第十二章无机结合料稳定路面

第十二章无机结合料稳定路面第一节概述1、无机结合料稳定材料及其特点:无机结合料稳定材料定义: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，其抗压强度符合规定要求的材料。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。无机结合料稳定材料的特点: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。2、无机结合料稳定材料的不同种类（1）土：细粒土、粗粒土、巨粒土（2）无机结合料：水泥、石灰、工业废渣等（3）无机结合料稳定种类：1)细粒土：二灰土、水泥土、石灰土、水泥石灰土、三灰土2)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3)无土：二灰、二渣、水泥矿渣等图12-1水泥稳定碎石的摊铺图12-2水泥稳定碎石的碾压图12-3水泥稳定碎石的养护第二节无机结合料稳定材料的特性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。无机结合料稳定材料的强度随时间而变化，所以要按不同龄期（7d、28d、90d、180天等）来测定试件的强度，抗压和劈裂测定圆柱体试件，在材料试验机上进行。图12-4无侧限抗压强度试验示意图图12-5间接拉伸（劈裂）试验示意图图12-6弯拉强度试验示意图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，对于水泥稳定类材料的劈裂及模量的龄期为3个月，对于石灰或者二灰稳定类的龄期为6个月，水泥粉煤灰稳定类为4个月。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主要指标。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；无机结合料稳定材料的疲劳一般采用劈裂疲劳；无机结合料的疲劳寿命一般取决于重复应力与重复荷载作用前的一次性极限应力的比值，试验证明，用双对数方程或单对数方程表示较合理,为：双对数方程：；单对数方程：有如下结论：（1）跟试验温度的变化关系不大，在试验时类似于水泥砼疲劳试验，可测绘出疲劳曲线；（2）在一定的应力水平条件下，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；（3）在时与加荷频率基本不相干；（4）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。4、无机结合料稳定材料的收缩特性无机结合料稳定材料拌和压实后，由于水分挥发及其内部的水化作用引起干燥收缩，以及混合料受降温影响引起的温度收缩等，由此引起其体积收缩变化，表现出结构的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。（1）干燥收缩1）收缩机理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2）干缩影响因素：无机结合料稳定材料的干缩特性(最大干缩应变和平均干缩系数)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①选择稳定剂种类与用量；②控制材料成型时的含水量及成型时机；③保湿养生。（2）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（16.7×10-6）悬浮二灰粒料（15.3×10-6）密实式二灰粒料（11.4×10-6）和水泥砂砾（5～7％水泥剂量为10～15×10-6）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5、施工注意事项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：（1）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；（2）裂缝产生后，雨水的浸入会加剧沥青路面的病害；（3）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，其抗压强度符合规定要求的路面基层称为石灰稳定类基层。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，它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。???四种作用中，主要是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，但塑性指数低于10以下的低塑性土（这与水泥稳定土刚好相反）不适宜稳定，更适宜于稳定粘性土，尤其是塑性指数在12～20的粘性土。原因：粘性颗粒的活性强、比表面积大、表面能大，掺入石灰稳定材料后，形成的四种作用比较活跃，因此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。（3）石灰剂量石灰剂量是石灰质量占全部土颗粒的干质量的百分率，即：石灰剂量＝石灰质量／干土质量。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3～4％），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：对于粘性土及粉性土为8～14％；对砂性土则为9～16％。最终根据结构层技术要求进行混合料组成设计。（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。而密实的石灰稳定土，其抗冻性、水稳定性好，缩裂现象也少。（6）龄期石灰稳定土的强度随龄期增长，一般初期强度较低，前期(1～2个月)的增长速率较后期快。其强度与龄期的关系可表示为：（7）养生条件温度高，物理化学反应快，强度增长快；反之强度增长慢，在负温条件下甚至不增长。因此，要求施工期的最低温度应在5℃以上，并在第一次重冰冻(-3～－5℃)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。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60～70%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（2）石灰稳定土的强度及压实要求