水泥综合稳定砂砾基层材料.doc

目 录第一章 绪论11.1 课题的提出及研究意义11.2 国内外研究概况21.3 本文研究内容及技术路线8第二章 研究方案和试验方法102.1 研究方案102.2 试验方法11第三章 半刚性基层设计参数力学分析183.1 基层性能要求183.2 现行技术指标193.3 基层设计参数敏感性分析试验方案203.4 基层力学设计参数敏感性试验分析233.5 本章小结28第四章 混合料配合比设计方法研究294.1 现行规范设计方法304.2 集料级配组成及含量研究324.3 体积设计法344.4 体积设计法计算示例364.5 本章小结39第五章 水泥石灰粉煤灰稳定砂砾基层抗裂性能研究405.1 原材料性质分析405.2 混合料组成415.3 强度特性425.4 刚度特性455.5 抗冻性能46 5.6 干燥收缩性能485.7 温度收缩性能555.8 抗裂性能评价595.9 本章小结63第六章 掺引气剂水泥稳定砂砾材料抗裂性能研究646.1 引气剂应用概况646.2 试验方案656.3 强度性能676.4 刚度性能696.5 抗裂性能评价716.6 本章小结73第七章 主要结论与展望747.1 主要结论747.2 展望75参考文献76内 容 摘 要水泥稳定类砂砾基层具有强度高、造价低廉、原材料来源广等优点，能够很好地适应当前西部的交通条件、自然条件和经济条件。但在使用中普遍存在抗裂性能较差的缺点。本文通过理论分析和大量的室内试验，对水泥稳定类砂砾材料抗裂性能进行了系统研究。本文采用正交敏感分析方法，结合半刚性基层沥青路面典型结构，深入分析了基层力学设计参数的技术要求，提出了半刚性基层材料合理厚度和模量范围。并在满足此技术要求的前提下，提出了水泥综合稳定砂砾和掺外加剂两个主要措施。并且在混合料配合比设计时，按密实原则提出了新的配合比设计方法。对水泥综合稳定砂砾和掺外加剂水泥稳定砂砾材料进行了系统研究，深入分析了材料的力学性能和收缩规律。在抗裂评价时，不仅使用了基于应变控制的收缩抗裂系数评价指标，还采用了基于断裂力学的韧度评价指标，全面分析评价了材料的抗裂性能。关键词：水泥综合稳定砂砾基层 收缩机理 抗裂性评价指标正交设计 配合比设计 引气剂 AbstractDue to many benefits of cement-stabilized gravel base, good strength, low cost, wide source, it is widely used in West of China. However, reflective cracking is its drawback. With laboratory test and theory analysis, anti-cracking property of cement-stabilized base is systematically studied in this paper. With orthodoxy design, based on typical structure of semi-rigid based asphalt pavement, mechanics design parameter is thoroughly studied. And reasonable resilient modulus and thickness ranges of semi-rigid base materials are concluded. This paper proposes two ways to solve the problem of reflective cracking, multi-stabilized gravel and mixing AE (air-entraining) admixture. In the process of mixture design, a new design way is presented, which follows principle of max density. Through systematical study on these kinds of materials, some rules were found. Not old evaluation indexes on strain are only used, but also rupture mechanics theory is used in the process of anti-cracking evaluation. Anti-cracking evaluations of multi-stabilized gravel base and mixed AE admixture cement-stabilized base are deeply discussed in this paper. Key words: Multi-stabilized gravel base; Shrinking mechanism; Evaluation on anti-cracking performance; Orthodoxy design; Mix design; AE (air-entraining) admixture 第一章 绪论1.1课题的提出及研究意义为适应和促进国民经济发展,我国在近几十年开展了大规模的交通基础建设，给广大人民群众的日常生活和生产带来了极大的方便，产生了巨大的经济和社会效益。截止2002年底，我国高速公路通车总里程已达到2.52万公里,跃居世界第二位。目前我国高等级公路建设中普遍采用无机结合料稳定类的半刚性基层。半刚性材料之所以被越来越多地为道路基层使用，主要有以下几个原因：首先,车辆轴载增加和交通量的增大对路面的承载能力要求越来越高,以水硬性无机结合料处治粒料和处治土形成的半刚性材料更能适应现代交通对道路基层的要求；其次，虽然早期采用优质的级配碎石和级配砾石作为道路基层性能良好，但是，随着建筑业对原材料的需求，优质石料的来源日益减少。采用水硬性无机结合料处治各类材料时，可以使用原先不能使用的质量较差的石料，甚至可以就地取土。这样就可以避免大量远运优质石料；再者，半刚性基层材料与以前使用的道路基层材料相比有着更大的灵活性和适应性，例如：用水泥处治的半刚性基层材料，其七天的无侧限抗压强度可以随着水泥剂量的变化达到 1 MPa6MPa 。我国自开始修建半刚性基层沥青路面以来，经过大量的科学研究和工程实践，解决了很多关键问题。虽然半刚性基层材料具有以往基层材料无法比拟的优点和广阔的使用前景，但是在道路的实际使用过程中还是出现了不少问题，主要是水损害和裂缝。在交通荷载和环境的双重作用下，这种结构形式的路基和路面都出现了不同程度的收缩和开裂。并且干缩和温缩共同作用所生成的基层裂缝还反射到路面，破坏路面整体结构。裂缝的存在不仅使车辆行驶质量下降，而且也破坏了路面结构整体性和连续性,并在一定程度上导致结构强度的削弱（如裂缝处弯沉增大，路面回弹模量降低等）。无论是沥青路面还是水泥路面在路面面层出现裂缝后，表面水都不可避免地通过面层上的各种缝隙进入道路结构层中。而且由于蒸发困难，进入结构层的水分往往难以及时的排出，这些停留在面层与基层之间的水分使得基层局部变得潮湿以至于接近饱和。这样在大量行车荷载反复作用下会导致路面强度大大降低，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青路面破碎，加速沥青路面的破坏，从而影响公路使用质量和寿命。虽然经过从“七五”开始至今的长期研究工作，人们对道路面层的裂缝机理有了深入的认识。但是至今，仍然没有找到有效的方法阻止路面裂缝的产生。为了使道路能够达到其设计使用寿命并在使用寿命中为车辆提供良好的服务，通常所能做的只有尽量的减少或延迟路面的开裂。但在裂缝出现之后，路面各结构层在水分的浸入下仍然可能进一步遭受破坏。面对这种情况，很多研究机构开展了对贫混凝土基层和沥青稳定碎石基层的研究。以期采用新的基层材料和结构来根本解决裂缝问题，真正提高路用性能。姑且不论这些新型材料在实际推广中会遇到哪些新问题，这些材料必定会大大增加修筑成本。在当前西部大开发和县县通公路的背景下，道路修筑成本是一个无法回避的问题。高等级道路的水泥稳定类材料，尤其是水泥稳定类砂砾基层，能够很好的适应当前西部的交通条件、自然条件和经济条件，是一种比较合适的选择。因此系统研究水泥稳定类砂砾基层材料的力学特性和收缩特性，掌握其力学强度和缩裂规律，提出科学有效的防治措施，可以进一步改善其不足，对我国的公路建设事业具有重要意义。1.2国内外研究概况水泥稳定类砂砾基层的裂缝主要源于温度收缩、干燥收缩和疲劳荷载作用。公路设计者早已认识到提高其抗裂性的重要性，因为基层的开裂很有可能引起沥青面层的反射裂缝。但是多年的实践表明，即使是用干缩性小的水泥稳定粒料铺筑的基层，如果设计时考虑不周全，施工时处理不当，或施工完成后没有进行及时的养生，也会产生一般间距为5m10m的横向收缩裂缝。在沥青路面的使用过程中，裂缝会逐渐向上扩展并通过沥青面层出现在表面，形成反射裂缝。另外，水泥稳定类砂砾基层内部温度变化产生的温度应力与行车荷载应力相结合，也会促使基层开裂。这种开裂自然也极有可能引起反射裂缝。因此，在研究道路裂缝时，必须充分考虑影响基层使用品质的内在与外在因素，即材料的配合比组成和所处的温度、湿度等，科学地进行抗裂设计研究。进而在施工质量得到充分保证的前提下，可以在一定程度上消除或减少反射裂缝。1.2.1裂缝产生机理在水泥稳定类砂砾基层沥青路面结构中，由于基层材料是水硬性材料，在失水干燥的过程中会产生收缩，进而产生收缩应力。同时，在温度变化过程中，会在其内部产生温度应力。在干缩应力和温度应力的共同作用下，水泥砂砾基层中会产生裂缝。随着温度和湿度的变化，基层中的裂缝会扩展或缩小。在交通荷载的作用下，会使裂缝竖向错动。在温度与交通荷载综合作用下，会使裂缝逐渐向上层延伸，逐渐贯通整个沥青面层，最终形成反射裂缝，如图1-1所示。有关研究表明：温度和干燥收缩应力引起反射裂缝的产生与最初的发展；荷载应力则主要加速裂缝的发展。 图1-1 裂缝产生和发展示意图根据裂纹面的位移方式，可将裂纹分为三种类型：张开型或拉伸型（图）。该类型的裂纹张开位移对称且垂直于断裂面；滑移型或面内剪切型（图）,撕开型（图），该类型的裂纹面切向位移分别垂直或平行于裂缝尖端。图1-2 裂纹的类型从图1-2可知，在半刚性基层沥青路面中，基层的温度和干燥收缩应力导致产生型裂纹，行车荷载导致产生型裂纹。基层的温度翘曲应力对型裂纹的产生有一定的贡献。Rigo等人的研究表明，温度和干燥收缩应力作用下的反射裂缝的扩展路径几乎是垂直向上扩展；在偏荷载作用时，裂缝是沿45角的方向向上扩展；在行车荷载和收缩应力共同作用时，则介于上述两者之间。同时，Brown和Caltabiano等人的室内实验表明，正荷载作用时，裂缝是垂直向上扩展。综上所述，路面中反射裂缝的断裂型式是型和型的复合。影响反射裂缝出现的原因有很多，如路面材料韧性、路面结构组合设计、材料的配合比设计以及施工和养护等方面，也包括诸如强度和韧度的随机性、材料的粘弹性等因素的影响。具体而言，影响反射裂缝的因素主要有：基层与沥青面层之间的层间粘结状况；基层的性能参数，包括厚度、级配、模量、强度和刚度等；沥青面层结构参数与材料参数等。1.2.2力学分析研究现状对反射裂缝的力学分析主要有四种方法：以弹性理论为基础的静力学分析法、有限元分析法、断裂力学法和钝滞断裂带分析法。静力学分析法以ARE（Austin Research Engineers）法为代表。它采用弹性理论分析反射裂缝。NFCoetzee和CLMonismith利用有限元方法分析有无橡胶沥青的加铺层中裂缝附近的应力，并分析橡胶沥青的厚度和劲度等许多变量对应力影响。Diyar Bozkurt建立三维有限元模型分析反射裂缝的应力情况，以进行加铺层设计。Majidzadeh最早应用断裂力学理论研究沥青混凝土抵抗裂缝能力，将沥青混凝土制作成小梁，用MTS仪器以半正弦波加载，以观察裂缝发展情况。不过当前的力学分析和试验大都局限于面层对裂缝扩展的敏感性，在试验时仅仅采用面层材料，对基层材料设计并无太大现实意义，这一点可以从上面的试验简述中看出。1.2.3 收缩规律研究现状国内外公路部门对水泥稳定类材料的干缩和温缩性能已经进行过大量的研究，得出了对设计和施工方面有益的结论，现总结如下：半刚性基层材料的收缩类型主要有干燥收缩和温度收缩。干燥收缩就是半刚性材料内部水分损失导致材料的体积收缩现象；温度收缩是材料在较大温差和温差反复作用下产生的体积收缩现象。其中，干燥收缩在国内外均有一定的研究。国内一般指出，半刚性基层材料的干燥收缩性能主要是受土质情况、压实度和含水量等因素的影响。减少干燥收缩应变的措施有：用塑性指数较低的土、掺加一定的集料和降低含水量等。美国的George、澳大利亚的R.E.洛林斯等认为，水泥稳定土干缩与下述因素有关：结合料的类型和剂量、被稳定土的类别、粒料的含量、小于0.5mm的细土含量和塑性指数、小于0.002mm的粘粒含量和矿物成分、室内试件含水量和龄期等。关于温度收缩，国外鲜有相关文献。在国内，张洪华通过对水泥稳定细粒土、水泥稳定中粒土和粗粒土的温缩性的研究，表明：（1）稳定粒料土的温缩系数明显小于稳定细粒土的温缩系数；（2）影响稳定粒料土温缩系数的主要因素有粒料土中粒料或土的含量；（3）水泥剂量对水泥稳定粒料土的温缩性影响显著；（4）在4种半刚性基层材料即石灰土砂砾，悬浮式石灰粉煤灰粒料、密实式石灰粉煤灰粒料和水泥砂砾中，水泥砂砾的温缩性最小。长安大学张登良、郑南翔教授对多种半刚性材料的温缩性、干缩性进行了系统研究。对多种半刚性基层材料分别在饱水状态、最佳含水量状态、半风干状态、风干状态和烘干状态等五种不同状态做了电测法实验，得出了一些重要结论：（1）水泥稳定材料基层中掺加集料，可以明显降低温缩性和干缩性；（2）水泥稳定粒料类的温缩性和干缩性小于石灰粉煤灰稳定粒料的温缩性和干缩性，也小于石灰稳定粒料类的温缩性和干缩性；（3）水泥最大剂量不宜超过6%。（4）对于烘干试件，温缩系数随龄期增大而不断增大，初期增大较快，后期增长较慢。（5）温度收缩最不利情况是：接近最佳含水量状态并在010温度区。（6）封闭状态下各种半刚性材料的温缩系数明显小于自由状态下的值。1.2.4.防裂措施研究现状国内外对防裂措施的研究主要在于以下三个方面：一、材料组成设计1.结合料种类对于水泥稳定类砂砾材料，就收缩性能而言，存在着一个最佳水泥范围。一般认为水泥剂量超过6%时，会导致干缩和温缩系数大幅度增长。很多研究试验表明，当水泥剂量在3%6%时，其收缩性能没有明显的差异。对于半刚性材料，应提倡综合稳定，用粉煤灰代替部分水泥，可以抑制材料体积的部分收缩。2.集料级配及含量对于集料级配问题，在水泥稳定碎石和二灰稳定碎石材料中研究得比较多。而对于水泥稳定类砂砾材料，研究相对较少。因此参见稳定碎石方面的资料对我们的研究思路还是大有裨益的。重庆交通学院杨锡武、梁富权等认为，应综合考虑混合料的强度、施工操作性和经济性。粒料比例除影响混合料强度外，还影响其收缩特性，粒料比例过大则施工中易出现离析现象，粒料比例太低则容易产生收缩裂缝，因此确定水泥（石灰）粉煤灰混合料中粒料的最佳比例范围，对保证其强度和良好的抗收缩性是必要的。综合粒料比例对强度的影响，以及实际使用中粒料的比例经验，水泥（石灰）粉煤灰混合料粒料最佳比例范围是70%左右。这个比例既保证混合料具有足够强度，又使混合料具有良好的抗收缩能力，减少收缩裂缝。同济大学林绣贤教授基于80年代实践经验提出如下观点：针对石灰粉煤灰或水泥石灰粉煤灰稳定碎石类，其材料组成可采用填充理论，同时还需解决石灰粉煤灰的合理比例。他认为：首先，集料的最大粒径D以不大于结构层厚度之一半为原则。其次，此类结构中既要充分发挥无机结合料的稳定作用，又要使填充料有充分压实的机会，因此集料刚好靠拢。密实的无机结合料稳定材料填充于骨架空隙中。骨料太多，无机结合料填充料不能充分压实，总容重虽大，但强度不能发挥；骨料太少，则骨料悬浮于无机结合料稳定材料中，骨料不起作用，性质仍与无机结合料稳定类接近，刚度大、干温缩大、易于开裂。因此骨料的合理含量要根据实际材料计算，骨料空隙部分即为密实的结合料含量。关于石灰与粉煤灰比例，以1：31：4为最好，但石灰在混合料中含量也不得低于5%。随着重型振动压路机在道路施工中的应用，哈尔滨建筑工业大学王哲人教授提出了二灰碎石混合料的紧密骨架结构模型。他认为以前的二灰碎石结构模型概括为“松排骨架，紧密填充”，而当时基层施工都是采用静态碾压，在室内一律采用击实或加压成型。因而在二灰碎石中集料的用量，在一实方混合料中最多为一松方，压实后的混合料，集料刚刚靠拢而不密实，作用不是很明显。而周晓龙等也提出由于目前在基层施工过程中普遍采用重型振动压路机，因而二灰碎石的组成符合紧密嵌挤骨架密实结构，突破松排骨架中集料的用量极限，减少收缩系数以提高混合料的耐裂性，再以具有振动状态下最大干密度的结合料来填充集料间的空隙，以最少量的填隙获得最大的填隙率，得到混合料的最大密实度，从而达到混合料最好的力学性能，提高半刚性基层各方面的性能指标。长安大学的戴经梁教授、蒋应军博士等通过大量试验也认为，骨架密实结构能显著减小半刚性基层的收缩量，增大其抗裂系数50%左右。该种方法不会增加公路建设费用，抗裂效果显著。可以看出，目前由于大吨位振动压路机的使用，许多学者都认为集料颗粒在混合料中应该从以前的松散排列向紧密骨架结构过渡。二、外加剂目前主要是各种膨胀剂（膨胀水泥）或减缩剂的使用。中国的一些援外工程实践表明，在水泥稳定粒料中掺入减水剂，可以减小水泥稳定粒料基层的修建初期因含水量的散失而引起的干燥收缩。东南大学在研究二灰碎石抗冻外加剂时，也意外的发现引气减水剂不仅对材料抗冻性有好处，亦可提高材料的韧性，增加抗裂性能。膨胀剂则分为五大类：硫铝酸盐类、氧化钙类、氧化镁类、氧化铁类和发泡类，其中硫铝酸盐类应用最广泛，它产生膨胀的原因是由于硫铝酸钙水化物（钙矾石）的生成，其反应公式为： （1.1）目前膨胀剂广泛应用于早强混凝土、补偿收缩混凝土与自应力混凝土压力水管等，都取得了很好的社会和经济效益。在水泥稳定粒料基层中，膨胀剂作为种缓解水泥基层收缩开裂现象的外加剂，在安徽等省份正逐步得到应用。 三、施工技术及措施（1）含水量是造成干燥收缩的主要原因之一。水泥稳定类砂砾基层碾压时的含水量越大，干缩越严重。或由于养生不善，导致基层材料时干时湿，甚至长时间曝晒都会导致半刚性基层的早期开裂。因此半刚性基层施工过程中及施工完毕后有效养护是保证半刚性基层不出现或少出现早期开裂的必要手段。（2）压实较密的路段与压实较小的相比，不易产生干燥收缩，因此建议采用重型压实标准。（3）让基层在施工过程中产生很多的微细裂缝。外国学者认为微细裂缝的传荷能力好，也不会反射到路面，而且人工创造的微细裂缝网会大大减轻甚至完全消除宽缝的出现。在水泥稳定材料结硬过程中，捷克斯洛伐克用反复碾压的方法人为地创造微细裂缝网；科威特在新铺的水泥土基层上用重型钢轮压路机碾压，故意使水泥土基层预先开裂；在法国，目前正在研究的方法是在水泥稳定基层的下部2/3内每隔2m安置一块波纹状塑料诱发横缝板，板的形状能保证裂缝有良好的传荷能力。（4）让基层先开裂。美国密西西比州曾在水泥砂粘土基层一部分试验段完工后一个星期才铺筑沥青表面处治，在此期间试验段已完成开裂，一年半后的调查显示有一定的效果。匈牙利也做过类似的成功试验路。（5）调整水泥稳定基层的施工时间。波兰的道路工作调查研究表明：水泥稳定基层内产生的裂缝与基层施工时的温度和年温度梯度或多年的温度梯度有密切的相关性，在高温季节施工的水泥稳定基层经过冷季节后产生收缩裂缝，而在低温条件下施工的水泥稳定基层经过热季节后却产生膨胀性的裂缝。因此应该根据当地的气候条件，合理安排基层的施工时间。（6）加厚沥青面层：采用较厚的沥青面层，一方面可以增加路面结构的弯曲刚度，减少层内的弯曲应力和剪切应力；另一方面，裂缝从底面反射到顶面需要经历的距离变长，这样可以延长路面的使用寿命。国内外的一些代表性工程实践表明采用较厚的沥青面层对延缓裂缝的反射有较好的作用，比如，京津塘高速公路采用1520cm；日本东名高速采用2530cm；奥地利Brenner高速公路采用40cm，均取到了较好的效果。但很突出的是采用这种方案的经济代价高。而且，沥青面层达到一定厚度后，防止反射裂缝的效果不明显，在高温时易产生车辙。（7）应力吸收层：通常采用由橡胶沥青混合料组成的高弹性低劲度夹层，厚度为10mm50mm，模量约为10Mpa100MPa。其作用是改善沥青面层和基层的层间结合状况。主要减少由于温度引起的反射裂缝，同时也减少应力集中现象，减少来自荷载作用产生的应力。（8）土工织物：采用聚丙烯或聚脂织物和聚乙烯、聚丙烯或聚脂无纺织物及玻璃纤维等。置于沥青层底，对沥青混凝土起着加强的作用，而且也是一种防水层。所用粘层沥青必须能填充织物的孔隙。当基层接缝较宽，又没有填封，便不会有足够的沥青渗入织物，织物也就起不到防水的作用。土工织物的物理力学性质如抗腐蚀、耐热、抗拉强度顶破与撕裂强度及变形特性等也应满足路用性能的要求。从我国公路建设实践来看，玻璃纤维织物的效果比较好。（9）沥青碎石结构层：即粗开级配沥青碎石混合料结构层。该层可以作为沥青面层的下面层。在美国，沥青碎石层约为90mm厚，100%为碎石材料，且混合料中含有25%至35%的连通孔隙。正是由于空隙率大，使得发生在基层的接缝或裂缝处的竖向相对位移通过该层时不能很快传递到最上面的沥青层。从而减少反射裂缝产生的可能性或减缓反射裂缝的发展速度。设置该结构层时，应设置完善的路面排水系统。1.3 本文研究内容及技术路线1.3.1 研究内容本文的研究立足于提高水泥稳定类砂砾材料的路用性能。从力学分析着手，结合半刚性基层沥青路面典型结构，深入分析了基层厚度和模量的技术要求，提出基层设计参数的改善目标。并在满足此技术要求的前提下，提出了改善混合料设计方法和掺外加剂两个主要措施。本文对天然砂砾材料采用综合稳定，并按密实原则提出了新的配合比设计方法；并对掺引气剂的水泥稳定砂砾材料开展路用性能研究。着重考察了材料的收缩性能及抗裂评价指标。具体内容如下：1. 搜集并分析国内外相关资料，确定研究方案和试验方法；2. 针对目前的半刚性基层沥青路面典型结构，采用正交敏感性分析试验方案，对基层设计参数进行力学分析；3. 配合比设计方法研究；4. 原材料性质的测定与分析；5. 按新的配合比设计方法设计水泥石灰粉煤灰稳定砂砾材料，并验证其路用性能；6. 掺引气剂的水泥稳定砂砾材料路用性能研究；7. 开展半刚性材料抗裂评价指标研究。除采用干缩抗裂系数及温缩抗裂系数为评价指标外，还提出基于断裂力学的材料断裂韧度为评价指标，考察材料对裂缝扩展的敏感性。1.3.2技术路线本文研究采用理论分析与试验研究相结合、室内试验与现场试验相结合、试验工程与一般调查总结相结合的技术路线。（1）理论分析与试验研究在对水泥石灰粉煤灰稳定砂砾材料的强度机理、收缩规律、抗裂评价等方面内容进行研究时，以理论作为试验的依据和指导，并通过试验给出研究成果及对理论分析的验证。（2）室内试验与现场试验相结合在进行大量的室内试验基础上，进行现场试验，考察室内试验成果的实用性，从而对室内试验成果工程应用进行检验、修正和扩充。（3）试验工程和一般调查相结合在开始试验测试、总结材料组成、结构设计、施工技术等经验和问题的同时，进行大量的国内外研究成果检索，分析借鉴国外现有成熟的设计方法、施工经验及使用状况。第二章 研究方案和试验方法本文的研究立足于提高水泥砂砾材料的路用性能。先从力学分析着手，提出基层设计参数的改善目标。而后从改善混合料设计方法和掺外加剂两个方面着手，详细研究材料各项路用性能指标的变化。并着重研究了材料的收缩性能及抗裂评价指标。2.1研究方案2.1.1半刚性基层设计参数力学影响分析1. 分析现行规范对半刚性基层的力学要求；2. 采用正交敏感性分析试验方案，提出半刚性基层设计参数改善目标，得出合理的半刚性基层厚度和模量范围。2.1.2试验所用原材料的选取及性质分析1. 材料的选取 本文以水泥石灰粉煤灰稳定砂砾基层（以下简称为CLFG）和掺引气剂的水泥稳定砂砾基层为研究对象。考察新的配合比设计方法和外加剂对水泥砂砾基层的强度、刚度、抗冻性、收缩和疲劳等性质的影响。2. 原材料的采集试验所采用的砂砾为天然砂砾，来自于西安灞桥。水泥为秦岭水泥，陕西耀县水泥厂出品；引气剂为中国水利水电第三工程局施工研究所(中心试验室) SK-1型号。3. 原材料性质分析集料的物理力学性质；水泥、石灰和粉煤灰的物理化学性质。2.1.3配合比试验对于CLFG（水泥石灰粉煤灰稳定砂砾）共采用四种配合比的材料进行力学强度和收缩性能的试验。I：常规中限：采用规范中限级配，结合料与集料的比例按规范设计法，由击实确定；II：CLFG上限：采用规范上限级配，结合料与集料的比例按体积设计法确定。即集料的含量由骨架振实密度确定，结合料剂量由骨架振实空隙率计算得出。（第四章详细阐述了体积设计法的流程）；III：CLFG中限：采用规范中限级配，结合料与集料的比例按体积设计法确定；IV：CLFG下限：采用规范下限级配，结合料与集料的比例按体积设计法确定。对于掺引气剂的水泥稳定砂砾材料，为了突出考察外加剂的作用，砂砾采用规范推荐的级配中限。其结合料与集料的比例按规范设计法，由击实确定。2.1.4力学性能试验1. CLFG和掺引气剂水泥稳定砂砾的强度及刚度试验。主要为无侧限抗压强度及其回弹模量，劈裂强度，抗弯拉强度及抗弯拉模量；2. CLFG和掺引气剂水泥稳定砂砾的抗冻性能试验；3. 60d龄期的疲劳试验。2.1.5收缩性能试验及抗裂机理1. CLFG及掺引气剂水泥稳定砂砾材料7d、28d龄期的干缩试验及机理分析；2. CLFG及掺引气剂水泥稳定砂砾材料7d、60d龄期的温缩试验及机理分析。2.1.6抗裂评价指标1. 采用干缩抗裂系数及温缩抗裂系数为评价指标；2. 采用断裂力学中材料断裂韧度为评价指标，考察材料对裂缝扩展的敏感性，并作出定量评价。2.2 试验方法2.2.1 半刚性基层材料物理力学指标测试一、材料性质分析本次试验按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTJ057-94）中有关规定进行，采用重型击实标准确定混合料的最大干密度和最佳含水量。二、力学性质试验试件均按最大干密度和最佳含水量以试件容量控制，采用静力压实法制备。在养生室常温湿气养生。无侧限抗压强度试验、间接抗拉强度试验、抗压回弹模量试验、冻融试验均采用15h15cm试件；收缩试验、抗弯拉强度及抗弯拉模量试验采用101040cm的梁式试件。1.无侧限抗压强度试验将饱水24h后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上，使试件的形变以约1mm/min的等速率增加进行抗压强度试验。资料的整理分析时，抗压强度RC按下式计算： RC=P/A=0.0566P（MPa） （2.1）式中：P试件破坏时的最大压力（KN）；A试件的截面积，A=d2/4，d为试件的直径（cm）。2.间接抗拉强度试验将养生至规定龄期且饱水24h后的试件放到路面材料强度试验仪升降台上，然后在试验过程中，保持使试件的形变约1mm/min的等速率增加进行劈裂试验。劈裂强度Ri按下式计算： （2.2）式中：试件破坏时的最大压力（KN）；H试件高度（m）。3.抗压回弹模量试验本试验按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTJ057-94）中有关顶面法规定进行试件抗压回弹模量测试。4.冻融试验半刚性基层材料的冻融循环试验目前还没有统一的实验规程。材料的抗冻能力可以用经受冻融循环的次数和经受一定次数冻融作用的强度损失来表征，但是这些指标与冻融方法有关。将养生至规定龄期的试件饱水一昼夜后，在-20冰箱内冻16h，取出放在20水中融化8h，此为一循环，经5次冻融循环后的饱水抗压强度与未经冻融循环的试件饱水抗压强度的比值称为抗冻系数，即：5.抗弯拉强度试验试验在MTS850 材料试验机上进行，采用三分点加载测试。按下式计算抗弯拉强度Rw：图2-1 抗弯拉强度试验示意图 (2.3)式中: 试件破坏时最大压力（N）； 试件长度（mm）；试件宽度（mm）。6.抗弯拉模量试验抗弯拉模量可以通过直接或间接的方法测得。本次试验采用间接的方法，即通过测试试件的挠度来反推抗弯拉回弹模量。到达规定龄期时，在MTS材料试验机进行三分点分级加载，测定压头两端两个加力点的分级挠度（图2-1）。 其步骤如下：（1）将试件妥放在支座上，成型时的侧面朝上，压头及支座线垂直于试件中线且无偏心加载情况。而后缓缓加上一定压力，停机检查支座等各接缝处有无空隙（必要时加金属薄垫片）,应确保试件不扭动。（2）取抗弯拉极限荷载平均值的50%为抗弯拉弹性模量试验的荷载标准（即）。进行5次加卸荷载循环，由一定压力起，以一定速度（本次试验为1kn/min）加荷，至处保持压力约60s，此时的挠度即为。而后继续加荷至，保持60s，此时的挠度为。再以同样的速度卸载至初始压力，保持60s，为第一次循环。（3）同第一次循环，共进行5次循环，取第五次循环的挠度值为准。如第五次与第四次循环挠度值相差大于0.5时，须进行第六（七、八、）次循环，直到两次相邻循环挠度值之差符合上述要求为止，取最后一次挠度值为准。（4）当最后一次循环完毕，继续加荷直至试件折断，记下循环后极限荷载，观察断裂面形状和位置。如断裂面在三分点之外，则此根试件试验结果无效；如有两根试件结果无效，则该组试验作废。由简支梁三分点加载的施力点挠度公式反推出抗弯拉回弹模量（Mpa）的计算公式： (2.4) 其中： (2.5) 其中：终荷载及初荷载（N）； 试件底部两个支点之间的跨距（mm）； 测定的压头两端两个加力点的挠度（mm）； 试件断面转动惯量（mm4）； 试件高度（mm）； 试件宽度（mm）。2.2.2半刚性材料收缩系数测定实验方法温缩系数和干缩收缩系数均采用振弦传感器测定。振弦式传感器测试原理源于20世纪30年代，适用于应变测量系统。它利用振弦的固有频率同振弦受力之间的对应关系进行测量，容易达到比较高的准确度。振弦式传感器输出的是频率信号，抗干扰能力强，可获得非常理想的测试效果。其技术特点非常适用于土木结构物等工作环境恶劣而技术要求又很高的安全监测环境。一、振弦式仪器的工作原理图2-2为振弦式传感器基本工作原理示意图，传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦。图中，X表示横向振动的平衡位置，U表示弦作横向振动时偏离平衡位置的位移。通过解横向振动方程，可得钢弦的振动频率与弦的张力之间的关系为：F= (2.7)式中：F钢弦的自振频率L一钢弦的长度M一单位长度钢弦的质量E钢弦的弹性模量钢弦的长度增量图2-2 振弦式传感器的等效物理模型当传感器安装在试件上后，由于收缩会产生应变。固定在试件上的传感器内部的钢弦也随之松弛或拉紧。由于钢弦的松弛或拉紧，钢弦的内应力发生变化，则使钢弦的振动频率也相应变化。此时，通过测量张紧钢弦的频率变化来计算试件的应变物理量。二、 温度收缩系数测定首先，将养生至预定龄期的被测试件从养生室中取出，在40烘箱中烘至恒重。然后，开始安装传感器的底座，将底座固定在标准杆上。这时，注意两个底座必须在同一轴线上，尽可能地将标准杆处于试件中轴线的位置上。待底座在试件上牢固后，卸下标准杆，换上传感器，夹紧传感器上的螺丝。为了保证钢弦的频率变化在容许范围内，此时最好测量钢弦的频率。如果频率过大或过小，可以调节传感器上的同向螺丝，将测量的初始频率置于零点频率附近，获得较宽的测量范围。待测出的频率值稳定后，再将试件放入高低温试验箱中。接着，按预定开始温度30恒温4h后利用数字式钢弦频率接受仪测试各个传感器的频率。待完成后即以温差T降温，待降至TiTi-1-T后，恒温后开始采集数据，依次类推直到测试温度T-20为此。为了保证每个温度区间内有足够的变化时间，每次降温后，恒温过程为4h。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Ti到Ti+1）测定的材料温度收缩应变相应为i和i+1 ，则该温度区间内平均温缩系数ti。 (2.8)式中：T温差（）；T内应变差；标准材料的温度收缩系数（/）；图2-3 温度收缩试验三、干燥收缩系数测定将养生至预定龄期的试件饱水24h，然后取出并用干毛巾擦掉表面的水分。接着安装传感器，其方法及注意事项与温缩试验完全相同。如果因为某种因素，致使试件安装传感器到试件被放入恒温箱这段时间间隔过长，须用薄塑料纸包裹试件，以免水分过量散失。相同配比的3个试件为一组，其中两个安装传感器，一个用来在规定的时间称量重量，以反映含水量的变化。注意称量时应该小心翼翼，以防掉渣，影响精度。这一测试方法有一个假设的理论前提：即近似认为相同配比、相同水泥剂量的3个试件的饱水含水量和含水量的散发速率是完全相同的。为了使试件能够自由伸缩，将它们竖直置于恒温箱中。为了保证试件在各个方向的含水量散失速率基本相同，试件的搁置方式必须一致，并使各个试件之间的间距大致相等。安装好传感器后，关上透气孔，以防水分过量散发，之后关闭箱门并将恒温箱的温度设定为40。2小时左右后，试件已恒温，这时开始测量试件的初始干燥收缩及相应含水量。测试的安排如下：从开始测试算起，前24小时内每1小时测一次应变值和相应含水量；之后间隔4小时测一次读数和相应含水量，直至连续三次含水量恒定为止；然后间隔12小时测最后一次。本试验称重时尽可能采用精度较高的台秤。同温缩测试相同，为了使实际测量时各方面不可避免的因素引起的随机误差对相同龄期不同配合比、不同水泥剂量的同一批试件的测试精度的影响（即方差）基本一致，尽量将相同龄期的一批试件一次性地进行测试，这样测量数据才更具有可比性。干燥收缩系数d指每单位含水量变化时的应变值，故取每两次测定的含水量wi、wi+1及计算得出的应变i、i+1，进行计算可得i。 （2.9）将di近似认为是在含水量wi和wi+1之间的干燥收缩系数，即用平均值代替真值。第三章 半刚性基层设计参数力学分析3.1 基层性能要求随着交通量的迅速增加和重载交通的日益增多，从路面结构角度来看传统的单一粒料基层己不能适应重载交通的需要，采用以水泥、石灰、粉煤灰为稳定剂的基层路面结构日益增多。基层刚度的提高使沥青路面结构发生了重大变革，而刚性路面也有向塑性化发展的趋势。刚柔分隔的局面正在被打破，刚柔结合的路面结构己成为路面结构发展的方向。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。半刚性材料修筑沥青路面结构的基层和底基层已得到普遍的推广和应用。据统计，我国90%以上的高等级公路沥青路面的基层和底基层均采用了这种材料。半刚性基层沥青路面具有强度高、造价低、整体性强、水稳性好等优点。但它的不足之处也同样明显：脆性大、抗变形能力差。半刚性材料对周围环境温度和湿度变化比较敏感，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。当裂缝反射到路面时，会加剧路面的破坏，缩短路面的使用寿命。因此，必须给予足够重视，采用合理的结构层次、合理的基层厚度和模量、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。这样才能使半刚性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，使其在技术上更合理、经济上更有效。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。为此需要对基层在强度、刚度和水稳定性等方面提出要求。当然不同的路面结构型式，对基层的指标要求不尽不同。在半刚性基层沥青路面结构层中，基层的刚度较大，是主要的承重层，所承受的拉应力也较大，通常有以下几个方面的要求： 1.具有足够的强度和刚度，能够承受车轮荷载的反复作用。在设计使用次数轴载的作用下，基层不应该产生过大的残余变形，更不应该产生剪切破坏或弯曲疲劳破坏。 2.良好的水稳定性。从路表进入或路基渗入基层中的水不会引起基层整体性、强度和刚度明显的下降，并且在冬季有一定的承受冻融循环作用的能力。 3.足够的抗冲刷能力。停留在基层和面层结合部位的水份在行车荷载作用下形成流动的水压力，对基层产生冲刷作用，基层对这种冲刷必须有足够的抵抗能力，从而不出现严重的卿泥现象。 4.比较小的收缩量。如果因温度和湿度变化而引起基层过大的收缩并出现裂缝后，这种裂缝很容易在面层上形成反射裂缝，因此希望基层收缩系数较小。由此可知，在用作路面基层时，半刚性材料必须具有良好的力学性能、水稳定性能、耐久性能、抗收缩性能等。 3.2现行技术指标我国公路沥青路面设计方法采用1997年由交通部发布的公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）。规范规定：“根据设计弯沉值计算路面厚度，对高速公路、一级公路及二级公路的沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层，验算拉应力是否满足容许拉应力的要求。”现行沥青设计规范的核心是路表弯沉。自1978年引进后，一直沿用至今。期间虽然经历了从容许弯沉到设计弯沉概念的改变，并引入了面层和基层底面拉应力作为验算指标，但弯沉作为设计控制指标的本质并没改变。将弯沉作为设计指标的原因在于，我国研究者认为弯沉指标是一项不仅能够反映路面各结构层及土基的整体强度和刚度，而且与路面的使用状态存在一定联系的指标。控制弯沉的大小是为了防止路面发生沉陷、弹簧、网裂等因综合强度不足所导致的损坏。不采用国外一般使用的土基压应变指标的原因在于压应变难以测定，而且认为路表弯沉值实际上包括了土基和各层材料的竖向变形在内，相对于土基压应变而言更为全面。实际上，路面结构发生破坏的决定因素是各结构层和土基的应力或应变状态，各结构层强度，以及使用性能要求等。而各结构层和土基的应力或应变状态虽然也同路面结构整体刚度有一定的关系，但受路面各结构层间的厚度和刚度组合影响更大。而现行公路路面基层施工技术规范中对于半刚性基层材料应用于高等级公路的唯一指标是：混合料7天浸水抗压强度。就其作为基层的受力特性来说是必要的，而且是必须的。但导致了有些施工单位单纯地追求抗压强度，而忽视诸如模量、抗温缩及干缩性能方面的要求。一直以来，由于过于追求满足强度的指标，导致了在材料组成设计、结合料剂量、基层模量方面的忽视。这样设计和施工出来的材料，在温度条件变化、干燥失水以及行车荷载等外部