裂缝反射到沥青面 层时，会加剧路面的破坏，缩短路面的使用寿命。因此，道路施工中不仅仅要 重视路面的铺筑，还应该重视道路基层的铺设，要采用合理的结构层次、合理 的基层厚度和模量、特别是合理的材料组成。采取切实有效的技术措施防止或 延缓沥青路面开裂和反射裂缝的产生。这样才能使水泥稳定碎石基层沥青路面 真正体现“优面强基稳定土基”的路面结构组合原则，使其在工程技术上更加 趋于合理。 实践证明，影响公路使用性能和使用寿命的关键因素是基层的材料和质量。 调查结果表明，新建高速公路和其它公路产生的一些早期破坏均与基层质量不 好有关叽因此，要提高路面的修筑质量，解决好基层问题是极其重要的一个 环节。 在道路结构中，基层是位于面层下的结构层，主要起承重、扩散荷载应力 以及改善路基水温状况的作用。因此，作为路面的基层材料，一般必须满足以 下几个基本要求删： 2 1 1 强度和刚度 水泥稳定碎石基层必须具有足够的强度和合适的刚度。 水泥稳定碎石基层具有足够的强度才能承受车轮荷载的反复作用，即在行 车动荷载的反复作用下，基层不会产生过多的残余变形，更不会产生疲劳弯拉 成都理工大学硕士学位论文 破坏。水泥稳定碎石基层材料的强度主要包括两个方面：一是石料本身的强度， 可用骨料压碎值或骨料磨耗值表示，也可用岩石的抗压强度表示：二是水泥碎 石混合料整体的强度，如抗压强度。 另外，水泥稳定碎石基层的刚度必须与面层的刚度相适应，如基层的刚度 过小，则面层会由于过大的拉应力或拉应变而过早产生开裂破坏；如基层的刚 度过大，缺少适当的塑性，其抗裂性能就会较差。 2 1 2 水稳定性和冰冻稳定性 水泥稳定碎石基层必须具有足够的水稳定性和冰冻稳定性。 路表水会通过各种途径进入路面结构中；在地下水位接近地表的地段，特 别在路基填土不高时，地下水可通过毛细作用进入土基上部和路面结构层；在 冰冻地区，由于冬季水分重分布的结果，路基上层和路面底基层都有可能处于 潮湿或过湿状态。沥青面层虽不是完全不透水的，但却能阻碍路面结构层和土 基中水分的蒸发。调查试验表明，水分从沥青面层中蒸发出来要比透进去困难 得多，慢得多。这就要求基层材料在水的作用下，其强度、整体性和刚度不会 明显的下降，并且在冬季有一定的承受冻融循环作用的能力。 2 1 3 抗冲刷性能 水泥稳定碎石基层还必须具有足够的抗冲刷性能。 根据沙庆林对半刚性基层抗冲刷能力的分析，水泥稳定碎石基层材料的冲 刷及由之而产生的唧泥现象是明显存在的，而这些现象均与基层材料的组成特 性有关。前文已经说明，表面水会通过多种途径进入沥青路面结构层内，如果 进入的水不能及时排出，而是停留在面层和基层的交界面上，就会使得基层局 部潮湿甚至饱和。在较大行车荷载作用下，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( 特别是小 于0 0 7 5 m m 的颗粒) 。一次冲刷的量是很小的，但行车荷载的多次作用，冲刷 量就会积少成多，在裂缝中形成浆体。在行车荷载的反复作用下，浆体被逐渐 压挤出裂缝，形成沥青面层上裂缝处的唧浆现象。因此，要求水泥稳定碎石基 层材料对这种冲刷必须具有足够的抵抗能力，从而避免出现严重的唧泥现象。 2 1 4 抗裂性能 水泥稳定碎石基层同时必须具有良好的抗裂性能 基层材料随着温度和湿度的变化，产生一定的拉应变，如果超过材料允许 6 第2 章水泥稳定碎石基层概述 拉应变，基层就会开裂。基层的收缩开裂不仅破坏基层结构的整体性而降低其 强度，并且这种裂缝很容易在面层上形成反射裂缝，因此希望基层的收缩量越 小越好。水泥稳定碎石基层材料的收缩主要包括由于失水而产生的干燥收缩和 因温度降低而产生的温度收缩两大方面。般认为基层材料的两类收缩中以温 度收缩较为重要，这是因为： 1 ) 一般道路建筑条件下，路面在温度低于5 时很容易出现大量裂缝，这 些裂缝主要为细的横向裂缝，宽度约在o 2 i n 】【n 2 m m 。通过对大量试验路上这 些裂缝的分析，认为产生这些裂缝的主要原因是由温度收缩引起的。 2 ) 施工中若能认真地控制水泥稳定碎石基层的水分教失，便能够减小甚至 完全消除干缩裂缝的发生。水泥稳定碎石基层一旦覆盖上面层之后，其水分散 失变得困难。 2 1 5 疲劳性能 水泥稳定碎石基层也必须具有良好的疲劳性能j 。 疲劳是在小于材料极限强度的应力反复作用下材料所产生的累计破坏。水 泥稳定碎石基层在使用期间经受车轮荷载的反复作用，加之气温环境影响使其 长期处于应力应变交替变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作 用超过一定次数后，在荷载作用下路面内部产生的应力就会超过强度下降后的 结构抗力，当水泥稳定碎石基层内的弯拉应力达到抗弯拉强度值时，裂缝迅速 发展并贯穿全截面，继而发生断裂。因此，在重交通道路、一级公路和高速公 路上，要求水泥稳定碎石基层还应该具有较强的抗疲劳破坏能力。 2 1 6 结论 综上所述，为了使水泥稳定碎石混合料发挥其作为基层应起到的承重、扩 散荷载应力和改善路基水温状况的作用，水泥稳定碎石基层必须具有良好的力 学性能、水稳定性能、耐久性能、抗冲刷性能及疲劳性能，就半刚性基层而言， 需要特别注意的是抗收缩开裂性能例。 2 2 水泥稳定碎石组成结构 水泥稳定碎石混合料的路用性能与它的结构特点有着非常密切的关系。混 合料的结构是指混合料各组成材料之间相互作用的特点，相对位置分布及相互 联系的状况。因此：混合料的结构特性与其材料组成、材料力学性能及各组成 部分之间的相对位置密切相关，混合料受力变形特性是各结构特性组成因素的 7 成都理工大学硕士学位论文 综合反映，即混合料力学特性与结构特性成对应关系。当组成水泥稳定碎石混 合料结构特点的各因素发生变化时，混合料的力学特性也会发生变化。其结构 特点主要有以下三种情况【1 0 1 。 2 2 1 悬浮密实结构 这种结构形态的水泥稳定碎石混合料，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。这种结构中细骨料较多，而粗骨料较少，且相互之 间没有接触，不能形成骨架，粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中。三轴试验表 明，该种结构虽然具有较高的粘结力，但内摩阻角较低，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。按这种结构修筑的水泥稳定碎石基 层，其路用性能受结合料性质的影响较大，特别是其抗收缩性能较差，基层容 易产生收缩裂缝，裂缝的产生严重破坏了基层的整体性，这样很容易造成路面 结构的破坏。因此，在水泥稳定碎石混合料组成设计时应避免骨料形成悬浮密 实结构。 2 2 2 骨架空隙结构 采用连续开级配的水泥稳定碎石混合料属于这一结构类型。在这种结构中， 粗骨料较多，而细骨料数量过少。因此，骨料能够形成骨架，但其残余空隙较 大。三轴试验表明，虽然这种结构粘结力较低，但其内摩阻角较大，其强度主 要取决于内摩阻力，粘结力相对是次要的。由此而修筑的水泥稳定碎石基层， 受结合料性质的影响较小，因而其抗收缩性能较好。但由于这种结构的空隙率 太大，使基层的耐久性又受到影响。 2 2 3 骨架密实结构 骨架密实结构是综合以上两种类型组成的结构。水泥稳定碎石混合料既有 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骨料，从而使混合 料形成较高的密实度。三轴试验表明，这种结构的混合料不仅具有较高的内摩 阻角，而且具有较高的粘结力。理论上讲，属于该种结构类型的水泥稳定碎石 混合料具有最优的力学性能、抗收缩性能、抗裂性能、抗冲刷性能和疲劳性能 等。 2 2 4 结论 纵观以上分析可以看出，水泥稳定碎石混合料中各组成成分的空间位置排 8 第2 章水泥稳定碎石基层概述 列不同，会导致混合料整体性质发生变化。而骨架密实结构汲取了悬浮密实结 构和骨架空隙结构的优点，适应了目前的施工水平。在振碾施工工艺条件下， 骨架密实结构的混合料能够使租骨料之间的紧密嵌挤作用充分发挥出来，提高 了混合料各方面的性能指标，再加上严格的基层养生，将会在减小收缩系数， 提高混合料抗裂性方面取得较为突出效果。因此，水泥稳定碎石混合料组成设 计应该围绕着骨架密实结构展开的。 9 成都理工大学硕士学位论文 第3 章旧水泥稳定碎石基层材料性能分析 旧水泥稳定碎石的废料是指原使用水泥稳定碎石做基层的道路，在进行大 修和道路重筑时，拆除原水泥稳定碎石基层时产生的固体废弃骨料。 本章对旧有道路的水泥稳定碎石基层材料性能从来源和性能特点方面进行 探讨，并对废弃骨料作出了再生利用潜力分析。 3 1 水泥稳定碎石废料特点浅析和来源 3 1 1 旧路水泥稳定碎石废料特点浅析 旧路水泥稳定碎石废料最初从道路基层铣刨时，少部分原石子骨料表面被 石屑粉和水泥，即水泥砂浆包裹，再生利用时骨料与水泥的黏结强度同新骨料 与水泥的黏结强度会有所不同： 1 ) 新骨料表面不如旧骨料吸水性强，所以在同样配合比的情况下，会使水 灰比变小，有利于强度的增加。 2 ) 表面包裹了水泥砂浆以后，砂浆比表面积大，吸附力也会增强，黏结力 加大。 3 ) 水泥砂浆表面会有很多微小缝隙，更容易使水泥颗粒进入其中，所以进 一步增强了黏结力。 4 ) 一些大粒径的粗骨料在铣刨时会破碎，产生新的断面，使颗粒表面更加 粗糙，也使铣刨下来的旧基层材料的级配会发生改变，级配更加连续。 这些废旧物料对水稳结构强度及稳定性的影响都是与使用新材料作水泥稳 定碎石结构不同的。 3 1 2i e l 路水泥稳定碎石来源 本次试验中使用的水泥稳定碎石废弃骨料取自济南市东部唐冶新区拓宽工 程中拆除的l 号路的水泥稳定碎石基层。 旧路的水泥稳定碎石基层采用铣刨机拆除，使用的铣刨机械为德国 w 1 1 r g e n 7 5 0 型铣刨机进行铣刨破碎，旧路的水泥稳定碎石通过铣刨机铣刨破 碎后，直接生成水泥稳定碎石废弃骨料，该废料通过铣刨机自带的传送带直接 集中装车，装入后续的装载车中。整个铣刨过程非常简便，易于操作。 1 0 第3 章旧水泥稳定碎石基层材料性能分析 3 2 再生骨料性质特点及级配连续性验证 骨料分为粗骨料和细骨料，骨料构成水泥稳定碎石的空间骨架结构，由第 二章可以知道，密实骨架结构是最理想的结构。实际生产中的骨料通常是按照 石子规格设计、生产的，因此也很难做到级配连续，其密实程度必然要低于级 配连续的结构。由此，我们首先对再生骨料的组成进行分析，然后再对再生骨 料的级配连续性加以试验、讨论。 3 2 1 再生骨料的组成形状和级配 再生骨料按颗粒大小可分为再生粗骨料和再生细骨料。 1 ) 颗粒大于5 m m 的颗粒为再生粗骨料【1 l 】。再生粗骨料颗粒一般为表面包 裹着部分水泥砂浆的石子，小部分与水泥砂浆完全脱离的石子，还有极少一部 分水泥砂浆颗粒。再生骨料表面是否粘附水泥砂浆以及粘附水泥砂浆的多少等 情况与基准水泥稳定碎石强度等级、骨料种类等因素有关。基准水泥稳定碎石 水泥含量越高，则表面粘附的水泥砂浆越多；碎石表面粘附的水泥砂浆比卵石 表面的多。 2 ) 颗粒粒径范围为0 0 8 至5 m m 的颗粒归为再生细骨料，主要包括水泥稳 定碎石破碎后形成的表面附着水泥砂浆的石屑粒，表面无水泥砂浆的石屑粒， 部分破碎过程中产生的石屑颗粒和石粉。 3 2 2 苒生骨料的级配连续性验证 本次试验中使用的水泥稳定碎石废弃骨料取自济南市东部唐冶新区，是该 区在拓宽工程中拆除的1 号路的水泥稳定碎石基层时产生的。我们以此为实验 的主体，对再生骨料的组成形状和级配进行了研究。 通过对旧路水泥稳定碎石拌和站的历史资料调查，查明了当年铺设该1 号 路的水泥稳定碎石的配合比，得到水泥稳定碎石配合比数据如表3 - 1 ： 表3 - 1水泥稳定碎石配合比表 注：该水泥稳定碎石配合比是旧路的水泥稳定碎石配合比，数据源自济南承建工程公 司第五水泥稳定碎石拌合站按照当年水泥稳定碎石商品材料出库资料。 成都理工大学硕士学位论文 使用国家新标准的方孔标准筛对铣刨后旧路水泥稳定碎石再生骨料进行筛 分和称重，得到筛分结果如下表3 2 ： 表3 - 2 再生骨料筛分表 从表3 - 1 和表3 - 2 中的骨料的重量百分比数据对比可以看到：通过筛孔的 再生骨料级配更加连续，同孔径的通过率更高，更加符合公路路面基层施工 技术规范( 3 t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 的规赳6 】。 图3 1 再生骨料筛分级配分布 由上图3 一l 再生骨料级配分布可以得出以下结论： 1 ) 孔径为3 7 5 m m 和3 1 5 r a m 的筛面上没有截留骨料，通过率为1 0 0 ： 孔径为2 6 5 m m 的通过率为9 0 3 ，各级筛面通过率也比原石子出厂粒径有所 增加，说明原水泥稳定碎石基层在铣刨破碎过程中，粗骨料减少，而细骨料增 加，细骨料的增加主要是粗骨料在破碎过程中产生的石屑。 2 ) 各级筛面上都有骨料截留，大于孔径2 6 5 m m 的再生骨料质量百分比为 1 2 第3 章旧水泥稳定碎石基层材料性能分析 9 7 ；截留于孔径为1 9 m m 的骨料质量比为8 等等，且截留的骨料量分布相 对均匀，说明原级配的水泥稳定碎石骨料在破碎后，级配更加连续，这更有利 于水泥稳定碎石的碾压密实，使得水泥稳定碎石形成了更好的骨架结构。 3 ) 虽然该筛分结果带有个体差异性，不是所有道路基层水泥稳定碎石的 再生骨料是级配连续的，但进行配合比设计的时候可以根据设计要求添加部分 新骨料，骨料的级配更加趋于合理。 3 2 3 再生骨料的表观特征 图3 2 再生骨料筛分仪器及部分筛分的再生骨料 成都理工大学硕士学位论文 本次研究的再生水泥稳定碎石骨料，经过筛分和仔细观察分析，得到以下 骨料成分： 1 ) 在粗骨料和石屑中，平均含有3 0 的骨料有破碎的新茬，其中全部或部 分被水泥砂浆附着的骨料约占7 0 。 2 ) 基本没有发现硬化的水泥砂浆体，偶有发现颗粒大小在4 m m 左右，则 强度极低，手指轻捏即碎。因其强度很低，在再生水泥稳定碎石的拌和过程中， 轻微拌合搅动即可破碎成粉体，不会影响再生水泥稳定碎石的强度。 3 ) 表面包裹砂浆的石子颗粒自身差异也很大，有些颗粒的旧水泥浆体附着 比表面积较大；有些颗粒的旧水泥浆体附着比表面积较小；有些颗粒包含完整 的碎石颗粒，有些颗粒包含破碎的碎石颗粒。这些包含有硬化水泥砂浆体的颗 粒一般表面较粗糙，棱角较多。 4 ) 与水泥浆完全脱离的石子由于在破碎中受损伤，存在有较多的微细裂缝。 在产生的再生水泥稳定碎石废弃骨料中，经过筛分和仔细的观察，几乎没 有发现硬化的水泥砂浆体，究其原因主要是铣刨机的破碎机理和水泥稳定碎石 基层中水泥含量低，强度不高等因素造成的。这也使再生水泥稳定碎石骨料可 以省去清洗这道工序，这既解决了施工现场清洗难度大，清洗废水不便于排放 的难题，又减少了水资源浪费，节省了时间，为实际施工提供了良好的生产基 础。 3 2 4 结论 水泥稳定碎石因水泥含量低，其强度很大程度受到骨料间内摩阻力的影响， 连续级配的骨架密实结构可以使水泥稳定碎石具有最优的力学性能，抗收缩性 能和抗冲刷性能。 就该条道路的实验结果可以判断：该道路铣刨后得到的水泥稳定碎石的废 弃骨料，比使用新骨料的基准水泥稳定碎石的性能还更加适合作为道路的水泥 稳定碎石骨料参加配合比试验。因此，完全可以把废弃的骨料作为再生骨料加 以利用。 3 3 再生骨料对水泥稳定碎石强度机理分析 3 3 1 水泥稳定碎石强度形成机理 水泥稳定碎石混合料在压实成型后，系由固相( 结合料、碎石) 、液相( 水溶 液) 和气相( 空气) 三相组成。三相之问相互作用的结果，使得水泥稳定碎石混合 料具有较高的强度和刚度，从而满足了水泥稳定碎石混合料作为路面基层的性 1 4 第3 章i 开水泥稳定碎石基层材料性能分析 能要求。 水泥稳定碎石混合料由于刚度高而属于塑性比较小的材料，因此莫尔强度 理论适应于水泥稳定碎石混合料。根据莫尔强度理论，抗压强度和抗拉强度与 混合料的粘结力和内摩阻角成单值关系【1 3 1 。 抗压强度： r = 2 c t g ( r d 4 + q ，2 ) ( 3 - 1 ) 抗拉强度： 。f 2 e t g ( r d 4 4 - q 2 ) ( 3 2 ) 式中：r 抗压强度； r 抗拉强度； c _ 一粘结力； 旷一内摩阻角。 由这些关系可以看出，抗压强度和抗拉强度随粘结力的增大而增大。抗压 强度与抗压强度的比值可用下式计算： w r = t 贮( n 4 + q 2 ) ( 3 - 3 ) 从上式可以看出：抗压强度和抗拉强度的比值与粘结力没有关系，而是取 决于内摩阻角的大小。反过来，内摩阻角和粘结力可以用抗压强度和抗拉强度 来表示： sin甲-t92(rr)(r+f)(3-4) c = 0 5 ( r 。r ) ( 3 5 ) 通过上边的分析可以得到，决定水泥稳定碎石混合料强度的主要因素是颗 粒之间的粘结力和内摩阻力。颗粒间的粘结力完全由水泥和细骨料组成的砂浆 提供，与砂浆的强度直接相关；而颗粒间的内摩阻力则来源于租骨料的骨架结 构，受骨架结构的组成形式、骨料颗粒形貌和摩阻系数等因素的影响。 水泥稳定碎石混合料加水拌和后，随着水泥水化的进行，混合料内的固液 相之间发生一系列物理、物理化学和化学作用，并生成一系列具有胶结作用的 物质，使得混合料中颗粒与颗粒之间的连接加固，形成“固化粘聚力”，这是水 泥稳定碎石混合料粘结力的主要来源。 硅酸盐水泥熟科中的四种矿物分别是c 3 s ( 硅酸三钙) 、c 2 s ( 硅酸二钙) ，c 3 a ( 铝酸三钙) 、c 4 a f ( 铁铝酸四钙) ，它们遇水后都会发生剧烈的化学反应。实际 上很难用一般的化学反应方程式真实地表示水泥的水化过程，因此本文对硅酸 盐水泥水化的过程做了简要地概括。其过程为；水泥与水拌和后，c 3 a 立即发 生反应，c 3 s 和c 4 h f 水化也较快，而c 2 s 则较慢。如果在电镜下观测，几分 钟后就可以看见在水泥颗粒表面钙矾石针状晶体、无定形的水化硅酸钙以及氢 成都理工大学硕士学位论文 氧化钙或水化铝酸钙等六方板状晶体。由于钙矾石的不断生成，使得液相中 s 0 4 2 离子逐渐减少并在耗尽之后，就会有单硫型水化硫铝( 铁) 酸钙出现。如石 膏不足，还有c 3 a 、或c 4 a f 剩留，则会生成单硫型水化物和c 4 ( a 、f ) h 1 3 ，甚 至单独的c 4 ( a 、f ) h 1 3 ，然后再转变成稳定的等轴晶体c 4 ( a 、f ) h 6 。 水泥的水化硅酸盐水泥熟料中各矿物单独与水作用，发生如下水化反应： 2 ( 3 c a o s i 0 2 ) + 6 4 2 0 - - 3 c a 2 s i 0 2 3 h 2 0 + 3 c a i ：o h h( 3 - 6 ) 2 ( 2 c a o s 1 0 2 ) + 4 h 2 0 = 3 c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 + c a ( + o h ) 2 ( 3 - 7 ) 3 c a o a 1 2 0 s + 6 h 2 0 = 3 c a o a 1 2 0 s 6 h 2 0( 3 - 8 ) 4 c a o 。a 1 2 0 s + f e ! o s + t h 2 0 = 3 c a o a 1 2 0 s 6 h 2 0 + c a o f e 2 0 5 + h 2 0( 3 - 9 ) 以上述水化反应后，生成的主要水化产物有：水化硅酸钙、水化铝酸钙、 水化铁酸钙。 随着时间的推移、水化反应的不断进行，水泥水化生成的胶体在适当的接 触点借助分子间力而相互联结，逐渐形成三维的凝聚网状结构，能将作为骨料 的碎石紧紧地胶结在一起，形成一个坚实的整体，逐渐产生一定的强度，并且 强度随着龄期的增长而增大。水泥的水化速度表现为早期快后期慢，特别是在 最初的3 7 天内水泥的水化速度最快，所以水泥稳定碎石的早期强度发展较快。 水泥稳定碎石混合料中的粘结力与混凝土或沥青混合料的相比较而言较 弱。因而，在水泥稳定碎石混合料中更重要的是确保粗骨料骨架的形成，充分 发挥粗骨料之间的内摩阻力，使它承担尽量高比例的行车荷载。另外，目前分 析水泥稳定碎石混合料的强度往往是建立在无侧限受力的基础上，而实际的路 用情况并非如此。作为基层材料的水泥稳定碎石混合料在路面结构中是以层状 整体的形式在起作用。水泥稳定碎石基层中的骨料颗粒在承受来自面层的行车 荷载的同时总是受到来自侧向的压力，骨料的骨架结构对基层抵抗外荷载就显 得很有意义。现将水泥稳定碎石基层同级配碎石基层作个比较分析，级配碎 石基层就是纯粹的骨料骨架结构在有