（交通運(yùn)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(qiáng)度及微觀收縮 機(jī)理分析，從集料級配和結(jié)合料種類、劑量兩個(gè)方面入手，提出水泥穩(wěn)定碎石基 層材料抗裂配合比設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)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(yàn)均表明，采用密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)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(yàn)證了水泥穩(wěn)定碎石基層材料防裂配合比設(shè)計(jì) 方法的合理性與適用性，提出以抗裂指數(shù)作為水泥穩(wěn)定碎石的抗裂評價(jià)指標(biāo)。 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(yù) 鋸縫+ 土工布進(jìn)行防裂的措施，該措施可以有效地防止裂縫擴(kuò)展到瀝青面層產(chǎn)生 反射裂縫，從而可以提高路面使用質(zhì)量和延長道路使用壽命。 為驗(yàn)證研究結(jié)果，課題組結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w情況以及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，于2 0 0 6 年 在安大路鋪筑了試驗(yàn)段，并進(jìn)行了跟蹤觀測，初步觀測結(jié)果表明試驗(yàn)路使用效果 良好。 關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石；抗裂配合比設(shè)計(jì)方法；抗裂評價(jià)指標(biāo)；預(yù)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(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明及使用授權(quán)聲明文本 東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)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(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過 的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)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(xiàn)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(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印 件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì) 論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)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(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。 研究生繇魄導(dǎo)師虢堂略期： 東南大學(xué)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(jìn)入了公路建設(shè)快速發(fā)展的時(shí)期。截至2 0 0 6 年底，中 國公路通車總里程已達(dá)到三百四十八萬公里。其中高速公路從零起步，經(jīng)過1 8 年的建設(shè)，目前已達(dá)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(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步。 根據(jù)社會發(fā)展的要求和交通加快發(fā)展的新形勢，國務(wù)院2 0 0 4 年底審議通過 了國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃。根據(jù)規(guī)劃，未來3 0 年中國將掀起建設(shè)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(wǎng)。新路網(wǎng)簡稱為 “7 9 1 8 ”網(wǎng)，將采用放射線和縱橫網(wǎng)格相結(jié)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(wǎng)、西 部連通”的布局思路，建成后可以在全國范圍內(nèi)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(wǎng)絡(luò)。 在我國高等級公路的建設(shè)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(shè)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(qiáng)度和承載能力，主要表現(xiàn)在較高的抗壓強(qiáng)度和剛度，并具有一定的 抗彎拉強(qiáng)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(qiáng)的荷載擴(kuò)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(yīng)力值相應(yīng)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(shí)有如上諸多優(yōu)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)都能獲得預(yù)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(xiàn)把它用于基層時(shí)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(shí)容易產(chǎn)生收縮開裂。從國內(nèi)已建成的 高速公路使用調(diào)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(xué)碩士論文 荷載反復(fù)作用下，會導(dǎo)致路面強(qiáng)度明顯下降，產(chǎn)生沖刷和唧泥現(xiàn)象，使裂縫加寬， 裂縫兩側(cè)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(nèi)有一些不同的意見。一些學(xué)者認(rèn)為水 泥穩(wěn)定碎石是我國半剛性基層路面產(chǎn)生早期破壞的主要原因，應(yīng)該逐步采用柔性 路面取代半剛性路面。另外一部分學(xué)者則認(rèn)為我國半剛性基層路面產(chǎn)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(yīng)該被舍棄。從我國幾十年使用半剛性材料的實(shí)踐來看，不應(yīng)該完全摒棄半剛 性材料，而是應(yīng)該調(diào)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(qiáng)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(yīng)用。 從目前國內(nèi)外的研究成果來看，普遍認(rèn)為對于集料采用骨架密實(shí)型級配不僅 可以較有效防治半剛性基層結(jié)構(gòu)的早期收縮裂縫的出現(xiàn)，同時(shí)可以提高基層的綜 合路用性能。 公路路面基層施工技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)，還是集料在混合料中的重量比例以及強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，均存在標(biāo)準(zhǔn)單一、無法 適應(yīng)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(shí)沒有達(dá)到 合理的最佳設(shè)計(jì)。目前很多地方按規(guī)范設(shè)計(jì)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(wǎng)裂松散等早期破壞。 很多工程實(shí)踐證明，按公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 設(shè)計(jì)的水泥 穩(wěn)定碎石混合料會出現(xiàn)較多的裂縫。在其強(qiáng)度形成及使用過程中，常因溫度變化 產(chǎn)生溫度收縮裂縫和因含水量變化產(chǎn)生干縮裂縫，當(dāng)瀝青面層較薄時(shí)這些裂縫往 往擴(kuò)展到面層形成反射裂縫：當(dāng)面層較厚時(shí)，就會形成對應(yīng)裂縫。這些裂縫會隨 著時(shí)間的延長而不斷產(chǎn)生、發(fā)展，最終形成網(wǎng)裂。這不僅降低了道路的服務(wù)水平， 還破壞了路面結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性，并在一定程度上降低了路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。 主要原因是在混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)理、防裂措施和路用 性能的研究，從結(jié)構(gòu)組合與材料組成設(shè)計(jì)上著手，研究如何合理地進(jìn)行基層混合 料配合比設(shè)計(jì)，從而提高抗裂性能，并提出合理而實(shí)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(xué)碩士論文 要的現(xiàn)實(shí)意義。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)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(diào)查認(rèn)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(xiàn)象是不可忽視的病 害。半剛性基層在外界溫、濕變化時(shí)，所產(chǎn)生的收縮是導(dǎo)致半剛性基層裂縫及產(chǎn) 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(diào)整結(jié)合料 用量與比例，增加骨料含量并嚴(yán)格設(shè)計(jì)級配，通?？梢詼p少其溫縮和干縮系數(shù)， 增加抗裂性能，在很大程度上能減輕裂縫產(chǎn)生。 對半剛性基層材料收縮性能及規(guī)律國內(nèi)外進(jìn)行大量研究工作，現(xiàn)就國內(nèi)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(xiàn)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(yīng)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(yīng)變愈大。所以在基層施工中要嚴(yán)格控制含 水量。 ( 3 ) 密實(shí)度越大，試件干縮應(yīng)變愈小。因而收縮率可以用改進(jìn)壓實(shí)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(shù)土，混合料梁式試件干縮應(yīng)變開始隨水泥劑量增加而減小，并達(dá)到一個(gè) 最小值，此后隨水泥劑量增加而略有增加，為此可找出一個(gè)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?xí)r，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(shí)干縮值 3 東南大學(xué)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(yīng)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(shù)和線收縮越大的粒料土，用水泥處治后干縮值越大，可達(dá)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(shù)和線收縮小的粒料土用水泥處治后干縮 應(yīng)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(yīng)變影響是正比關(guān)系。塑性越大，干縮應(yīng) 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(yīng)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(yīng)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(yīng)變影響也較大；可能存在 干縮應(yīng)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?xí)r，使用不同添加劑，以研究添加 劑對干縮應(yīng)變影響。 關(guān)于國內(nèi)研究情況，交通部部屬一些高等院校和科研單位及生產(chǎn)部門對此也 進(jìn)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(yàn)路，在對其力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性檢測的同時(shí)，也對裂縫進(jìn)行了觀測分析得 出了一些定性的結(jié)論，同時(shí)也包括大量的室內(nèi)試驗(yàn)得出的一些定量結(jié)論： ( 1 ) 影響半剛性材料干縮性能的主要因素有土質(zhì)情況、壓實(shí)度和含水量?；?層碾壓時(shí)含水量越大干縮越嚴(yán)重；而壓實(shí)度大的路段，不易產(chǎn)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(shù)大小順序?yàn)椋菏彝?石灰粒料土； 水泥土 水泥粒料土 水泥粒料；二灰土 密實(shí)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(rèn)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(rèn)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(xiàn)中很 4 東南大學(xué)碩士論文 少能看到有關(guān)半剛性基層材料溫度收縮特性的資料。 國內(nèi)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(yàn)。 長安大學(xué)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(fēng)干狀態(tài)、風(fēng)干狀態(tài)和烘干狀態(tài)五種不同狀態(tài)做了電測試驗(yàn)。在試驗(yàn)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(jié)論： ( 1 ) 對于烘干試件，溫縮系數(shù)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(shù)明顯小于自由狀態(tài)下的值。 河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院做了二灰土及石灰土溫縮試驗(yàn)，得出一些結(jié)論： ( 1 ) 溫縮應(yīng)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(shù)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(shù)a ，多數(shù)在- 5 c - - - 1 0 c 溫度區(qū)間很快增長，少數(shù)0 c 5 溫度區(qū)間增長很快。 另外室內(nèi)試驗(yàn)研究表明：穩(wěn)定粒料土的溫縮系數(shù)明顯小于穩(wěn)定細(xì)粒土的溫縮 系數(shù)。影響穩(wěn)定粒料土的溫縮系數(shù)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(jié)論無疑對今后的研究和當(dāng)前公路中半剛性材料設(shè)計(jì)具有積極指 導(dǎo)作用和一定實(shí)用價(jià)值。 1 2 2 防裂措施研究現(xiàn)狀 國內(nèi)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(yīng)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(gè)方面： 1 控制粒料中細(xì)粒含量和塑性指數(shù)。 2 提高粗集料含量，盡量采用密式級配。 3 減小碾壓時(shí)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(shí)標(biāo) 準(zhǔn)。 4 用粉煤灰代替部分水泥劑量。 東南大學(xué)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(shù)措施， 概括起來大致有如下幾種： 1 半剛性基層預(yù)切縫：德國1 9 8 6 年設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)瀝青面層厚度小于或 等于1 4 c m 時(shí)，基層厚度不管多大，只要基層抗壓強(qiáng)度1 2 m p a ，基層必須預(yù)切 縫。 2 預(yù)制微裂紋：在基層中制造裂紋的目的是減低其收縮性，同時(shí)水硬性結(jié)合 料穩(wěn)定基層內(nèi)的均勻細(xì)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(qiáng)度 世 專手0 以上各項(xiàng)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(shè)起到了有益的指導(dǎo)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(jìn)一步研究。 1 3 本文的研究內(nèi)容和技術(shù)路線 1 3 1 主要研究內(nèi)容 本研究從提高半剛性基層抗裂性能出發(fā)，在滿足各項(xiàng)技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，提 出基于抗裂性能的半剛性基層材料配合比設(shè)計(jì)方法，并從力學(xué)性能、抗裂性能和 耐久性能等方面進(jìn)行測試。同時(shí)從微觀機(jī)理出發(fā)，分析半剛性材料的收縮機(jī)理， 提出相應(yīng)抗裂評價(jià)指標(biāo)，最終結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行試驗(yàn)路驗(yàn)證。 具體內(nèi)容如下： 1 水泥穩(wěn)定碎石混合料抗裂配合比設(shè)計(jì)方法的研究 對水泥穩(wěn)定碎石基層材料從集料級配和結(jié)合料性能兩個(gè)角度進(jìn)行分析，并提 出抗裂配合比設(shè)計(jì)方法： 1 ) 粗集料級配組成及含量研究； 2 ) 細(xì)集料、水泥與集料配比研究； 3 ) 確定骨架密實(shí)級配，與規(guī)范推薦級配中值做對比研究，確定室內(nèi)試驗(yàn)方案。 2 水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能及抗裂評價(jià)指標(biāo)研究 1 ) 對選定的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)和懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)兩種級配進(jìn)行力學(xué)性能( 抗壓、劈 裂強(qiáng)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(xué)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(jià)方法與指 標(biāo)。 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(yù)鋸縫和土工布的工程防裂措施進(jìn)行研究，包括鋸縫間距及時(shí)間，土 工布的寬度、技術(shù)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(yàn)路，對本文研究成果進(jìn)行工程驗(yàn)證。 1 3 2 技術(shù)路線 本文的各項(xiàng)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(biāo)而定的。而防治瀝青路面開裂 問題是一個(gè)綜合防治過程。從設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)都應(yīng)采取種種相應(yīng)的措施，才能 取得效果。為此研究方法包含三大部分內(nèi)容： 第一部分是從結(jié)構(gòu)與材料組成設(shè)計(jì)上著手，首先在保證合理組合結(jié)構(gòu)前提 下，研究如何合理的進(jìn)行基層混合料的組成設(shè)計(jì)，使基層材料抗彎拉強(qiáng)度增大但 盡量又使彎拉模量變化不大、溫縮系數(shù)、干縮系數(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和正常施工條件下，經(jīng)受得住交通 荷載和環(huán)境因素條件變化的考驗(yàn)，達(dá)到減少收縮裂縫甚至不產(chǎn)生裂縫之目的，并 提出有效的抗裂評價(jià)方法與指標(biāo)，進(jìn)一步指導(dǎo)水泥穩(wěn)定碎石基層的合理設(shè)計(jì)。 第二部分是在盡可能做好結(jié)構(gòu)組合與材料設(shè)計(jì)的同時(shí)，從工程技術(shù)措施入 手，提出有效的措施來進(jìn)一步減少或消除瀝青面層反射裂縫。 第三部分是通過試驗(yàn)路鋪筑，驗(yàn)證理論分析以及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論的可靠性，驗(yàn) 證以上方案是否可行。 7 東南大學(xué)碩士論文 第二章水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度及收縮機(jī)理分析 水泥穩(wěn)定碎石材料的強(qiáng)度、干燥失水和溫度影響產(chǎn)生收縮的規(guī)律與材料微觀 組成結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，本章重點(diǎn)從材料組成微觀機(jī)理著手，對水泥穩(wěn)定碎石材料的 強(qiáng)度、干燥收縮和溫度收縮產(chǎn)生機(jī)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(jīng)過十幾年的建設(shè)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在路面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度形成過程中以及營運(yùn)期間會產(chǎn)生干縮裂縫和低溫收縮裂縫。當(dāng)裂縫反射到瀝 青面層時(shí)，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(jié)構(gòu)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(shí)有效的技術(shù)措施防止或延緩瀝青路面開裂和反射裂縫的產(chǎn)生。這樣才能使水泥 穩(wěn)定碎石基層瀝青路面真正體現(xiàn)“優(yōu)面強(qiáng)基穩(wěn)定土基 的路面結(jié)構(gòu)組合原則，使 其在技術(shù)上更加合理。 實(shí)踐證明，影響公路使用性能和使用壽命的關(guān)鍵因素之一是基層的材料和質(zhì) 量。調(diào)查結(jié)果表明，新建高速公路和其它公路產(chǎn)生的一些早期破壞均與基層質(zhì)量 不好有關(guān)。因此，要提高路面的修筑質(zhì)量，解決好基層問題是極其重要的一個(gè)環(huán) 節(jié)。在路面結(jié)構(gòu)中，基層是位于面層下的結(jié)構(gòu)層，主要起承重、擴(kuò)散荷載應(yīng)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(gè)基本要求： 1 具有足夠的強(qiáng)度和合適的剛度 水泥穩(wěn)定碎石基層必須具有足夠的強(qiáng)度才能承受車輪荷載的反復(fù)作用，即在 行車荷載的反復(fù)作用下，基層不會產(chǎn)生過多的殘余變形，更不會產(chǎn)生疲勞彎拉破 壞。水泥穩(wěn)定碎石基層材料的強(qiáng)度主要包括兩個(gè)方面：一是石料本身的強(qiáng)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(qiáng)度表示；二是水泥碎石混 合料整體的強(qiáng)度，如抗壓強(qiáng)度。另外，基層的剛度必須與面層的剛度相適應(yīng)，如 基層的剛度過小，則面層會由于過大的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變而過早產(chǎn)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(xué)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(jìn)入路面結(jié)構(gòu)中，在地下水位接近地表的地段，特別 在路基填土不高時(shí)，地下水可通過毛細(xì)作用進(jìn)入土基上部和路面結(jié)構(gòu)層；在冰凍 地區(qū)，由于冬季水分重分布的結(jié)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(jié)構(gòu)層和土基中水分 的蒸發(fā)。調(diào)查試驗(yàn)表明，水分從瀝青面層中蒸發(fā)出來要比透進(jìn)去困難得多，慢得 多。這就要求基層材料在水的作用下，其強(qiáng)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(nèi)外的調(diào)查研究表明，水泥穩(wěn)定碎石基層材料的沖刷及由之而產(chǎn)生的唧泥 現(xiàn)象是明顯存在的，而這些現(xiàn)象均與基層材料的組成特性有關(guān)。前文已經(jīng)說明， 表面水會通過多種途徑進(jìn)入瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)，如果進(jìn)入的水不能及時(shí)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(jié)構(gòu)層內(nèi)或基層材料中的自由水會產(chǎn)生相當(dāng)大的水壓力。這種 有壓力的水會沖刷基層材料中的細(xì)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(fù)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(xiàn)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(xiàn)嚴(yán)重的卿泥現(xiàn)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(chǎn)生一定的拉應(yīng)變，如果超過材料允許拉 應(yīng)變，基層就會開裂?；鶎拥氖湛s開裂不僅破壞基層結(jié)構(gòu)的整體性而降低其強(qiáng)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(chǎn)生的干燥收縮和因溫度降 低而產(chǎn)生的溫度收縮兩大方面。一般認(rèn)為基層材料的兩類收縮中以溫度收縮較為 重要，這是因?yàn)椋?( 1 ) 一般道路建筑條件下，路面在溫度低于一5 c 時(shí)很容易出現(xiàn)大量裂縫， 這些裂縫主要為細(xì)的橫向裂縫，寬度約在0 2 m m - - - 2 m m 。通過對大量試驗(yàn)路這 些裂縫的分析，認(rèn)為產(chǎn)生這些裂縫的主要原因是由溫度收縮引起的。 9 東南大學(xué)碩士論文 ( 2 ) 施工中若能認(rèn)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(qiáng)度的應(yīng)力反復(fù)作用下材料所產(chǎn)生的累計(jì)破壞。水泥 穩(wěn)定碎石基層在使用期間經(jīng)受車輪荷載的反復(fù)作用，加之氣溫環(huán)境影響使其長期 處于應(yīng)力應(yīng)變交替變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)荷載重復(fù)作用超過 一定次數(shù)后，在荷載作用下路面內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力就會超過強(qiáng)度下降后的結(jié)構(gòu)抗 力，當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石基層內(nèi)的彎拉應(yīng)力達(dá)到抗彎拉強(qiáng)度值時(shí)，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(yīng)該具有較強(qiáng)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(yīng)起到的承重、擴(kuò)散 荷載應(yīng)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(xué)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(jié)構(gòu)類型 水泥穩(wěn)定碎石混合料是一種復(fù)合材料，它是水泥、粗集料、細(xì)集料所組成。 這些組成材料在混合料中，由于組成材料質(zhì)量的差異和數(shù)量的多寡，以及各組成 材料之間相互作用的特點(diǎn)、相對位置分布及相互聯(lián)系的狀況，可以形成不同的組 成結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出不同的性能。隨著對水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用要求的提高和對基層材 料性能認(rèn)識的深入，研究和工程應(yīng)用中均體現(xiàn)出水泥穩(wěn)定類混合料的路用性能與 它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有著非常密切的關(guān)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(jié)構(gòu)時(shí)，一般將其劃分 為三種不同的類型，劃分結(jié)構(gòu)類型的主要標(biāo)準(zhǔn)是粗集料，粗集料經(jīng)過壓實(shí)后，粗 顆粒間空隙體積與壓實(shí)后起填充作用的細(xì)集料體積之間的關(guān)系。目前多數(shù)研究人 認(rèn)為在水泥穩(wěn)定碎石混合料中，根據(jù)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(xì)集料的分界尺寸。 根據(jù)已有的資料，一般將粗、細(xì)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(xì)集料，4 7 5 m m 以上的石料則屬于粗集料。關(guān)于基層材料粗集 1 0 東南大學(xué)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(jié)構(gòu)類型分別是： 1 懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中含有大量細(xì)料，而粗料數(shù)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(xì)顆粒之中，即混合料中細(xì)料的壓 實(shí)體積大于粗集料形成的空隙體積。試驗(yàn)表明，該種結(jié)構(gòu)雖然具有較高的粘聚力， 但摩阻角較低，其強(qiáng)度主要受粘結(jié)力所控制，在外部荷載作用下，易產(chǎn)生破壞。 由此而修筑的水泥穩(wěn)定類基層，受結(jié)合料性質(zhì)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(jié)構(gòu)破壞的因素之一。 2 骨架空隙結(jié)構(gòu) 在這種結(jié)構(gòu)中，粗骨料較多，而細(xì)料數(shù)量過少，混合料中細(xì)料的壓實(shí)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(yàn) 表明，雖然此種結(jié)構(gòu)粘聚力較低，但其內(nèi)摩阻角較大，其強(qiáng)度主要取決于內(nèi)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(zhì)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(shí)結(jié)構(gòu) 密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)是以上兩種類型組成的結(jié)構(gòu)。要求混合料既有一定數(shù)量的粗骨 料形成骨架，又根據(jù)殘余空隙的多少加入細(xì)料，混合料中細(xì)集料的壓實(shí)體積應(yīng)“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(shí)度。這種結(jié)構(gòu)的混 合料三軸試驗(yàn)表明，此種結(jié)構(gòu)不僅具有較高的內(nèi)摩阻角，而且具有較高的粘聚力。 理論上講，屬于該種結(jié)構(gòu)類型的水穩(wěn)類混合料具有最優(yōu)的力學(xué)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(jié)構(gòu)特性與其材料組成、材料力學(xué)性能及各組成部分 之間的相對位置密切相關(guān)，混合料的受力變形特性是各結(jié)構(gòu)特性組成因素的反 映，即混合料力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)特性成對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)組成水泥穩(wěn)定碎石混合料結(jié)構(gòu) 的各個(gè)因素發(fā)生變化時(shí)，混合料的力學(xué)特性也會發(fā)生變化。各種結(jié)構(gòu)類型的特點(diǎn)， 水泥穩(wěn)定碎石混合料的結(jié)構(gòu)特性幾個(gè)內(nèi)在因素主要取決于以下幾點(diǎn)： ( 1 ) 礦質(zhì)顆粒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：包括礦質(zhì)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(jié)構(gòu)特性產(chǎn)生影響，尤其是混合料中形成骨 東南大學(xué)碩士論文 架的粗集料顆粒對其強(qiáng)度等性能的形成有很大的影響； ( 2 ) 結(jié)合料：水泥物理化學(xué)性質(zhì)、水泥與集料的比例對混合料的結(jié)構(gòu)特性 有著很大的影響，尤其是對混合料的短期性能起著關(guān)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(jié)構(gòu)的形成有著 很大的作用，最佳含水量的確定對于控制結(jié)構(gòu)的均勻性、離析性以及結(jié)合料與集 料之間的聯(lián)結(jié)等整體結(jié)構(gòu)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(dǎo)致混合料整體性質(zhì)發(fā)生變化。而骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)汲取了懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu) 和骨架空隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了目前的施工水平。在振碾工藝條件下，骨架密實(shí) 結(jié)構(gòu)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(biāo)，特別在減小收縮系數(shù)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(shè)計(jì)方面主要是圍繞著骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)展開的。 2 3 水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度形成機(jī)理 水泥穩(wěn)定碎石混合料在壓實(shí)成型后，系由固相( 結(jié)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(jié)果，使得水泥穩(wěn)定碎石混合料具 有較高的強(qiáng)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(qiáng)度理 論適應(yīng)于水泥穩(wěn)定碎石混合料。根據(jù)莫爾強(qiáng)度理論，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與混合 料的粘結(jié)力和內(nèi)摩阻角成單值關(guān)系。 抗壓強(qiáng)度 r = 2 t g ( 石1 4 + q ) 1 2 ) c 抗拉強(qiáng)度 廠= 2 c t g ( x1 4 + 9 ) 2 ) c 式中：r 為抗壓強(qiáng)度；r 為抗拉強(qiáng)度；c 為粘結(jié)力；9 為內(nèi)摩阻角。 由這些關(guān)系可以看出，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨粘結(jié)力的增大而增大?？箟簭?qiáng) 度與抗拉強(qiáng)度的比值可用下式計(jì)算： r l r = t 9 2 q c l 4 + 9 ) 2 ) 從上式可以看出：抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值與粘結(jié)力沒有關(guān)系，而是取決 于內(nèi)摩阻角的大小。反過來，內(nèi)摩阻角和粘結(jié)力可以用抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度來表 1 2 東南大學(xué)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(qiáng)度的主要因素是顆粒 之間的粘結(jié)力和內(nèi)摩阻力。顆粒間的粘結(jié)力完全由水泥和細(xì)集料組成的砂漿提 供，與砂漿的強(qiáng)度直接相關(guān)；而顆粒間的內(nèi)摩阻力則來源于粗集料的骨架結(jié)構(gòu)， 受骨架結(jié)構(gòu)的組成形式、集料顆粒形貌和摩阻系數(shù)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(jìn)行，混合料內(nèi)的固液相 之間發(fā)生一系列物理、物理化學(xué)和化學(xué)作用，并生成一系列具有膠結(jié)作用的物質(zhì)， 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(jié)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(xué)反應(yīng)。實(shí) 際上很難用一般的化學(xué)反應(yīng)方程式真實(shí)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(yīng)，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(xiàn)。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(dú)的c 4 ( a 、f ) h 1 3 ，然后在轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的等軸晶體c 4 ( a 、f ) h 6 。 隨著時(shí)間的推移、水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，水泥水化生成的膠體在適當(dāng)?shù)慕佑| 點(diǎn)借助分子間力而相互聯(lián)結(jié)，逐漸形成三維的凝聚網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能將作為骨料的碎 石緊緊地膠結(jié)在一起，形成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體，逐漸產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，并且強(qiáng)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(jié)力與混凝土或?yàn)r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(nèi)摩阻力，使它承擔(dān)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(xué)碩士論文 定碎石混合料的強(qiáng)度往往是建立在無側(cè)限受力的基礎(chǔ)上，而實(shí)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(jié)構(gòu)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(shí)總是 受到來自側(cè)向的壓力，集料的骨架結(jié)構(gòu)對基層抵抗外荷載就顯得很有意義。現(xiàn)將 水泥穩(wěn)定碎石基層同級配碎石基層作一個(gè)比較分析，級配碎石基層就是純粹的集 料骨架結(jié)構(gòu)在有側(cè)限條件下的受力。良好的骨架結(jié)構(gòu)使得級配碎石基層能夠達(dá)到 設(shè)計(jì)的承載能力。因而，就可以認(rèn)識到在設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定碎石混合料時(shí)為什么要追 求集料的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在水泥和細(xì)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(gè)完整的板體結(jié)構(gòu)，從而具有優(yōu)良的綜合路用性能。因此， 根據(jù)對水泥穩(wěn)定碎石混合料力學(xué)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(jié)構(gòu)。 2 4 干燥收縮機(jī)理分析 干燥收縮是指水泥穩(wěn)定碎石基層材料因內(nèi)部含水量變化( 水分蒸發(fā)) 而引起 的體積收縮現(xiàn)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(xì)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(xì)管張力作用 水泥穩(wěn)定碎石基層材料毛細(xì)管中水的彎液面存在著r 勾$ 1 - 壓力差( 即毛細(xì)管張 力) ，以壓的形式作用于毛細(xì)管壁，其大小與毛細(xì)管的半徑成反比。當(dāng)水分蒸發(fā) 時(shí)，毛細(xì)管水面下降，彎波面的曲率半徑變小，致使毛細(xì)管壓力增大，從而產(chǎn)生 收縮。 根據(jù)開爾文方程及拉普拉斯方程，毛細(xì)管壓力廿可用下式計(jì)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(xì)管水面曲率半徑； r 一氣體常數(shù)； 瑚度； p 一水的密度； 1 4 東南大學(xué)碩士論文 m 一水的分子量； p 風(fēng)一相對濕度。 可見，毛細(xì)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(shù)將隨之 增大。 2 4 2 吸附水和分子問力作用 毛細(xì)水蒸發(fā)完結(jié)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(xué)結(jié)合， 導(dǎo)致其宏觀體積的迸一步收縮。這一階段的收縮量要比毛細(xì)管作用的影響大得 多。當(dāng)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(jié)物，如c s h 、c a ( o h 0 2 、c a c 以及 c a - h 等結(jié)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(yùn)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(xì) 球形玻璃體，具有滾珠效應(yīng)，可以增加水泥穩(wěn)定碎石基層材料氣孔中的水，減少 毛細(xì)水和吸附水的數(shù)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(jié)構(gòu)的晶體或非晶體，如粘土礦物、 c s h 凝膠、c a h 結(jié)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(jìn)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(yīng)生產(chǎn)物的水泥穩(wěn)定碎石基層 材料，具有強(qiáng)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(yīng)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(rèn)為碳化收縮是由于干燥收縮引起的壓力使c a ( 0 h ) 2 結(jié) 晶分解，以及由于在無應(yīng)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(xué)碩士論文 凝土的碳化作用，同時(shí)也降低了碳化所產(chǎn)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(gè)主要作用過程的收 縮力與含水量之間的關(guān)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(xì)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(gè)過程的收縮量。 2 5 溫度縮裂機(jī)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(xué)性質(zhì)相互作 用綜合效應(yīng)的外觀表現(xiàn)。組成水泥穩(wěn)定碎石整體結(jié)構(gòu)的原材料各礦物，除粘土礦 物外，一般具有較小的脹縮系數(shù)，而新生膠結(jié)物則具有較大的溫度脹縮系數(shù)。由 于組成復(fù)合材料的各礦物有不同的溫度脹縮性，但又膠結(jié)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(yīng) 。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，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(gè)方面進(jìn)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(jié)晶體及部分非結(jié)晶體，其熱 學(xué)性質(zhì)由質(zhì)點(diǎn)間的鍵性和熱運(yùn)動以及結(jié)構(gòu)組成所決定。組成晶體的質(zhì)點(diǎn)( 原子、 1 6 東南大學(xué)碩士論文 分子、離子) 間的鍵性一般較強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)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(nèi)質(zhì)點(diǎn)間的健力、離子電荷及質(zhì)點(diǎn)間距、 晶格與晶體類型以及晶格的空間結(jié)構(gòu)等。質(zhì)點(diǎn)間的鍵力越強(qiáng)、離子的間距越小以 及電子電荷越大時(shí)，熱脹縮系數(shù)就越?。痪w質(zhì)點(diǎn)的配位數(shù)越大，則熱脹縮系數(shù) 越大；層狀晶體，垂直于層面方向的熱脹縮系數(shù)要大于層向的熱脹縮系數(shù)；精密 堆積結(jié)構(gòu)比敞曠式結(jié)構(gòu)有較大的熱脹縮系數(shù)。 相關(guān)文獻(xiàn)對固相顆粒進(jìn)行了現(xiàn)膨脹系數(shù)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(shù)。a ，= 1 2 9 l o 擊；c a ( o h ) 2 和m g ( o h ) 2 晶體為 擴(kuò)展n - - 維空間的層狀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(xì)集料和水泥的用量 1 細(xì)集料的級配范圍 在骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)中，細(xì)集料與水泥漿混合在一起充當(dāng)填充物，在被壓實(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)中的細(xì)集料級配和最大粒徑要求嚴(yán)格，細(xì)集料最大粒 徑不應(yīng)太大，以免撐開粗集料，影響骨架