半刚性道路基层材料组成设计与优化[详细]

1、半刚性道路基层材料组成设计与优化,长安大学 沙爱民,内容,水泥稳定类基层技术要点 二灰稳定类基层技术要点 水泥稳定碎石基层抗裂性问题 二灰稳定类基层早强问题 稳定类基层抗冲刷问题 稳定集料基层配合比体积设计法,路面基层一般要求,应具有足够的强度和稳定性； 在冰冻地区应具有一定的抗冻性； 应具有较小的收缩(温缩及干缩)变形； 较强的抗冲刷能力。,路面基层类型,材料组成水泥稳定类、石灰粉煤灰稳定类、 水泥混凝土类、沥青稳定类、 无结合料粒料类； 力学行为半刚性、柔性、刚性； 结构组成骨架密实结构、骨架孔隙结构、 悬浮密实结构、均匀密实结构。,各结构类型基层的特点,悬浮密实型混合料中的粗集料用量一般

2、在50左右，细集料含量较多，抗弯拉性能较好，适用于各等级公路的基层和底基层。 骨架密实型混合料中的粗集料用量一般在75以上，细集料含量较少，压实混合料的嵌挤强度较高，抗裂性、抗冲刷性较好，宜用于高速公路和一级公路的基层。 骨架孔隙结构型混合料与骨架密实型混合料相比具有较高的孔隙率，适用于有较高路面内部排水要求的基层。 均匀密实型混合料建筑费用较低，可用作二级及二级以下公路路面的基层或底基层，不能用作高速公路和一级公路的基层。,水泥稳定类基层技术要点,水泥稳定类基层技术要点,概念与分类 水泥土 水泥砂 水泥砂砾 水泥碎石,水泥稳定类基层技术要点,原材料及其技术要求 水泥种类、终凝时间、标号 集料

3、最大粒径、级配 土塑性指数,水泥 种类 普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥以及火山灰质硅酸盐水泥均可用于水泥稳定土。快硬水泥、早强水泥以及已受潮变质的水泥不宜使用。 终凝时间 宜选用终凝时间在6小时以上的水泥，以适应工艺要求。 标号 宜选用低标号或一般标号(如325、425)水泥。,集料最大粒径要求 集料颗粒径愈大，拌和机、平地机和摊铺机等施工机械愈易磨损，粗细集料愈易产生离析，铺筑层的平整度也愈难达到要求。施工中应尽可能采用最大粒径较小的集料，以适应机械施工。 最大粒径要求愈小，石料的加工量愈大。 我国目前对公路路面所用集料的最大粒径规定得较宽。 集料级配要求 级配状况愈好，愈有利于取得好的稳定

4、效果，且节约水泥。 土的均匀系数应大于5。,土的塑性要求 适宜用水泥稳定的土的范围应当是相当宽，砾石、砂、粉砂、细砂土、粉质细砂土、粉土、贫粘土、直到重粘土，都可以用水泥稳定。 但是，要达到规定的强度，水泥剂量随粉粒和粘粒含量的增加而增大。土质过粘情况下，因相应稳定要求所用水泥的剂量过高而不经济。因此，对于二级及其以下等级的公路用水泥稳定的土，液限宜不大于40，塑性指数宜不大于17；对于高级、一级公路，液限宜不大于25，塑性指数宜不大于6。 水泥稳定粒径较均匀的砂时，难于碾压密实。宜在砂中添加少量塑性指数小于12的粘性土(亚砂土)、或石灰土(土的塑性指数较大量)、或添加20%40%的粉煤灰以改

5、善土的颗粒分布。 塑性指数大于17的土，宜采用石灰稳定，或用水泥和石灰综合稳定。,水泥稳定类基层技术要点,混合料组成设计方法 （一）强度标准确定 半刚性、刚性 （二）原材料检验 （三）室内试验步骤,水泥稳定类基层技术要点,结构形成过程 水泥自身的凝结硬化作用 水泥水化产物与土之间的作用,水泥稳定类基层技术要点,路用性能及技术参数 （一）强度 （二）变形特性 （三）体积变化 （四）压实特性,影响水泥土强度的因素有土质、水泥成分和剂量、成型含水量、工艺过程、养生条件等,1.土质的影响 土的矿物成分对水泥稳定土的性质具有重要的影响。除有机质或硫酸盐含量高的土以外，各种砂砾土、砂土、粉土和粘土均可用水

6、泥稳定，但是稳定效果不同。 要达到规定的强度，稳定土所需水泥剂量随粉粒和粘粒含量的增加而增高。 稳定重粘土水泥用量过高而不经济，并且难于粉碎和拌和。级配良好的土用水泥稳定时，水泥用量低，并可取得满意和稳定效果。 一般限定适用范围为土的液限不大于40，塑性指数不大于20。,2.水泥的影响 对于同一种土，水泥矿物成分是决定水泥土强度的主导因素。在通常的情况下，硅酸盐水泥的稳定效果较好，而铝酸盐水泥则较差。 当水泥的矿物成分相同时，水泥土的强度随着水泥比表面和活性的增大而提高。 水泥土的强度一般地随着水泥剂量的增加，水泥土的强度增加，不存在最佳水泥剂量。存在一个经济用量。,3.含水量的影响 当水泥稳

7、定土混合料中含水不足时，水泥就要与土争水。水泥正常水化所需要的水量约为水泥重量的20%。 水泥土的含水量不适宜时，也不能保证大土团被粉碎和水泥在土中的均匀分布，更不能保证达到最大压实度的要求。 水泥土的含水量-密实度关系与素土一样，对于一定的压实功能，存在一个能达到最大密实度的最佳含水量。但相应于最大密实度的最佳含水量不一定就是相应于强度最高的含水量。 一般对于砂性土，最高强度的含水量较最佳密实度的含水量为小；而对于粘性土，则相反。,4.成型工艺影响 水泥、土和水拌和得愈均匀，水泥土的强度和稳定性愈高。拌和不均匀会使在水泥剂量少的地方强度不能满足设计要求，而在水泥剂量多的地方则裂缝增加。 从开

8、始加水拌和到完成压实的延迟时间，对水泥土的密实度和强度有很大的影响。湿拌时间或湿拌结束后延迟压实前的闷料时间过长，水泥就会产生部分结硬作用。这一方面影响到水泥土的压实度，从而影响到强度。规定水泥土必须在加水拌和后2小时内压实完毕。,5.养生条件影响 水泥稳定土需要湿治养生，使在混合料中能维持足够的水分，以满足水泥水化的需要。养生温度愈高，水泥土的强度增长得愈快。 水泥土的强度随龄期而增长。在初期12个月期间内，水泥土的抗压强度与龄期的对数间大致呈直线关系。直线的斜率取决于水泥剂量、养生温度、密实度及压实时的含水量。,水泥稳定土混合料延迟成型时间 对干密度影响,水泥稳定土不同延迟时间成型的最佳含

9、水量、最大干密度试验结果表明： （1）在不同水泥剂量下均随着延迟时间的增加，水泥稳定土的最佳含水量在增大，最大干密度在降低。并且，随着延迟时间的增加，最大干密度的降低幅度在增大。 （2）同一种土，相同延迟时间条件下，随着水泥剂量的增加，最大干密度降低幅度减小。,混合料延迟成型时间对抗压强度的影响,1）两种土质在不同水泥剂量下均随延迟成型时间的加长，7天龄期的抗压强度降低，并且，强度损失幅度随延迟成型时间的加长而增大。 2）同一种土，相同延迟时间条件下，随水泥剂量的增大，抗压强度仍增大。但随着水泥剂量的增大，强度损失幅度减小。 3）相同水泥剂量和延迟时间条件下，土2的强度损失比土1小得多。,二灰

10、稳定类基层技术要点,二灰稳定类基层技术要点,概念与分类 二灰土 二灰集料 二灰砂砾 二灰碎石 二灰矿渣,二灰稳定类基层技术要点,原材料及其技术要求 石灰种类、等级、保存 粉煤灰种类 硅铝型、高钙型；干灰、湿灰 技术要求 活性成分含量硅、铝、铁的氧化物 含炭量烧失量 细度比表面积 集料最大粒径、级配 土塑性指数,二灰稳定类基层技术要点,混合料组成设计方法 （一）强度标准确定 （二）原材料检验 （三）确定混合料比例原则 1。石灰与粉煤灰 2。二灰与土 （四）室内试验步骤,二灰稳定类基层技术要点,结构形成过程 石灰的水化解离作用 离子交换作用与絮凝团聚作用 石灰与粉煤灰和土之间的火山灰作用 石灰自身

11、的结晶与碳化作用,二灰稳定类基层技术要点,路用性能及技术参数 （一）强度 （二）疲劳性质 （三）体积变化 （四）耐久性,水泥稳定碎石抗裂性问题,水泥稳定碎石材料的收缩性能取决于材料的组成配比，合适的材料配合比可以显著地减少结构层的收缩和增加结构层的抗裂性。水泥稳定碎石的级配和水泥剂量的变化将影响其温缩、干缩性。,1、收缩试验研究方案 在进行收缩试验研究时，水泥稳定碎石配合比方案采用五种级配、三种水泥剂量。这五种级配是在原规范规定级配范围内的细化，即原级配范围的上限、中限、下限和上顶下底以及下顶上底；三种水泥剂量取常用剂量即4、6和8。,2、水泥稳定碎石温度收缩特性,分析温度收缩系数测试结果，可

12、得出以下规律： 1）各龄期材料的温度收缩系数随温度区间的变化规律 无论是短龄期还是长龄期，总体来看，高温区060的温度收缩系数大于低温区-300的温度收缩系数。并且，随着温度的下降，温缩系数有减小的趋势,2）温度收缩系数随集料级配的变化规律 龄期相同和水泥剂量相同条件下，根据水泥稳定碎石基层在低温段、高温段和总体上的平均温度收缩系数变化情况，可以得出平均温度收缩系数大小排序如下： 上限-6从下顶到上底-6中限-6从上顶到下底-6下限-6,（3）不同龄期而相同配合比的水泥稳定碎石材料的温缩规律 从28天龄期到90天， 温缩系数增加明显， 从90天龄期到180天，温缩系数增加幅度较小。,（4）相同

13、配比、不同水泥剂量的水泥稳定碎石材料的温缩规律,由水泥剂量与温缩系数的关系曲线可知， 6水泥剂量的温缩系数最小。 在相同龄期条件下，随着水泥含量的增加，水泥稳定碎石中的胶结物含量增加有正反两方面效应：胶结物含量增加产生的材料颗粒间的约束和牵制作用利于降低材料的温缩系数；胶结物含量增加带来的次生矿物含量的增加倾向于增加材料的温缩系数。所以，在某一水泥剂量如6时温缩系数最小。,3、水泥稳定碎石干燥收缩特性,分析温度收缩系数测试结果，可得出以下规律： 1）水泥稳定碎石干燥收缩系数随含水量的变化规律 水泥稳定碎石材料的干燥收缩系数随含水量的变化是一近似凸型抛物线，有一最大干燥收缩系数。水泥稳定碎石材料

14、，大约在含水量为14时，干燥收缩系数最大。这一变化趋势也可以从填料的毛细管张力作用，吸附水和分子间力作用以及层间水的收缩力作用的干燥收缩效应得到解释。 2）最大干燥收缩系数对应含水量与配合比的变化关系 最大干缩系数所对应的含水量随集料变粗逐渐减小。即： 上限-6从下顶到上底-6中限-6从上顶到下底-6下限-6。,3）最大累计干缩应变和平均干缩系数随配合比的变化规律,累计干缩应变、平均干缩系数按照:上限-6从下顶到上底-6中限-6从上顶到下底-6下限-6的顺序在逐渐减小。 由上限-6 中限-6 下限-6的规律可见，干缩性与集料的级配类型也有一定的相关性。 至于从下顶到上底-6中限-6从上顶到下底

15、-6，说明由小于0.075mm以下的填料含量所决定的干缩力对干缩系数的影响大于级配类型对干缩系数的影响。,4）水泥稳定碎石材料干缩系数随龄期增长的变化规律 随龄期的增加，同一配合比的水泥稳定碎石材料的干燥收缩值在变小。 5）水泥稳定碎石材料干缩系数随水泥剂量的变化规律,相同龄期，相同配合比的水泥稳定碎石材料随着水泥剂量的增加，干缩系数增大。,二灰稳定类材料早强问题,二灰稳定类基层早强技术分析,掺加水泥 掺加粗骨料 预拌闷料 掺加早强剂,早强剂原理,碱对粉煤灰的加速溶解作用； 碱性介质对强度形成过程的保证作用； 早强剂自身的硬凝作用。,路面基层冲刷问题,路面基层冲刷过程,接缝、裂缝处雨水下渗 基

16、层顶面湿软 行车荷载作用下唧泥 面层底面脱空 弯拉应力过大而破坏 唧泥原因：动水压力 水泥混凝土路面、沥青混凝土路面、水泥混凝土桥面冲刷破坏,在MTS上实现的冲刷试验装置,试验条件对抗冲刷性能的影响规律,（a）水泥土,（b）水泥砂砾,作用力相同、作用频率不同条件下的冲刷量随时间的变化,试验条件对抗冲刷性能的影响规律,（a）水泥土,（b）水泥砂砾,相同作用力和作用次数条件下冲刷量随频率的变化,试验条件对抗冲刷性能的影响规律,（a）水泥土,（b）水泥砂砾,作用频率相同、作用力不同条件下的冲刷量随时间的变化,试验条件对抗冲刷性能的影响规律,（a）水泥土,（b）水泥砂砾,相同作用频率和作用次数条件下冲

17、刷量随作用力大小的变化,综合路面基层实际冲刷状态和室内试验的可实现性和敏感性，推荐标准冲刷试验条件是：作用力为0.5MPa，作用频率为10Hz；作用总时段为30min。,稳定细粒土基层材料试验结果与分析,（a）石灰土,（b）水泥土,（c）二灰土 稳定细粒土的冲刷试验条件：0.5MPa 10Hz,稳定粗粒土基层材料试验结果与分析,（a）水泥砂砾,（b）二灰砂砾,（c）水泥碎石,（d）二灰碎石,稳定粗粒土的冲刷试验条件0.5MPa；10Hz,结论,1无机结合料（石灰、水泥、二灰）稳定细粒土的冲刷量随冲刷时间的延长而线性增长；稳定粗料土的冲刷量随冲刷时间的延长呈曲线增长，早期增长速率大，后期增长速率

18、减缓。 2无机结合料稳定细粒土在相同时段内的冲刷量均随着结合料剂量的增大而减小。常用结合料剂量下，二灰土、水泥土较好，石灰土较差。相同水泥剂量与集料级配条件下，水泥或二灰碎石的抗冲刷性能优于石灰或二灰砂砾。其中，水泥稳定条件下该规律更明显。 3随着压实度降低，半刚性基层材料的抗冲刷能力显著下降。 4透水性基层材料一方面具有良好的抗冲刷能力，另一方面因大孔隙的影响，材料结构强度和整体性降低。 5无机结合料稳定粗粒土的抗冲刷性能与其抗压强度大小的关系不及稳定细粒土密切。,稳定集料基层配合比 体积设计方法,稳定集料基层配合比 体积设计法步骤,（一）、集料级配的确定 骨架密实型混合料的集料级配应按逐级

19、填充方法，通过试验确定。 （二）、集料空隙率的确定 1、确定集料的配合比 根据设计级配范围及各规格集料的级配情况确定集料的配合比。如：1号料：2号料：3号料=w1：w2：w3(内掺配合比),2、测定各档集料的视密度和吸水率 按集料试验规程分别测定各档集料的视密度,如1号料、2号料、3号料的视密度分别记为1、2、3，合成集料的视密度集料=1/(w1/1+w2/2+w3/3)； 按集料试验规程分别测定各档集料的吸水率。如1号料、2号料、3号料的吸水率分别为X1、X2、X3，则合成集料的吸水率 w集料=（X1*w1+X2*w2+X3*w3）/100。,3、测定集料的堆积密度以及压实密度 测定按配合比

20、合成的集料润湿时堆积密度PD、振实密度PZ 4、计算集料的空隙率 集料堆积空隙率： VvD=(1-D/集料)*100% 集料振实空隙率： VvZ=(1-Z/集料)*100%,（二）、结合料组成与密度的确定 对于石灰粉煤灰稳定集料，根据经验或通过不同比例的二灰强度试验确定石灰、粉煤灰之间的比例。 通过击实试验测定上述比例条件下的二灰的最大干密度Dmax二灰和最佳含水量w二灰,（三）、混合料重量配合比的确定 1、石灰、粉煤灰的用量计算 混合料中二灰用量的体积百分率（Vv二灰）应在集料的堆积空隙率（VvD）与振实空隙率（VvZ）之间，设计时可按振实空隙率（VvZ）计算，即取Vv二灰= VvZ。试拌试

21、铺时若发生离析或摊铺困难时可增大二灰用量，但最大体积百分率不应大于集料的堆积空隙率（VvD）。 1m3混合料中二灰的重量W二灰=1 Vv二灰Dmax二灰 根据二灰之间的比例可计算出Dmax二灰中石灰W石灰和粉煤灰重量W粉煤灰。,2、集料用量计算 按振实密度（VvZ）计算单位体积混合料集料的重量。 1m3混合料中集料的重量W集料=1Z 其中，1号料W1=W集料w1/100 2号料W2=W集料w2/100 3号料W3=W集料w3/100,3、混合料的重量配合比 按1m3混合料集料、二灰的用量确定其质量百分比。即： 二灰质量百分率w二灰= W二灰/（W二灰+W集料）100% 集料质量百分率w集料= W集料/（W二灰+W集料）100%,石灰质量百分率w石灰= W石灰/（W二灰+W集料）100% 粉煤灰质量百分率w粉煤灰= W粉煤灰/（W二灰+W集料）100% 1号料质量百分率w1= W1/（W二灰+W集料）100% 2号料质量