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文檔簡介

目錄中文摘要2英文摘要31 緒論4 1.1國內(nèi)外研究的歷史及現(xiàn)狀4 1.2任務(wù)完成思路及方法5 1.3本設(shè)計研究意義6 1.4本設(shè)計研究的主要內(nèi)容7 1.5工程相關(guān)82水泥穩(wěn)定碎石性能與機理分析10 2.1概述10 2.2水泥穩(wěn)定碎石強度形成原理10 2.3影響強度的因素13 2.4集料結(jié)構(gòu)類型3多孔集料水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計14 3.1原材料的選擇與檢驗14 3.2礦料的合成級配22 3.3擊實實驗24 3.4試件七天無側(cè)限實驗檢驗294水泥穩(wěn)定碎石基層施工的質(zhì)量控制32 4.1原材料的質(zhì)量控制32 4.2混合料的組成設(shè)計33 4.3試驗段的施工33 4.4混合料的拌和、運輸、攤鋪、壓實33 4.5水泥穩(wěn)定碎石基層的養(yǎng)生365設(shè)計結(jié)論及相關(guān)建議36謝辭參考文獻(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石基層配合比設(shè)計(安徽省六潛高速)摘要:水泥穩(wěn)定級配碎石透水基層主要利用級配碎石的滲透性與水泥穩(wěn)定性,使路面基層結(jié)構(gòu)具有滲透性能好、強度高、易施工、適應(yīng)性廣等特點。本論文結(jié)合安徽省六潛高速公路工程實例,介紹水泥穩(wěn)定級配碎石的透水性能、原材料組成設(shè)計與選擇,選用骨架密實性結(jié)構(gòu)進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計,并通過混合料的擊實實驗和無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果確定最佳含水量、水泥劑量和最大干密度等技術(shù)參數(shù)。實驗結(jié)果顯示:該多孔集料配合比為33:20:22:25;最佳水泥含量為4%;最大干密度為2.171g/cm3;最佳含水量為:6.45%。最后通過對水泥穩(wěn)定碎石基層施工的質(zhì)量控制研究,對進(jìn)一步提高水泥穩(wěn)定碎石路用性能的技術(shù)措施進(jìn)行總結(jié)?!娟P(guān)鍵詞】: 多孔集料、水泥穩(wěn)定碎石; 配合比設(shè)計;施工工藝1緒論1.1國內(nèi)外研究的歷史及現(xiàn)狀 近年來,為適應(yīng)高等級公路交通流量大和重型車輛多的特點,以水泥穩(wěn)定碎石為基層的半剛性基層瀝青路面被大量的應(yīng)用于高等級公路。這主要是因為水泥穩(wěn)定碎石基層除了具有較高的強度和剛度以及整體性良好外,還具有較好的水穩(wěn)性和抗凍性,而且可供應(yīng)的材料種類多,選擇面廣泛,早期強度高,有利于加快施工進(jìn)度,在路面的使用過程中彈性變形較小,使用年限長,承載力高等優(yōu)點。然而由于水泥穩(wěn)定粒料的脆性以及其對溫度、濕度的敏感性較強,使得此類結(jié)構(gòu)在施工及使用過程中由于溫度或濕度的交替變化而容易發(fā)生收縮開裂,當(dāng)瀝青面層或水泥混凝土面板較薄時,這些裂縫就會反射到面層上來,形成反射裂縫,最終會破壞了路面結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性,并在一定程度上導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)強度的降低。分析水穩(wěn)材料的這些缺點和問題,其中一部分是由其原材料本身性質(zhì)決定的,但很大一部分還是由于原材料的設(shè)計和應(yīng)用方面人為的因素造成的。因此本文結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),對水泥穩(wěn)定碎石基層原材料的應(yīng)用提出自己認(rèn)為合理的使用要求。高速公路瀝青路面的建設(shè)質(zhì)量和建設(shè)水平,不僅代表一個地區(qū)瀝青路面的科研水平、施工水平和建設(shè)管理水平,同時也代表一個地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度,也是一個地區(qū)重要的對外形象。江蘇省是經(jīng)濟(jì)文化強省,“九五”期間江蘇省高速公路瀝青路面的科研、設(shè)計、施工、監(jiān)理、管理等綜合技術(shù)水平處于全國領(lǐng)先地位。然而與發(fā)達(dá)國家相比,我國高速公路瀝青路面在科學(xué)研究、施工組織和建設(shè)管理等方面還存在不少問題,特別是在原材料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo),瀝青混合料礦料級配及混合料試驗技術(shù)指標(biāo)方面存在明顯的不足。隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,公路運輸呈現(xiàn)交通量大、噸位大的發(fā)展趨勢.為了適應(yīng)公路運輸?shù)男枨?公路建設(shè)部門每年都投入大量資金修建公路,提高公路等級,推廣使用高強度高穩(wěn)定結(jié)構(gòu).其中,水泥穩(wěn)定路面基層也是非常重要的環(huán)節(jié)。從目前國內(nèi)外的研究成果來看,普遍認(rèn)為對于集料采用骨架密實型級配不僅可以較有效防治半剛性基層結(jié)構(gòu)的早期收縮裂縫的出現(xiàn),同時可以提高基層的綜合路用性能。因此高性能水泥穩(wěn)定碎石基層的一定要采用骨架密實型結(jié)構(gòu),但是不同骨架密實型結(jié)構(gòu)其綜合路用性能也不同。需要選出一種結(jié)構(gòu)最佳的級配,確保其綜合路用性能最好一、強度高。一般來說,半剛性基層材料具有較高的強度,且它們都具有隨齡期不斷增長的特性。因此半剛性基層瀝青路而通常具有較小的彎沉和較強的荷載分布能力。半剛性瀝青路面的承載能力大部分可由半剛性基層子以滿足,瀝青面層主要起功能層的作用,因而可以減薄瀝青面層、降低工程造價 。 二、穩(wěn)定性好。半剛性基層材料具有較高的水穩(wěn)性和冰凍穩(wěn)定性,因此在水的作用以及多次凍融反復(fù)作用下而不影響半剛性材料基層的承載能力。三、剛性大。半剛性基層抗壓回彈模量值可高達(dá)1800mpa,因而其上瀝青而層彎拉應(yīng)力相對減少,從而提高了瀝青面層抵抗行車疲勞破壞能力,也就是說半剛性基層可以達(dá)到減薄瀝青面層的目的。另外半剛性基層材料板體性好,利于機械化施工且工程造價低,能適應(yīng)重交通發(fā)展需要。半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)正是以其優(yōu)良的工程性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益在我國公路建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用,已成為高等級公路路面主要結(jié)構(gòu)形式然而半剛性基層材料一尤其是水泥穩(wěn)定碎石類材料由于脆性,對溫度、濕度敏感性較強,在強度形成及使用過程中,因溫度變化產(chǎn)生溫度收縮裂縫和因含水量變化而產(chǎn)生干縮裂縫。當(dāng)瀝青面層較薄時這種裂縫往往擴展到面層形成反射裂縫。裂縫的存在不僅使車輛行駛質(zhì)量下降,而且也破壞了路面結(jié)構(gòu)整體性和連續(xù)性 ,并在一定程度上導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度的削弱 (如裂縫處彎沉增大,回彈模量降低等)。而且隨著雨水或雪水的浸入,使基層變軟,在大量行車荷載反復(fù)作用下,導(dǎo)致路面強度大大降低,產(chǎn)生沖刷和唧泥現(xiàn)象,使裂縫加寬,裂縫兩側(cè)的瀝青路而破碎,加速瀝青路面的破壞,從而影響公路使用質(zhì)量和壽命。鑒于此,深入開展水泥穩(wěn)定碎石基層開裂機理及防裂措施的研究,提出合理而實用的防治半剛性基層瀝青路面裂縫的措施,對最大限度的減少收縮裂縫、延長道路使用壽命,具有十分重要的現(xiàn)實意義。1.2 完成任務(wù)的思路和方案 多孔集料采用的水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計方法參照普通集料,根據(jù)規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求,選擇良好的集料級配、適當(dāng)?shù)乃嘤昧?,以便設(shè)計出具有一定剛度、強度、穩(wěn)定性等諸方面均有良好路用性能的基層材料。 首先必須對原材料的各項性能進(jìn)行檢測,使其符合規(guī)范規(guī)定的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),合格的原材料是確保水泥穩(wěn)定碎石具有良好性能的前提。 水泥是水硬性結(jié)合料,絕大多數(shù)的土類(高塑性粘土和有機質(zhì)較多的土除外)都可以用水泥來穩(wěn)定,改善其物理力學(xué)性質(zhì),適應(yīng)各種不同的氣候條件與水文地質(zhì)條件。其主要技術(shù)指標(biāo)包括細(xì)度、凝結(jié)時間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、體積安定性等,按強度等級分為po32.5、po32.5r、po42.5、po42.5r、po62.5r、po62.5r等6個強度等級,各項指標(biāo)均應(yīng)符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。本實驗采用的是“巢湖”牌普通硅酸鹽水泥,強度等級po42.5。 碎石集料應(yīng)符合公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范(jtj0342000)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),其具體指標(biāo)包括粗集料的含水率、壓碎值、吸水率、針片狀顆粒含量、顆粒級配,規(guī)范規(guī)定的級配應(yīng)符合規(guī)定。 多孔集料水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計時根據(jù)所用水泥、碎石原材料情況,按照公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范(jtj034 2000)和設(shè)計圖紙的要求,在進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計時,可按3%、4%、5%、6%、7% 五種不同水泥摻量制備混合料,并按公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程jtj057-94的方法進(jìn)行擊實試驗,確定五種混合料各自的最大干密度和最佳含水量。 根據(jù)混合料的最大干密度和最佳含水量進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗,按公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程jtj057-94 規(guī)定方法,根據(jù)碎石最大粒徑選用相應(yīng)尺寸試模(150mm150mm),在規(guī)定溫度、濕度的條件下養(yǎng)護(hù)6 天,浸水1 天,測定其無側(cè)限抗壓強度,有條件的情況下還應(yīng)綜合考慮其力學(xué)性能、抗裂性、耐疲勞性等各項路用性能。根據(jù)上述試驗結(jié)果,對照普通水泥穩(wěn)定碎石的配合比設(shè)計比較各配比方案的經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性,確定配合比,鋪筑試驗路段,指導(dǎo)施工作業(yè),并對施工工藝進(jìn)行初步探討。1.3 本論文研究的意義水穩(wěn)層是水泥穩(wěn)定碎石層的簡稱,即采用水泥固結(jié)級配碎石,通過壓實完成 。水穩(wěn)的配合比應(yīng)事先在實驗室內(nèi)進(jìn)行配合比試配,以確定水泥參量和粗細(xì)集料比例,同時確定最大干密度。量大可采用水穩(wěn)攪拌站拌合。施工可用人工、平地機和攤鋪機等方法,在水泥初凝前用壓路機至設(shè)計壓實度。施工完后應(yīng)對水穩(wěn)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。中國過去十幾年來在經(jīng)濟(jì)增長和減貧上取得了舉世矚目的成就,其重要成就是基礎(chǔ)設(shè)施尤其是交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展?!笆濉逼陂g中國共建成高速公路2.47萬公里,是“八五”和“九五”建成高速公路總和的1.5倍。到2005年底,高速公路總里程達(dá)到4.1萬公里,繼續(xù)穩(wěn)居世界第二,僅次于美國。2006年末,中國高速公路里程達(dá)4.5萬公里,2007年底達(dá)5.36萬公里,創(chuàng)造了世界高速公路發(fā)展的奇跡。而在20多年前,中國的高速公路連一米都沒有。在世界金融危機日趨嚴(yán)峻的背景下,為抵御國際經(jīng)濟(jì)環(huán)境對我國的不利影響,2008年11月5日召開的國務(wù)院常務(wù)會議提出實行積極的財政政策和適度寬松的貨幣政策,出臺十項更加有力的擴大國內(nèi)需求的措施。在十項措施中,有三項措施與交通運輸密切相關(guān),一是農(nóng)村公路的建設(shè);二是包括鐵路、公路和機場在內(nèi)的重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);三是針對地震災(zāi)區(qū)的災(zāi)后重建工作。據(jù)初步預(yù)算,中央2008年第四季度安排的1000億元投資中,投入交通基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)為100億元,這是在原定正常計劃以外的一個增量。對于這100億元的投入方向,交通運輸部初步規(guī)劃,將100億元用于國家高速公路網(wǎng)的在建項目和農(nóng)村公路建設(shè),并將這部分資金優(yōu)先向西部地區(qū)傾斜,向欠發(fā)達(dá)方向傾斜。交通運輸部第二階段的任務(wù)是,2009和2010年繼續(xù)保持基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度,特別是加大高速公路和農(nóng)村公路的建設(shè),以保證經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)增長。力爭2009和2010年交通固定資產(chǎn)投資規(guī)模年均達(dá)到1萬億元水平。高速公路的建設(shè)和發(fā)展是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的風(fēng)向標(biāo),中國高速公路的發(fā)展同世界還有一定的差距,建設(shè)和管理方面的體制都不是很完善。加快高速公路建設(shè)是中國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,物流、人流、商品流大幅度增加,提高運輸效率、降低運輸成本的要求日益迫切。到目前為止所修建的高速公路僅滿足了所需高速公路的30%多。應(yīng)該說對高速公路的需求還是突出的。在中國經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的珠江三角洲、長江三角洲和京津冀地區(qū),高速公路的建設(shè)和發(fā)展速度最快,同時高速公路為這些地區(qū)帶來的經(jīng)濟(jì)效益也十分顯著。在今后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中,這些地區(qū)仍舊是高速公路的重點需求區(qū)域。1.4 本論文研究的主要內(nèi)容本論文結(jié)合六潛高速公路路面水泥穩(wěn)定碎石基層的施工實踐,將室內(nèi)試驗研究與工程實踐相結(jié)合,來研究水泥穩(wěn)定基層的混合料的配合比、混合料設(shè)計方法以及混合料施工工藝和施工質(zhì)量控制。(1)原材料試驗 a:水泥細(xì)度檢驗(負(fù)壓篩法) b:水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 c:凝結(jié)時間 d:安定性檢驗(雷氏法) e:水泥膠沙強度檢驗 f:集料針片狀顆粒含量 g:粗集料密度及吸水率實驗(網(wǎng)籃法) h:烘干含水量變化(2)水泥穩(wěn)定碎石基層配合比選定(3)混合料試件擊實實驗(4)混合料試件7天無側(cè)限抗壓強度試驗(5)水泥穩(wěn)定碎石基層施工工藝與施工控制(6)水泥計量滴定試驗(edta)1.5工程相關(guān) 1.5.1 工程概況路線起點位于六安市裕安區(qū)城南鎮(zhèn)四望山村,接在建的阜六高速公路的終點(阜六k175+022本項目k0+000),阜六路的設(shè)計速度為120公里/小時,因此k0+000k0+100作為路基寬度過渡段,路基寬度由28米過渡為26米;路線終點接規(guī)劃的岳西(黃尾)至潛山高速公路,并通過黃尾互通立交與地方道路相連,路線全長72.287公里。1.5.2 氣候特征 項目沿線春秋溫和,雨量充沛,光照充足,雨熱同期,無霜期長。區(qū)域內(nèi)年平均氣溫14.516.6,大別山區(qū)氣溫最低。一年中1月份氣溫最低,月平均1.4,7月份最高,平均27.229。項目區(qū)域內(nèi)降水量9001600mm,具有南部大于北部、山區(qū)大于沿江、平原的特點。根據(jù)氣象調(diào)查資料,可知本項目區(qū)域應(yīng)屬于1-3-1區(qū),即夏炎熱冬冷潮濕區(qū),高溫多雨為本地區(qū)的主要特點。1.5.3 交通軸載本工程為東營至香港干線的重要組成部分,建成后重車與超載運輸?shù)谋壤龑⑸仙?,路面設(shè)計時將考慮貨車超載情況??紤]超載情況下軸載計算代表車型,見表1-2。 表1-1貨車類型代表車型前軸軸重(kn)后軸軸重(kn)后軸軸數(shù)后軸輪組數(shù)交通量小客江淮al660017.026.51單輪組2000中客黃海dd64032.0701雙輪組960大客黃海dd65049.0911雙輪組340小貨金杯sy13212.827.61雙輪組1282中貨解放ca14124.568.61雙輪組1042大貨黃河jn15049.0101.61雙輪組1663拖掛車日野zm440601002雙輪組196根據(jù)交通量調(diào)查資料,考慮車型發(fā)展趨勢、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通量增長率等因素的影響,將各級軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載100kn的累計標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量軸次作為結(jié)構(gòu)層計算的依據(jù)。根據(jù)表1-2,將各種車型換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載,計算出設(shè)計年限十五年內(nèi)一個車道上累計當(dāng)量軸次為1.859x107次,根據(jù)公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范(jtg d502006)確定本項目交通等級為重交通等級。綜上,抗滑防水、高溫抗車轍是本項目路面設(shè)計的主要考慮因素。1.5.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(1)設(shè)計車速:100km/h(2)路基寬度:26m,路面寬度211.25m;(3)路面結(jié)構(gòu)類型:下面層ac20(8cm),上面層ac16(4cm)。(4)水泥穩(wěn)定碎石基層35cm2水泥穩(wěn)定碎石性能與機理分析2.1概述 在粉碎的或原狀松散的圖(包括各種粗、中、細(xì)粒土)中,摻入適量的水泥和水,按照技術(shù)要求,經(jīng)拌和攤鋪,在最佳含水量時壓實及養(yǎng)護(hù)成型,其抗壓強度符合規(guī)定要求,以此修建的路面基層稱為水泥穩(wěn)定類基層。當(dāng)用水泥穩(wěn)定細(xì)粒土(沙性土、粉性土或粘性土)時,稱為水泥土。水泥是水硬性結(jié)合料,絕大多數(shù)的土類(高塑性粘土和有機質(zhì)較多的土除外)都可以用水泥來穩(wěn)定,改善其物理力學(xué)性質(zhì),適應(yīng)各種不同的氣候條件與水文地質(zhì)條件。水泥穩(wěn)定類基層具有良好的整體性、足夠的力學(xué)強度、抗水性和耐凍性。其初期強度較高,切隨齡期的增長而增長,所以應(yīng)用范圍很廣。近年來,我國一些路面工程中,水泥穩(wěn)定土可用于路面結(jié)構(gòu)的基層和底基層,在保證路面使用品質(zhì)上取得滿意的效果,但水泥土禁止作為高速公路或一級公路路面的基層,只能做底基層,在高等級公路的水泥混凝土路面板下,水泥土也不應(yīng)作基層。2.2水泥穩(wěn)定碎石強度形成原理 用水泥穩(wěn)定土過程中,水泥、土和水之間發(fā)生各種復(fù)雜的物理化學(xué)作用,從而使土的性能發(fā)生明顯變化。這些作用分為:化學(xué)作用:如水泥顆粒的水化、硬化作用,有機物的聚合作用,以及水泥水化物與粘土礦物之間的化學(xué)作用等。物理化學(xué)作用:如粘土顆粒與水泥及水泥水化物之間的吸附作用,微粒的凝聚作用,水及水化物的擴散作用、滲透作用,水化產(chǎn)物的溶解、結(jié)晶作用等。物理作用:如土塊的機械粉碎作用,混合料拌合、壓實作用等?,F(xiàn)就其中一些主要作用過程分述如下:2.2.1水泥的水化作用在水泥穩(wěn)定土中,首先發(fā)生的是水泥自身的水化反應(yīng),從而產(chǎn)生具有膠結(jié)能力的水化產(chǎn)物,這是水泥穩(wěn)定土強度的主要來源。水泥水化過程的反應(yīng)簡式如下:硅酸三鈣: 2c3s+6h20c3s2h3 + 3ch硅酸二鈣: 2c2s+4h20c3s2h3 + ch鋁酸三鈣: c3a+6h20c3ah6鐵鋁酸四鈣:c4af+7h20c4afh7在水泥穩(wěn)定土中,水泥的水化硬化條件較水泥混凝土中差不多。特別是由于黏土礦物對水化產(chǎn)物中的ca(oh)2具有較強的吸附作用,使溶液中的堿度降低,從而影響了水泥水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性;水化硅酸鈣中的c/s(有效cao和sio2的比值)會逐漸降低,析出ca(oh)2,從而使水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化,進(jìn)而影響到混合料的性能。因此,應(yīng)首選硅酸鹽水泥。2.2.2離子交換作用土中的黏土顆粒由于顆粒細(xì)小,比表面積大,因而具有較高的活性,當(dāng)黏土顆粒與水接觸時,黏土顆粒表面通常帶有一定量的負(fù)電荷,在黏土顆粒周圍形成一個電場,這層帶負(fù)電荷的離子稱為電位離子。帶負(fù)電荷的黏土顆粒表面,進(jìn)而吸引周圍溶液中的正離子,如na+、k+等、而在顆粒表面形成了一個雙電層結(jié)構(gòu),這些與電位離子電荷相反的離子就稱為反離子。在雙電層中電位離子形成了內(nèi)層,反離子形成了外層??拷w粒的反離子與顆粒表面結(jié)合較緊密,當(dāng)黏土顆粒運動時,結(jié)合較緊密的反離子將隨著顆粒一起運動,而其它反離子將不產(chǎn)生運動,由此在運動與不運動的反離子之間便形成了一個滑移面。由于在黏土顆粒表面存在著電場,所以也存在著電位。顆粒表面電位離子形成的電位稱為熱力學(xué)電位(),滑動面上的電位稱為電動電位()。由于反離子的存在,離顆粒表面越遠(yuǎn),電位越低,經(jīng)過一定的距離電位將降低為零,此距離稱為雙電層厚度。由于各個黏土顆粒表面都具有相同的雙電層結(jié)構(gòu),故黏土顆粒之間往往間隔著一定的距離。在水泥中c3s和c2s占主要部分,其水化所生成的ca(oh)2所占的比例也比較高,可達(dá)水化產(chǎn)物的25%。大量的ca(oh)2溶于水后,在土中形成一個富含ca2+的堿性溶液環(huán)境。當(dāng)溶液中富含ca2+時,因為ca2+的電價高于na+、k+,與電位離子的吸引力較強,從而取代了na+、k+,稱為反離子。同時,ca2+雙電層電位的降低速度加快因而使電動電位降低、雙電層厚度減小,使黏土顆粒之間的距離減小,相互靠攏,導(dǎo)致土的凝聚,從而改變土的塑性,使土具有一定的強度和穩(wěn)定度。2.2.3化學(xué)激發(fā)作用ca2+的存在不僅影響了粘土顆粒表面雙電層的結(jié)構(gòu),而且在這種堿性溶液環(huán)境下,土本身的化學(xué)性質(zhì)也將發(fā)生變化。 土的礦物組成基本上都屬于硅鋁酸鹽,其中含有大量的硅氧四面體和硅氧八面體。在通常情況下,這些礦物具有較高的穩(wěn)定性。但當(dāng)黏土顆粒周圍介質(zhì)的ph值增加到一定程度時,黏土礦物中的sio2和al2o3活性分子將被激發(fā)出來,與溶液中的ca2+進(jìn)行反應(yīng),生成新的礦物。這些礦物主要是硅酸鈣和鋁酸鈣系列,如4cao5sio25h2o、caoal2o310h2o、4caoal2o319h2o、3caoal2o316h2o等。這些礦物的組成和結(jié)構(gòu)與水泥的水化產(chǎn)物都有很多類似之處,并且同樣具有膠凝能力。生成的這些膠結(jié)物質(zhì)包裹著黏土顆粒表面,與水泥的水化產(chǎn)物一起,將黏土顆粒凝結(jié)成一個整體。因此ca(oh)2對黏土礦物的激發(fā)作用將進(jìn)一步提高水泥穩(wěn)定土的強度和水穩(wěn)定性。2.2.4碳酸化作用水泥水化生成的ca(oh)2除了可與黏土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)外,還可與空氣中的co2發(fā)生碳酸化反應(yīng)而生成碳酸鈣晶體。其反應(yīng)式如下:ca(oh)2 + co2 + nh2o=caco3 +(n+1)h2o 在caco3生成過程中產(chǎn)生體積膨脹,也可以對土的基體起到填充和加固作用。 水泥水化生成的水化產(chǎn)物,相互交織搭接,將集料顆粒包裹連接起來,隨著水化產(chǎn)物的增加,混合料強度也逐漸增長.基于膠凝材料-水泥石在水泥穩(wěn)定碎石中的特殊作用,控制脆性材料水泥石強度的主要因素-孔隙率也成為影響該材料強度的一個重要因素,這種孔隙率則與水灰比有關(guān)。水泥穩(wěn)定碎石的強度主要與集料的性狀顆粒級配、表面織構(gòu)、形狀、強度及剛度、最大顆粒尺寸等)、水泥類型與數(shù)量、用水量、密實度的影響。在實際施工中,由于集料與水泥類型往往受到限制,強度主要與級配、水泥用量、用水量及密實度有關(guān)。綜上所述,隨著結(jié)晶進(jìn)行的同時,結(jié)晶的析出端,也就是露出晶邊的al3+離子的正電荷將吸引結(jié)合于已析出晶面的oh-離子的負(fù)電荷,結(jié)果結(jié)晶之間發(fā)生排斥,從而形成“晶邊晶面結(jié)合”的蜂窩狀結(jié)構(gòu),把土中的礦物顆粒包裹于蜂窩狀結(jié)構(gòu)里??傊喾€(wěn)定碎石是水泥石的骨架作用與ca(oh)2的物理化學(xué)作用的結(jié)果,后者使碎石和碎石團(tuán)形成穩(wěn)定的團(tuán)狀結(jié)構(gòu),而水泥石結(jié)構(gòu)則把這些團(tuán)粒包裹和連接成堅硬的整體。2.3影響強度的因素2.3.1土質(zhì)土的類別和性質(zhì)是影響水泥穩(wěn)定土強度的重要因素,各種沙礫土、砂土、粉土和粘土均可用水泥穩(wěn)定,但穩(wěn)定效果不同。試驗和生產(chǎn)實踐證明:用水泥穩(wěn)定級配良好的碎(礫)石和沙礫,效果最好,不但強度高,而且水泥用量少;其次是沙性土;再次之是粉性土和粘性土。重粘土難于粉碎和拌合,不宜單獨用水泥來穩(wěn)定,因此,一般要求圖的塑性指數(shù)不大于17.2.3.2水泥的成分和劑量 各種類型的水泥都可以用于穩(wěn)定土。但實驗研究證明,水泥的礦物成分和分散度對于其穩(wěn)定效果有明顯影響。對于同一種土,通常情況下硅酸鹽水泥的穩(wěn)定效果好,而硅酸鹽水泥較差。 在水泥硬化條件相似,物質(zhì)成分相同時,隨著水泥分散度的增加,其活性強度和硬化能力也有所增大,從而水泥土的強度也大大提高。 水泥土的強度隨水泥的劑量的增加而增長,但過多的水泥劑量,雖然獲得強度的增加,在經(jīng)濟(jì)上卻不一定合理,在效果上也不一定顯著,而且由于剛性過大容易開裂。試驗和研究證明,水泥劑量為4%8%較為合理。2.3.3含水量含水量對水泥穩(wěn)定土強度影響很大,當(dāng)含水量不足時,水泥不能在混合料中完全水化和水解,發(fā)揮不了水泥對土的穩(wěn)定作用,影響強度形成。同時,含水量小,達(dá)不到最佳含水量也影響水泥穩(wěn)定土的壓實度。因此,使含水量達(dá)到最佳含水量的同時,還要滿足水泥完全水化和水解作用的需要為好。水泥正常水化所需的水量約為水泥重的20%,對于沙性土,完全水化達(dá)到最高強度的含水量較最佳密度的含水量??;而對于粘性土則相反2.3.4施工工藝過程 水泥、土和水拌合的均勻,而且最佳含水量下充分壓實,使之干密度最大,其強度和穩(wěn)定性就高。水泥土從開始加水拌合到完成壓實的延續(xù)時間要盡可能的最短,一般要在6小時以內(nèi),若時間過長,則水泥凝結(jié),在碾壓時,不但達(dá)不到壓實度的要求,而且也會破壞已結(jié)硬水泥的膠凝作用,反而使水泥穩(wěn)定土強度下降。在水泥終凝時間達(dá)不到規(guī)定要求時,可以使用一定劑量的緩凝劑,但緩凝劑的品種和具體數(shù)量應(yīng)根據(jù)試驗確定。水泥穩(wěn)定土需濕法養(yǎng)生,以滿足水泥水化形成強度的要求。養(yǎng)生溫度愈高,強度增長得愈快,因此,要保證水泥穩(wěn)定土養(yǎng)生的溫度和溫度條件。2.4 集料結(jié)構(gòu)類型混合料的結(jié)構(gòu)強度在很大程度上取決于混合料的內(nèi)摩阻力和粘結(jié)力。在混合料中,各結(jié)構(gòu)組分的變化,會對整個混合料受力產(chǎn)生直接影響,從而使混合料具有不同的變形特性。其結(jié)構(gòu)特點主要有以下三種情況:2.4.1 懸浮密實結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)形態(tài)的水泥穩(wěn)定碎石混合料,通常采用連續(xù)型密級配,骨料的顆粒尺寸由大到小連續(xù)存在。這種結(jié)構(gòu)中含有大量細(xì)料,而粗料數(shù)量少,且相互間沒有接觸,不能形成骨架,粗顆粒猶如“懸浮”于細(xì)顆粒之中。三軸試驗表明,該種結(jié)構(gòu)雖然具有較高的粘聚力,但摩阻角較低,其強度主要受粘結(jié)力所控制,在外部荷載作用下,易產(chǎn)生破壞。由此而修筑的水泥穩(wěn)定碎石基層,受水泥性質(zhì)的影響較大,因而其抗收縮性能較差,使基層容易開裂,破壞了基層的整體性,是造成路面結(jié)構(gòu)破壞的因素之一。懸浮密實結(jié)構(gòu) 圖 2-12.4.2 骨架空隙結(jié)構(gòu)采用連續(xù)開級配的水泥穩(wěn)定碎石混合料屬于這一結(jié)構(gòu)類型。在這種結(jié)構(gòu)中,粗骨料較多,而細(xì)料數(shù)量過少,因此,雖然能夠形成骨架,但其殘余空隙較大。三軸試驗表明,雖然此種結(jié)構(gòu)粘聚力較低,但其內(nèi)摩阻角較大,其強度主要取決于內(nèi)摩阻力,粘聚力相對是次要的。由此而修筑的水泥穩(wěn)定碎石基層,受水泥性質(zhì)的影響較小,因而其抗收縮性能較好,但由于其空隙率太大,使基層的耐久性受到影響。骨架空隙型結(jié)構(gòu) 圖 2-22.4.3 骨架密實結(jié)構(gòu)密實骨架結(jié)構(gòu)是綜合以上兩種類型組成的結(jié)構(gòu)。水泥穩(wěn)定碎石混合料既有一定數(shù)量的粗骨料形成骨架,又根據(jù)殘余空隙的多少加入細(xì)料,從而使混合料形成較高的密實度。這種結(jié)構(gòu)的混合料三軸試驗表明,此種結(jié)構(gòu)不僅具有較高的內(nèi)摩阻角,而且具有較高的粘聚力。理論上講,屬于該種結(jié)構(gòu)類型的水泥穩(wěn)定碎石混合料具有最優(yōu)的力學(xué)性能、抗收縮性能和抗沖刷性能。 骨架密實型結(jié)構(gòu) 圖 2-3 縱觀以上分析可以看出,水泥穩(wěn)定碎石混合料中各組成成分的空問位置排列不同,就會導(dǎo)致混合料整體性質(zhì)發(fā)生變化,因此深入分析混合料內(nèi)部組成結(jié)構(gòu),才能真正設(shè)計出性能優(yōu)良的水泥穩(wěn)定碎石混合料。 集料級配是影響水泥穩(wěn)定碎石強度、穩(wěn)定性和干縮特性的重要因素。在一定程度上,材料級配的好壞,直接影響到材料的強度.影響到水泥穩(wěn)定碎石基層的使用效果。實踐證明,用同一劑量的水泥穩(wěn)定級配良好的集料,其強度和耐久性比穩(wěn)定級配不好的集料的強度和耐久性要高得多。 水泥穩(wěn)定碎石基層原材料的性能不僅要求達(dá)到規(guī)范所規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),還應(yīng)具有良好的級配,使集料排列緊密,具有較小的空隙率,以保證在結(jié)合料的膠結(jié)作用下抗變形能力強,穩(wěn)定性好,具有較高的強度,反之,級配不良的混合料,將導(dǎo)致強度降低。3多孔集料水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計3.1原材料的選擇與檢驗3.1.1水泥由于碎石集料本身的塑性指數(shù)小,不具備任何粘結(jié)力,必須摻入足夠量的結(jié)合料 水泥,在水泥的膠結(jié)作用下,才能形成強度,而水泥劑量的多少對無側(cè)限抗壓強度高低有明顯的影響,所以施工中必須保證足夠的水泥劑量,使水泥穩(wěn)定碎石基層真正起到穩(wěn)定作用。水泥劑量偏低,強度達(dá)不到要求。水泥穩(wěn)定碎石層也起不到穩(wěn)定的作用。水泥穩(wěn)定碎石中強度指標(biāo)在很大程度上取決于水泥的含量,隨著水泥劑量的增加,水泥穩(wěn)定碎石的強度也將顯著地提高。國內(nèi)的許多研究都證實這一點。在保持集料級配一致的條件下,筆者也考察了水泥穩(wěn)定碎石強度與水泥用量的具體變化關(guān)系,水泥用量范圍3.0%、 3.5%、4.0%、4.5%、5.0%。1、 現(xiàn)行規(guī)范要求普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥均可用于穩(wěn)定碎石,但不應(yīng)使用快硬水泥、早強水泥以及己受潮變質(zhì)的水泥;宜采用標(biāo)號32.5或42.5的水泥;應(yīng)選用初凝時間3h以上和終凝時間較長 (宜6h以上)的水泥;并要求施工的延遲時間應(yīng)小于水泥終凝時間。2、本實驗的應(yīng)用情況水泥的種類決定了水泥的礦物成分,直接影響混合料的強度。一般情況下,硅酸鹽水泥的穩(wěn)定效果較好。水泥的標(biāo)號也不易過高(用 32.5#),因為一般情況下高標(biāo)號的水泥其凝結(jié)時間也比較快,這樣不利于混合料的施工;同時也避免在達(dá)到強度日標(biāo)值的前提下,因水泥標(biāo)號高而導(dǎo)致用量少,降低了混合料的漿集比和致密性。因此使用低標(biāo)號水泥主要是考慮強度限制,另外是有慢凝的性質(zhì)。(1)水泥品種和標(biāo)號 此處選用的水泥的強度等級為42.5,產(chǎn)地為安慶,生產(chǎn)許可證為xk23-201-06841,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為gb175-2007。(2)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量可用調(diào)整水量和固定水量兩種方法中的任意一種測定。本實驗采用固定水量法。其試驗?zāi)康氖菫榱藴y定水泥凝結(jié)時間和安定性試驗提供標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。p=33.4-0.185s水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量試驗記錄 表3-1次數(shù)水泥質(zhì)量(g)加水量(ml)錐入深度(mm)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量(%)1500142.527.328.22500142.529.5硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量,一般在24%30%之間。試驗水泥能夠滿足要求。(3)初、終凝時間自加水時刻起,至試針插入凈漿中距底板23mm時所經(jīng)過的時間為初凝時間;至試針插入凈漿中不超過10.5mm時所經(jīng)過的時間為終凝時間。初凝時間與終凝時間均用h-min(小時-分)表示。水泥凝結(jié)時間試驗記錄表 表3-2開始加水時間試針距底板3-5mm時間試針沉入凈漿中0.5mm時間9:4814:3017:25初凝時間4h42min終凝時間7h47min 道路基層水泥初凝時間不低于4h,終凝時間應(yīng)高于6h,但不得遲于10h。初、終凝時間都滿足要求。(4)水泥的體積安定性檢驗方法(雷氏法)體積安定性試驗分試餅法和雷氏法兩種。本實驗采用雷氏法。用膨脹值測定儀測量試件雷氏夾指針兩針尖之間的距離,計算膨脹值,取兩個試件膨脹值的算術(shù)平均值,若不大于5mm時,則判定該水泥安定性合格。若兩塊膨脹值相差超過4mm時,應(yīng)用同種水泥重做試驗。雷氏法測體積安定性試驗記錄 表3-3編號初始記錄煮沸后記錄膨脹值1110.3mm11.4mm1.1mm129.7mm10.2mm0.5mm兩個試件的膨脹值的算術(shù)平均值0.8mm5mm。該水泥體積安定性合格。(5)水泥膠砂強度試驗?zāi)z砂攪拌采用行星式膠砂攪拌機(iso679),首先將稱好的水加入鍋內(nèi),再加入水泥,把鍋放在固定器上,上升至固定位置后立即開動機器,低速攪拌30s,第二個30s內(nèi)均勻加砂,再高速攪拌30s,停拌90s,在第一個15s內(nèi)用一膠皮刮具將葉片和鍋壁上的膠砂刮入鍋中間,在調(diào)整下繼續(xù)攪拌60s。試件振動成型是采用膠砂試件成型振實臺(iso679),分三層加入,每層振動60次。最后用直尺水平將試件表面抹平。以中心加荷法測定抗折強度,試件應(yīng)側(cè)面朝上,抗折試驗加荷速度為50n/s10n/s,直至折斷??拐蹚姸扔嬎悖簉f=1.5ffl/b3式中:rf 抗折強度(mpa) 支撐圓柱中心距(mm)ff 破壞荷載() 試件斷面正方形的邊長,為40mm水泥抗折強度試驗記錄 表3-4齡期破壞荷載(單個值)(kn)測定值破壞荷載(kn)強度(mpa)3d25012500248724965.58 7d3557352634973527 8.27 28d5374535753395357 12.56 抗壓實驗應(yīng)在抗折試驗后立即進(jìn)行,受壓面為試件成型時的兩個側(cè)面,面積為40mm40mm抗壓強度計算:rf/a 式中: r 抗壓強度(mpa) f 破壞荷載(n) a 受壓面積,40mm40mm=1600mm2水泥抗壓強度試驗記錄 表3-5齡期破壞荷載(單個值)(kn)測定值荷載(kn)強度(mpa)3d40.5537.61 41.63 38.46 41.46 38.27 39.66 24.79 7d58.65 60.26 59.13 58.78 59.87 60.43 59.22 37.01 28d89.12 85.01 85.33 84.03 86.64 81.57 85.12 53.20 (6)水泥技術(shù)指標(biāo)匯總水泥技術(shù)指標(biāo)匯總 表3-5項目3天抗折強度(mpa)3天抗壓強度(mpa)7天抗折強度(mpa)7天抗壓強度(mpa)28天抗折強度(mpa)28天抗壓強度(mpa)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量(%)初凝時間終凝時間實驗數(shù)據(jù)5.8539.66 8.27 59.22 12.57 85.12 28.20 4h12min7h47min規(guī)范指標(biāo)3.516.00 6.50 42.5 t4h6ht10h 水泥的各項物理性能評定滿足要求,水泥的強度等級也符合規(guī)范。3.1.2集料1、集料技術(shù)指標(biāo)碎石應(yīng)由巖石或礫石軋制而成,應(yīng)潔凈、干燥,并具有足夠的強度和耐磨耗性。其顆料形狀應(yīng)具有棱角,接近立方體,不得含有軟質(zhì)和其它雜質(zhì)。碎石應(yīng)具有一定的抗壓碎能力:二級和二級以下公路的集料壓碎值不大于35%,石料顆粒的最大粒徑不應(yīng)超過37.5mm;一級、高速公路的集料壓碎值不大于30%,集料中顆粒的最大粒徑不應(yīng)超過31.5mm。集料中有機質(zhì)含量不超過2%,集料中硫酸鹽含量不超過0.25%。2、 實驗結(jié)果試驗測定集料的物理力學(xué)性質(zhì),包括測定集料的壓碎值、針片狀含量、烘干含水量等。(1) 壓碎值 集料壓碎值用于衡量石料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎的能力,是衡量石料力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo),以評定其在公路工程中的實用性?;鶎?、底基層的集料壓碎值(規(guī)范要求) 表3-6公路等級高速公路、一級公路二級公路三級公路、四級公路材料類型水泥、石灰粉煤灰穩(wěn)定類303535石灰穩(wěn)定類基層3035底基層354040級配碎石基層263035底基層303540填隙碎石基層26底基層303030級配或天然砂礫基層35底基層303540采用風(fēng)干集料用13.2mm和9.5mm標(biāo)準(zhǔn)篩過篩,取9.5mm13.2mm的試樣3組各3000g,供實驗用。如過于潮濕需加熱烘干時,烘箱溫度不得超過100,烘干時間不超過4h。試驗前石料應(yīng)冷卻到室溫。將試樣分3次(每次數(shù)量大體相同)均勻加入試模中,每次均將試樣表面整平,用金屬棒的半球面端從石料表面上均勻搗實25次。最后用金屬棒作為直刮刀將表面仔細(xì)整平。稱取量筒中試樣質(zhì)量(m0)。以相同質(zhì)量的試樣進(jìn)行壓碎值的平行試驗。計算壓碎值:石料壓碎值按下式計算,精確至0.1%。 qa=m1/m0100式中: qa 石料壓碎值(%) sm0 試驗前試樣質(zhì)量(g) m1 試驗后通過2.36mm篩孔的細(xì)料質(zhì)量(g)m集料(規(guī)格515)壓碎值試驗記錄 表3-7試驗次數(shù)試驗前試樣質(zhì)量(g)試驗后試樣質(zhì)量(g)試驗后通過2.36mm質(zhì)量(g)壓碎值(%)個別值平均值130002309.7690.323.022.7229822318.5663.522.3 多孔集料的壓碎值符合路面材料的要求,這說明多孔集料具有良好的力學(xué)性質(zhì),也從另一個角度說明多孔集料的形態(tài)特征較好。(2) 針片狀顆粒含量粗集料中的針片狀顆粒,是指用游標(biāo)卡尺測定的粗集料的最大長度(或?qū)挾龋┓较蚺c最小厚度(或直徑)方向的尺寸之比大于3倍的顆粒。將試樣平攤于桌面上,首先目測挑出接近立方體的顆粒,剩下可能屬于針狀(細(xì)長)和片狀(扁平)的顆粒。顆粒平面方向的最大長度為l,側(cè)面厚度的最長尺寸為t,顆粒最大寬度為w(twl),用油表卡尺逐顆測量石料的l及t,將l/t3的顆粒(即最大長度方向與最大厚度方向的尺寸之比大于3的顆粒)分別挑出作為針片狀顆粒。稱取針片狀顆粒的質(zhì)量m1,準(zhǔn)確至1g。計算針片狀顆粒含量:qe=m1/m0100式中:qe 針片狀顆粒含量(%) m1 試驗用的集料總質(zhì)量(g) m0 針片狀顆粒的質(zhì)量(g)針片狀含量記錄 表3-8多孔集料試驗次數(shù)試樣總質(zhì)量(g)針片狀顆粒質(zhì)量(g)針片狀含量(%)個別值平均值1#11000.9123.612.312.92998.5133.513.42#1802.276.39.5110.02803.483.710.43#1400.838.69.69.82402.740.210.0由試驗結(jié)果表明,多孔集料的針片狀顆粒含量要比普通集料的針片狀含量要大15%左右,滿足公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范(jtg f30-2003)對級集料(15%)的要求,說明多孔集料的顆粒形狀不會對水泥穩(wěn)定碎石的性能產(chǎn)生顯著的不良影響。(3) 粗集料密度及吸水率試驗(網(wǎng)籃法) 將試樣用4.75mm或2.36mm標(biāo)準(zhǔn)篩過篩除去其中的細(xì)集料,取試樣洗凈后浸泡24h,采用物理天平,稱取水中質(zhì)量、表干質(zhì)量、烘干質(zhì)量。計算:表觀相對密度:a=ma/(ma-mw) 表干相對密度:s=mf/(mf-mw) 毛體積相對密度:b=ma/(mf-mw)a 集料的表觀相對密度,無量綱s 集料的表干相對密度,無量綱b 集料的毛體積相對密度,無量綱ma 集料的烘干質(zhì)量(g)mf 集料的表干質(zhì)量(g)mw 集料的水中質(zhì)量(g)計算粗集料的吸水率,以烘干質(zhì)量為基準(zhǔn),精確至0.01%:x=(mf-ma)100/ma式中:x 粗集料的吸水率(%)粗集料吸水率試驗記錄 表3-9多孔集料試驗次數(shù)試樣烘干質(zhì)量(g)試樣表干質(zhì)量(g)吸水率(%)個別值平均值1#1197320403.40 3.34 2198020453.28 2#1147615404.34 4.44 2147515424.54 3#1134414286.25 6.24 2134814326.23 粗集料密度試驗記錄 表3-10多孔集料試驗次數(shù)試樣烘干質(zhì)量(g)試樣水中質(zhì)量(g)試樣表干質(zhì)量(g)表觀相對密度(g/cm3)表干相對密度(g/cm3)個別值平均值個別值平均值1#11973123620402.677 2.667 2.537 2.531 21980123520452.658 2.525 2#11476926.215402.685 2.684 2.509 2.505 21475925.415422.684 2.501 3#11344842.614282.680 2.674 2.439 2.435 21348842.814322.668 2.430 混合料的密實度與其中的不同粒徑的集料(尤其是粗集料)之間的嵌擠作用是由相互配合的顆粒的體積比例來反映出來的,所以集料的密度直接影響混合料的配合效果,即強度與密實度。多孔集料的吸水率比普通集料大了近1.2倍。密度相差不大。(4)烘干含水量變化將試樣置于干凈的容器中,稱量試樣和容器的總質(zhì)量(m1),并在1055的烘箱中烘干至恒重,測定質(zhì)量的變化。計算含水率,精確至0.1%。w=(m1-m2)/(m2-m3)100式中:w 粗集料的含水率(%) m1 烘干前試樣與容器的總質(zhì)量(g) m2 烘干后試樣與容器的總質(zhì)量(g) m3 容器質(zhì)量(g)多孔集料烘干過程中質(zhì)量的變化 表3-11多孔集料集料質(zhì)量(g)

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