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第十五章 无机结合料稳定路面,第一节概述 第二节无机结合料稳定材料的特性 第三节石灰稳定类基层/底基层 第四节水泥稳定类基层/底基层 第五节工业废渣稳定类基层/底基层 ,主要内容,第一节概述,1、无机结合料稳定材料及其特点, 定义:在粉碎的或原状松散的土中掺入一定量的水泥、或石灰、或工业废渣等无机结合料及水,拌和得到混合料经压实和养生后,得到的抗压强度符合规定的材料。 由于无机结合料稳定材料的刚度处于柔性材料(如沥青混合料)和刚性材料(如水泥混凝土)之间,所以也称为半刚性材料,由其铺筑的结构层称为半刚性层。,板体性好,具有一定的抗拉强度; 稳定性好,抗冻性强; 强度和刚度随着龄期而增长; 经济性好; 干缩温缩大,耐磨性差,抗疲劳性也稍差。,无机结合料稳定材料的特点,2、无机结合料稳定材料的种类,1)原材料 土(广义):细粒土、粗粒土、巨粒土 无机结合料:水泥、石灰、工业废渣等 2)无机结合料稳定种类: 细粒土:二灰土、水泥土、石灰土、水泥石灰土、三灰土 粗粒土:二灰碎石土、二灰稳定碎石(二灰碎石)、水泥碎石土、水泥稳定碎石、二灰砂、水泥砂 无土:二灰、二渣、水泥矿渣等,1、无机结合料稳定材料的应力应变特性,1)强度和模量随龄期增长而变化,不同种类材料的强度变化规律也不同; 2)有较好的板体性,具有一定的抗拉性能; 3)用抗压强度与抗压回弹模量、劈裂强度与劈裂回弹模量、抗弯拉强度与抗弯拉弹性模量、干缩与温缩等来衡量材料的性能; 4)应力应变特性与原材料和结合料的性质与用量、混合料的含水量及密实度以及龄期、温度等有关。,第二节无机结合料稳定材料的特性, 无机结合料稳定材料的强度与时间和温度有关。所以要按不同龄期(7d、28d、90d、180天等)和不同的温度(淮河以北地区20、淮河以南地区25 )来测定试件的强度,抗压和劈裂测定用圆柱体试件。,2、无机结合料稳定材料的设计龄期,设计龄期:不同无机结合料稳定材料的强度和模量随龄期增长的速度不同,因此,在路面结构设计时的参数设计龄期, 水泥稳定类材料的龄期:90天; 石灰或者二灰稳定类的龄期:180天; 水泥粉煤灰稳定类:120天。 设计指标:由于半刚性基层材料的抗拉强度远小于其抗压强度,因此抗拉强度(劈裂强度)是路面结构设计的主要指标,抗压强度是材料组成设计的次要指标。 材料组成设计7天的抗压强度。,3、无机结合料稳定材料的疲劳特性,所谓疲劳是指在荷载反复作用下,材料的极限强度会随着作用次数的增加而降低的现象;一般有劈裂疲劳和小梁疲劳试验。 我国无机结合料稳定材料的疲劳一般采用劈裂疲劳。,单对数,双对数,半刚性材料可以进行小梁弯拉疲劳试验,但是一般认为其变异性较大。,室内小梁弯拉疲劳试验设备照片 (三分点加载),同时由于劈裂试验 更能反映材料在路 面结构中的受力状 态,因此实际常采 用劈裂疲劳试验。,劈裂试验示意图,1)通过不同应力比(应变水平)疲劳试验可测绘出疲劳曲线; 2)在一定的应力(应变水平)水平条件下,材料的疲劳寿命取决于材料的强度和刚度,强度愈大刚度愈小,疲劳寿命就愈长;跟试验温度的变化关系不大。 3)f/s 50%时,原则上可至无穷加荷次数,但材料本身变异性大,实际试验中因材料的不均匀性,疲劳寿命要小得多。,二灰砂砾(小梁)应力强度比疲劳寿命曲线,4、无机结合料稳定材料的干缩和温缩,无机结合料稳定材料拌和压实后,由于失水干燥,或降温影响而收缩。由此可引起收缩应力及开裂破坏。 一般衡量材料的体积变化相对较难,因此,实际中往往采取一维单向变化测定来反映材料的收缩性能,通过收缩应变及收缩系数来表征材料的收缩性能大小。,5)干缩试验 试件:100mm100mm400mm梁式试件,标准养护条件下养护7天; 条件:温度为25,湿度50左右; 检测:第1天为6小时一次,第25天为12小时一次,之后24小时一次,直到含水量基本不变为止;,6)温缩试验 试件:100mm100mm400mm梁式试件,标准养护条件养护28天; 温度范围:+55-25,每10为一个温度区段 时间设定:降温时间10min(即1/min),恒温120min。,WGD高低温交变环境箱,数据采集系统,7、无机结合料稳定材料的收缩特性,干燥收缩 湿度在材料使用过程中总有变化,但一般更多考虑的是材料在成型之初的湿度降低影响。 1)收缩机理(原因) 毛细管作用 吸附作用 分子间力作用 矿物晶体或凝胶体层间水作用 碳化收缩作用,7、无机结合料稳定材料的收缩特性,2)干缩影响因素: 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、小于0.6mm细颗粒含量、试件含水量和龄期等有关。 3)几种材料的干缩比较 对稳定粒料类,三类半刚性材料的干缩特性的大小次序为:石灰稳定类水泥稳定类石灰粉煤灰稳定类 对于稳定细粒土,三类半刚性材料的收缩性的大小排列为:石灰土水泥土和水泥石灰土石灰粉煤灰土 4)干缩的发生与预防 选择稳定剂种类与用量; 控制材料成型时的含水量及成型时机; 保湿养生。,温度收缩 1)收缩原理: 由固相、液相和气相组成。半刚性材料的外观胀缩性是三相的不同温度收缩性的综合效应表现。 一般气相大部分与大气贯通,在综合效应中影响较小,可以忽略,原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小,粉粒以下的颗粒温度收缩较大。 2)无机结合料稳定材料的温缩影响因素 无机结合料稳定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,3)不同材料的温缩比较 石灰土砂砾(16.710-6)悬浮二灰粒料(15.310-6)密实式二灰粒料(11.410-6)和水泥砂砾(57水泥剂量为101510-6) 4)温缩的发生时节及控制 时节:冬季低温 控制:选择材料种类与配比,经过一定龄期的养生,半刚性材料的变形以温度收缩为主。 半刚性基层修建初期,同时受到干燥收缩和温度收缩的综合作用。,8、施工注意事项,(1)注意无机结合料稳定材料类型选择,稳定细粒土如石灰土、水泥土、石灰水泥土及二灰土不宜用作高等级道路沥青路面的基层,原因在于:,稳定细粒土的干缩和温缩性均较稳定粗粒土的干缩和温缩性大很多,因此稳定细粒土基层可能会产生相对更加严重的收缩裂缝,并反射到沥青面层上形成反射裂缝; 裂缝产生后,雨水的浸入会加剧稳定细粒土基层及沥青路面的病害;,(2)注意施工季节; (3)注意材料组成设计; (4)注意施工含水量、压实度、强度等控制在规定的范围; (5)注意养生与保湿; (6)注意减少施工车辆的养生期间的作用。,稳定细粒土基层对施工环境和工序的要求更加严格,会导致施工污染或者施工质量差等不利情况。,第三节石灰稳定类基层/底基层,1、石灰稳定(底)基层, 在粉碎的土或原状松散的土(包括各种粗、细粒土)中,掺入适量的石灰和水,按照一定技术要求,经拌和,在最佳含水量下摊铺、压实及养生,以达到(底)基层抗压强度。用石灰稳定细粒土得到的混合料简称石灰土,所做成的基层称石灰土基层(底基层)。,石灰稳定不但具有较高的抗压强度,而且也具一定的抗弯强度,且强度随龄期逐渐增加。因此,一般可用于低等级公路的基层或底基层。 石灰稳定土因其水稳定性较差,不应做高速公路或一级公路的基层,必要时可以用作底基层。在冰冻地区的潮湿路段以及其他地区的过分潮湿路段,也不宜采用石灰土做基层,2、石灰稳定材料的强度形成机理,1 )离子交换作用 土具有胶体性质,表面带负电荷,并吸附钠离子、钾离子和氢离子,石灰中的钙离子会与其发生离子交换作用,形成钙土,减小了土颗粒表面水膜厚度,分子引力增加。 2)碳酸化作用 生成的碳酸钙是坚硬的晶体,具有较高的强度和水稳性,对土的胶结作用使土得到了加固。 石灰土表面钙化后,形成硬壳层,进一步阻碍了二氧化碳的进入,碳化过程十分缓慢,是形成石灰土后期强度的主要原因。,3 )结晶作用 经过结晶作用,消石灰逐渐由胶体转化为晶体,晶体间能够相互结合,与土形成共晶体,从而使得土粒胶结成整体。,4 )火山灰作用 土中充分的硅、钙离子是火山灰作用的前提,同时必须增加土的碱性;火山灰作用生成物具有水硬性性质,是构成石灰土早期强度的主要原因。,离子交换作用与火山灰作用,是构成石灰土早期强度的主要因素; 后期强度则更多源于碳酸化作用和结晶作用。 由于石灰与土发生了一系列的相互作用,从而使土的性质发生根本的改变。 在初期,主要表现为土的结团、塑性降低、最佳含水量增加和最大密实度减小等; 后期主要表现为结晶结构的形成,从而提高其板体性、强度和稳定性。,3、石灰稳定材料的强度影响因素,1)土质: 各种成因土都可用石灰稳定; 塑性指数低于10以下的低塑性土(这与水泥稳定土刚好相反)不适宜稳定; 适宜于稳定粘性土,尤其是塑性指数在1220的粘性土。 原因: 粘性颗粒的活性强、比表面积及表面能大,掺入石灰稳定材料后,形成的四种作用比较活跃,石灰土强度随土塑性指数的增加而增大; 重粘土虽然粘土颗粒含量高,但是不易粉碎和拌和,稳定效果反而不好。,2)灰质: 石灰应采用消石灰粉或生石灰粉,对高速公路或一级公路宜用磨细的生石灰粉。石灰质量应符合III级以上的技术指标,并要尽量缩短石灰的存放时间。,石灰剂量:是石灰质量占全部土颗粒的干质量的百分率。 石灰剂量对石灰稳定土的强度影响非常显著。 在石灰剂量较低时(小于34),起稳定作用,土的塑性、膨胀、吸水量减小,使土的密实度、强度、和易性等得到改善; 随着剂量的增加,强度和稳定性均提高; 但剂量超过一定范围后,强度反而降低。 常用最佳剂量范围: 粘性土及粉性土为814; 砂性土则为916; 最终根据结构层技术要求进行混合料组成设计。,3)石灰剂量,4)含水量: 最佳含水量及略小于最佳含水量时最易压实达到较高的压实度; 石灰稳定类材料的最佳含水量需要通过标准击实试验进行确定; 经验公式为:石灰土的最佳含水量素土的最佳含水量拌和过程中的蒸发量(约在1.5%左右)石灰反应所需的水(0.2石灰剂量)。 5)密实度: 石灰稳定土的强度随密实度的增加而增长; 实践证明,石灰稳定土的密实度每增减1%,强度约增减4%左右; 密实的石灰稳定土,其抗冻性、水稳定性好,缩裂现象也少。,Rt =R 1t,R1一个月龄期的抗压强度; Rtt个月龄期的抗压强度; 系数,约0.10.5。,石灰稳定土的强度随龄期增长,一般初期强度较低,前期(12个月)的增长速率较后期快。其强度与龄期的关系可表示为:,6)龄期:,温度高,物理化学反应快,强度增长快,反之则慢; 负温条件下甚至不增长; 施工期的最低温度应在5以上,并在第一次重冰冻(-35)到来之前1个月1个半月完成; 在一定潮湿条件下养生强度的形成比在一般空气中养生要好。,7)养生条件(温度与湿度):,4、石灰稳定类材料的缩裂防治,1)严格控制压实含水量:石灰稳定土含水量过多产生的干缩裂缝显著,压实时含水量应略小于最佳含水量。 2)严格控制压实标准:压实度小时产生的干缩比压实度大时严重,应尽可能达到最大压实度。 3)严格养生条件:干缩发生在成型初期,要重视初期的保湿养护,保证石灰稳定土表面处于潮湿状况。 4)禁防干晒:石灰稳定土施工结束后可及早铺筑面层,使石灰稳定土基层含水量不发生大的变化,从而减轻干缩裂缝。,5)施工季节:温缩的最不利季节是材料处于最佳含水量附近,而且温度在0-10时,因此施工要在当地气温进入0前一个月结束,以防在不利季节产生严重温缩。 6)控制剂量:在满足强度要求情况下,尽可能选择较低剂量的无机结合料;在石灰稳定土中掺加6070%的集料也可提高其强度、稳定性和抗裂性。 7)反射裂缝的防治: (1)设置联结层; (2)铺筑碎石隔离过渡层; (3)提高沥青下面层抗裂性能,5、石灰稳定类材料的混合料设计, 1)混合料的设计步骤,根据强度标准,通过试验选取合适的土 制备相同土样,不同石灰剂量的混合料 确定最佳含水量及最大干压实密度 按最佳含水量和工地压实密度制备试件 无侧限抗压强度,选定合适的石灰剂量, 2)石灰稳定土的强度及压实要求,在规定温度(北方冰冻地区
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