基层组成材料概述课件

无机结合料稳定材料 基层组成材料概述 学习要求 了解路面结构及层位功能 以及基层的分类 了解无机结合料稳定类基层的组成材料及要求 熟悉无机结合料稳定材料的技术性质与标准 了解无机结合料稳定类材料的强度形成原理 职业能力目标 了解半刚性基层材料及其技术性质 能够选择并应用合适的基层材料 路面结构分层及层位功能 按照使用要求 受力状况 土基支承条件和自然因素影响程度的不同 将路面分成若干层次 通常按各个层位功能的不同 划分为三个层次 即面层 基层和垫层 如图所示 路面结构层次划分示意图i 路拱横坡度 1 面层 2 基层 有时包括底基层 3 垫层 4 路缘石 5 加固路肩 硬路肩 6 土路肩 一 路面结构及基层分类 面层是直接同行车和大气接触的表面层次 它承受较大的行车荷载的垂直力 水平力和冲击力的作用 同时还受到降水的浸蚀和气温变化的影响修筑面层所用的材料主要有 水泥混凝土 沥青混凝土 沥青碎 砾 石混合料 砂砾或碎石掺土或不掺土的混合料以及块料等 一 路面结构及基层分类 基层主要承受由面层传来的车辆荷载的垂直力 并扩散到下面的垫层和土基层去 基层是路面结构中的承重层 它应具有足够的强度和刚度 并具有良好的扩散应力的能力 一 路面结构及基层分类 垫层介于土基与基层之间功能是改善土基的湿度和温度状况 另 方面的功能是将基层传下的车辆荷载应力进一步加以扩散 以减小土基产生的应力和变形 同时也能阻止路基土挤入基层中 影响基层结构的性能垫层材料分为两类一类是由松散粒料另一类是用水泥或石灰稳定土等修筑的稳定类垫层 一 路面结构及基层分类 基层类型 基层类型有沥青混合料 沥青贯入碎石 热拌沥青碎石 乳化沥青碎石混合料等 及沥青稳定土 各种集料基层及采用无机结合料稳定集料或稳定土类 基层 半刚性基层 柔性基层 当环境适宜时 强度与刚度会随着时间的增长而不段增长 其最终抗弯拉强度和弹性模量 比一般的基层要大 但还是远较刚性路面为低 其刚度介于柔性路面和刚性路面之间 用沥青稳定各种集料的基层及不加任何结合材料的各种粒料基层 1 无机结合料稳定类基层属半刚性基层 在粉碎或原状的土 或砂砾 中掺入一定量的无机胶结材料和适量的水 经拌和 压实 养生后 得到的具有较高后期强度 整体性和水稳性的材料称为无机结合料稳定材料 以此修筑的基层或底基层亦称半刚性基层 2 特点无机结合料稳定材料稳定性好 抗冻性强 结构本身成板体 但耐久性差 平整度低 易产生干缩裂缝 因此一般不用于路面面层 广泛用于修筑路面结构的基层和底基层 二 无机结合料稳定材料 半刚性基层为什么能够得到广泛应用 在我国已建成的高速公路和一级公路中 大多数路面采用了无机结合料稳定基层 即半刚性基层 其原因主要有 车辆轴载增大和交通量增加对路面的承载能力要求越来越高 无机结合料处置基层的沥青路面更能适应现代重型交通的需要 优质石料的料源日益减少 用无机结合料处置材料时 可以使用原先不能应用的质量较低的石料 甚至使用当地的土 这样可以避免远运优质石料 从而节约大量投资 按组成的集料材料分 稳定土类 如水泥稳定土稳定粒料类 如水泥稳定碎石 水泥稳定砂砾 按无机胶结材料的不同分 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 面层 基层 无机结合料稳定材料分类 无机结合料稳定混合料 半刚性基层材料 无机结合料稳定材料的技术性质 1 强度要求 具有强度 强度均匀 整体性好 表面密实平整 透水性小 柔性路面结构中 基层作为承重层 需要足够的强度 刚性路面结构中 基层并非是主要承重层 但却是重要支承层次 可延长路面使用寿命 基层要具有一定的强度 抗变形能力和水稳定性 强度指标 无侧限抗压强度 饱水状态下 1 试件尺寸 高 直径 1 1 2 静力压实法制备 3 强度标准 不同公路等级 稳定剂类型及路面结构层次的标准有不同的要求 2 密度密度材料越致密 耐久性和强度也越高 1 压实度材料在外力下获得的密实程度 材料干密度 最大干密度 2 含水量 水分质量 干燥材料质量最佳含水量通过标准击实试验得到 3 无机结合料稳定材料的力学特性 1 应力 应变特性 强度和模量随龄期增长一般规定 水泥稳定类材料设计龄期为3个月石灰或石灰粉煤灰 二灰 稳定类材料设计龄期为6个月 试验方法 顶面法 粘贴法 夹具法 承载板法试件 圆柱体试件和梁式试件试验内容 抗压强度 抗压回弹模量 劈裂强度 劈裂模量 抗弯拉强度 抗弯拉回弹模量 顶面法 直接在试件顶面用千分表测量回弹变形粘贴法 在柱体壁上两端各1 6高度处粘贴支架 用千分表测量中间2 3柱体的回弹变形 夹具法 在柱体壁上两端各1 6高度处套一箍 在箍上伸出支架 用千分表测量中间2 3柱体的回弹变形 承载板法 用小承载板在试件中间模拟野外测定方法 顶面法较合理 2 疲劳特性 重复荷载下 强度下降 材料从开始至出现疲劳破坏的荷载作用次数称为材料的疲劳寿命 材料的抗压强度是材料组成设计的主要依据 抗拉强度是路面结构设计的控制指标 抗拉强度远小于抗压强度 抗拉强度试验方法有直接抗拉试验 间接抗拉试验和弯拉试验 疲劳寿命主要取决于重复受拉应力与极限应力之比 一定应力条件下 取决于材料的强度和刚度 强度越大 刚度越小 其疲劳寿命就越长 还与材料的变异性有关 50 时 可经受无限次 3 干缩特性 拌和压实后由于水分挥发及水化作用 混合料水分减少 由此发生各种物理化学作用引起无机结合料稳定材料体积收缩 主要指标 干缩应变 干缩系数 干缩量 失水量 失水率 平均干缩系数 无机结合料稳定材料的干缩特性的大小与结合料的类型 剂量 被稳定材料的类别 粒料含量 0 5mm细颗粒含量 试件含水量和龄期等有关 半刚性材料干缩特性性大小次序 稳定粒料类 石灰稳定类 水泥稳定类 石灰粉煤灰稳定类稳定细粒土 石灰土 水泥土和水泥石灰土 石灰粉煤灰土石灰土比水泥土更易产生干缩裂缝 对于含细粒土较多的稳定土 以干缩为主 应加强初期养护 潮湿 4 温度收缩特性半刚性材料温度收缩的大小与结合料类型和剂量 被稳定材料的类别 粒料含量 龄期等有关 一般砂粒以上颗粒温缩系数小 粉粒以下颗粒温缩系数大 石灰土砂砾 16 7 悬浮式石灰粉煤灰粒料 15 3 密实式石灰粉煤灰粒料 11 4 和水泥砂砾 10 15 半刚性基层养生 一般在高温季节修建 基层水分蒸发 发生干缩 同时 存在昼夜温度差 发生温缩 因此初期必须注意养护 早期养生良好 则易于成形 早期强度高 减少裂缝 后期 铺筑沥青面层后 以温缩为主 裂缝防治措施 1 改善土质用粘性较小的土 或掺入砂土 粉煤灰等 以降低塑性指数 2 控制含水量及压实度比最佳含水量略小为好 尽可能达到最大压实度 3 掺加粗粒料满足最佳组成 提高强度和稳定性 4 水稳定性和抗冻稳定性 评价 浸水强度和冻融循环试验主要影响因素 1 土类含细多 塑性指数大的 差 2 稳定剂种类和剂量二灰粒料和水泥粒料的水稳性最好 3 密实度越大 则透水性越低 水稳性越好 4 龄期水泥 石灰 二灰稳定类的强度需要一定时间形成 水稳性随龄期增长而增长 一 石灰稳定类 石灰土 用石灰稳定细粒土得到的混合料石灰稳定集料 用石灰稳定中粒土和粗粒土得到的混合料石灰砂砾土 天然砂砾土 级配砂砾 无土 石灰碎石土 天然碎石土 级配碎石 包括未筛分碎石 结构类型 骨架密实式 粒料 80 悬浮式 粒料 50 石灰稳定土的基本材料 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 但重粘土颗粒不易粉碎 拌和 易产生缩裂 稳定效果差 有机质或硫酸盐含量高的土对强度有明显影响 都不宜采用 宜采用塑性指数15 20的粘土以及含有一定粘性土的中粒土或粗粒土用作石灰稳定土 当用于不同等级路面不同结构层次时 对颗粒的最大粒径有相应的要求 石灰稳定土的基本材料 石灰各种化学组成的石灰均可用于稳定土 其质量应符合要求 特别是有效成分含量是评价石灰质量的主要指标 石灰最佳剂量 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 重要控制指标 对强度有显著影响 EDTA滴定法和钙电极快速测定法 石灰稳定土的强度形成原理 离子交换作用火山灰作用结晶作用碳酸化作用机械压实 离子交换作用 少部分 石灰中Ca2 OH 土中Na K 交换 减薄吸附水膜 土粒聚凝 水稳性增强 易于压实 结晶作用和碳酸化作用CaCO3 CO2 CaO 生石灰 CaO H2O Ca OH 2 消石灰 Ca OH 2 结晶硬化碳酸化硬化 CO2 Ca OH 2 CaCO3后期结晶结构形成 提高了石灰土的后期整体性 强度和稳定性 火山灰作用详解反应条件 碱活性激发剂 Ca OH 2 石灰活性物质 Al2O3 SiO2 粘土 Al2O3 H2O Ca OH 2 水化铝酸钙 SiO2 H2O Ca OH 2 水化硅酸钙这些胶凝物质减少了土颗粒空隙与透水性 提高密实度 石灰土获得强度和水稳定性的基本原因 1 反应条件 具有活性物质 活性SiO2和活性Al2O3 具有活性激发剂 激发活性材料潜在活性的物质Ca OH 2溶液 碱性激发剂 CaSO4 2H2O溶液 硫酸盐激发剂 2 反应机理SiO2 Ca OH 2 H2O CaOSiO2 mH2O不定型水化硅酸钙 凝胶 Al2O3 Ca OH 2 H2O CaOAl2O3 nH2O不定型水化铝酸钙 凝胶 Al2O3 CaSO4 2H2O 水化硫铝酸钙 钙矾石 火山灰反应 又称二次反应 总结 初期 离子交换机械压实中 后期 氢氧化钙的结晶和碳酸化作用火山灰作用 石灰稳定土强度的影响因素 土质 强度随土的塑性指数增大而增大 但过大的重粘土不易粉碎 且易产生收缩裂缝 粘土含矿物成分 Al2O3 SiO2 则火山灰作用好 规范 宜IP10 20 的粘性土 石灰品种及剂量 3级以上的石灰最佳石灰剂量 含水量 最佳含水量下压实的干密度较大的试件的强度也高 图2控制水分蒸发 保证石灰消解及火山灰反应 集料图1级配碎石 未筛分碎石 砂砾 碎石土 砂砾土 粒状矿渣为无塑性指数的粒料或不含粘土的集料时 15 左右粘性土级配良好 当级配不好时 宜外加某种集料改善其级配 最大粒径压碎值 养生条件 强度发展需要适当的温度 湿度 潮湿 高温 龄期 时间 图1矿质混合料类型与强度的关系 单纯用石灰稳定无粘性或无塑性指数的集料 效果远不如用石灰土稳定的效果 石灰稳定粉质粘土的强度 石灰稳定砂质粘土石灰稳定砂质粘土 石灰稳定均质砂 在适宜的含水量下压实 可以取得最佳的压实效果最大干密度 最佳含水量 压实功 最佳含水量 最大密实度 细料含量 最佳含水量 最大密实度 石灰剂量 最佳含水量 最大密实度 含水量与干密度的关系 强度指标 抗压强度 无侧限抗压强度配合比设计 施工质量控制 劈裂抗拉强度结构计算与验算 抗折强度 收缩特征及其影响因素 1 温缩 因温度变化而造成的收缩 新生凝胶矿物 热胀冷缩程度大2 干缩 因含水量变化而造成的收缩 新生凝胶矿物 产生干缩的主要因素图3 收缩程度 石灰土 悬浮式粒料 密实式粒料 改善措施 选择材料 控制含水量 施工压实 养生条件 耐久性 收缩裂缝图4 水稳定性 软化 冲刷图5 抗冻性石灰土和悬浮式石灰粒料禁止用作高等级路面的基层只宜作为高等级路面的底基层 或一般交通量道路的基层 砂砾体积率与干缩系数的关系 石灰稳定砂砾干缩系数 石灰土随着粒料含量 干缩系数 沥青路表翻浆 石灰稳定土层的应用石灰稳定土不但具有较高的抗压强度 而且也具有一定的抗弯拉强度 因此 石灰稳定土一般可用于各类路面的基层和底基层 但石灰稳定土因其水稳定性较差不宜做高速公路或一级公路的基层 必要时可用作底基层 在冰冻地区的潮湿路段以及其他地区的过湿路段 也不宜采用石灰土做基层 二 水泥稳定类 定义 在粉碎的或原来松散的土 包括各种粗 中细土 中 掺入足量的水泥和水 经拌和得到的混合料经压实及养生后 当其抗压强度符合规定的要求时 称为水泥稳定土 分类水泥土 水泥稳定砂性土 粉性土和粘性土水泥砂 水泥稳定砂水泥稳定碎石 水泥稳定砂砾 水泥稳定级配碎石 未筛分碎石 砂砾等 二 水泥稳定类 水泥稳定土 水泥稳定土的特点具有较其它稳定土高的强度 刚度和稳定性与水泥混凝土的比较材料组成 水泥用量较低 允许混合料中含土施工方法 机械摊铺 碾压技术特性 强度小 耐久性差 抗裂性低 水泥稳定类的组成材料 水泥 各类水泥都可以用于稳定土 如普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥等 矿物成分硅酸盐水泥比铝酸盐水泥效果好 比表面积和活性大 水泥用量越大 则强度越大 经济用量土与集料适宜材料 级配碎石 未筛分碎石 砂砾 碎石土 砂砾土 煤矸石和各种粒状矿渣 水泥稳定砂性土效果最好 其次是粉性土和粘性土 不宜材料 重粘土 塑性指数较大的细粒土有机质含量超过2 或硫酸盐含量超过0 25 的土集料的颗粒组成 级配集料最大粒径和压碎值 水泥稳定类的技术性质 强度的形成与影响因素 强度形成原理硬凝反应 水泥水化 离子交换作用会影响水泥的水化 使强度增长速度缓慢化学激发作用Ca2 的存在激发了粘土成分的活性 反应生成的物质具有胶凝能力 提高强度和水稳性 碳酸化作用Ca OH 2 C02 CaCO3机械压实 强度主要来源 土的比表面积和亲水性非常高 水泥含量少 土能强烈吸附水泥的水化产物Ca OH 2 土中常存在酸性环境 K Na 双电层厚度 Ca2 的存在降低了厚度 使土凝聚 体积膨胀 起填充和加固作用 水泥稳定类的技术性质 强度的主要影响因素 组成材料水泥剂量 相同材料时 水泥剂量 强度 土质图集料级配改善级配可以明显增加水泥稳定集料的强度 养生温度图 延迟时间 从加水拌和开始到碾压终了的时间图延迟时间与水泥砂砾强度和干密度 图土质 养生温度与强度的关系 相同养生温度 Ip 强度 相同龄期时 养生温度 强度 延迟时间与水泥砂砾强度和干密度 延迟时间越长 稳定土强度和密度的损失越大 在土质不变时 用终凝时间短的水泥时 延迟时间对混合料强度损失的影响大 在水泥不变的情况下 延迟时间为2h时 用中等粘土或砾质砂等制得的水泥稳定土强度可损失60 用原状砂砾或粗石灰石等 制得的混合料的强度损失只有20 左右 甚至没有损失 收缩特性及影响因素 温度收缩 粘性土含量 温度收缩系数 干缩系数粒料含量 干缩系数 粘土矿物 干缩系数 水泥剂量图含水量 含水量增加的影响 水泥用量增加的影响粒料土的塑性指数越大 含水量的影响越大 三种稳定土收缩系数的排序温缩系数 石灰土 石灰土砂砾 石灰粉煤灰 水泥砂砾 二灰砂砾干缩系数 石灰土 石灰土砂砾 二灰 二灰砂砾 水泥砂砾 水泥剂量与干缩系数的关系 影响强度的因素 水泥类型及剂量 施工及养生 混合料组成设计作底基层时 集料的最大粒径不应出 mm 用作基层时 不应超过 mm 并且都应有较好的级配 水泥稳定土 d无侧限抗压强度和压实密度应如表所示 水泥稳定土的强度及压实度标准 使用范围 1 各级公路的底基层 二级以下公路基层 2 禁止作为高速公路或一级公路的基层 只能用作底基层 一定数量的石灰和粉煤灰 或石灰和煤渣与其他集料相配合 加入适量的水 通常为最佳含水量 经拌和 压实及养生后得到的混合料 当其抗压强度符合一定要求时 称为石灰工业废渣稳定土 简称石灰工业废渣 三 石灰工业废渣稳定类 石灰工业废渣稳定土 石灰粉煤灰稳定土 常用工业废渣品种 粉煤灰 煤渣 高炉矿渣 钢渣以及其它冶金矿渣 煤矸石等矿物组成特点 活性Al2O3 SiO2或CaO 具有水硬性石灰粉煤灰稳定土二灰 石灰粉煤灰二灰土 石灰粉煤灰稳定细粒土二灰集料 或粒料 石灰粉煤灰稳定砂砾 碎石 矿渣 煤矸石等结构类型 悬浮式 粒料 50 密实式 粒料 80 石灰粉煤灰稳定土组成材料 石灰和粉煤灰 石灰质量 3级或3级以上消石灰或生石灰粉煤灰 SiO2 Al2O3 Fe2O3 70 烧失量 20 比面积 2500cm2 g湿粉煤灰的含水量 35 土 塑性指数12 20的粘性土 亚粘土 最大粒径 15mm 有机质含量 10 集料 最大粒径和压碎值级配 粉煤灰本身不具有或有很小粘性 加入土中既能起填充的作用 又能与石灰或水泥反应 生成起胶结作用的产物 从而改善稳定土的水稳定性 提高强度与密实度 石灰粉煤灰稳定土的技术性质 强度形成机理石灰自硬 粉煤灰材料的火山灰反应石灰粉煤灰的填充作用集料的骨架作用机械压实 强度特点较高的强度和稳定性早期强度较低 有着较高的后期强度 强度的主要影响因素粒料比例粉煤灰掺量越高早期强度越低 但不影响后期强度养生温度 收缩特征 粒料含量悬浮式二灰粒料 密实式二灰粒料 密实式二灰粒料平均干缩系数为55 10 6 温缩系数为4 2 10 6 悬浮式二灰粒料平均干缩系数为109 10 6 温缩系数为6 7 10 6 结合料剂量 粉煤灰用量 石灰剂量一定 粉煤灰用量 干缩系数和温缩系数 石灰剂量 粉煤灰用量一定 石灰剂量 干缩系数和温缩系数 排序石灰土 石灰砂砾 石灰粉煤灰 二灰稳定砂砾 耐久性 稳定性 抗冻性有较石灰稳定类有显著的改善 温度收缩系数比石灰稳定类有所减小 二灰土收缩性虽小于石灰土和水泥土 但仍具有相当的干缩变形 不允许应用于高等级道路的上基层 四 稳定类材料组成设计 根据对某种稳定材料规定的技术要求 选择合适的原材料 掺配用料 需要时 确定结合料的种类及剂量以及混合料的最佳含水量 设计要达到的目标 满足设计强度要求 抗裂性达到最优 且便于施工 设计的基本原则 结合料剂量合理 尽可能采用综合稳定 集料有一定级配 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 拟定混合料配合比 1 选定不同的稳定剂剂量 制备同一种土样的混合料试件若干个 2 通过击实试验确定混合料的最佳含水量和最大干密度 3 按规定压实度计算混合料试件应有的干密度 4 按最