石灰、 水 泥、稳定土.ppt

内蒙古河套大学土木工程学院霍轶珍 石灰 水泥和稳定土 本节教学目标知识教学点掌握石灰的主要技术性质及技术标准能力训练点掌握石灰的应用 概述 胶凝材料的定义经过一系列的物理和化学变化 能够产生凝结硬化 将块状或粉状材料胶结起来 形成为一个整体的材料 胶凝材料的分类 如沥青 聚合物等 胶凝材料 无机胶凝材料 有机胶凝材料 气硬性胶凝材料 水硬性胶凝材料 如 石灰 石膏 水玻璃等 第一节石灰 一 石灰的生产 原材料生产石灰的原材料包括天然石灰石和化工副产品 主要成分为CaCO3 生产工艺 煅烧石灰生产过程 是石灰石煅烧过程 根据煅烧程度可分为欠火石灰 正火石灰 过火石灰 CaCO3 CaO CO2 MgCO3 MgO CO2 900 700 生石灰 二 石灰的熟化硬化过程 石灰的品种 石灰的硬化Ca OH 2从饱和溶液中析出 晶体互相交叉连生 从而提高强度 Ca OH 2空气中的CO2发生化学反应 形成CaCO3使石灰的强度逐渐提高 石灰的品种按石灰中的氧化镁含量的高低分按成品的加工方法分块状生石灰 磨细生石灰粉 消石灰粉 石灰膏 石灰乳等 生石灰 钙质石灰 镁质石灰 MgO 5 MgO 5 三 石灰的技术性质和技术标准 石灰的质量等级建筑生石灰 建筑生石灰粉 建筑消石灰粉按有效CaO MgO的含量 可分为优等品 一等品和合格品三个等级 具体指标见教材 石灰的特性1 可塑性好 2 生石灰吸湿性强 保水性好 3 凝结硬化慢 强度低 4 硬化后体积收缩大 易开裂 5 耐水性差 四 石灰的应用 配制石灰砂浆和石灰乳 配制三合土和灰土 制作碳化石灰板 生产硅酸盐制品 生产无熟料水泥 四 石灰的储存 生石灰储存时间不宜过长 一般不超过一个月 作到 随到随化 不得与易燃 易爆等危险液体物品混合存放和混合运输 熟石灰在使用前必须陈伏15d以上 以防止过火石灰对建筑物产生的危害 河套大学水建系霍轶珍 第二节水泥 本节教学目标知识教学点水泥的特点 适用范围及分类硅酸盐水泥的主要技术性质能力训练点掌握水泥主要技术性质的检测方法 试验 水泥的特点和适用范围 水泥的特点水泥是一种粉末状材料 加水后拌合均匀形成的浆体 不仅能够在干燥环境中凝结硬化 而且能更好地在水中硬化 保持或发展其强度 形成具有堆聚结构的人造石材 水泥适用范围不仅适合用于干燥环境中的工程部位 而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位 水泥的分类 按性能和用途分 粉煤灰硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 水泥的分类 按主要水硬性物质分 15 硅酸盐水泥 一 硅酸盐水泥的原材料和生产工艺 硅酸盐水泥的原材料生产硅酸盐水泥熟料的原材料石灰质原料天然石灰石 也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料如白垩 石灰石石等 粘土质原料主要为粘土 其主要化学成分为SiO2 其次为Al2O3和少量Fe2O3 铁矿粉采用赤铁矿 化学成分为Fe2O3 石膏主要为天然石膏矿 无水硫酸钙等 混合材料包括活性混合材料 粒化高炉矿渣 粉煤灰 火山灰质混合材料等 和非活性混合材料 石灰石粉 磨细石英砂等 硅酸盐水泥的生产工艺 两磨一烧 工艺生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种 硅酸盐水泥分为 型硅酸盐水泥 不掺混合材料 和 型硅酸盐水泥 掺不超过5 混合材料 一 硅酸盐水泥的原材料和生产工艺 石灰石 粘土 铁矿粉 生料 石膏 硅酸盐水泥 混合材料 熟料 按比例混合 磨细 1350 1450 煅烧 磨细 二 熟料的矿物组成及其特性 熟料的矿物组成 水泥熟料矿物 硅酸二钙 铁铝酸四钙 游离氧化钙和氧化镁 铝酸三钙 硅酸三钙 碱类及杂质 2CaO SiO2 C2S 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF f CaO和f MgO 3CaO Al2O3 C3A 3CaO SiO2 C3S 化学式及简写 二 熟料的矿物组成及其特性 水泥熟料矿物的主要特性熟料矿物磨细加水 均能单独与水发生化学反应 其特点见上表 三 硅酸盐水泥的凝结和硬化 凝结硬化的概念凝结 水泥加水拌合而成的浆体 经过一系列物理化学变化 浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程 硬化 水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化 水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的 凝结过程较短暂 一般几个小时即可完成 硬化过程是一个长期的过程 在一定温度和湿度下可持续几十年 三 硅酸盐水泥的凝结和硬化 熟料矿物的水化反应硅酸三钙2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 2硅酸二钙2 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 2铝酸三钙3CaO Al2O3 H2O 3CaO Al2O3 6H2O3CaO Al2O3 6H2O 3 CaSO4 2H2O 19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O 三 硅酸盐水泥的凝结和硬化 熟料矿物的水化反应过程水化初期熟料矿物与水反应的速度较快 使水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面 形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜 大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体 水化中期以水化硅酸钙 C S H 和氢氧化钙的快速形成为特征 水化后期由于新生成的水化产物的压力 水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂 使水进入未水化水泥颗粒的表面 水化反应继续进行 水化产物之间互相交叉连生 不断密实 固体之间的空隙不断减小 网状结构不断加强 结构逐渐紧密 三 硅酸盐水泥的凝结和硬化 A 凝胶体 C S H凝胶 水化硅酸钙凝胶 B 晶体 氢氧化钙 水化铝酸钙 水化硫铝酸钙 C 孔隙 毛细孔 凝胶孔 气孔等 D 未水化的水泥颗粒 水泥石的结构1 水泥石主要由凝胶体 晶体 孔隙 水 空气和未水化的水泥颗粒等组成 存在固相 液相和气相 2 硬化后的水泥石是一种多相多孔体系 3 水泥石的结构 水化产物的种类及相对含量 孔的结构 对其性能影响最大 24 教学过程设计 本节重点 生产原料 水化产物 生产工艺 熟料组成 凝结硬化 检查提问 讲解新课 强化训练 1 下列那项不是生产硅酸盐水泥的原料 B A 石灰质原料 CaO B 铁铝酸四钙 C4AF C 粘土质原料 SiO2 Al2O3 Fe2O3 D 铁矿粉 Fe2O3 E 石膏 CaSOS4 2 硅酸盐水泥的生产工艺可以概括为 3 由硅酸盐水泥熟料 6 15 石灰石或粒化高炉矿渣 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为 B A 硅酸盐水泥B 普通硅酸盐水泥C 矿渣硅酸盐水泥D 石灰石硅酸盐水泥 温故而知新 4 在生产水泥时必须掺入适量石膏是为了 B A 提高水泥产量B 延缓水泥凝结时间C 防止水泥石产生腐蚀D 提高强度5 硅酸盐水泥熟料的四个主要矿物组成中 C 水化反应速度最快 B 的早期强度高 A 后期强度高 D 对水泥抗折强度起重要作用 A C2SB C3SC C3AD C4AF6 水泥熟料水化产物主要有那些 注意Ca OH 27 简述凝结硬化的概念的概念 8 简述水泥石的组成成分和基本结构 温故而知新 四 硅酸盐水泥的主要技术性质 新课教学目标1 掌握硅酸盐水泥的主要技术性质2 掌握硅酸盐水泥主要技术性质的检测方法 试验 硅酸盐水泥的主要技术性质 1 细度细度是指水泥颗粒的粗细程度 水泥颗粒的粗细 直接影响其水化反应速度 活性和强度 国家标准中规定 水泥的细度用筛析法和比表面积法来测定 硅酸盐水泥的细度为其比表面积大于300m2 kg 见水泥细度试验 负压筛析仪 水泥细度检测 一 实验目的 检验普通水泥的细度是否达到国家标准规定的要求二 主要仪器 负压筛析仪三 试验步骤 称试样25g筛分 负压 筛2分钟 称筛余量 RS 计算筛余百分数四 试验结果判定 筛余百分数 10 细度合格 硅酸盐水泥的主要技术性质 2 凝结时间凝结时间分为初凝时间和终凝时间 初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间 终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性的时间 水泥初凝时间不宜过早 终凝时间不宜过迟 国家标准GB175 1999规定 硅酸盐水泥初凝不得早于45min 终凝不得迟于6 5h 硅酸盐水泥的主要技术性质 3 体积安定性体积安定性是指水泥浆体硬化后体积变化的稳定性 水泥在硬化过程中体积变化不稳定 即为体积安定性不良 水泥安定性不良的原因 熟料中含有过量的游离氧化钙 f CaO 或含有过量的游离氧化镁 f MgO 生产水泥时掺入的石膏过量 国家标准GB175 1999规定 硅酸盐水泥的安定性用沸煮法检验必须合格 体积安定性不良的水泥严禁用于工程中 硅酸盐水泥的主要技术性质 4 强度及强度等级 1 胶砂强度国家标准 规定 水泥和标准砂按1 3 0质量比混合 加入规定量的水 水灰比为0 50 经标准试验方法搅拌成型 制成40mm 40mm 160mm的标准试件 在标准条件 1d温度为20 1 相对湿度90 以上的空气中带模养护 1d以后拆模 放入20 1 的水中养护 下养护 根据水泥品种不同 分别测定3d 28d的抗折强度和抗压强度 即为水泥的胶砂强度 硅酸盐水泥的主要技术性质 2 强度等级根据水泥的胶砂强度划分的级别称为强度等级 硅酸盐水泥的强度等级划分为42 5 42 5R 52 5 52 5R 62 5 62 5R共六个等级 表的规定 注 R型为早强型 主要是3d强度较高 硅酸盐水泥的主要技术性质 6 水化热水泥的水化热是指在水化过程中的放热量 单位为kJ kg 水化热的高低与熟料矿物的相对含量有关 铝酸三钙 硅酸三钙的水化热高 而铁铝酸四钙 硅酸二钙的水化热较低 因此要降低水化热 可适当减少铝酸三钙和硅酸三钙的含量 水化热主要对大体积混凝土工程有影响 对于大体积混凝土工程 应选择水化热较低的水泥 或者采取特殊措施降低水化热的危害 1 水泥中的石膏掺量过多时 会导致 C A 缓凝B 快凝C 体积安定性不良D 水泥石收缩2 国家标准规定 普通硅酸盐水泥初凝 C 45min 终凝 D 6 5hA 等于B 小于C 不得小于D 大于等于3 引起水泥安定性不良的原因有 B C 和 D A 石膏掺量不足B 石膏掺量过多C 游离氧化钙含量超标D 游离氧化镁含量超标 强化训练 4 普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥的细度指标是 B A 80 m方孔筛筛余量B 比表面积C 0 2mm方孔筛筛余量D 破碎指标5 水泥的体积安定性用 A 检测必须合格 A沸煮法B坍落度法C维勃稠度法D筛分析法6 根据水泥品种不同 分别测定 C 即为水泥的胶砂强度 A 3d 7d 28d抗压强度B 7d 28d抗压强C 3d 28d抗折强度和抗压强度D 28d抗压强度 强化训练 一 名词解释 1 水泥标准稠度2 初凝时间3 终凝时间4 体积安定性二 简答题 1 如何测定水泥的标准稠度用水量 如何测定初凝时间 终凝时间 用到那些仪器设备 2 水泥那些技术性质不合格为废品 水泥那些技术性质不合格为不合格品 课后作业 课后思考及作业题 3 影响水泥体积安定性的主要因素有那些 如何检验体积安定性 4 简述硅酸盐水泥的技术标准 四 硅酸盐水泥的主要技术性质 1 密度 堆积密度和各成分含量 注 表中百分数均为质量百分数 五 水泥石的腐蚀及防止 水泥石腐蚀的方式 1 软水侵蚀 溶出性侵蚀 2 酸的腐蚀 溶解性化学腐蚀 一般酸的腐蚀碳酸水的腐蚀 3 硫酸盐腐蚀 膨胀性化学腐蚀 4 强碱腐蚀防止水泥石腐蚀的措施 1 根据工程的环境特点 合理选择水泥品种 2 提高混凝土的密实度 3 在水泥石结构的表面设置保护层 六 硅酸盐水泥的特性及应用 凝结硬化快 早期及后期强度均高 适用于有早强要求的工程 抗冻性好 适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程 耐腐蚀性差 因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多 水化热高 不宜用于大体积混凝土工程 但有利于低温季节蓄热法施工 抗碳化性好 因水化后氢氧化钙含量较多 故水泥石的碱度不易降低 对钢筋的保护作用强 适用于空气中二氧化碳浓度高的环境 耐热性差 因水化后氢氧化钙含量高 不适用于承受高温作用的混凝土工程 耐磨性好 适用于高速公路 道路和地面工程 掺混合材料的硅酸盐水泥 混合材料及其分类 混合材料为了改善水泥性能 提高水泥的产量 在生产时掺入的天然或人工矿物质材料 活性混合材料具有潜在水硬性或火山灰特性 或者兼具有潜在水硬性和火山灰特性的混合材料 粒化高炉矿渣 粉煤灰 火山灰质混合材料非活性混合材料不具有潜在水硬性或质量活性指标不能达到规定要求的混合材料 如磨细石灰石粉 磨细石英砂等 一 普通硅酸盐水泥 代号P O 定义硅酸盐水泥熟料 6 1 的混合材料 适量石膏技术性质要求 与硅酸盐水泥相比 相同点MgO含量 SO3含量 初凝时间 安定性的技术要求相同 不同点细度 80 m方孔筛筛余量不超过10 0 终凝时间 不迟于10h 烧失量 不得大于5 0 一 普通硅酸盐水泥 强度等级 普通硅酸盐水泥分为32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R六个强度等级 各龄期的强度不低于下表的规定 一 普通硅酸盐水泥 主要特性 1 早期强度略低 后期强度高 2 水化热略低 3 抗渗性好 抗冻性好 抗碳化能力强 4 抗侵蚀 抗腐蚀能力稍好 5 耐磨性较好 耐热性能较好 应用普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相同 二 矿渣水泥 粉煤灰水泥 火山灰水泥 定义技术性质要求 与普通水泥相比 相同点MgO含量 细度 凝结时间 安定性的技术要求相同 不同点 熟料 适量石膏 20 70 粒化高炉矿渣 20 40 粉煤灰 20 50 火山灰质混合材料 矿渣水泥 P O 粉煤灰水泥 P S 火山灰水泥 P P 磨细 磨细 磨细 二 矿渣水泥 粉煤灰水泥 火山灰水泥 三氧化硫含量 矿渣水泥不超过4 0 火山灰质水泥 粉煤灰水泥不得超过3 5 强度等级 强度等级划分为32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R共六个等级 各龄期的强度要求见下表 密度 水泥的密度为2800 3000kg m3 二 矿渣水泥 粉煤灰水泥 火山灰水泥 主要特性 与硅酸盐水泥 普通水泥相比 三种水泥的共同特性凝结硬化较慢 早强强度较低 后期强度增长较快 水化热较低 放热速度慢 抗硫酸盐腐蚀和抗水性较好 蒸汽养护适应性好 抗冻性 耐磨性及抗碳化性能较差 三种水泥各自特性矿渣水泥的抗渗性较差 但耐热性好 可用于温度不高于200 的混凝土工程中 火山灰水泥的抗渗性好 但干缩较大 不适用于长期处于干燥环境中的混凝土工程 粉煤灰水泥干缩小 抗裂性好 三 复合硅酸盐水泥和石灰石硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 P C 与硅酸盐水泥相比 由于掺入了两种或两种以上的混合材料 复合水泥的水化热较低 早期强度较高 其强度要求与普通水泥的强度要求相同 石灰石硅酸盐水泥 P L 凡由硅酸盐水泥熟料和石灰石 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为石灰石硅酸盐水泥 石灰石硅酸盐水泥的技术要求应符合相应标准的规定 四 通用水泥的验收和保管 一 通用水泥的验收 包装标志和数量的验收包装标志的验收包装有袋装和散装两种袋装水泥在包装袋上应清楚地标明产品名称 代号 净含量 强度等级 生产许可证编号 生产者名称和地址 出厂编号 执行标准号 包装年月日等主要包装标志 掺火山灰质混合材料的普通硅酸盐水泥 必须在包装上标上 掺火山灰 字样 包装袋两侧应印有水泥名称和强度等级 印刷字体颜色 硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥 红色 矿渣硅酸盐水泥 绿色 火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥 黑色 散装水泥供应时须提交与袋装水泥标志内容相同的卡片 一 通用水泥的验收 数量的验收袋装水泥每袋净含量为50kg 且不得少于标志质量的98 随机抽取20袋总质量不得少于1000kg 质量的验收检查出厂合格证和试验报告 复验 仲裁检验 一 通用水泥的验收 废品及不合格品的规定废品凡氧化镁 三氧化硫 初凝时间 安定性中的任一项不符合相应标准规定的通用水泥 均为废品 不合格品对于通用水泥 凡有下列情况之一者 均为不合格品 硅酸盐水泥 普通水泥 凡不溶物 烧失量 细度 终凝时间中任一项不符合标准规定者 矿渣水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥 复合水泥 凡细度 终凝时间中任一项不符合标准规定者 掺混合材料硅酸盐水泥混合材料掺量超过最大限值或强度低于商品强度等级规定的指标者 水泥出厂的主要包装标志中水泥品种 强度等级 工厂名称和出厂编号不全者 二 通用水泥的保管 不同品种和不同强度等级的水泥要分别存放 不得混杂 防水防潮 做到 上盖下垫 堆垛不宜过高 一般不超过10袋 场地狭窄时最多不超过15袋 储存期不能过长 通用水泥不超过三个月 水泥储存期超过三个月 水泥会受潮结块 强度大幅度降低 会影响水泥的使用 高铝水泥 一 铝酸盐水泥 定义以石灰岩和矾土为主要原料 配制成适当成分的生料 烧至全部或部分熔融所得以铝酸钙为主要矿物的熟料 经磨细而成的水硬性胶凝材料 代号CA 主要矿物成分铝酸一钙 CaO Al2O3简写CA 凝结正常 硬化迅速 为铝酸盐水泥强度的主要来源 二铝酸一钙 CaO 2Al2O3简写CA2 其特点是凝结硬化慢 早期强度较低 后期强度高 此外还有少量水化极快 凝结迅速而强度不高的七铝酸十二钙 12 7 以及胶凝性极差的铝方柱石 C2AS 六铝酸一钙 CA6 等矿物 一 铝酸盐水泥 铝酸盐水泥的水化与硬化当温度低于30 时 水化生成水化铝酸钙 CAH10 水化铝酸二钙 C2AH8 氢氧化铝凝胶 AH3 铝酸盐水泥的硬化过程与硅酸盐水泥基本相似 CAH10 C2AH8都属六方晶系 其晶体呈片状或针状 互相交错攀附 重叠结合 可形成坚强的结晶共生体 使水泥获得很高的强度 氢氧化铝凝胶又填充于晶体骨架的空隙 所以能形成比较致密的结构 当温度高于30 时 水化生成立方晶系的水化铝酸三钙 C3AH6 氢氧化铝凝胶 AH3 此时形成的水泥石孔隙率很大 强度较低 因而铝酸盐水泥不宜在高于30 的条件下养护 水化铝酸二钙氢氧化铝凝胶 一 铝酸盐水泥 铝酸盐水泥的技术要求细度比表面积不小于300m2 kg或0 045mm筛余不大于20 凝结时间按GB201 2000规定的标准稠度胶砂测得的凝结时间应符合如下要求 CA 50 CA 70 CA 80铝酸盐水泥的初凝时间不早于30min 终凝时间应不迟于6 CA 60铝酸盐水泥的初凝时间不早于60min 终凝时间应不迟于18 强度铝酸盐水泥按照Al2O3含量分为四类 各类型铝酸盐水泥的不同龄期强度值不得低于GB201 2000的规定 铝酸盐水泥受到高温作用时 由于产生了固相反应 烧结结合代替了水化结合 因而具有良好的耐高温性能 一 铝酸盐水泥 铝酸盐水泥的特性与应用早期强度很高 故适用于工期紧急的工程 抗渗性 抗冻性好 抗硫酸盐腐蚀性好 水化放热极快且放热量大 不得应用于大体积混凝土工程 耐热性好 高温下产生烧结作用 具有良好的耐高温性能 较高的强度 故适合耐热工程 长期强度降低较大 不适合长期承载结构 其他品种水泥 一 道路硅酸盐水泥定义以道路硅酸盐水泥熟料 活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为道路硅酸盐水泥 简称道路水泥 技术要求道路水泥中铝酸三钙含量不大于5 0 铁铝酸四钙含量不小于16 0 游离CaO含量不大于1 0 特性道路硅酸盐水泥强度较高 特别是抗折强度高 耐磨性好 干缩率低 抗冲击性 抗冻性和抗硫酸盐侵蚀能力比较好 应用适用于水泥混凝土路面 机场跑道 车站及公共广场等工程的面层混凝土中应用 二 中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥 中热硅酸盐水泥由适当成分的硅酸盐水泥熟料 加入适量石膏 磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料 称为中热硅酸盐水泥 低热矿渣硅酸盐水泥由适当成分的硅酸盐水泥熟料 加入矿渣 适量石膏 磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料 称为低热矿渣硅酸盐水泥 简称低热矿渣水泥 三 白色硅酸盐水泥和彩色硅酸盐水泥 白色硅酸盐水泥的组成 性质与硅酸盐水泥基本相同 所不同的是在配料和生产过程中严格控制着色氧化物 Fe2O3 MnO Cr2O3 TiO2等 的含量 彩色硅酸盐水泥简称彩色水泥 它是用白水泥熟料 适量石膏和耐碱矿物颜料共同磨细而制成的 白水泥和彩色水泥广泛地应用于建筑装修中 如制作彩色水磨石 饰面砖 锦砖 玻璃马赛克以及制作水刷石 斩假石 水泥花砖等 本章小结 1 水泥按性能和用途分为通用水泥 专用水泥和特性水泥三大类 2 通用水泥主要包括七大品种 3 通用水泥的细度 凝结时间 体积安定性和强度 是评定水泥质量的技术指标 4 通用水泥的定义 主要技术性质 特性及应用 验收和保管等内容 是本章的重点内容 5 专用水泥和特性水泥 了解其特性及应用 第三节稳定土材料 霍轶珍内蒙古河套大学土木工程学院 本节教学目标知识教学点稳定土的组成材料的种类稳定土技术性质与组成设计稳定土的强度试验方法能力训练点稳定土的强度试验方法及结合料剂量确定方法 本章内容要点 1 定义和及组成材料2 适用范围及分类 3 相关知识拓展4 结构定位及功能 5 力学性能6 配合比设计 8 施工工艺及控制 6 综合性能 一 稳定土的定义及组成材料 定义 在各种粉碎或原来松散的土 或矿质碎 砾 石 或工业废渣中 掺入一定数量的无机结合料 如石灰 水泥 及水 经拌和得到的混合料 经压实及养生后 具有一定的强度和稳定性 在广义上统称为无机结合料稳定类混合料 或无机结合料稳定土 无机结合料稳定材料又称为 半刚性材料 组成材料 一 稳定土的基本材料组成稳定土的基本材料是土 一般规定土的液限不大于40 塑性指数不大于20 且级配良好 二 稳定土的外掺材料1 石灰 各种化学组成的石灰均可用于稳定土 石灰的最佳剂量 对粘性土和粉性土为干土重的8 16 对砂性土为干土重的10 18 石灰的稳定效果 可使土粒胶结成整体 密实性提高 水稳定性提高 强度提高 一 稳定土材料的定义组成 2 水泥 各种水泥均可都可用于稳定土 通常情况下硅酸盐水泥比铝酸盐水泥的稳定效果好 在保证质量的前提下 应尽可能降低水泥的用量 3 粉煤灰 粉煤灰加入土中既能起填充的作用 又能与石灰反应 生成起胶结作用的产物 从而达到改善稳定土的水稳定性 提高强度与密实度的目的 4 沥青 各种沥青 包括 石油沥青 煤沥青 乳化沥青 沥青膏浆等均可用于拌合稳定土 一般情况下多用液体沥青 沥青加入土或集料中 可分两种类型 结构沥青 利于提高沥青稳定土的水稳定与强度 自由沥青 在稳定土压实时起润滑和填充的作用 二 稳定土使用范围及分类 使用范围 适用于路面的基层及底基层 不适用于路面的面层 稳定土分类 按所用结合料可分为以下几种 1 石灰稳定土 2 水泥稳定土 3 沥青稳定土 4 石灰稳定工业废渣 5 综合稳定土等 二 稳定土适用范围及分类 按结合料类型分 水泥稳定材料 水泥稳定碎石等 石灰稳定材料 石灰土等 石灰工业废渣稳定材料 石灰粉煤灰碎石 简称二灰碎石 按土的颗粒组成分 稳定粗粒土 二灰稳定碎石等 常用做基层 稳定中粒土 水泥稳定砂砾等 常用做基层 稳定细粒土 二灰稳定土等 常用做底基层 分类 无机结合料稳定混合料 半刚性基层材料 路面基层材料的类型粒料类 级配型集料 填隙碎石结合料稳定类 有机结合料 沥青混和料无机结合料 石灰稳定类水泥稳定类水泥石灰稳定类石灰工业废渣稳定类 三 相关知识拓展 三 相关知识拓展 无机结合料稳定材料在破碎的或原来松散的土 包括各种粗 中 细粒土 中 掺入足量的水泥 石灰或工业废渣材料和水 经拌和得到的混合料 在压实和养生后 抗压强度符合规定要求的混合料 半刚性材料用水泥 石灰等无机结合料处治的土或碎 砾 石及含有水硬性结合料的工业废渣铺筑的基层 前期具有柔性路面的性质 后期强度和刚度有大幅度的增长 但仍远小于水泥混凝土 强度来源 强度特征 三 相关知识拓展 半刚性 的由来 沥青混合料 级配碎石 无机结合料稳定材料 水泥混凝土 1200MPa柔性 1300 1700半刚性 25000刚性 由于无机结合料稳定材料的刚度介于柔性和刚性之间 因此也被称为 半刚性材料 四 结构定位及功能 大多用做沥青路面或水泥路面的基层或底基层 最适合这两个层次的工作 四 结构定位及功能 承受车辆荷载的作用 起主要承重层的作用 优化材料设计 尽量减小路面的反射裂缝 优化材料设计 增强抵抗水损害的能力 四 结构定位及主要功能 路面裂缝 基层开裂 在荷载和温度的反复作用下 无机结合料基层上的裂缝逐渐向上反射 形成沥青路面的裂缝 沥青路面主要病害之一 反射裂缝 四 结构定位及功能 在沥青路面上产生反射裂缝后 水沿裂缝面逐渐渗入基层顶面 在高速车载的作用下 高压水流不断冲刷无机结合料稳定材料基层上的细小颗粒 逐渐泵吸到路面 形成唧泥 路面唧泥 沥青路面主要病害之二 水损害 五 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 1 水泥水化作用 2 离子交换作用 3 化学激发作用 4 碳酸化作用 五 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 1 水泥水化作用硅酸三钙3CaO SiO2 C3S 硅酸二钙2CaO SiO2 C2S 铝酸三钙3CaO Al2O3 C3A 铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF 强度形成的主要来源 水泥成分 五 力学性能 五 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 两种水泥水化作用的区别 水泥稳定土VS水泥混凝土 土具有非常高的比表面积和亲水性 水泥稳定土中的水泥含量较少 土对水泥的水化产物具有强烈的吸附性 在一些土中常存在酸性介质环境 五 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 2 离子交换作用水泥水化产物中的Ca OH 2含量很高 易形成富含Ca2 的碱性溶液环境 当溶液中富含Ca2 时 因为Ca2 的电价高于K Na 等离子 因此与电位离子的吸引力较强 从而取代了K Na 成为反离子 同时Ca2 使双电层电位的降低速度加快 Ca2 K Na 增加强度和稳定度 五 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 3 化学激发作用Ca2 的化学激发作用当粘土颗粒周围介质的PH值增加到一定程度时 粘土矿物中的部分SiO2和Al2O3的活性将被激发出来 与溶液中的Ca2 进行反应 生成新的矿物 这些矿物主要是硅酸钙和铝酸钙系列 如4CaO 5SiO2 5H2O 4CaO Al2O3 19H2O 3CaO Al2O3 16H2O CaO Al2O3 10H2O等 增加强度和水稳定性 五 力学性能 1 强度作用原理a 水泥稳定材料 4 碳酸化作用水泥水化生成的Ca OH 2 除了可与粘土矿物发生化学反应外 还可以进一步与空气中的CO2发生碳化反应并生成碳酸钙晶体 反应缓慢 作用较弱 五 力学性能 1 强度作用原理b 石灰稳定材料 生石灰的主要成分 氧化钙CaO和氧化镁MgO生石灰的熟化和硬化 熟化 消石灰或熟石灰 CaO H2O Ca OH 2 65 9kJ mol硬化 结晶和碳酸化 石灰的技术指标 JTJ034 2000 表4 2 2 五 力学性能 1 强度作用原理b 石灰稳定材料 1 离子交换作用 初期强度 2 碳酸化反应 后期强度 3 火山灰反应 中后期强度 4 氢氧化钙的结晶反应 强度主要来源 五 力学性能 1 强度作用原理c 工业废渣稳定材料 1 常用材料 粉煤灰 2 粉煤灰的相关参数 密度 1900 2400kg m3 常见 2500 2800kg m3 高钙15 比表面积 2700 3500cm2 g最佳粒径 5 30 m 湿排灰 干排灰 1 土质对于石灰稳定土和石灰粉煤灰稳定土 用塑性指数为10 20 的粘性土较适宜 不适宜用塑性指数小于10 的低塑性土及重粘土 对于水泥稳定土 可用各种砂砾 粉土和粘土 但级配良好的粗 中颗粒的土比单纯粘性土较适宜 2 稳定剂品种及用量当采用石灰稳定剂时 必须测定石灰中有效氧化钙和氧化镁的含量 宜用技术等级为3级以上的石灰 用水泥稳定时 硅酸盐水泥比铝酸盐水泥效果好一些 不宜采用快硬或早强水泥 水泥稳定土的强度随水泥剂量增加而增加 石灰稳定土的强度则存在一个最佳石灰剂量值 超过或低于此值 石灰稳定土的强度则降低 六 影响稳定土强度的因素 3 含水量存在一个最佳含水量 4 密实度希望密实度越大越好 5 施工时间长短的影响主要针对水泥稳定土 要求其从开始加水到完全压实的时间尽可能短 一般不要超过6h 6 养生条件稳定土必须在适当的温度 湿度下养护 其强度才会不断提高 七 无机结合料力学性能特点 无机结合料稳定材料力学性能特点具有较大的抗压强度和一定的抗拉强度强度随龄期逐渐增长 但后期增加幅度较小环境温度对半刚性材料强度的形成和发展有很大影响无机结合料稳定材料强度的时 温转换特性无机结合料稳定材料的刚度介于刚性材料和柔性材料之间 小结 1 强度作用原理水泥稳定材料 水泥水化作用 离子交换作用 化学激发作用和碳酸化作用石灰稳定材料 离子交换作用 碳酸化反应 火山灰反应和氢氧化钠的结晶反应工业废渣稳定材料 粉煤灰 与石灰稳定材料类似 但不能自行水化 2 温度和时间对强度的影响在环境温度达到5 以上时 随着养护时间 龄期 的增加 无机结合料稳定材料的强度逐渐增长 但后期增幅较小 3 力学性能的特点温度和时间对无机结合料的力学性能影响很大 无机结合料稳定材料的时 温转换特性 1 缩裂特性干缩 随着无机结合料稳定土强度的不断形成 水分逐渐消耗以及蒸发 体积发生收缩 收缩变形受到约束时 逐渐产生裂缝 即为干缩裂缝 温缩 无机结合料稳定土具有热胀冷缩性质 随着气温的降低 稳定土会产生冷却收缩变形 收缩变形受到约束时 逐渐形成裂缝 即为温缩裂缝 2 裂缝防治措施 1 改善土质 稳定土用土越粘 则缩裂越严重 2 控制含水量及压实度 七 稳定土材料的变形性能 3 掺加粗粒料 三 稳定土材料的疲劳特性石灰粉煤灰稳定材料的抗疲劳性能优于水泥砂砾 但水泥稳定土的强度因素对提高疲劳寿命也有利 四 稳定土材料水稳定性和冰冻稳定性可用浸水强度试验和冻融循环试验来评价 影响稳定土材料水稳定性和冰冻稳定性的因素有 土类 稳定剂种类及剂量 密实度及龄期 相关知识拓展 收缩性能 1 两种主要收缩类型干缩 干燥收缩是无机结合料稳定材料因内部含水量变化而引起的体积收缩现象 温缩 由于温度的交替而引起的无机结合料稳定材料收缩的现象 关系 通常干缩是主要的收缩类型 干缩可达到温缩的4 10倍以上 2 收缩的测试 1 干缩的测试百分表测试应变片测试 2 温缩的测试应变片测试 在被测试件的适宜位置粘贴应变片 采用专用仪器测试应变片电阻的变化 3 收缩指标 1 干缩指标干缩应变 失水率 干缩系数 平均干缩系数 2 温缩指标温缩应变 平均温缩系数 4 干缩特性 4 1干缩特性表现形式 常为横向裂缝 间距3 10m 常用材料的干缩应变 石灰土 1200 1500 10 6 失水量2 5 将引起基层裂缝 导致 反射裂缝的产生 水泥砂砾 13 18 10 6 50 最大失水量 密实式二灰砂砾 25 37 10 6 失水量2 5 如果处理得当 将大大延缓裂缝的产生 4 干缩特性 4 2干缩特性影响因素 1 结合料含量 存在最佳水泥用量 一般为5 左右 二灰剂量一般为15 25 4 干缩特性 4 2干缩特性影响因素 2 细料含量 随着粘粒含量的增加 干缩应变减少率减小 即干缩应变不断增加 在实际应用中应尽量减少粘粒含量 4 干缩特性 4 2干缩特性影响因素 3 含水量 对二灰砂砾的干缩来说 存在最不利含水量 在施工控制中应尽量避免 4 干缩特性 4 2干缩特性影响因素 4 养护龄期 随着养护龄期的增加 二灰砂砾的干缩性逐渐减小 在施工中应尽量增加养护时间 4 干缩特性 4 3干缩机理干燥收缩是无机结合料稳定材料因内部含水量变化而引起的体积收缩现象 干燥收缩的基本原理是由于水分蒸发而发生的 毛细管张力作用 吸附水及分子间力作用 矿物晶体或胶凝体的层间水作用 碳化脱水作用 而引起的整体宏观体积的变化 4 干缩特性 4 3干缩机理 1 毛细管张力作用当水分蒸发时 毛细管水分下降 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 2 吸附水及分子间力作用毛细水蒸发完结后 随着相对湿度的继续变小 无机结合料稳定材料中的吸附水开始蒸发 使颗粒表面水膜变薄 颗粒间距变小 分子力增大 导致其宏观体积进一步收缩 这一阶段的收缩量比毛细管作用的量大得多 4 干缩特性 4 3干缩机理 3 矿物晶体或胶凝体的层间水作用随着相对湿度的继续变小 无机结合料稳定材料中的层间水开始蒸发 使晶格间距变小 导致其宏观体积进一步收缩 4 碳化脱水作用碳化脱水作用是Ca OH 2和CO2反应生成CaCO3中析出水而引起体积收缩 5 温缩特性 5 1温缩特性表现形式 常为横向裂缝 间距3 15m 缝宽3 30mm 冬季 小于1mm 夏季 常用材料的温缩应变 石灰土 30 80 10 6如处理不当将引起基层裂缝 水泥砂砾 5 10 10 6密实式二灰砂砾 6 15 10 6如果处理得当 将大大延缓裂缝的产生 5 温缩特性 5 2两种温缩试验方法封闭状态下的温缩试验 1 在饱水状态下 温度收缩系数在高温区 T 10 变化不大 而在低温区 在其相应的冰点附近出现负收缩 膨胀 现象 除水泥砂砾出现在0 附近外 其余材料均发生在 10 附近 2 含水量对温度收缩系数影响极大 饱水 风干状态最小 约在最佳含水量与半风干区间 温度收缩系数在温度T 0 10 区间最大 当含水量低于风干含水量时 一般在T 0 10 温度区间有极小值 随后又有不同程度的回升 自由状态下的温缩试验 5 温缩特性 5 3温缩特性影响因素 水泥剂量在5 时 水泥砂砾的温缩系数较小 在常用掺量范围内 二灰含量对二灰砂砾的温缩系数影响不大 5 温缩特性 5 4温缩机理 1 固相外观胀缩性就组成矿物的颗粒而言 原生矿物一般有较小的热胀缩性 其中粘土矿物的热胀缩性较大 粉煤灰的热胀缩性最小 而新生成胶结物 次生矿物 的热胀缩性较大 晶体势能曲线 5 温缩特性 5 4温缩机理 2 水的影响无机结合料稳定材料内部广泛分布有空隙 包括大空隙 毛细孔和胶凝孔 重力水存在于大空隙中 毛细水存在于毛细孔和胶凝孔中 表面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 5 温缩特性 5 4温缩机理 2 水的影响 扩张作用 水有相当大的热胀缩系数 常温下达70 10 6 比固相部分的热胀缩系数大4 7倍 毛细管张力 毛细管张力只有当含水量在一定范围内时才存在 当材料过干或过湿时 毛细管张力消失 因此 在干燥和饱和状态下 材料的温缩系数较小 冰冻作用 各空隙中的水在其冰点温度以下冻结时 体积增大9 从而引起膨胀 6 小节 1 两种主要的收缩类型干缩是主要的收缩类型 干缩可达到温缩的4 10倍以上 2 收缩性能的测试常采用百分表和应变片进行干缩和温缩的测试 3 收缩指标干缩 干缩应变 失水率 干缩系数和平均干缩系数温缩 温缩应变和平均温缩系数 6 小节 4 干缩的主要影响因素结合料含量 细料含量 含水量和养护龄期 5 干缩机理 毛细管张力作用 吸附水及分子间力作用 矿物晶体或胶凝体的层间水作用 和 碳化脱水作用 6 温缩机理固体外观胀缩性和水的作用 四 水稳定性 1水稳定性研究的目的增强无机结合料稳定材料抵抗水损害的能力 减少唧泥现象 2水稳定性的分类抗冲刷性测试 冲刷试验指标 冲刷率 常为5min内的冲刷速率 抗冻性测试 冻融试验指标 耐冻系数 3 抗冲刷性 3 1抗冲刷性的测试设备旋转刷振动台MTS试验装置高压冲洗法 评价 均能反映无机结合料稳定材料抵抗水侵蚀的能力 但均无法完美模拟现场有压水冲刷的现象 且冲刷机理不一 3 抗冲刷性 3 2水泥 二灰稳定材料抗冲刷性对比 主要结论 二灰稳定材料28d以内的抗冲刷性远小于水泥稳定材料 90d以后两者的抗冲刷性能相差不大 在实际使用中应优先采用水泥稳定材料 4 抗冻性 主要结论 水泥稳定材料的抗冻性要优于二灰稳定材料 材料的抗冻性与其抗压强度之间不存在绝对的对应关系 5 提高水稳定性的措施 加强路面结构排水 采取 排防结合 的设计原则 减少降雨和地下水的不利影响 加强无机结合料稳定材料的配合比设计 尽量减少细集料用量 在可能的情况下 尽可能采用水泥稳定类材料 提高抗冲刷能力 及时进行路面的裂缝修补 五 疲劳性能 1 疲劳试验方法试验路 AASHO试验路 真实路面实际荷载与气候足尺路面 ALF HVS和环道试验等 足尺路面 full scalepavement 模拟荷载室内试件疲劳试验通常意义上的疲劳试验 包括弯拉 曲 疲劳试验和劈裂疲劳试验等 五 疲劳性能 2 室内试件疲劳试验方法弯拉 曲 疲劳试验弯拉 曲 疲劳试验中试件实际为单向应力状态 梁试件 试验较为烦琐 劈裂疲劳试验又称为间接拉伸试验 试件承受双向应力状态 圆柱体试件 操作简便 3 弯拉 曲 疲劳与劈裂疲劳的对比 弯拉 曲 疲劳试验 劈裂疲劳试验 劈裂试验用压条 3 弯拉 曲 疲劳与劈裂疲劳的对比 劈裂疲劳试验所得疲劳寿命远小于弯拉 曲 疲劳试验所得疲劳寿命 4 疲劳方程形式 疲劳方程形式 单对数疲劳方程双对数疲劳方程 5 典型的疲劳试验结果 典型的疲劳试验结果 5 典型的疲劳试验结果 疲劳试验的特点 强度愈大 刚度愈小 其疲劳寿命就愈长 疲劳寿命变异性较大 不同的保证率得到的疲劳寿命不同 保证率愈大 疲劳寿命愈小 半对数疲劳方程的斜率很小 表明应力水平的少量变化将导致无机结合料稳定材料的疲劳寿命产生较大的变化 六 综合性能 1 性能分类力学性能收缩性能水稳定性疲劳性能 四种性能之间是否存在内在联系 可否采用单一指标来表征其综合性能 2 性能之间的联系 1 力学性能VS收缩性能 干缩 力学性能 抗压强度 增加 收缩性能 干缩 存在最佳值 非单调 2 性能之间的联系 1 力学性能VS收缩性能 温缩 力学性能 抗压强度 增加 收缩性能 温缩 存在最佳值 非单调 2 性能之间的联系 2 力学性能VS水稳定性 力学性能 抗压强度 增加 水稳定性也越好 单调 2 性能之间的联系 3 力学性能VS疲劳性能 力学性能 抗压强度 增加 疲劳性能也越好 单调 2 性能之间的联系 4 力学性能VS其他性能 汇总 3 综合性能指标 综合压缩模量 1 综合压缩模量定义 3 综合性能指标 综合压缩模量 2 综合压缩模量参数建议值 3 综合性能指标 综合压缩模量 3 综合压缩模量运用 示例 水泥稳定材料 14799MPa 二灰稳定材料 4227MPa 八 稳定类材料配合比组成设计 一 设计标准 主要考虑强度和耐久性 二 材料组成设计步骤 原材料试验 拟定混合