（交通運輸工程專業(yè)論文）水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能研究.pdf

摘要 本文從提高水泥穩(wěn)定碎石基層材料抗裂性能角度出發(fā)，通過強度及微觀收縮 機理分析，從集料級配和結合料種類、劑量兩個方面入手，提出水泥穩(wěn)定碎石基 層材料抗裂配合比設計方法，并進行水泥穩(wěn)定碎石基層材料的路用性能( 含抗裂 性能) 研究。理論和試驗均表明，采用密實骨架結構水泥穩(wěn)定碎石作瀝青路面基 層可以大大減輕路面裂縫，并以此驗證了水泥穩(wěn)定碎石基層材料防裂配合比設計 方法的合理性與適用性，提出以抗裂指數作為水泥穩(wěn)定碎石的抗裂評價指標。 在對水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面防裂的工程措施研究中，提出了采用基層預 鋸縫+ 土工布進行防裂的措施，該措施可以有效地防止裂縫擴展到瀝青面層產生 反射裂縫，從而可以提高路面使用質量和延長道路使用壽命。 為驗證研究結果，課題組結合當地具體情況以及室內試驗結果，于2 0 0 6 年 在安大路鋪筑了試驗段，并進行了跟蹤觀測，初步觀測結果表明試驗路使用效果 良好。 關鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石；抗裂配合比設計方法；抗裂評價指標；預鋸縫；土工布 a b s t r a c t t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs t r e n g t ha n dm i c r o c o s m i cc o n t r a c tm e c h a n i s m ，t h i sp a p e r b a s e so ni m p r o v i n gt h ea n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c eo fc e m e n t - s t a b i l i z e da g g r e g a t e m i x t u r ec o n s i d e r i n ga g g r e g a t e sg r a d a t i o na n dv a r i e t y , d o s a g eo fj o i n t i n gm a t e r i a l ， p r e s e n t sa n t i - c r a c k i n gm i x t u r ed e s i g nm e t h o do fc e m e n t s t a b i l i z e da g g r e g a t em i x t u r e a n dr e s e a r c h e si n t o t h er o a d a n t i - c r a c k i n gp e r f o r m a n c e ( i n c l u d i n ga n t i c r a c k i n g p e r f o r m a n c e ) t h e o r ya n dt e s ta l ls h o wt h a tt h eu s i n go fc e m e n t - s t a b i l i z e da g g r e g a t e m i x t u r eo fd e n s es k e l e t o ns 仃u c t u r et y p ec a ng r e a t l yl i g h t e nc r a c ki nt h ea s p h a l t s u r f a c e t h er a t i o n a l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo fa n t i c r a c k i n gm i x t u r ed e s i g nm e t h o do f c e m e n t - s t a b i l i z e da g g r e g a t em i x t u r ei sv 嘶f i e da n dt h ea n t i - c r a c k i n ge v a l u a t i o ni n d e x i sp u tf o r w a r d h a v i n gp u tf o r w a r dt h ea p p l i c a t i o nb a s ec o u l s ei na d v a n c es a wk e r f + g e o t e x t i l e t og u a r da g a i n s tt h es p l i tm e a s u r ei np r o j e c tm e a s u r er e s e a r c h , w h i c hc a ne f f e c t i v e l y p r e v e n t st h ek e r fe x p a n s i o nf r o mp r o d u c i n gt h er e f l e c t i o nc r a c ki na s p h a l ts u r f a c e ， t h u sc a nr a i s et h eq u a l i t yt h a tt h er o a ds u r f a c ei su s e da n dp r o l o n g sl i f e - s p a no fr o a d t ov e r i f yt h er e s u l to ft e s t , t h ee x p e r i m e n t a lp r o j e c ti sc o n s t r u c t e di na n d a h i g h w a yo nb a s eo ft h el a b o r a t o r yt e s tr e s u l ti n2 0 0 6 t h ei n i t i a lo b s e r v a t i o ns h o w s t h a tt h ee x p e r i m e n t a lr o a dh a sa g o o du s i n ge 艉c t k e yw o r d s ：c e m e n t - s t a b i l i z e da g g r e g a t e ；a n t i - c r a c k i n gm i x t u r ed e s i g nm e t h o d ； a n t i c r a c k i n ge v a l u a t i o ni n d e x ；i na d v a n c es a wk e r f ig e o t e x t i l e 附件一東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明及使用授權聲明文本 東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。 盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過 的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與獲 一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 叢1 東南大學學位論文使用授權聲明 東南大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留本人所送交學位論文的復印 件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內容和紙質 論文的內容相一致。除在保密期內的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包括 刊登) 論文的全部或部分內容。論文的公布( 包括刊登) 授權東南大學研究生院辦理。 研究生繇魄導師虢堂略期： 東南大學碩士論文 第一章緒論 1 1 研究的目的及意義 從1 9 8 8 年開始，中國進入了公路建設快速發(fā)展的時期。截至2 0 0 6 年底，中 國公路通車總里程已達到三百四十八萬公里。其中高速公路從零起步，經過1 8 年的建設，目前已達4 5 4 萬公里，高速公路總里程位居世界第二位。高速公路 的快速發(fā)展，有力地促進了我國經濟發(fā)展和社會進步。 根據社會發(fā)展的要求和交通加快發(fā)展的新形勢，國務院2 0 0 4 年底審議通過 了國家高速公路網規(guī)劃。根據規(guī)劃，未來3 0 年中國將掀起建設高速公路的高 潮：投資兩萬多億元人民幣、建成8 5 萬公里的國家高速公路網。新路網簡稱為 “7 9 1 8 ”網，將采用放射線和縱橫網格相結合的形式，由7 條北京放射線、9 條 縱向路線和1 8 條橫向路線組成。規(guī)劃總體上貫徹了“東部加密、中部成網、西 部連通”的布局思路，建成后可以在全國范圍內形成“首都連接省會、省會彼此 相通、連接主要地市、覆蓋重要縣市”的高速公路網絡。 在我國高等級公路的建設中，半剛性材料被用作公路路面的基層材料，并在 目前公路建設中越來越占有特殊的重要地位。在這些材料中，水泥穩(wěn)定碎石基層 具有較高的強度和承載能力，主要表現在較高的抗壓強度和剛度，并具有一定的 抗彎拉強度，且它們都具有隨齡期而不斷增長的特性，因此水泥穩(wěn)定碎石基層瀝 青路面通常具有較小的變形和較強的荷載擴散能力；另外，這種材料在剛度方面 要優(yōu)于其它半剛性材料，修在這種基層材料上的瀝青面層彎拉應力值相應較小， 從而提高了瀝青面層抵抗行車荷載疲勞破壞的能力；其次，它還具有較好的穩(wěn)定 性。 盡管水泥穩(wěn)定碎石混合料被用作路面基層時有如上諸多優(yōu)點，但不是所有采 用水泥穩(wěn)定碎石混合料作路面基層的道路結構都能獲得預期的效果。隨著水泥穩(wěn) 定碎石混合料在我國的大量使用，逐漸發(fā)現把它用于基層時也存在著一些有待解 決的問題。由于水泥穩(wěn)定碎石呈脆性，且對溫度、濕度的變化比較敏感，在施工 及使用過程中，會在溫度或濕度交替變化時容易產生收縮開裂。從國內已建成的 高速公路使用調查來看，水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面裂縫問題日益突出，并己成 為該結構的主要缺陷。不論是南方還是北方，通車后一年或兩年后均有裂縫產生。 早期的裂縫對行車并無明顯的影響，但隨著表面雨水和雪水的侵入，在大量行車 東南大學碩士論文 荷載反復作用下，會導致路面強度明顯下降，產生沖刷和唧泥現象，使裂縫加寬， 裂縫兩側的瀝青面層碎裂，影響了瀝青路面的使用性能。 對于水泥穩(wěn)定碎石的使用上，目前國內有一些不同的意見。一些學者認為水 泥穩(wěn)定碎石是我國半剛性基層路面產生早期破壞的主要原因，應該逐步采用柔性 路面取代半剛性路面。另外一部分學者則認為我國半剛性基層路面產生的早期裂 縫破壞是由于水泥穩(wěn)定碎石和瀝青路面材料的收縮特性共同造成的，半剛性基層 不應該被舍棄。從我國幾十年使用半剛性材料的實踐來看，不應該完全摒棄半剛 性材料，而是應該調整混合料中各種材料的配比，從而有效的提高和改變半剛性 材料的強度、模量、抗裂性、抗沖刷性、抗凍性等路用性能，使其能夠得到更好 的應用。 從目前國內外的研究成果來看，普遍認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構的早期收縮裂縫的出現，同時可以提高基層的綜 合路用性能。 公路路面基層施工技術規(guī)范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 無論在確定集料的級配范圍 標準，還是集料在混合料中的重量比例以及強度標準時，均存在標準單一、無法 適應所有地區(qū)的問題。這些問題的存在使水泥穩(wěn)定類材料基層在使用時沒有達到 合理的最佳設計。目前很多地方按規(guī)范設計的水泥穩(wěn)定類基層，早期裂縫多、抗 沖刷能力差、軟夾層多，其上的瀝青路面極易發(fā)生開裂、網裂松散等早期破壞。 很多工程實踐證明，按公路路面基層施工技術規(guī)范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 設計的水泥 穩(wěn)定碎石混合料會出現較多的裂縫。在其強度形成及使用過程中，常因溫度變化 產生溫度收縮裂縫和因含水量變化產生干縮裂縫，當瀝青面層較薄時這些裂縫往 往擴展到面層形成反射裂縫：當面層較厚時，就會形成對應裂縫。這些裂縫會隨 著時間的延長而不斷產生、發(fā)展，最終形成網裂。這不僅降低了道路的服務水平， 還破壞了路面結構的整體性和連續(xù)性，并在一定程度上降低了路面結構的強度。 主要原因是在混合料配合比設計時，對混合料的抗裂性能未做充分的研究。 鑒于此，有必要深入開展對水泥穩(wěn)定碎石混合料開裂機理、防裂措施和路用 性能的研究，從結構組合與材料組成設計上著手，研究如何合理地進行基層混合 料配合比設計，從而提高抗裂性能，并提出合理而實用的防治半剛性基層瀝青路 面裂縫的措施。這對最大限度地減少收縮裂縫、延長道路使用壽命，具有十分重 2 東南大學碩士論文 要的現實意義。 1 2 國內外研究現狀 水泥穩(wěn)定類半剛性基層瀝青路面( 包括貧混凝土基層) 也常見于國外高等級 路面中，且半剛性基層多為水泥穩(wěn)定粒料。對于這類路面國外使用調查認為半剛 性基層反射裂縫及由此而引起的雨雪水對基層沖刷和唧漿現象是不可忽視的病 害。半剛性基層在外界溫、濕變化時，所產生的收縮是導致半剛性基層裂縫及產 生反射裂縫的主因。因此，通過半剛性基層材料的合理組成研究，如調整結合料 用量與比例，增加骨料含量并嚴格設計級配，通常可以減少其溫縮和干縮系數， 增加抗裂性能，在很大程度上能減輕裂縫產生。 對半剛性基層材料收縮性能及規(guī)律國內外進行大量研究工作，現就國內外研 究成果及動態(tài)分述如下。 1 2 1 半剛性基層收縮性能及規(guī)律研究現狀 1 干縮特性研究 國外在干縮特性研究方面做了大量的工作，取得了一些研究成果，具有代表 性的是以下兩方面。 1 ) 美國k p 喬治等人研究了水泥穩(wěn)定土的干縮特性，并論述了影響水泥穩(wěn) 定土收縮應變的因素。 ( 1 ) 在其它條件相同情況下，土中小于o 0 0 2 m m 粘粒含量愈多，水泥土收縮 愈大。而且干縮量增加的速度大于粘粒含量增加的速度，蒙脫土的干縮量明顯大 于高嶺土的干縮量。 ( 2 ) 制件含水量愈大，試件干縮應變愈大。所以在基層施工中要嚴格控制含 水量。 ( 3 ) 密實度越大，試件干縮應變愈小。因而收縮率可以用改進壓實的方法使 其減少。 ( 4 ) 對于各種不同土的水泥劑量對混合料的干縮特性的影響是不一樣的，但 對大多數土，混合料梁式試件干縮應變開始隨水泥劑量增加而減小，并達到一個 最小值，此后隨水泥劑量增加而略有增加，為此可找出一個收縮最小的最佳劑量。 ( 5 ) 養(yǎng)生期。用水泥穩(wěn)定小于o 0 0 2 m m 粘粒含量小于1 2 土時，養(yǎng)生2 8 d 后 測試得的干縮值略大于制件后立即測得干縮值。但粘粒含量大于1 2 時干縮值 3 東南大學碩士論文 隨養(yǎng)生期增加而減小。 2 ) 澳大利亞r e 洛林斯研究了水泥穩(wěn)定粒料土的干縮特性，研究表明： ( 1 ) 粒料土類型對干縮應變有很大影響。小于0 4 2 5 m m 的顆粒含量越多、塑 性指數和線收縮越大的粒料土，用水泥處治后干縮值越大，可達7 7 0 1 0 石，而 小于0 4 2 5 m m 的顆粒含量少、塑性指數和線收縮小的粒料土用水泥處治后干縮 應變只有約1 9 0x1 0 幣，僅為前者的1 4 。 ( 2 ) 粒料土塑性對水泥混合料干縮應變影響是正比關系。塑性越大，干縮應 變也愈大。 ( 3 ) 含水量。制件含水量對水泥穩(wěn)定粒料土的干縮應變有明顯影響，其影響 程度又隨粒料土的塑性而變。粒料土塑性越大，試件含水量對混合料的干縮應變 的影響也愈大。 ( 4 ) 水泥劑量。對塑性粒料土，水泥劑量對干縮應變影響也較大；可能存在 干縮應變最小的最佳水泥劑量。 ( 5 ) 添加劑。洛林斯用4 水泥穩(wěn)定粒料土時，使用不同添加劑，以研究添加 劑對干縮應變影響。 關于國內研究情況，交通部部屬一些高等院校和科研單位及生產部門對此也 進行了大量的研究，包括分別修建一批水泥穩(wěn)定類、石灰穩(wěn)定類、石灰粉煤灰類 基層試驗路，在對其力學性質和穩(wěn)定性檢測的同時，也對裂縫進行了觀測分析得 出了一些定性的結論，同時也包括大量的室內試驗得出的一些定量結論： ( 1 ) 影響半剛性材料干縮性能的主要因素有土質情況、壓實度和含水量?；?層碾壓時含水量越大干縮越嚴重；而壓實度大的路段，不易產生干縮。 ( 2 ) 集料可在一定程度上降低干燥收縮值。 ( 3 ) - - 類半剛性基層材料中干縮系數大小順序為：石灰土 石灰粒料土； 水泥土 水泥粒料土 水泥粒料；二灰土 密實式二灰粒料。 ( 4 ) 石灰類和石灰粉煤灰類半剛性材料的干燥收縮值一般大于溫度收縮值。 2 溫縮特性研究 由于國外通常認為柔性基層瀝青路面的溫縮裂縫一般是瀝青面層本身的溫 縮裂縫，而半剛性基層瀝青路面的非荷載型裂縫通?？醋魇欠瓷淞芽p，且認為這 種反射裂縫是由表及里半剛性基層材料的千縮裂縫引起的。因此，國外文獻中很 4 東南大學碩士論文 少能看到有關半剛性基層材料溫度收縮特性的資料。 國內一些單位分別做了部分不同的半剛性基層材料的溫縮試驗。 長安大學張登良教授等對幾種半剛性基層材料分別在飽水狀態(tài)、最佳含水量 狀態(tài)、半風干狀態(tài)、風干狀態(tài)和烘干狀態(tài)五種不同狀態(tài)做了電測試驗。在試驗過 程中不同含水量試件都受到封閉，以保持含水量不變。得出如下結論： ( 1 ) 對于烘干試件，溫縮系數隨齡期增長而不斷增大，初期增大較快，后期 增加較慢。 ( 2 ) 溫度收縮最不利情況是：接近最佳含水量狀態(tài)和在0 c 一- 1 0 c 溫度區(qū)間。 ( 3 ) 封閉狀態(tài)下各種半剛性材料溫縮系數明顯小于自由狀態(tài)下的值。 河北省交通規(guī)劃設計院做了二灰土及石灰土溫縮試驗，得出一些結論： ( 1 ) 溫縮應變值8 t 隨溫度下降而上升。 ( 2 ) 對于二灰土，隨石灰粉煤灰比例增加二灰土溫縮系數減小。 ( 3 ) 石灰土溫縮性能隨石灰劑量增加而減小。 ( 4 ) 二灰土混合料溫縮系數a ，多數在- 5 c - - - 1 0 c 溫度區(qū)間很快增長，少數0 c 5 溫度區(qū)間增長很快。 另外室內試驗研究表明：穩(wěn)定粒料土的溫縮系數明顯小于穩(wěn)定細粒土的溫縮 系數。影響穩(wěn)定粒料土的溫縮系數的主要因素有粒料土中含土量、粒料含量、水 泥種類及劑量等。 以上研究結論無疑對今后的研究和當前公路中半剛性材料設計具有積極指 導作用和一定實用價值。 1 2 2 防裂措施研究現狀 國內外在防止半剛性基層瀝青路面的裂縫方面先后采取了很多措施，如橡膠 瀝青封層( s a m ) 、應力吸收膜( s a m i ) 、土工織物中間層和碎礫石緩沖層等。 就半剛性基層材料防裂措施而言，可歸納如下幾個方面： 1 控制粒料中細粒含量和塑性指數。 2 提高粗集料含量，盡量采用密式級配。 3 減小碾壓時含水量或在水泥穩(wěn)定粒料中使用減水劑，且采用重型壓實標 準。 4 用粉煤灰代替部分水泥劑量。 東南大學碩士論文 另外國外在減輕半剛性基層瀝青路面反射裂縫方面所采用的工程技術措施， 概括起來大致有如下幾種： 1 半剛性基層預切縫：德國1 9 8 6 年設計規(guī)范規(guī)定，當瀝青面層厚度小于或 等于1 4 c m 時，基層厚度不管多大，只要基層抗壓強度1 2 m p a ，基層必須預切 縫。 2 預制微裂紋：在基層中制造裂紋的目的是減低其收縮性，同時水硬性結合 料穩(wěn)定基層內的均勻細裂縫有傳荷能力，對該層的永久承載力有利。 3 提高瀝青路面厚度，選擇模量低的瀝青混凝土和提高瀝青混凝土抗剪強度 世 專手0 以上各項措施對減少水泥穩(wěn)定基層的收縮和收縮裂縫有一定的效果，對公路 建設起到了有益的指導作用。但是目前各類措施的防范效果在定性、定量上很不 一致，且各類措施防范效果很有限。因而如何采取措施以減少或延遲半剛性基層 瀝青路面的開裂仍有待于進一步研究。 1 3 本文的研究內容和技術路線 1 3 1 主要研究內容 本研究從提高半剛性基層抗裂性能出發(fā)，在滿足各項技術要求的基礎上，提 出基于抗裂性能的半剛性基層材料配合比設計方法，并從力學性能、抗裂性能和 耐久性能等方面進行測試。同時從微觀機理出發(fā)，分析半剛性材料的收縮機理， 提出相應抗裂評價指標，最終結合實際工程進行試驗路驗證。 具體內容如下： 1 水泥穩(wěn)定碎石混合料抗裂配合比設計方法的研究 對水泥穩(wěn)定碎石基層材料從集料級配和結合料性能兩個角度進行分析，并提 出抗裂配合比設計方法： 1 ) 粗集料級配組成及含量研究； 2 ) 細集料、水泥與集料配比研究； 3 ) 確定骨架密實級配，與規(guī)范推薦級配中值做對比研究，確定室內試驗方案。 2 水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能及抗裂評價指標研究 1 ) 對選定的骨架密實結構和懸浮密實結構兩種級配進行力學性能( 抗壓、劈 裂強度、抗壓回彈模量以及抗彎拉回彈模量等) 研究；抗疲勞性能研究；抗裂性 6 東南大學碩士論文 能( 溫縮、干縮特性) 研究。 2 ) 通過上述路用性能研究，提出水泥穩(wěn)定碎石基層材料抗裂裂評價方法與指 標。 3 水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面防裂措施的研究 對基層預鋸縫和土工布的工程防裂措施進行研究，包括鋸縫間距及時間，土 工布的寬度、技術要求與施工工藝，最后從施工環(huán)境入手給出其它一些防裂輔助 措施。 4 鋪筑試驗路，對本文研究成果進行工程驗證。 1 3 2 技術路線 本文的各項方案的確定與安排，均是從如何有效地防治水泥穩(wěn)定碎石基層瀝 青路面的開裂問題從而提高路面的耐久性這一目標而定的。而防治瀝青路面開裂 問題是一個綜合防治過程。從設計、施工及養(yǎng)護都應采取種種相應的措施，才能 取得效果。為此研究方法包含三大部分內容： 第一部分是從結構與材料組成設計上著手，首先在保證合理組合結構前提 下，研究如何合理的進行基層混合料的組成設計，使基層材料抗彎拉強度增大但 盡量又使彎拉模量變化不大、溫縮系數、干縮系數減小，而提高耐久性，改善抗 裂性。從而使這種材料組成在合理的結構設計和正常施工條件下，經受得住交通 荷載和環(huán)境因素條件變化的考驗，達到減少收縮裂縫甚至不產生裂縫之目的，并 提出有效的抗裂評價方法與指標，進一步指導水泥穩(wěn)定碎石基層的合理設計。 第二部分是在盡可能做好結構組合與材料設計的同時，從工程技術措施入 手，提出有效的措施來進一步減少或消除瀝青面層反射裂縫。 第三部分是通過試驗路鋪筑，驗證理論分析以及室內試驗結論的可靠性，驗 證以上方案是否可行。 7 東南大學碩士論文 第二章水泥穩(wěn)定碎石強度及收縮機理分析 水泥穩(wěn)定碎石材料的強度、干燥失水和溫度影響產生收縮的規(guī)律與材料微觀 組成結構息息相關，本章重點從材料組成微觀機理著手，對水泥穩(wěn)定碎石材料的 強度、干燥收縮和溫度收縮產生機理加以分析說明。 2 1 水泥穩(wěn)定碎石基層性能要求 我國高等級公路經過十幾年的建設，積累了豐富的經驗，在路面結構方面形 成了一種主流模式半剛性基層瀝青路面。作為半剛性材料之一的水泥穩(wěn)定碎 石混合料在修筑瀝青路面結構中常被用于基層和底基層己得到普遍的推廣。水泥 穩(wěn)定碎石混合料由于對周圍環(huán)境溫度和濕度的變化比較敏感，加之其剛度大，在 強度形成過程中以及營運期間會產生干縮裂縫和低溫收縮裂縫。當裂縫反射到瀝 青面層時，會加劇路面的破壞，縮短路面的使用壽命。因此，必須給予足夠重視， 采用合理的結構層次、合理的基層厚度和模量、特別是合理的材料組成。采取切 實有效的技術措施防止或延緩瀝青路面開裂和反射裂縫的產生。這樣才能使水泥 穩(wěn)定碎石基層瀝青路面真正體現“優(yōu)面強基穩(wěn)定土基 的路面結構組合原則，使 其在技術上更加合理。 實踐證明，影響公路使用性能和使用壽命的關鍵因素之一是基層的材料和質 量。調查結果表明，新建高速公路和其它公路產生的一些早期破壞均與基層質量 不好有關。因此，要提高路面的修筑質量，解決好基層問題是極其重要的一個環(huán) 節(jié)。在路面結構中，基層是位于面層下的結構層，主要起承重、擴散荷載應力以 及改善路基水溫狀況的作用。因此，作為路面的基層材料，一般必須滿足以下幾 個基本要求： 1 具有足夠的強度和合適的剛度 水泥穩(wěn)定碎石基層必須具有足夠的強度才能承受車輪荷載的反復作用，即在 行車荷載的反復作用下，基層不會產生過多的殘余變形，更不會產生疲勞彎拉破 壞。水泥穩(wěn)定碎石基層材料的強度主要包括兩個方面：一是石料本身的強度，可 用集料壓碎值或集料磨耗值表示，也可用巖石的抗壓強度表示；二是水泥碎石混 合料整體的強度，如抗壓強度。另外，基層的剛度必須與面層的剛度相適應，如 基層的剛度過小，則面層會由于過大的拉應力或拉應變而過早產生開裂破壞；如 基層的剛度過大，其抗裂性能較差。 8 東南大學碩士論文 2 具有足夠的水穩(wěn)定性和冰凍穩(wěn)定性 路表水會通過各種途徑進入路面結構中，在地下水位接近地表的地段，特別 在路基填土不高時，地下水可通過毛細作用進入土基上部和路面結構層；在冰凍 地區(qū)，由于冬季水分重分布的結果，路基上層和路面底基層都有可能處于潮濕或 過濕狀態(tài)。瀝青面層雖不是完全不透水的，但卻能阻礙路面結構層和土基中水分 的蒸發(fā)。調查試驗表明，水分從瀝青面層中蒸發(fā)出來要比透進去困難得多，慢得 多。這就要求基層材料在水的作用下，其強度、整體性和剛度不會明顯的下降， 并且在冬季有一定的承受凍融循環(huán)作用的能力。 3 具有足夠的抗沖刷能力 國內外的調查研究表明，水泥穩(wěn)定碎石基層材料的沖刷及由之而產生的唧泥 現象是明顯存在的，而這些現象均與基層材料的組成特性有關。前文已經說明， 表面水會通過多種途徑進入瀝青路面結構層內，如果進入的水不能及時排出，而 是停留在面層和基層的交界面上，就會使得基層局部潮濕甚至飽和。在較大行車 荷載作用下，路面結構層內或基層材料中的自由水會產生相當大的水壓力。這種 有壓力的水會沖刷基層材料中的細料( 特別是小于o 0 7 5 m m 的顆粒) 。一次沖刷的 量是很小的，但行車荷載的多次作用，沖刷量就會積少成多，在裂縫中形成漿體。 在行車荷載的反復作用下，漿體被逐漸壓擠出裂縫，形成瀝青面層上裂縫處的卿 漿現象。因此，要求水泥穩(wěn)定碎石基層材料對這種沖刷必須具有足夠的抵抗能力， 從而避免出現嚴重的卿泥現象。 4 具有良好的抗裂性能 基層材料隨著溫度和濕度的變化，產生一定的拉應變，如果超過材料允許拉 應變，基層就會開裂?；鶎拥氖湛s開裂不僅破壞基層結構的整體性而降低其強度， 并且這種裂縫很容易在面層上形成反射裂縫，因此希望基層的收縮量越小越好。 水泥穩(wěn)定碎石基層材料的收縮主要包括由于失水而產生的干燥收縮和因溫度降 低而產生的溫度收縮兩大方面。一般認為基層材料的兩類收縮中以溫度收縮較為 重要，這是因為： ( 1 ) 一般道路建筑條件下，路面在溫度低于一5 c 時很容易出現大量裂縫， 這些裂縫主要為細的橫向裂縫，寬度約在0 2 m m - - - 2 m m 。通過對大量試驗路這 些裂縫的分析，認為產生這些裂縫的主要原因是由溫度收縮引起的。 9 東南大學碩士論文 ( 2 ) 施工中若能認真地控制水泥穩(wěn)定碎石基層的水分散失，便能夠減小甚 至完全消除干縮裂縫的發(fā)生。水泥穩(wěn)定碎石基層一旦覆蓋上面層之后，其水分散 失變得困難。 5 具有良好的疲勞性能 疲勞是在小于材料極限強度的應力反復作用下材料所產生的累計破壞。水泥 穩(wěn)定碎石基層在使用期間經受車輪荷載的反復作用，加之氣溫環(huán)境影響使其長期 處于應力應變交替變化狀態(tài)，致使路面結構強度逐漸下降。當荷載重復作用超過 一定次數后，在荷載作用下路面內部產生的應力就會超過強度下降后的結構抗 力，當水泥穩(wěn)定碎石基層內的彎拉應力達到抗彎拉強度值時，裂縫迅速發(fā)展并貫 穿全截面，繼而發(fā)生斷裂。因此，在重交通道路、一級公路和高速公路上，要求 水泥穩(wěn)定碎石基層還應該具有較強的抗疲勞破壞能力。 綜上所述，為了使水泥穩(wěn)定碎石混合料發(fā)揮其作為基層應起到的承重、擴散 荷載應力和改善路基水溫狀況的作用，水泥穩(wěn)定碎石基層必須具有良好的力學性 能、水穩(wěn)定性能、耐久性能、抗沖刷性能及疲勞性能，以及就半剛性基層而言， 需要特別注意的是抗收縮開裂性能。 2 2 水泥穩(wěn)定碎石結構類型 水泥穩(wěn)定碎石混合料是一種復合材料，它是水泥、粗集料、細集料所組成。 這些組成材料在混合料中，由于組成材料質量的差異和數量的多寡，以及各組成 材料之間相互作用的特點、相對位置分布及相互聯系的狀況，可以形成不同的組 成結構，并表現出不同的性能。隨著對水泥穩(wěn)定碎石應用要求的提高和對基層材 料性能認識的深入，研究和工程應用中均體現出水泥穩(wěn)定類混合料的路用性能與 它的結構特點有著非常密切的關系。 與瀝青混合料類似，在研究水泥穩(wěn)定類材料混合料的結構時，一般將其劃分 為三種不同的類型，劃分結構類型的主要標準是粗集料，粗集料經過壓實后，粗 顆粒間空隙體積與壓實后起填充作用的細集料體積之間的關系。目前多數研究人 認為在水泥穩(wěn)定碎石混合料中，根據公稱最大粒徑的不同，以篩孔尺寸為4 7 5 m m 或9 5 m m 作為粗細集料的分界尺寸。 根據已有的資料，一般將粗、細集料的分界尺寸定為4 7 5 r a m ，即通過4 7 5 m m 篩孔的石料處于細集料，4 7 5 m m 以上的石料則屬于粗集料。關于基層材料粗集 1 0 東南大學碩士論文 料的最大粒徑級配可以定為3 1 5 m m 。這三種結構類型分別是： 1 懸浮密實結構 這種結構形態(tài)的混合料，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。這種結構中含有大量細料，而粗料數量少，且相互間沒有形成石一石 接觸，不能形成骨架，粗顆粒猶如“懸浮于細顆粒之中，即混合料中細料的壓 實體積大于粗集料形成的空隙體積。試驗表明，該種結構雖然具有較高的粘聚力， 但摩阻角較低，其強度主要受粘結力所控制，在外部荷載作用下，易產生破壞。 由此而修筑的水泥穩(wěn)定類基層，受結合料性質的影響較大，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，是造成路面結構破壞的因素之一。 2 骨架空隙結構 在這種結構中，粗骨料較多，而細料數量過少，混合料中細料的壓實體積小 于粗集料形成的空隙體積，因此，雖然能夠形成骨架，但其殘余空隙較大。試驗 表明，雖然此種結構粘聚力較低，但其內摩阻角較大，其強度主要取決于內摩阻 力，粘聚力相對是次要的。由此而修筑的水穩(wěn)類基層，受水穩(wěn)性質的影響較小， 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。 3 骨架密實結構 密實骨架結構是以上兩種類型組成的結構。要求混合料既有一定數量的粗骨 料形成骨架，又根據殘余空隙的多少加入細料，混合料中細集料的壓實體積應“臨 界 于粗集料形成的空隙體積，從而使混合料形成較高的密實度。這種結構的混 合料三軸試驗表明，此種結構不僅具有較高的內摩阻角，而且具有較高的粘聚力。 理論上講，屬于該種結構類型的水穩(wěn)類混合料具有最優(yōu)的力學性能、抗收縮性能 和抗沖刷性能。 水泥穩(wěn)定碎石混合料的結構特性與其材料組成、材料力學性能及各組成部分 之間的相對位置密切相關，混合料的受力變形特性是各結構特性組成因素的反 映，即混合料力學特性與結構特性成對應關系。當組成水泥穩(wěn)定碎石混合料結構 的各個因素發(fā)生變化時，混合料的力學特性也會發(fā)生變化。各種結構類型的特點， 水泥穩(wěn)定碎石混合料的結構特性幾個內在因素主要取決于以下幾點： ( 1 ) 礦質顆粒的結構特點：包括礦質顆粒的大小、形狀、最大粒徑、級配、 巖性等都會對水泥穩(wěn)定碎石混合料的結構特性產生影響，尤其是混合料中形成骨 東南大學碩士論文 架的粗集料顆粒對其強度等性能的形成有很大的影響； ( 2 ) 結合料：水泥物理化學性質、水泥與集料的比例對混合料的結構特性 有著很大的影響，尤其是對混合料的短期性能起著關鍵的作用； ( 3 ) 含水量：水泥穩(wěn)定類材料混合料中的含水量對混合料結構的形成有著 很大的作用，最佳含水量的確定對于控制結構的均勻性、離析性以及結合料與集 料之間的聯結等整體結構特性有著很大的影響。 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間位置排列 不同，就會導致混合料整體性質發(fā)生變化。而骨架密實結構汲取了懸浮密實結構 和骨架空隙結構的優(yōu)點，適應了目前的施工水平。在振碾工藝條件下，骨架密實 結構的混合料能夠使粗集料之間的緊密嵌擠作用充分發(fā)揮出來，提高混合料各方 面的性能指標，特別在減小收縮系數提高混合料抗裂性方面較為突出。因此，本 文在水泥穩(wěn)定碎石混合料組成設計方面主要是圍繞著骨架密實結構展開的。 2 3 水泥穩(wěn)定碎石強度形成機理 水泥穩(wěn)定碎石混合料在壓實成型后，系由固相( 結合料、碎石) 、液相( 水溶液) 和氣相( 空氣) - - 相組成。三相之間相互作用的結果，使得水泥穩(wěn)定碎石混合料具 有較高的強度和剛度，從而滿足了水泥穩(wěn)定碎石棍合料作為路面基層的性能要 求。 水泥穩(wěn)定碎石混合料由于剛度高而屬于塑性比較小的材料，因此莫爾強度理 論適應于水泥穩(wěn)定碎石混合料。根據莫爾強度理論，抗壓強度和抗拉強度與混合 料的粘結力和內摩阻角成單值關系。 抗壓強度 r = 2 t g ( 石1 4 + q ) 1 2 ) c 抗拉強度 廠= 2 c t g ( x1 4 + 9 ) 2 ) c 式中：r 為抗壓強度；r 為抗拉強度；c 為粘結力；9 為內摩阻角。 由這些關系可以看出，抗壓強度和抗拉強度隨粘結力的增大而增大。抗壓強 度與抗拉強度的比值可用下式計算： r l r = t 9 2 q c l 4 + 9 ) 2 ) 從上式可以看出：抗壓強度和抗拉強度的比值與粘結力沒有關系，而是取決 于內摩阻角的大小。反過來，內摩阻角和粘結力可以用抗壓強度和抗拉強度來表 1 2 東南大學碩士論文 不： s i n q o = ( r - r ) i ( r + ，) c = o 5 r ， 通過上邊的分析可以得到，決定水泥穩(wěn)定碎石混合料強度的主要因素是顆粒 之間的粘結力和內摩阻力。顆粒間的粘結力完全由水泥和細集料組成的砂漿提 供，與砂漿的強度直接相關；而顆粒間的內摩阻力則來源于粗集料的骨架結構， 受骨架結構的組成形式、集料顆粒形貌和摩阻系數等因素的影響。 水泥穩(wěn)定碎石混合料加水拌合后，隨著水泥水化的進行，混合料內的固液相 之間發(fā)生一系列物理、物理化學和化學作用，并生成一系列具有膠結作用的物質， 使得混合料中顆粒與顆粒之間的連接加固，。形成“固化粘聚力，這是水泥穩(wěn)定 碎石混合料粘結力的主要來源。 硅酸鹽水泥熟料中的四種礦物分別是c 3 s ( 硅酸三鈣) 、c 2 s ( 硅酸二鈣) 、 c 3 a ( 鋁酸三鈣) 、c 4 a f ( 鐵鋁酸四鈣) ，它們遇水后都會發(fā)生劇烈的化學反應。實 際上很難用一般的化學反應方程式真實地表示水泥的水化過程，因此本文對硅酸 鹽水泥水化的過程做了簡要地概括。其過程為：水泥與水拌和后，c 3 a 立即發(fā)生 反應，c 3 s 和c 4 a f 水化也較快，而c 2 s 則較慢。如果在電鏡下觀測，幾分鐘后 就可以看見在水泥顆粒表面鈣礬石針狀晶體、無定形的水化硅酸鈣以及氫氧化鈣 或水化鋁酸鈣等六方板狀晶體。由于鈣礬石的不斷生成，使得液相中刪一離子 逐漸減少并在耗盡之后，就會有單硫型水化硫鋁( 鐵) 酸鈣出現。如石膏不足，還 有c 3 a 或c , a f 剩留，則會生成單硫型水化物和c 4 ( a 、f ) h 1 3 的固溶液，甚至單 獨的c 4 ( a 、f ) h 1 3 ，然后在轉變成穩(wěn)定的等軸晶體c 4 ( a 、f ) h 6 。 隨著時間的推移、水化反應的不斷進行，水泥水化生成的膠體在適當的接觸 點借助分子間力而相互聯結，逐漸形成三維的凝聚網狀結構，能將作為骨料的碎 石緊緊地膠結在一起，形成一個堅實的整體，逐漸產生一定的強度，并且強度隨 著齡期的增長而增大。 水泥穩(wěn)定碎石混合料中的粘結力與混凝土或瀝青混合料的相比較而言較弱。 因而，在水泥穩(wěn)定碎石混合料中更重要的是確保粗集料骨架的形成，充分發(fā)揮粗 集料之間的內摩阻力，使它承擔盡量高比例的行車荷載。另外，目前分析水泥穩(wěn) 1 3 東南大學碩士論文 定碎石混合料的強度往往是建立在無側限受力的基礎上，而實際的路用情況并非 如此。作為基層材料的水泥穩(wěn)定碎石混合料在路面結構中是以層狀整體的形式在 起作用。水泥穩(wěn)定碎石基層中的集料顆粒在承受來自面層的行車荷載的同時總是 受到來自側向的壓力，集料的骨架結構對基層抵抗外荷載就顯得很有意義。現將 水泥穩(wěn)定碎石基層同級配碎石基層作一個比較分析，級配碎石基層就是純粹的集 料骨架結構在有側限條件下的受力。良好的骨架結構使得級配碎石基層能夠達到 設計的承載能力。因而，就可以認識到在設計水泥穩(wěn)定碎石混合料時為什么要追 求集料的骨架密實結構。這種結構在水泥和細集料形成的砂漿穩(wěn)定下，使水泥穩(wěn) 定碎石混合料成為一個完整的板體結構，從而具有優(yōu)良的綜合路用性能。因此， 根據對水泥穩(wěn)定碎石混合料力學性能的分析，可以得到對混合料中集料的要求是 集料顆粒表面粗糙、能形成良好的骨架結構。 2 4 干燥收縮機理分析 干燥收縮是指水泥穩(wěn)定碎石基層材料因內部含水量變化( 水分蒸發(fā)) 而引起 的體積收縮現象。干燥收縮的基本原理是由于水分蒸發(fā)而發(fā)生的“毛細管張力作 用、“吸附水及分子間力作用、礦物晶體或膠凝體的“層間水作用 、以及“碳 化脫水作用而引起的整體宏觀體積的變化。 2 4 1 毛細管張力作用 水泥穩(wěn)定碎石基層材料毛細管中水的彎液面存在著r 勾$ 1 - 壓力差( 即毛細管張 力) ，以壓的形式作用于毛細管壁，其大小與毛細管的半徑成反比。當水分蒸發(fā) 時，毛細管水面下降，彎波面的曲率半徑變小，致使毛細管壓力增大，從而產生 收縮。 根據開爾文方程及拉普拉斯方程，毛細管壓力廿可用下式計算： p ：絲：坐h 1 衛(wèi) rm p q 式中：o r 一彎液面表面張力； ，一毛細管水面曲率半徑； r 一氣體常數； 瑚度； p 一水的密度； 1 4 東南大學碩士論文 m 一水的分子量； p 風一相對濕度。 可見，毛細管張力凹隨，和p p o 的減小而增大，其增長速率亦隨，和p p o 的減小而增大。為此，隨著水分的蒸發(fā)，半剛性基層材料的干縮系數將隨之 增大。 2 4 2 吸附水和分子問力作用 毛細水蒸發(fā)完結后，隨著相對濕度的繼續(xù)變小，凝膠顆粒間的吸附水開始蒸 發(fā)，使顆粒表面水膜變薄，分子力增大，顆粒間距變小，甚至發(fā)生新的化學結合， 導致其宏觀體積的迸一步收縮。這一階段的收縮量要比毛細管作用的影響大得 多。當吸附水膜減薄到一定程度以后，收縮量逐漸減小，直至終止收縮。 水泥穩(wěn)定碎石基層材料中的新生膠結物，如c s h 、c a ( o h 0 2 、c a c 以及 c a - h 等結晶、凝膠和礦物顆粒表面均服從最小表面能原理，其所吸附的水作平 行于表面方向的運動，引起“尖劈 作用力，使固體顆粒膨脹，水脫附后，“尖 劈 作用力消失而引起收縮。 因此水泥用量也是影響水泥穩(wěn)定碎石基層材料收縮的主要因素。粉煤灰的細 球形玻璃體，具有滾珠效應，可以增加水泥穩(wěn)定碎石基層材料氣孔中的水，減少 毛細水和吸附水的數量。 2 4 3 層間水作用 水泥穩(wěn)定碎石基層材料中有大量層狀結構的晶體或非晶體，如粘土礦物、 c s h 凝膠、c a h 結晶等，其層間夾有大量的層間水與水化離子。隨著相對濕 度的進一步下降，層間水蒸發(fā)，致使晶格間距減小，從而引起整體材料的收縮。 因此，含粘土礦物( 尤其是蒙脫石) 和豐富火山灰反應生產物的水泥穩(wěn)定碎石基層 材料，具有強的層間水作用，從而具有較大的干燥收縮性。 2 4 4 碳化收縮作用 所謂碳化收縮是指c a ( o h ) ：，與c 0 2 ，反應生成c a c 0 3 、過程中析出水分而 引起的體積收縮。也有人認為碳化收縮是由于干燥收縮引起的壓力使c a ( 0 h ) 2 結 晶分解，以及由于在無應力空間c a c 0 3 的沉淀而引起。 摻入粉煤灰后，由于粉煤灰吸收水泥水化生成的氫氧化鈣，大大減弱了貧混 東南大學碩士論文 凝土的碳化作用，同時也降低了碳化所產生的收縮。 除此以外，含有集料的水泥穩(wěn)定碎石基層材料，集料本身的收縮也會影響整 體材料的干燥收縮性能。通常，孔隙率大、吸水率高、模量值低的集料具有較大 的干燥收縮率。把引起水泥穩(wěn)定碎石基層材料干燥收縮的三個主要作用過程的收 縮力與含水量之間的關系繪制成曲線，大致呈拋物線形變化。具體見下圖2 1 所 示： 收 縮 力 p l 用 w ( z ) 圖2 1 干燥過程示意圖 從圖2 1 可以看出，對于含水量較大水泥穩(wěn)定碎石材料，干燥收縮形式總是 從毛細管張力作用開始，然后是吸附水和分子間力作用到層間水作用。要控制水 泥穩(wěn)定碎石的干燥收縮，就必須控制這三個過程的收縮量。 2 5 溫度縮裂機理分析 水泥穩(wěn)定碎石材料的宏觀溫度脹縮性是其中固、液、氣三相熱學性質相互作 用綜合效應的外觀表現。組成水泥穩(wěn)定碎石整體結構的原材料各礦物，除粘土礦 物外，一般具有較小的脹縮系數，而新生膠結物則具有較大的溫度脹縮系數。由 于組成復合材料的各礦物有不同的溫度脹縮性，但又膠結為整體的材料，所以， 其溫度脹縮性是各組成單元體間相互作用的“綜合效應 。一般氣相大部分與大 氣貫通，在綜合效應中影響較小，可以忽略，故半剛性基層材料的脹縮性可主要 從固相脹縮、液相脹縮，以及兩者綜合作用三個方面進行研究。 2 5 1 固相脹縮 水泥穩(wěn)定碎石基層材料中的固相顆粒大部分為結晶體及部分非結晶體，其熱 學性質由質點間的鍵性和熱運動以及結構組成所決定。組成晶體的質點( 原子、 1 6 東南大學碩士論文 分子、離子) 間的鍵性一般較強，質點的熱運動只是在其平衡位置附近的熱振蕩。 影響晶體熱膨脹縮性的因素主要有：晶體內質點間的健力、離子電荷及質點間距、 晶格與晶體類型以及晶格的空間結構等。質點間的鍵力越強、離子的間距越小以 及電子電荷越大時，熱脹縮系數就越??；晶體質點的配位數越大，則熱脹縮系數 越大；層狀晶體，垂直于層面方向的熱脹縮系數要大于層向的熱脹縮系數；精密 堆積結構比敞曠式結構有較大的熱脹縮系數。 相關文獻對固相顆粒進行了現膨脹系數的測定，其中石灰中c a 0 為正方形 晶體，各向同性，其線脹縮系數。a ，= 1 2 9 l o 擊；c a ( o h ) 2 和m g ( o h ) 2 晶體為 擴展n - - 維空間的層狀結構，層間為范德華力鍵合，故熱脹縮性呈各向異性，具 有較大的值：延層向a 。= 9 8 1 0 擊 c ，垂直于層向a 。= 3 3 4 1 曠。 粉煤灰中玻璃體的主要成分是活性s i 0 2 ( 占4 0 6 0 ) 和a 1 2 0 3 ( 占2 0 3 5 ) ， 由于玻璃體的空心結構，雖說s i 0 2 和燦2 0 3 都具有較大的熱脹縮性，但整體材料 的熱脹縮性比較小，一般口 方案3 方案 2 方案1 ，說明k 的取值越大，空隙率越小。 3 3 2 細集料和水泥的用量 1 細集料的級配范圍 在骨架密實結構中，細集料與水泥漿混合在一起充當填充物，在被壓實后， 這種填充物有兩方面作用，一是將粗集料粘在一起，二是形成約束骨架，充分發(fā) 揮骨架作用。骨架密實結構中的細集料級配和最大粒徑要求嚴格，細集料最大粒 徑不應太大，以免撐開粗集料，影響骨架