第15章-無機結合料穩(wěn)定材料及路面(整理)

第十五章無機結合料穩(wěn)定路面第一節(jié)概述第二節(jié)無機結合料穩(wěn)定材料的特性第三節(jié)石灰穩(wěn)定類基層/底基層第四節(jié)水泥穩(wěn)定類基層/底基層第五節(jié)工業(yè)廢渣穩(wěn)定類基層/底基層主要內容第一節(jié)概述1、無機結合料穩(wěn)定材料及其特點定義：在粉碎的或原狀松散的土中摻入一定量的水泥、或石灰、或工業(yè)廢渣等無機結合料及水，拌和得到混合料經(jīng)壓實和養(yǎng)生后，得到的抗壓強度符合規(guī)定的材料。由于無機結合料穩(wěn)定材料的剛度處于柔性材料(如瀝青混合料)和剛性材料(如水泥混凝土)之間，所以也稱為半剛性材料，由其鋪筑的結構層稱為半剛性層。板體性好，具有一定的抗拉強度；穩(wěn)定性好，抗凍性強；強度和剛度隨著齡期而增長；經(jīng)濟性好；干縮溫縮大，耐磨性差，抗疲勞性也稍差。無機結合料穩(wěn)定材料的特點2、無機結合料穩(wěn)定材料的種類1）原材料①土（廣義）：細粒土、粗粒土、巨粒土②無機結合料：水泥、石灰、工業(yè)廢渣等2）無機結合料穩(wěn)定種類：細粒土：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、二灰穩(wěn)定碎石（二灰碎石）、水泥碎石土、水泥穩(wěn)定碎石、二灰砂、水泥砂無土：二灰、二渣、水泥礦渣等1、無機結合料穩(wěn)定材料的應力—應變特性1）強度和模量隨齡期增長而變化，不同種類材料的強度變化規(guī)律也不同；2）有較好的板體性，具有一定的抗拉性能；3）用抗壓強度與抗壓回彈模量、劈裂強度與劈裂回彈模量、抗彎拉強度與抗彎拉彈性模量、干縮與溫縮等來衡量材料的性能；4）應力—應變特性與原材料和結合料的性質與用量、混合料的含水量及密實度以及齡期、溫度等有關。第二節(jié)無機結合料穩(wěn)定材料的特性無機結合料穩(wěn)定材料的強度與時間和溫度有關。所以要按不同齡期（7d、28d、90d、180天等）和不同的溫度(淮河以北地區(qū)20℃、淮河以南地區(qū)25℃)來測定試件的強度，抗壓和劈裂測定用圓柱體試件。2、無機結合料穩(wěn)定材料的設計齡期設計齡期：不同無機結合料穩(wěn)定材料的強度和模量隨齡期增長的速度不同，因此，在路面結構設計時的參數(shù)設計齡期，水泥穩(wěn)定類材料的齡期：90天；石灰或者二灰穩(wěn)定類的齡期：180天；水泥粉煤灰穩(wěn)定類：120天。設計指標：由于半剛性基層材料的抗拉強度遠小于其抗壓強度，因此抗拉強度（劈裂強度）是路面結構設計的主要指標，抗壓強度是材料組成設計的次要指標。材料組成設計7天的抗壓強度。3、無機結合料穩(wěn)定材料的疲勞特性所謂疲勞是指在荷載反復作用下，材料的極限強度會隨著作用次數(shù)的增加而降低的現(xiàn)象；一般有劈裂疲勞和小梁疲勞試驗。我國無機結合料穩(wěn)定材料的疲勞一般采用劈裂疲勞。單對數(shù)雙對數(shù)半剛性材料可以進行小梁彎拉疲勞試驗，但是一般認為其變異性較大。室內小梁彎拉疲勞試驗設備照片（三分點加載）同時由于劈裂試驗更能反映材料在路面結構中的受力狀態(tài)，因此實際常采用劈裂疲勞試驗。劈裂試驗示意圖1）通過不同應力比(應變水平)疲勞試驗可測繪出疲勞曲線；2）在一定的應力（應變水平）水平條件下，材料的疲勞壽命取決于材料的強度和剛度，強度愈大剛度愈小，疲勞壽命就愈長；跟試驗溫度的變化關系不大。3）σf/σs<50%時，原則上可至無窮加荷次數(shù)，但材料本身變異性大，實際試驗中因材料的不均勻性，疲勞壽命要小得多。二灰砂礫（小梁）應力強度比疲勞壽命曲線4、無機結合料穩(wěn)定材料的干縮和溫縮無機結合料穩(wěn)定材料拌和壓實后，由于失水干燥，或降溫影響而收縮。由此可引起收縮應力及開裂破壞。一般衡量材料的體積變化相對較難，因此，實際中往往采取一維單向變化測定來反映材料的收縮性能，通過收縮應變及收縮系數(shù)來表征材料的收縮性能大小。5）干縮試驗試件：100mm×100mm×400mm梁式試件，標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7天；條件：溫度為25℃，濕度50％左右；檢測：第1天為6小時一次，第2～5天為12小時一次，之后24小時一次，直到含水量基本不變?yōu)橹梗?）溫縮試驗試件：100mm×100mm×400mm梁式試件，標準養(yǎng)護條件養(yǎng)護28天；溫度范圍：+55℃～-25℃，每10℃為一個溫度區(qū)段時間設定：降溫時間10min（即1℃/min），恒溫120min。WGD高低溫交變環(huán)境箱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7、無機結合料穩(wěn)定材料的收縮特性①干燥收縮濕度在材料使用過程中總有變化，但一般更多考慮的是材料在成型之初的濕度降低影響。1）收縮機理(原因)?毛細管作用?吸附作用?分子間力作用?礦物晶體或凝膠體層間水作用?碳化收縮作用7、無機結合料穩(wěn)定材料的收縮特性2）干縮影響因素：無機結合料穩(wěn)定材料的干縮特性的大小與結合料的類型、劑量、被穩(wěn)定材料的類別、粒料含量、小于0.6mm細顆粒含量、試件含水量和齡期等有關。3）幾種材料的干縮比較對穩(wěn)定粒料類，三類半剛性材料的干縮特性的大小次序為：石灰穩(wěn)定類>水泥穩(wěn)定類>石灰粉煤灰穩(wěn)定類對于穩(wěn)定細粒土，三類半剛性材料的收縮性的大小排列為：石灰土>水泥土和水泥石灰土>石灰粉煤灰土4）干縮的發(fā)生與預防①選擇穩(wěn)定劑種類與用量；②控制材料成型時的含水量及成型時機；③保濕養(yǎng)生。②溫度收縮1）收縮原理：由固相、液相和氣相組成。半剛性材料的外觀脹縮性是三相的不同溫度收縮性的綜合效應表現(xiàn)。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，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較大。2）無機結合料穩(wěn)定材料的溫縮影響因素無機結合料穩(wěn)定材料溫度收縮的大小與結合料類型和劑量、被穩(wěn)定材料的類別、粒料含量、齡期等有關3）不同材料的溫縮比較石灰土砂礫（16.7×10-6）>懸浮二灰粒料（15.3×10-6）>密實式二灰粒料（11.4×10-6）和水泥砂礫（5～7％水泥劑量為10～15×10-6）4）溫縮的發(fā)生時節(jié)及控制時節(jié)：冬季低溫控制：選擇材料種類與配比經(jīng)過一定齡期的養(yǎng)生，半剛性材料的變形以溫度收縮為主。半剛性基層修建初期，同時受到干燥收縮和溫度收縮的綜合作用。8、施工注意事項（1）注意無機結合料穩(wěn)定材料類型選擇穩(wěn)定細粒土如石灰土、水泥土、石灰水泥土及二灰土不宜用作高等級道路瀝青路面的基層，原因在于：①穩(wěn)定細粒土的干縮和溫縮性均較穩(wěn)定粗粒土的干縮和溫縮性大很多，因此穩(wěn)定細粒土基層可能會產(chǎn)生相對更加嚴重的收縮裂縫，并反射到瀝青面層上形成反射裂縫；②裂縫產(chǎn)生后，雨水的浸入會加劇穩(wěn)定細粒土基層及瀝青路面的病害；（2）注意施工季節(jié)；（3）注意材料組成設計；（4）注意施工含水量、壓實度、強度等控制在規(guī)定的范圍；（5）注意養(yǎng)生與保濕；（6）注意減少施工車輛的養(yǎng)生期間的作用。③穩(wěn)定細粒土基層對施工環(huán)境和工序的要求更加嚴格，會導致施工污染或者施工質量差等不利情況。第三節(jié)石灰穩(wěn)定類基層/底基層1、石灰穩(wěn)定（底）基層在粉碎的土或原狀松散的土（包括各種粗、細粒土）中，摻入適量的石灰和水，按照一定技術要求，經(jīng)拌和，在最佳含水量下攤鋪、壓實及養(yǎng)生，以達到（底）基層抗壓強度。用石灰穩(wěn)定細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）。石灰穩(wěn)定不但具有較高的抗壓強度，而且也具一定的抗彎強度，且強度隨齡期逐漸增加。因此，一般可用于低等級公路的基層或底基層。石灰穩(wěn)定土因其水穩(wěn)定性較差，不應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2、石灰穩(wěn)定材料的強度形成機理1）離子交換作用土具有膠體性質，表面帶負電荷，并吸附鈉離子、鉀離子和氫離子，石灰中的鈣離子會與其發(fā)生離子交換作用，形成鈣土，減小了土顆粒表面水膜厚度，分子引力增加。2）碳酸化作用生成的碳酸鈣是堅硬的晶體，具有較高的強度和水穩(wěn)性，對土的膠結作用使土得到了加固。石灰土表面鈣化后，形成硬殼層，進一步阻礙了二氧化碳的進入，碳化過程十分緩慢，是形成石灰土后期強度的主要原因。3）結晶作用經(jīng)過結晶作用，消石灰逐漸由膠體轉化為晶體，晶體間能夠相互結合，與土形成共晶體，從而使得土粒膠結成整體。4）火山灰作用土中充分的硅、鈣離子是火山灰作用的前提，同時必須增加土的堿性；火山灰作用生成物具有水硬性性質，是構成石灰土早期強度的主要原因。離子交換作用與火山灰作用，是構成石灰土早期強度的主要因素；后期強度則更多源于碳酸化作用和結晶作用。由于石灰與土發(fā)生了一系列的相互作用，從而使土的性質發(fā)生根本的改變。在初期，主要表現(xiàn)為土的結團、塑性降低、最佳含水量增加和最大密實度減小等；后期主要表現(xiàn)為結晶結構的形成，從而提高其板體性、強度和穩(wěn)定性。3、石灰穩(wěn)定材料的強度影響因素1）土質：各種成因土都可用石灰穩(wěn)定；塑性指數(shù)低于10以下的低塑性土（這與水泥穩(wěn)定土剛好相反）不適宜穩(wěn)定；適宜于穩(wěn)定粘性土，尤其是塑性指數(shù)在12～20的粘性土。原因：粘性顆粒的活性強、比表面積及表面能大，摻入石灰穩(wěn)定材料后，形成的四種作用比較活躍，石灰土強度隨土塑性指數(shù)的增加而增大；重粘土雖然粘土顆粒含量高，但是不易粉碎和拌和，穩(wěn)定效果反而不好。2）灰質：石灰應采用消石灰粉或生石灰粉，對高速公路或一級公路宜用磨細的生石灰粉。石灰質量應符合III級以上的技術指標，并要盡量縮短石灰的存放時間。石灰劑量：是石灰質量占全部土顆粒的干質量的百分率。石灰劑量對石灰穩(wěn)定土的強度影響非常顯著。在石灰劑量較低時（小于3～4％），起穩(wěn)定作用，土的塑性、膨脹、吸水量減小，使土的密實度、強度、和易性等得到改善；隨著劑量的增加，強度和穩(wěn)定性均提高；但劑量超過一定范圍后，強度反而降低。常用最佳劑量范圍：粘性土及粉性土為8～14％；砂性土則為9～16％；最終根據(jù)結構層技術要求進行混合料組成設計。3）石灰劑量4）含水量：最佳含水量及略小于最佳含水量時最易壓實達到較高的壓實度；石灰穩(wěn)定類材料的最佳含水量需要通過標準擊實試驗進行確定；經(jīng)驗公式為：石灰土的最佳含水量＝素土的最佳含水量＋拌和過程中的蒸發(fā)量（約在1.5%左右）＋石灰反應所需的水（0.2×石灰劑量）。5）密實度：石灰穩(wěn)定土的強度隨密實度的增加而增長；實踐證明，石灰穩(wěn)定土的密實度每增減1%，強度約增減4%左右；密實的石灰穩(wěn)定土，其抗凍性、水穩(wěn)定性好，縮裂現(xiàn)象也少。Rt=R1tβR1—一個月齡期的抗壓強度；Rt—t個月齡期的抗壓強度；β—系數(shù)，約0.1～0.5。石灰穩(wěn)定土的強度隨齡期增長，一般初期強度較低，前期(1～2個月)的增長速率較后期快。其強度與齡期的關系可表示為：6）齡期：溫度高，物理化學反應快，強度增長快，反之則慢；負溫條件下甚至不增長；施工期的最低溫度應在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；在一定潮濕條件下養(yǎng)生強度的形成比在一般空氣中養(yǎng)生要好。7）養(yǎng)生條件（溫度與濕度）：4、石灰穩(wěn)定類材料的縮裂防治1）嚴格控制壓實含水量：石灰穩(wěn)定土含水量過多產(chǎn)生的干縮裂縫顯著，壓實時含水量應略小于最佳含水量。2）嚴格控制壓實標準：壓實度小時產(chǎn)生的干縮比壓實度大時嚴重，應盡可能達到最大壓實度。3）嚴格養(yǎng)生條件：干縮發(fā)生在成型初期，要重視初期的保濕養(yǎng)護，保證石灰穩(wěn)定土表面處于潮濕狀況。4）禁防干曬：石灰穩(wěn)定土施工結束后可及早鋪筑面層，使石灰穩(wěn)定土基層含水量不發(fā)生大的變化，從而減輕干縮裂縫。5）施工季節(jié)：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?shù)貧鉁剡M入0℃前一個月結束，以防在不利季節(jié)產(chǎn)生嚴重溫縮。6）控制劑量：在滿足強度要求情況下，盡可能選擇較低劑量的無機結合料；在石灰穩(wěn)定土中摻加60～70%的集料也可提高其強度、穩(wěn)定性和抗裂性。7）反射裂縫的防治：（1）設置聯(lián)結層；（2）鋪筑碎石隔離過渡層；（3）提高瀝青下面層抗裂性能5、石灰穩(wěn)定類材料的混合料設計1）混合料的設計步驟根據(jù)強度標準，通過試驗選取合適的土制備相同土樣，不同石灰劑量的混合料確定最佳含水量及最大干壓實密度按最佳含水量和工地壓實密度制備試件無側限抗壓強度，選定合適的石灰劑量2）石灰穩(wěn)定土的強度及壓實要求在規(guī)定溫度(北方冰凍地區(qū)為20±2℃，南方非冰凍地區(qū)為25土2℃)下保濕養(yǎng)生6d（濕度為95%）浸水1d，進行無側限抗壓強度試驗。要求試驗測定的強度符合上表規(guī)定。工地實際采取的石灰劑量應較室內試驗確定的劑量多0.5％~1.0％。第四節(jié)水泥穩(wěn)定類基層/底基層1、水泥穩(wěn)定類材料的定義在粉碎或原狀松散土中，摻入適量水泥和水，按技術要求進行拌和、攤鋪，在最佳含水量時進行壓實和養(yǎng)護成型，抗壓強度符合要求的基層稱為水泥穩(wěn)定類基層。水泥可用來穩(wěn)定絕大多數(shù)的土類，改善其物理力學性質（高塑性粘土和有機質較多的土除外)。水泥穩(wěn)定類一般可用于路面結構的基層和底基層。水泥穩(wěn)定類基層具有良好的整體性、足夠的力學強度、抗水性和耐凍性。其初期強度較高，且隨齡期增長而增長，應用范圍很廣；水泥穩(wěn)定土包括水泥穩(wěn)定碎石、砂礫、土等多種材料，是水泥穩(wěn)定類基層的總稱；水泥土是水泥穩(wěn)定細粒土（粘土、粉土、黃土等）的總稱。2、水泥穩(wěn)定類材料的特點和種類水泥穩(wěn)定過程中，水泥、土和水之間發(fā)生了多種非常復雜的作用。化學作用：水泥顆粒的水化、硬化作用；有機物的聚合作用；水泥水化產(chǎn)物與粘土礦物之間的化學作用等。物理－化學作用：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)物的擴散、滲透作用；水化產(chǎn)物的溶解、結晶作用等。物理作用：如土塊的機械粉碎作用，混合料的拌和、壓實作用等。3、水泥穩(wěn)定類材料的強度形成①水泥的水化作用：②離子交換作用：③化學激發(fā)作用：當粘土顆粒周圍介質的pH值增加到一定程度時，其中的部分Si02和A1203的活性將被激發(fā)，與溶液中的Ca2＋進行反應，生成新的礦物。這些礦物具有膠凝能力。生成的這些膠結物質與水泥的水化產(chǎn)物一起，將粘土顆粒包裹并凝結成一個整體。④碳酸化作用：1）土質各類砂礫土、砂土、粉土和粘土均可用水泥穩(wěn)定。用水泥穩(wěn)定級配良好的碎(礫)石和砂礫的效果最好，強度高、水泥用量少；其次是砂性土；再次之是粉性土和粘性土，一般要求土的塑性指數(shù)不大于17。4、影響水泥穩(wěn)定土強度的因素2）水泥的成分和劑量通常情況下，硅酸鹽水泥的穩(wěn)定效果好，而鋁酸鹽水泥較差；水泥分散度增加，其活性程度和硬化能力也有所增大；水泥土的強度隨水泥劑量的增加而增長，水泥用量過多，經(jīng)濟上不合理，且容易開裂；試驗和研究證明，水泥劑量為3～5％較為合理。3）含水量4）施工工藝及養(yǎng)生從開始加水拌和到碾壓完成一般控制在6小時（最好3小時）之內，最好在3小時之內；需濕法養(yǎng)生，保證水泥充分水化形成強度；養(yǎng)生溫度愈高，強度增長的愈快。水泥正常水化所需水量約為水泥重的20%；砂性土，完全水化達最高強度的含水量較最佳密度含水量小，而粘性土則相反。5)、水泥穩(wěn)定類材料的混合料設計根據(jù)強度標準，通過試驗選取合適的土制備相同土樣、不同水泥劑量的混合料確定最佳含水量和最大干壓實密度按最佳含水量與最大干壓實密度制備試件無側限抗壓強度試驗,選定合適的水泥劑量工地實際采取的水泥劑量應較實驗室內試驗確定的劑量多0.5％～1.0％。無側限抗壓強度試驗規(guī)定溫度：北方冰凍地區(qū)為20±2℃，南方非冰凍地區(qū)為25土2℃。保濕養(yǎng)生：6d（濕度為95％），浸水1d。試件尺寸為：Φ150mm×150mm的圓柱體。水穩(wěn)碎石的干縮和溫縮易導致收縮裂縫；收縮裂縫反射到瀝青面層形成大量反射裂縫；目前水穩(wěn)碎石基層裂縫解決方法效果欠佳。水穩(wěn)碎石基層具有強度高，穩(wěn)定性好，抗沖刷能力強等優(yōu)點，廣泛用于我國公路的基層與底基層。1）存在問題2）裂縫處理主要從三方面考慮：瀝青面層——高性能改性瀝青，厚度，外加劑，級配設置隔離層、應力吸收層或土工類材料夾層水穩(wěn)基層本身——集料級配，水泥含量，外加劑，施工控制隨著新材料的發(fā)展，諸如聚酯玻纖布一類的土工合成防裂材料在工程中初步應用。第五節(jié)工業(yè)廢渣穩(wěn)定類基層/底基層1、工業(yè)廢渣材料道路工程中應用的工業(yè)廢渣主要是指具有一定水硬性特點的無機工業(yè)廢料，如：粉煤灰、煤渣、鋼渣、高爐渣、銅礦渣及各種下腳料。工業(yè)廢渣一般可在有水的條件下與石灰等堿性材料共同作用，產(chǎn)生火山灰反應，穩(wěn)定各種粒徑不同的土。工程應用中一般采用石灰穩(wěn)定工業(yè)廢渣或與工業(yè)廢渣共同穩(wěn)定土，其中最常用的工業(yè)廢渣為粉煤灰，形成石灰粉煤灰穩(wěn)定路面基層，簡稱為二灰穩(wěn)定類基層。2、工業(yè)廢渣材料及其特點與應用石灰穩(wěn)定工業(yè)廢渣基層具有水硬性、緩凝性、高強度、穩(wěn)定性好等特點，能形成板體且強度隨齡期不斷增加，抗水、抗凍、抗裂性能好，且收縮性小，能夠適應各種氣候環(huán)境和水文地質條件。石灰穩(wěn)定工業(yè)廢渣常用作高級或者次高級路面的基層或底基層。其火山灰作用的反應原理如下：3、二灰穩(wěn)定路面基層石灰粉煤灰(簡稱二灰)基層是用石灰和粉煤灰按一定配比，加水拌和、攤鋪、碾壓及養(yǎng)生而形成的基層。在二灰中摻入一定量的土，經(jīng)加水拌和、攤鋪、碾壓及養(yǎng)生成