無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定路面力學(xué)特性及分類教學(xué)

2023/1/122023/1/122EngineeringofSubgradeandPavement2023/1/123無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定路面力學(xué)特性及分類第一節(jié)概述第二節(jié)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的力學(xué)特性第三節(jié)石灰穩(wěn)定類基層（底基層）第四節(jié)水泥穩(wěn)定類基層第五節(jié)工業(yè)廢渣穩(wěn)定基層第六節(jié)半剛性路面面層2023/1/124第一節(jié)概述無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定路面：在粉碎的或原狀松散的土中摻入一定量的無機(jī)結(jié)合料和水，經(jīng)拌和得到的混合料在壓實與養(yǎng)生后，其抗壓強(qiáng)度符合規(guī)定要求的材料稱為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料，以此修筑的路面稱為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定路面。特點：穩(wěn)定性好，抗凍性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)本身成板體，但耐磨性差。廣泛用于修筑路面結(jié)構(gòu)的基層和底基層。半剛性基層：不同的土和無機(jī)結(jié)合料拌和得到不同的穩(wěn)定材料，其剛度介于柔性路面材料和剛性路面材料之間，故以此修筑的基層或底基層稱為半剛性基層。2023/1/125§12-1概述

在粉碎的或原狀松散的土中摻入一定量的無機(jī)結(jié)合料(包括水泥、石灰或工業(yè)廢渣等)和水，經(jīng)拌和得到的混合料在壓實與養(yǎng)生后，其抗壓強(qiáng)度符合規(guī)定要求的材料稱為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料，以此修筑的路面稱為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定路面。無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定路面具有穩(wěn)定性好、抗凍性能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)本身自成板體等特點，但其耐磨性差，因此廣泛用于修筑路面結(jié)構(gòu)的基層和底基層。2023/1/1262023/1/127

粉碎的或原狀松散的土按照土中單個顆粒(指碎石、礫石、砂和土顆粒)的粒徑的大小和組成，將土分成細(xì)粒土、中粒土和粗粒土。不同的土與無機(jī)結(jié)合料拌和得到不同的穩(wěn)定材料。例如石灰土、水泥土、水泥砂礫、石灰粉煤灰碎石等。無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料種類較多，其物理、力學(xué)性質(zhì)各有特點，使用時應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)要求、摻加劑和原材料的供應(yīng)情況及施工條件進(jìn)行綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后選定。由于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的剛度介于柔性路面材料和剛性路面材料之間，常稱此為半剛性材料，以此修筑的基層或底基層亦稱為半剛性基層（底基層）。

2023/1/128第二節(jié)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的力學(xué)特性無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的材料的應(yīng)力—應(yīng)變特性無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的疲勞特性無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的干縮特性和收縮特性2023/1/129§12-2無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的力學(xué)特性

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的力學(xué)特性包括應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、疲勞特性、收縮（溫縮和干縮）特性。1．無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的應(yīng)力-應(yīng)變特性。無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定路面的重要特點之一是強(qiáng)度和模量隨齡期的增長而不斷增長，逐漸具有一定的剛性性質(zhì)。一般規(guī)定水泥穩(wěn)定類材料設(shè)計齡期為三個月，石灰或石灰粉煤灰（簡稱二灰）穩(wěn)定類材料設(shè)計齡期為六個月。半剛性材料應(yīng)力-應(yīng)變特性試驗方法有頂面法、粘貼法、夾具法和承載板法等。試件有圓柱體試件和梁式(分大、中、小梁)試件。試驗內(nèi)容有抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量、劈裂強(qiáng)度和劈裂模量、抗彎拉強(qiáng)度和抗彎拉模量等。2023/1/1210§12-2無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的力學(xué)特性

2無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的疲勞特性材料的抗壓強(qiáng)度是材料組成設(shè)計的主要依據(jù)，由于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，材料的抗拉強(qiáng)度是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制指標(biāo)。

抗拉強(qiáng)度試驗方法有直接抗拉試驗、間接抗拉試驗和彎拉試驗。常用的疲勞試驗有彎拉疲勞試驗和劈裂疲勞試驗。

2023/1/1211§12-2無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的力學(xué)特性3．無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的干縮特性無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料經(jīng)拌和壓實后，由于水分揮發(fā)和混合料內(nèi)部的水化作用，混合料的水分會不斷減少。由此發(fā)生的毛細(xì)管作用、吸附作用、分子間力的作用、材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和碳化收縮作用等會引起無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料體積收縮。描述材料干縮特性的指標(biāo)主要有干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)、干縮量、失水量、失水率和平均干縮系數(shù)。2023/1/1212§12-2無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的力學(xué)特性4．半剛性材料的溫度收縮特性半剛性材料是由固相(組成其空間骨架的原材料的顆粒和其間的膠結(jié)物)、液相(存在于固相表面與空隙中的水和水溶液)和氣相(存在于空隙中的氣體)組成。所以，半剛性材料的外觀脹縮性是三相的不同的溫度收縮性的綜合效應(yīng)的結(jié)果。一般氣相大部分與大氣貫通，在綜合效應(yīng)中影響較小，可以忽略，原材料中砂粒以上顆粒的溫度收縮系數(shù)較小，粉粒以下的顆粒溫度收縮性較大。半剛性材料溫度收縮的大小與結(jié)合料類型和劑量、被穩(wěn)定材料的類別、粒料含量、齡期等有關(guān)。

2023/1/1213§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）

在粉碎的土和原狀松散的土(包括各種粗、中、細(xì)粒土)中、摻入適量的石灰和水，按照一定技術(shù)要求，經(jīng)拌和，在最佳含水量下攤鋪、壓實及養(yǎng)生，其抗壓強(qiáng)度符合規(guī)定要求的路面基層稱為石灰穩(wěn)定類基層。用石灰穩(wěn)定細(xì)粒土得到的混合料簡稱石灰土，所做成的基層稱石灰土基層（底基層）。石灰劑量是石灰質(zhì)量占全部土顆粒的干質(zhì)量的百分率，即石灰劑量＝石灰質(zhì)量／干土質(zhì)量。石灰穩(wěn)定類材料適用于各級公路路面的底基層，可用作二級和二級以下公路的基層，但石灰土不應(yīng)用作高等級公路的基層。2023/1/1214§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）1．石灰穩(wěn)定土強(qiáng)度形成原理在土中摻入適量的石灰，并在最佳含水量下拌勻壓實，使石灰與土發(fā)生一系列的物理、化學(xué)作用，從而使土的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。一般分四個方面，第一是離子交換作用，第二是結(jié)晶硬化作用，第三是火山灰作用，第四是碳酸化作用2023/1/1215§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）2．影響強(qiáng)度的因素1)土質(zhì)各種成因的土都可以用石灰來穩(wěn)定，但生產(chǎn)實踐說明，粘性土較好，其穩(wěn)定的效果顯著，強(qiáng)度也高。當(dāng)采用高液限粘土?xí)r施工不易粉碎；采用粉性土的石灰土早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度也可滿足行車要求；采用低液限土質(zhì)時易拌和，但難以碾壓成型，穩(wěn)定的效果不顯著。采用的土質(zhì)，既要考慮其強(qiáng)度，還要考慮到施工時易于粉碎便于碾壓成型。一般采用塑性指數(shù)12～18(100g平衡錐測液限，搓條法測塑限)的粘性土為好。塑性指數(shù)偏大的粘性土，要加強(qiáng)粉碎，粉碎后，土中15～25mm的土塊不宜超過5%。經(jīng)驗證明塑性指數(shù)小于12的土不宜用石灰穩(wěn)定。對于硫酸鹽類含量超過0.8%或腐殖質(zhì)含量超過10%的土，對強(qiáng)度有顯著影響，不宜直接采用。2023/1/1216§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）2)灰質(zhì)石灰應(yīng)是消石灰粉或生石灰粉，對高速公路或一級公路宜用磨細(xì)生石灰粉。石灰質(zhì)量應(yīng)符合III級以上的技術(shù)指標(biāo)，并要盡量縮短石灰的存放時間。在同等石灰劑量下，質(zhì)量好的石灰，穩(wěn)定效果好。如采用質(zhì)量差的石灰，為了滿足石灰土的技術(shù)要求，就得適當(dāng)增加石灰劑量。2023/1/1217§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）3)石灰劑量石灰劑量對石灰土強(qiáng)度影響顯著，石灰劑量較低(小于3～4％)時，石灰主要起穩(wěn)定作用，土的塑性、膨脹、吸水量減小，使土的密實度、強(qiáng)度得到改善。隨著劑量的增加，強(qiáng)度和穩(wěn)定性均提高，但劑量超過一定范圍時，強(qiáng)度反而降低。生產(chǎn)實踐中常用的最佳劑量范圍，對于粘性土及粉性土為8～14％；對砂性土則為9～16％。劑量的確定應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)層技術(shù)要求進(jìn)行混合料組成設(shè)計。2023/1/1218§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）4)含水量水是石灰土的重要組成部分。它促使石灰土發(fā)生物理化學(xué)變化，形成強(qiáng)度；便于土的粉碎、拌和與壓實，并且有利于養(yǎng)生。不同土質(zhì)的石灰土有不同的最佳含水量。需通過標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗確定，并用以控制施工中的實際加水量，所用水應(yīng)是干凈可供飲用的水。2023/1/1219§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）5)密實度石灰土的強(qiáng)度隨密實度的增加而增長。實踐證明，石灰土的密實度每增減1%，強(qiáng)度約增減4%左右。而密實的石灰土，其抗凍性、水穩(wěn)定性也好，縮裂現(xiàn)象也少。2023/1/1220§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）6)石灰土的齡期石灰土強(qiáng)度具有隨齡期增長的特點。一般石灰土初期強(qiáng)度低，前期(1～2個月)增長速率較后期為快。石灰土強(qiáng)度與齡期關(guān)系可表示為：Rt=Rit

（12-2）式中：Ri——一個月齡期抗壓強(qiáng)度Rt——t個月齡期抗壓強(qiáng)度β——系數(shù)，約為0.1～0.5。2023/1/1221§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）7)養(yǎng)生條件養(yǎng)生條件主要指溫度與濕度。養(yǎng)生條件不同，其強(qiáng)度也有差異。當(dāng)溫度高時，物理化學(xué)反應(yīng)、硬化、強(qiáng)度增長快，反之強(qiáng)度增長慢，在負(fù)溫條件下甚至不增長，因此，要求施工期的最低溫度應(yīng)在5℃以上，并在第一次重冰凍(-3～－5℃)到來之前1個月～1個半月完成。多年的施工經(jīng)驗證明，熱季施工的灰土強(qiáng)度高，質(zhì)量可以保證，一般在使用中很少損壞。養(yǎng)生的濕度條件對石灰土的強(qiáng)度也有很大影響。實踐證明：在一定潮濕條件下養(yǎng)生強(qiáng)度的形成比在一般空氣中養(yǎng)生要好。2023/1/1222§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）3．石灰土基層的應(yīng)用石灰穩(wěn)定土不但具有較高的抗壓強(qiáng)度，而且也具有一定的抗彎強(qiáng)度，且強(qiáng)度隨齡期逐漸增加。因此，石灰穩(wěn)定土一般可以用于各類路面的基層或底基層。但石灰穩(wěn)定土因其水穩(wěn)定性較差不應(yīng)做高速公路或一級公路的基層，必要時可以用作底基層。在冰凍地區(qū)的潮濕路段以及其他地區(qū)的過分潮濕路段，也不宜采用石灰土做基層。

2023/1/1223§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）4．石灰穩(wěn)定土基層縮裂防治石灰穩(wěn)定土基層防治縮裂的措施有：1)控制壓實含水量：石灰穩(wěn)定土因含水量過多產(chǎn)生的干縮裂縫顯著，因而壓實時含水量一定不要大于最佳含水量，其含水量應(yīng)略小于最佳含水量。2)嚴(yán)格控制壓實標(biāo)準(zhǔn)，實踐證明，壓實度小時產(chǎn)生的干縮要比壓實度大時嚴(yán)重，因此，應(yīng)盡可能達(dá)到最大壓實度。3)溫縮的最不利季節(jié)是材料處于最佳含水量附近，而且溫度在0～-10℃時。因此施工要在當(dāng)?shù)貧鉁剡M(jìn)入0℃前一個月結(jié)束，以防在不利季節(jié)產(chǎn)生嚴(yán)重溫縮。4)干縮的最不利情況是石灰穩(wěn)定土成型初期，因此，要重視初期養(yǎng)護(hù)。保證石灰土表面處于潮濕狀況，禁防干曬。2023/1/1224§12-3石灰穩(wěn)定類基層（底基層）5)石灰穩(wěn)定土施工結(jié)束后要及早鋪筑面層，使石灰土基層含水量不發(fā)生大變化，可減輕干縮裂隙。6)在石灰穩(wěn)定土中摻加集料(砂礫、碎石等)，使其集料含量為60～70%，使混合料滿足最佳組成要求，不但提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而且具有較好的抗裂性。7)基層的縮裂會反射到面層，為了防止基層裂縫的反射，國內(nèi)外常采取以下措施：(1)設(shè)置聯(lián)結(jié)層。設(shè)置瀝青碎石或瀝青貫入式聯(lián)結(jié)層，是防止反射裂縫的有效措施。(2)鋪筑碎石隔離過渡層。在石灰土與瀝青面層間鋪筑厚10～20cm的碎石層或玻璃纖維網(wǎng)格，可減輕反射裂縫出現(xiàn)。2023/1/1225§12-4水泥穩(wěn)定類基層

1．概述在粉碎的或原狀松散的土(包括各種粗、中、細(xì)粒土)中，摻入適當(dāng)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(qiáng)度符合規(guī)定要求，以此修建的路面基層稱水泥穩(wěn)定類基層。當(dāng)用水泥穩(wěn)定細(xì)粒土(砂性土、粉性土或粘性土)時，簡稱水泥土。2023/1/1226§12-4水泥穩(wěn)定類基層

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(jī)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(qiáng)度、抗水性和耐凍性。其初期強(qiáng)度較高，且隨齡期增長而增長，所以應(yīng)用范圍很廣。近年來，在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)上取得了滿意的效果。但水泥土禁止作為高速公路或一級公路路面的基層，只能用做底基層。在高等級公路的水泥混凝土路面板下，水泥土也不應(yīng)做基層。2023/1/1227§12-4水泥穩(wěn)定類基層2．強(qiáng)度形成原理在利用水泥來穩(wěn)定土的過程中，水泥、土和水之間發(fā)生了多種非常復(fù)雜的作用，從而使土的性能發(fā)生了明顯的變化。這些作用可以分為：化學(xué)作用：如水泥顆粒的水化、硬化作用，有機(jī)物的聚合作用，以及水泥水化產(chǎn)物越粘土礦物之間的化學(xué)作用等等。物理－化學(xué)作用：如粘土顆粒與水泥及水泥水化產(chǎn)物之間的吸附作用，微粒的凝聚作用，水及水化產(chǎn)物的擴(kuò)散、滲透作用，水化產(chǎn)物的溶解、結(jié)晶作用等等。物理作用：如土塊的機(jī)械粉碎作用，混合料的拌和、壓實作用等等。2023/1/1228§12-4水泥穩(wěn)定類基層3．影響強(qiáng)度的因素1)土質(zhì)土的類別和性質(zhì)是影響水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度的重要因素，各類砂礫土、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)石和砂礫，效果最好，不但強(qiáng)度高，而且水泥用量少；其次是砂性土；再次之是粉性土和粘性土。重粘土難于粉碎和拌和，不宜單獨用水泥來穩(wěn)定，因此，一般要求土的塑性指數(shù)不大于17。2023/1/1229§12-4水泥穩(wěn)定類基層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。但試驗研究證明，水泥的礦物成分和分散度對其穩(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，而鋁酸鹽水泥較差。在水泥硬化條件相似，礦物成分相同時，隨著水泥分散度的增加，其活性程度和硬化能力也有所增大，從而水泥土的強(qiáng)度也大大提高。水泥土的強(qiáng)度隨水泥劑量的增加而增長，但過多的水泥用量，雖獲得強(qiáng)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，且容易開裂。試驗和研究證明，水泥劑量為4～8％較為合理。2023/1/1230§12-4水泥穩(wěn)定類基層3)含水量含水量對水泥穩(wěn)定土強(qiáng)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(qiáng)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，也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%，對于砂性土，完全水化達(dá)到最高強(qiáng)度的含水量較最佳密度的含水量為??；而對于粘性土則相反。2023/1/1231§12-4水泥穩(wěn)定類基層4)施工工藝過程水泥、土和水拌和得均勻，且在最佳含水量下充分壓實，使之干密度最大，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性就高。水泥土從開始加水拌和到完成壓實的延遲時間要盡可能最短，一般要在6h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(qiáng)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(qiáng)度的需要。養(yǎng)生溫度愈高，強(qiáng)度增長的愈快。因此，要保證水泥穩(wěn)定土養(yǎng)生的溫度和濕度條件。2023/1/1232§12-4水泥穩(wěn)定類基層養(yǎng)生及交通管制：(1)每一段碾壓完成后應(yīng)立即開始養(yǎng)生，不得延誤。(2)在整個養(yǎng)生期間都應(yīng)使水泥穩(wěn)定碎石層保持潮濕狀態(tài)，養(yǎng)生結(jié)束后，必需將覆蓋物清物干凈。(3)在養(yǎng)生期間未采用復(fù)蓋措施的水泥穩(wěn)定碎石層上，除灑水車外，應(yīng)封閉交通，在采用覆蓋措施的水泥穩(wěn)定碎石層上不能封閉交交通時，應(yīng)限制重車通行，其它車輛車速不得超過30km/h。(4)水泥穩(wěn)定碎石層上立即鋪筑瀝青面層時，不需太長的養(yǎng)生期，但應(yīng)始終保持表面濕潤，至少灑水養(yǎng)生三天。2023/1/1233§12-5工業(yè)廢渣基層

1．概述隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)廢渣逐漸增多，怎樣綜合利用工業(yè)廢渣引起了國內(nèi)外重視。近年來，我國利用工業(yè)廢渣鋪筑路面基層，取得顯著成效，不但提高了路面使用品質(zhì)，而且降低了工程造價，“變廢為寶”，具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。公路上常用的工業(yè)廢渣有：火力發(fā)電廠的粉煤灰和煤渣，鋼鐵廠的高爐渣和鋼渣，化肥廠的電石渣，以及煤礦的煤矸石等。粉煤灰和煤渣中含有較多的二氧化硅、氧化鈣或氧化鋁等活性物質(zhì)。用石灰穩(wěn)定工業(yè)廢渣時，石灰在水的作用下形成飽和的Ca(OH)2溶液。廢渣的活性氧化硅和氧化鋁在Ca(OH)2溶液中產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和鋁酸鈣凝膠，把顆粒膠凝在一起，隨水化物不斷產(chǎn)生而結(jié)晶硬化，具有水硬性。溫度較高時，強(qiáng)度增長快，因此，石灰穩(wěn)定工業(yè)廢渣最好在熱季施工，并加強(qiáng)保濕養(yǎng)生。2023/1/1234§12-5工業(yè)廢渣基層

石灰穩(wěn)定工業(yè)廢渣基層具有：水硬性、緩凝性、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，成板體、且強(qiáng)度隨齡期不斷增加，抗水、抗凍、抗