第3章-路面基层

第3章路面基层2016年11月5日沥青路面基层的主要作用：承受由面层传来的车辆荷载的垂直力，并将力扩散到下面的垫层和土基中。水泥混凝土路面基层的主要作用：①防止或减轻由于唧泥产生板底脱空和错台等病害；②与垫层共同作用，可控制或减少路基不均匀沉降冻胀或体积变形对混凝土面层产生的不利影响；③为混凝土面层施工提高稳定而坚实的工作面，并改接缝的传荷能力。目前常用的路面基层（底基层）和垫层主要有无黏结粒料类、无机结合料稳定类和有机结合料稳定类三大类。它们的结构力学特性以及适用性均有所不同。§3.1无黏结粒料类基层粒料类路面与基层•由碎石或砾石组成的粒料结构，按强度构成原理可分为嵌锁型与级配型。•级配型包括级配碎石、级配砾石、符合级配的天然砂砾、部分砾石经轧制掺配而成的级配砾、碎石等•嵌锁型包括水结碎石、泥结碎石、泥灰结碎石、填隙碎石等。一、级配碎石基层广泛应用于柔性路面的基层和底基层，用于基层时常用于采用优质的碎石层。国外还常在半刚性基层与沥青面层之间应用。1.材料要求强度来源于碎石本身强度及碎石颗粒之间的嵌挤力。（1）压碎值的要求。我国在总结国内外经验及国内使用情况的基础上，规定级配碎石用作高速公路和一级公路路面基层时，集料压碎值应不大于26；用作高速公路和一级公路路面底基层以及二级公路的基层时，其压碎值应不大于30；用作二级公路底基层以和二级以下公路的基层时，其压碎值应不大于35；用作二级以下公路底基层时，其压碎值应不大于40。（2）针片状颗粒。不应超过20%。（3）液限应小于25%，同时规定小于0.5mm的细粒应无塑性。2.级配要求级配是影响级配碎石强度与刚度的重要因素。一般来说，密实的级配易于获得高密度，从而使级配碎石获得高的CBR值和回弹模量。用于高等级公路基层或用于半刚性基层和沥青面层之间的最佳级配优质碎石，其级配应能获得最大密实的集料，并具有较好的透水性。3.力学特征回弹模量是表征级配碎石刚度的重要指标及设计参数。一般来说，级配碎石的回弹模量明显低于半刚性基层材料，然而与半刚性材料不同的是，级配碎石材料具有较显著的非线性。这种非线性特性使其在刚度较大的下卧层上，表现出较大的回弹模量，从而亦具有足够的抵抗应力和变形的能力，最终使得级配碎石作为上基层不仅具有减缓半刚性沥青路面反射裂缝的作用，同时也具有较好的抗疲劳能力。强度来源于碎石靠碎石间的嵌锁作用。粗碎石用作基层时压碎值应不大于26，用作底基层时，其压碎值应不大于30。填隙碎石一般用于各等级公路的底基层以及二级以下公路的基层。二、填隙碎石基层在集料或粉碎的（或原来松散的)土中，掺入一定量的无机结合料(包括水泥、石灰或粉煤灰等)和水，经拌和得到的混合料经压实与养生后，其抗压强度符合规定要求的材料称为无机结合料稳定类材料。§3.2无机结合料稳定材料基层以此修筑的路面结构层称为无机结合料稳定类结构层。1）根据所稳定的材料类型分类（1）无机结合料稳定集料。集料包括级配碎石、未筛分碎石、级配砂砾、天然砂砾等。1.无机结合料稳定类结构层的分类2）按照无机胶结材料的种类分类水泥稳定类材料、石灰稳定类材料、石灰工业废渣稳定类材料（2）无机结合料稳定土。土包括细粒土、中粒土、粗粒土。2.无机结合料稳定类结构层的特点缺点：①耐磨性差；②容易产生干缩和温缩裂缝。优点：①强度随龄期的增长而不断提高；②稳定性好；③抗冻性能强；④结构本身自成板体；⑤可以有效减小路面结构层总厚度，降低路面总造价等特点。一、无机结合料稳定材料的力学特性无机结合料稳定材料的力学特性包括应力-应变关系、疲劳特性、收缩（温缩和干缩）特性。1.无机结合料稳定材料的应力-应变特性无机结合料稳定路面的重要特点之一是强度和模量随龄期的增长而不断增长，逐渐具有一定的刚性性质。一般规定水泥稳定类材料设计龄期为90d，石灰或石灰粉煤灰（简称二灰）稳定类材料设计龄期为180d。表征指标有：抗弯拉、抗压及劈裂强度和抗弯拉模、抗压及劈裂模量。材料的抗压强度是材料组成设计的主要依据，由于无机结合料稳定材料的抗拉强度远小于其抗压强度，材料的抗拉强度是路面结构设计的控制指标。我国的沥青路面设计规范中，采用抗压回弹模量和劈裂强度作为（底）基层半刚性材料的设计参数。2.无机结合料稳定材料的疲劳特性材料在低于其静载极限强度的重复荷载作用下达到破坏的现象称为疲劳破坏，破坏时重复应力的大小称为疲劳强度，而此时的应力作用次数即为疲劳寿命。无机结合料稳定材料的疲劳寿命主要取决于重复应力与极限应力之比，原则上当比值小于50%，无机结合料稳定材料可经受无限次重复加荷次数而无疲劳破裂，但是，由于材料的变异性，实际试验时其疲劳寿命要小得多。在一定的应力条件下，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，其疲劳寿命就愈长。3.无机结合料稳定材料的干缩特性无机结合料稳定材料经拌和压实后，由于水分挥发和混合料内部的水化作用，混合料的水分会不断减少。由此发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化收缩作用等会引起无机结合料稳定材料体积收缩。描述材料干缩特性的指标主要有最大干缩应变和平均干缩系数。4.无机结合料稳定材料的温缩特性半刚性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。半刚性基层一般在高温季节修建，成型初期基层内部含水量大，且尚未被沥青面层封闭，基层内部的水分必然要蒸发，从而发生由表及里的干燥收缩，同时，环境温度也存在昼夜温度差，因此，修建初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和温度收缩的综合作用，必须注意养生保护，但此时以干燥收缩为主。经过一定龄期的养生，半刚性基层上铺筑沥青面层后，基层内相对湿度略有增大，使材料的含水量由回升趋于平衡，这时半刚性基层的变形以温度收缩为主。二、石灰稳定类结构层在粉碎的土或原状松散的土(包括各种粗、中、细粒土)中，掺入适量的石灰和水，按照技术要求，经拌和摊铺，在最佳含水量下压实及养生成型，其抗压强度符合规定要求，以此修建的路面结构层称为石灰稳定类结构层。1．强度形成原理在土中掺适入量的石灰，并在最佳含水量下拌匀压实后，发生了一系列的物理化学作用，从而使土的性质发生根本改变。初期，主要表现在土的结团、塑性降低、最佳含水量的增大和最大密实度的减小等；后期变化主要表现在结晶结构的形成，从而提高其板体性、强度和稳定性。（1）离子交换作用。（2）结晶作用。（3）火山灰作用。石灰土获得强度和水稳定性的基本原因，但这种作用比较缓慢。（4）碳酸化作用。该作用需要一个相当长的饭应时间，因此这也是石灰土后期强度形成的主要原因。（1）土质有一定粘性的土对强度有利，土的塑性指数太高时，难以粉碎，太低则难以碾压成型，因此，采用塑性指数为15～20的粘性土为好。用石灰稳定的不含粘性土或无塑性的砂砾、级配碎石和未筛分碎石时，应添加15％左右的粘性土，并且该砂砾或碎石应具有较好的级配。2.影响石灰稳定类结构层强度的因素（2）灰质石灰应为消石灰粉或生石灰粉。对于高速公路和一级公路，宜采用磨细生石灰粉，石灰质量应符合Ⅲ级以上的技术标准。石灰土混合料的强度应符合相关标准。（3）石灰剂量石灰剂量对石灰土强度影响显著，石灰剂量较低(小于3%～4%)时，石灰主要起稳定作用，土的塑性、膨胀、吸水量减小，使土的密实度、强度得到改善。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时，强度反而降低。生产实践中常用的最佳剂量范围，对于粘性土及粉性土为8%～14%；对砂性土则为9%～16%。剂量的确定应根据结构层技术要求进行混合料组成设计。（4）含水率水是石灰土的重要组成部分。它促使石灰土发生物理化学变化，形成强度；便于土的粉碎、拌和与压实，并且有利于养生。不同土质的石灰土有不同的最佳含水率，需通过标准击实试验确定，并用以控制施工中的实际加水量。所用水应是干净可供饮用的水。（5）密实度石灰土的强度随密实度的增加而增长。实践证明，石灰土的密实度每增减1％，强度约增减4％左右。而密实的石灰土，其抗冻性、水稳定性也好，缩裂现象也少。（6）石灰土的龄期石灰土强度随龄期缓慢增长，到28d龄期时，只能达到最终强度的30%左右。一般石灰土初期强度低，前期(1～2个月)增长速率较后期为快。石灰土强度增长期可达8～10年以上。（7）养生条件养生条件主要指温度与湿度。养生条件不同，其强度也有差异。当温度高时，物理化学反应、硬化、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(-5℃～-3℃)到来之前1个月到1个半月完成。多年的施工经验证明，热季施工的灰土强度高，质量可以保证，一般在使用中很少损坏。养生的湿度条件对石灰土的强度也有很大影响。实践证明：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。