第6章-无机结合料稳定类混合料

6.无机结合料稳定类混合料

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。广西工学院土木工程系★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——沥青无机结合料——水泥、石灰、工业废渣★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面层基层广西工学院土木工程系★混合料矿质碎（砾）石、或工业废渣等细粒土、中粒土、粗粒土★结合料稳定类技术特性优点：整体性强、承载能力大、较为经济强度和刚度介于刚性混凝土和柔性粒料材料之间材料品种水泥混凝土粒料半刚性材料模量～4×104～102～103缺点：耐久性差、平整度低、易产生干缩裂缝、起尘等广西工学院土木工程系主要内容无机结合料稳定类混合料的技术特性——强度形成机理及其影响因素、收缩特性等无机结合料稳定类混合料的组成设计（实验法

—击实试验、计算法—填充理论）广西工学院土木工程系6.1石灰稳定土

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%广西工学院土木工程系6.0石灰

6.0石灰的生产、消化与硬化1.石灰的煅烧：CaCO3→CO2↑＋CaO（生石灰）①欠火石灰②过火石灰→陈伏2.石灰的消化：CaO＋H2O→Ca(OH)2（

消石灰粉）①水化反应进行速度快②消化时体积急剧膨胀：过火石灰→陈伏3.石灰的磨细——生石灰粉

①提高“过火石灰”的利用率②克服“过火石灰”对体积不安定的危害4.石灰的硬化：Ca(OH)2→结晶硬化碳酸化硬化：CO2＋Ca(OH)2→

CaCO3

石灰不宜在长期潮湿的环境中或有水环境中使用广西工学院土木工程系6.0石灰的品质要求

1）石灰的化学品质⑴f-CaO＋f-MgO含量——判定石灰质量⑵CO2含量2）石灰的技术要求⑴未消化残渣含量⑵细度——活性⑶游离水含量3)石灰的技术标准（教材P191）⑴建材行业标准（JC）：优等品，一等品和合格品⑵道路行业标准（JTJ034－93）：3个等级广西工学院土木工程系6.无机结合料稳定类混合料

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。广西工学院土木工程系无机结合料稳定混合料半刚性基层材料石灰水泥工业废渣砂砾土碎石土矿渣集料细粒土中粒土粗粒土广西工学院土木工程系6.1石灰稳定土

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%广西工学院土木工程系石灰稳定土石灰土石灰集料悬浮式密实式广西工学院土木工程系6.1.2石灰稳定土的技术性质

6.1.2.1石灰稳定土的强度1)强度形成机理——石灰与细粒土离子交换反应石灰自身硬化火山灰反应机械压实广西工学院土木工程系离子交换反应——石灰中Ca++、OH－～土中Na+、K+交换——减薄吸附水膜、土粒聚凝、易于压实1)强度形成机理——石灰与细粒土广西工学院土木工程系石灰硬化——胶结作用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→

CaCO31)强度形成机理——石灰与细粒土广西工学院土木工程系火山灰反应复习反应条件：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1)强度形成机理——石灰与细粒土广西工学院土木工程系1）反应条件⑴具有活性物质：活性SiO2和活性Al2O3⑵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）广西工学院土木工程系机械压实—颗粒靠拢、形成紧密稳定结构总结：初期：离子交换压实作用中、后期：氢氧化钙的结晶和碳酸化反应火山灰反应1)强度形成机理广西工学院土木工程系2)石灰稳定土强度的影响因素

石灰的质量与剂量、土质、养生条件与龄期⑴石灰——质量（活性：f-CaO含量、细度）剂量⑵土——粘土矿物成分（Al2O3、SiO2）比表面积—塑性指数IP

⑶集料

图6-1

⑷含水量——石灰消解、火山灰反应最佳含水量：压实图6-2

⑸养生条件——温度、湿度⑹龄期——时间广西工学院土木工程系图6-1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

广西工学院土木工程系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广西工学院土木工程系3)强度指标⑴抗压强度——无侧限抗压强度配合比设计、施工质量控制⑵劈裂抗拉强度结构计算与验算⑶抗折强度广西工学院土木工程系2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6-3

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、养生条件广西工学院土木工程系3耐久性⑴收缩裂缝⑵水稳定性：软化、冲刷⑶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广西工学院土木工程系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↓

图6-3广西工学院土木工程系广西工学院土木工程系沥青路表翻浆广西工学院土木工程系6.1.3石灰稳定类混合料组成材料的质量要求石灰：3级以上消石灰生石灰(磨细生石灰——高速公路和一级公路)土：塑性指数范围宜为15～20硫酸盐含量不得超过0.8％有机质含量不得超过30％集料：级配碎石、未筛分碎石、砂砾、碎石土、砂砾土、煤矸石、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）最大粒径压碎值水补充知识广西工学院土木工程系6.1.4石灰稳定类混合料的组成设计

6.1.4.1设计要求确定混合料中组成材料比例石灰土：石灰剂量=石灰质量/干土质量石灰集料：石灰：土：碎石（或砂砾）确定混合料的最大干密度γmax和最佳含水量ω06.1.4.2石灰土配合比设计方法（实验法）1）确定石灰土中的石灰剂量2)石灰稳定集料的配合比设计

广西工学院土木工程系步骤1：确定石灰土的最佳含水量和最大干密度

⑴石灰剂量范围的确定

⑵石灰土的击实试验广西工学院土木工程系注：括号中数据为内插值

试件计算干密度＝γmax×压实度（现场干密度/最大干密度）石灰剂量(％)最佳含水量0(％)

最大干密度max(

g/cm3)计算干密度i(

g/cm3)抗压强度R(MPa)518.71.711.640.24（7）（19.4）（1.68）1.610.76920.11.651.581.24（11）（20.9）（1.62）1.561.701321.81.581.522.12击实试验及强度检验结果广西工学院土木工程系步骤2：强度检验

⑴试件计算干密度＝γmax×压实度（现场干密度/最大干密度）

⑵抗压强度试验：试件成型→试件养生→抗压强度表⑶计算强度特征参数

强度平均值：强度变异系数：步骤3：确定石灰剂量⑴计算石灰土的配制强度：⑵绘制强度与石灰剂量关系试验曲线广西工学院土木工程系石灰剂量与试件7d抗压强度的关系曲线广西工学院土木工程系2)石灰稳定集料的配合比设计石灰土：碎石（或砾石）＝1：4按照石灰土强度确定石灰剂量强度测试、记录

广西工学院土木工程系6.2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%广西工学院土木工程系6.2.1石灰粉煤灰稳定土的技术性质

6.2.1.1强度特征⑴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广西工学院土木工程系⑵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⑶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养生温度（℃）203040强度（MPa）A组1.35

-5.85B组1.603.036.78广西工学院土木工程系二、收缩特征⑴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6.7×10-6⑵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↑⑶排序石灰土＞石灰砂砾＞石灰粉煤灰＞二灰稳定砂砾广西工学院土木工程系6.2.1.3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广西工学院土木工程系6.2.2石灰粉煤灰稳定土组成材料的质量要求石灰和粉煤灰:

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）土中土块的最大尺寸≤15mm，有机质含量≤10％集料:最大粒径和压碎值级配补充广西工学院土木工程系6.2.3石灰粉煤灰稳定土的配合比设计⑴目的：确定石灰剂量确定石灰与粉煤灰的比例确定结合料与集料的比例⑵实验法存在问题：工作量大→剂量3×5×2＝15×2个试件试验结果不准确：最大干密度偏小98%96%石灰剂量强度广西工学院土木工程系6.3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、砂砾等广西工学院土木工程系6.3.2水泥稳定类土的组成材料及其技术要求6.3.2.1水泥普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥复习终凝时间较长6.3.2.2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不宜材料：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要求：与二灰稳定土相同广西工学院土木工程系4.3常用硅酸盐水泥☆

硅酸盐水泥☆普通硅酸盐水泥☆矿渣硅酸盐水泥☆火山灰硅酸盐水泥☆粉煤灰硅酸盐水泥广西工学院土木工程系生料熟料水泥石主要化学成分主要矿物成分主要水化产物（比例）CaOSiO2Al2O3Fe2O3C3SC2SC3AC4AFCaSO4·2H2O水化硅酸钙（

～70％）Ca(OH)2（

～20％)三硫型水化铝酸钙（钙矾石～7%)硫型水化铝酸钙三硫型水化铁铝酸钙单硫型水化铁铝酸钙广西工学院土木工程系水泥强度等级和标号意义：强度是水泥的重要技术性质之一也是划分水泥强度等级的主要依据强度等级

※强度试验条件：水泥:标准砂＝1:3、水灰比＝0.5，试件4×4×16㎝，标准养护、测定3d与28d抗压强度与抗折强度

※型号：早强型R和普通型（根据3d强度）

※强度等级：硅酸盐水泥—42.5、42.5R、52.5、52.6R、62.5、62.5R

普通水泥—32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.6R

表1硅酸盐水泥各龄期强度值

影响强度等级因素：熟料矿物

C3S、C2S↑，强度↑

细度大，水化反应快并充分，强度高广西工学院土木工程系4.3.3道路硅酸盐水泥1）作用和使用要求

用途：供道路面层和机场道面结构专用

主要技术要求：抗折强度高干缩性小耐磨性好广西工学院土木工程系4.3.3道路硅酸盐水泥2）矿物组成对技术性能的影响①抗折强度高：C3S↑、C4AF↑、C3A↓、f-CaO↓。②干缩性小（抗渗、抗冻）：C3A↓，C4AF↑③耐磨性好：C4AF↑，C3S↑，C3A↓，强度高广西工学院土木工程系4.3.3道路硅酸盐水泥3）化学品质要求（高铁低铝）①C3S：51～60%，以提高早期强度，尽早放开交通；②C2S：不宜过多，其早期强度过低③C3A≤5%，考虑到其水化生成物耐腐蚀性较差④C4AF≥16%，提高水泥的抗折强度⑤控制碱含量广西工学院土木工程系6.3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、抗裂性低广西工学院土木工程系6.3.1水泥稳定类土的技术性质6.3.1.1强度的形成与影响因素⑴强度形成水泥硬化火山灰反应离子交换

会影响水泥的水化，使强度增长速度缓慢

机械压实广西工学院土木工程系6.3.1水泥稳定类土的技术性质⑵强度的主要影响因素①组成材料水泥剂量：相同材料时→水泥剂量↑强度↑土质图6-8集料级配

改善级配可以明显增加水泥稳定集料的强度②养生温度图6-8③延迟时间：从加水拌和开始到碾压终了的时间

图6-9延迟时间与水泥砂砾强度和干密度广西工学院土木工程系图6-8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↑

广西工学院土木工程系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