十二章無機結合料穩(wěn)定路面

第十二章無機結合料穩(wěn)定路面12-1概述在粉碎的或原狀松散的土中摻人一定量的無機結合料（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，其抗壓強度符合規(guī)定要求的材料稱為無機結合料穩(wěn)定材料，以此修筑的路面稱為無機結合料穩(wěn)定路面。特點：穩(wěn)定性好、抗凍性能強、結構本身自成板體，但其耐磨性差。應用：用于修筑路面結構的基層和底基層。

無機結合料穩(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）。近年大量使用無機結合料穩(wěn)定材料的原因：1、車輛軸載增大和交通量增加對路面的承載能力要求越來越高，要將荷載有效分散傳遞到路基；2、優(yōu)質石料的料源日益減少，用無機結合料處治材料時，可以使用原先不能應用的質量較低的石料，甚至當?shù)氐耐?，可以避免遠運優(yōu)質石料，節(jié)約大量投資。柔性基層柔性基層一般采用瀝青穩(wěn)定碎石等粘彈性材料，韌性好，有一定的自愈能力

以集料、少量無機結合料處治的集料或作用瀝青等有機結合料的混合料等材料鋪筑的基層

通常使用的柔性基層有瀝青穩(wěn)定碎石、級配碎石等

兩種典型結構，一類是以級配碎石作為下基層，以瀝青混合料作上基層，瀝青層的總厚度較厚；另一類是在半剛性基層上先鋪筑柔性過渡基層，然后鋪筑瀝青面層。12-2無機結合料穩(wěn)定材料的力學特性無機結合料穩(wěn)定材料的力學特性包括應力-應變關系、疲勞特性、收縮（溫縮和干縮）特性。1、無機結合料穩(wěn)定材料的應力-應變特性特點：強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。與原材料的性質、結合料的性質和劑量及密實度、含水量、齡期、溫度等有關。2、無機結合料穩(wěn)定材料的疲勞特性對于彈性狀態(tài)的路面材料承受重復應力作用時，可能在低于靜載一次作用下的極限應力值時出現(xiàn)破壞，這種材料強度的降低現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞的出現(xiàn)，是由于材料微結構的局部不均勻，誘發(fā)應力集中而出現(xiàn)微損傷，在應力重復作用之下微量損傷逐步累積擴大，終于導致結構破壞，稱為疲勞破壞。出現(xiàn)疲勞破壞的重復應力值（即疲勞強度），隨重復作用次數(shù)的增加而降低。有些材料在應力重復作用一定次數(shù)（例如106－107次）后，疲勞強度不再下降，趨于穩(wěn)定值，此穩(wěn)定值稱為疲勞極限。當重復應力低于此值時，材料可經(jīng)受無限多次的作用而不出現(xiàn)破壞。研究疲勞特性的主要目的是探索提高疲勞強度，延長路面使用年限，為路面設計提供參數(shù)。無機結合料穩(wěn)定材料的抗拉強度遠小于其抗壓強度，材料的抗拉強度是路面結構設計的控制指標。抗拉強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。

無機結合料穩(wěn)定材料的疲勞壽命主要取決于重復應力與極限應力之比σf/σs，原則上當σf/σs小于50%，無機結合料穩(wěn)定材料可經(jīng)受無限次重復加荷次數(shù)而無疲勞破裂，但是，由于材料的變異性，實際試驗時其疲勞壽命要小得多。在一定的應力條件下，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，其疲勞壽命就愈長。3、無機結合料穩(wěn)定材料的干縮特性

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結合料穩(wěn)定材料體積收縮。描述材料干縮特性的指標主要有干縮應變、干縮系數(shù)，干縮量、失水量、失水率和平均干縮系數(shù)。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的細顆粒的含量、試件含水量和齡期等有關。粒料類：石灰穩(wěn)定類>水泥穩(wěn)定類>石灰粉煤灰穩(wěn)定類細粒土：石灰土>水泥土和水泥石灰土>石灰粉煤灰土半剛性材料的外觀脹縮性是固相、液相和氣相三相的不同的溫度收縮性的綜合效應的結果。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。

4、半剛性材料的溫度收縮特性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、細粒土）中摻入適量的石灰和水，經(jīng)拌和、壓實及養(yǎng)生，其抗壓強度符合規(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+天然砂礫（或級配砂礫）——石灰砂礫土石灰+天然碎石（或級配碎石）——石灰碎石土石灰穩(wěn)定材料應用范圍吸水性、透水性、水穩(wěn)定性較差

各級公路路面的底基層，二級及二級以下公路的基層，石灰土不用于二級及二級以上公路的基層。冰凍地區(qū)的潮濕路段和其他地區(qū)的其他地區(qū)的過濕路段不宜采用石灰土做基層和低基層。1、石灰穩(wěn)定土強度形成原理

石灰加入土中，主要發(fā)生四個作用：（1）、離子交換作用石灰中的鈣離子與土中的鈉、氫、鉀離子產(chǎn)生離子交換作用，原來的鈉（鉀）土變成鈣土，減少了土顆粒表面吸附水膜的厚度，使土粒相互之間更為接近，分子引力隨著增加，許多單個土粒聚成小團粒，組成一個穩(wěn)定結構。（2）、結晶作用石灰土中只有一部分熟石灰Ca（OH）2進行離子交換作用，絕大部分飽和的Ca（OH）2人自行結晶。熟石灰與水作用生成熟石灰結晶網(wǎng)格。（3）、火山灰作用

熟石灰的游離鈣離子與土中的活性氧化硅和氧化鋁作用生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣，為膠凝物質，具有水硬性。膠凝物質在土微粒團外圍形成一層穩(wěn)定保護膜，填充顆?？障叮诡w粒間產(chǎn)生結合料，減少了顆粒間的空隙與透水性，同時提高密實度，這是石灰土獲得強度和水穩(wěn)定性的基本原因。（4）、碳酸化作用在土中的Ca（OH）2與空氣中的二氧化碳作用生成堅硬的結晶體，它和其生成的復雜鹽類把土粒膠結起來，從而大大提高了土的強度和整體性。2、影響強度的因素1）、土質粘性土為好，一般塑性指數(shù)15~20，控制土塊粒徑，不宜直接采用硫酸鹽含量超過0.8%或者腐殖質含量超過10%的土。2）、灰質應是消石灰粉或生石灰粉，對高速公路或一級公路宜用磨細生石灰粉。應符合Ⅲ級以上技術指標，攤鋪前檢查混合料中有效鈣和氧化鎂的含量3）、石灰劑量

存在最佳劑量。石灰劑量低時，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、強度得到改善。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時，強度反而降低。最佳劑量范圍：粘性土及粉性土為8％－14％；對砂性土則為9％－16％。4）、含水量水促使石灰土發(fā)生物理化學變化，形成強度；便于土的粉碎、拌和與壓實，并且有利于養(yǎng)生。不同土質的石灰土有不同的最佳含水量，需通過標準擊實試驗確定。5）、密實度石灰土的強度隨密實度的增加而增長。密實的石灰土，其抗凍性、水穩(wěn)定性也好，縮裂現(xiàn)象也少。6）、石灰土的齡期石灰土強度具有隨齡期增長的特點。一般石灰土初期強度低，前期增長速率較后期為快。7）、養(yǎng)生條件養(yǎng)生條件主要指溫度與濕度。當溫度高時，物理化學反應、硬化、強度增長快，反之強度增長慢，在負溫條件下甚至不增長。養(yǎng)生的濕度條件對石灰土的強度也有很大影響。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。

5、石灰土混合料設計

石灰穩(wěn)定土是由土、石灰和水組成的。混合料的組成設計包括：根據(jù)強度標準，通過試驗選取合適的土，確定必需的或最佳的石灰劑量和混合料的最佳含水量。

l）石灰土的強度標準。石灰土的強度標準根據(jù)相應的公路等級和在路面結構中的層位而定。

2）、混合料的設計步驟（1）制備同一種土樣、不同石灰劑量的石灰土混合料。（2）確定混合料的最佳含水量和最大干壓實密度，至少做三個不同石灰劑量混合料的擊實試驗，即最小劑量、中間劑量和最大劑量。（3）按最佳含水量與工地預期達到的壓實密度制備試件。（4）試件在規(guī)定溫度下保濕養(yǎng)生6d，浸水1d，進行無側限抗壓強度試驗，工地實際采取的石灰劑量應較實驗室內(nèi)試驗確定的劑量多0.5％－l.0％。6、石灰土基層的施工

1）備料、配合比設計2）攤鋪3）拌和與灑水4）整型5）碾壓：壓實厚度要與壓路機噸位協(xié)調(diào)；由兩側路肩向路中心碾壓，超高段則由內(nèi)側向外側碾壓；后輪重疊1/2輪寬；6-8遍6）養(yǎng)生：灑水或者覆蓋7、碎（礫）石灰土底基層混合料的最佳組成應是碎（礫）石摻入量占混合料總重的60％－70％，而且要求碎（礫）石要有一定級配。

二灰碎石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、細粒土）中，摻人適當水泥和水，按照技術要求，經(jīng)拌和攤鋪，在最佳含水量時壓實及養(yǎng)護成型，其抗壓強度符合規(guī)定要求，以此修建的路面基層稱水泥穩(wěn)定類基層。當用水泥穩(wěn)定細粒土（砂性土、粉性土或粘性土）時，簡稱水泥土。

特點：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：水泥穩(wěn)定類基層可用于各級路面結構的基層和底基層；水泥土不可用于高速和一級、水泥混凝土的基層，可做其底基層和其他等級公路的基層。

2、強度形成原理

化學作用：水泥顆粒的水化、硬化，有機物聚合等物理化學作用：吸附、凝聚、滲透、擴散、結晶等作用物理作用：粉碎、拌和、壓實等1）水泥的水化作用在水泥穩(wěn)定土中，首先發(fā)生的是水泥自身的水化反應，從而產(chǎn)生出具有膠結能力的水化產(chǎn)物，這是水泥穩(wěn)定土強度的主要來源。2）離子交換作用水化后所生成的氫氧化鈣溶于水以后，在土中形成了一個富含“Ca2+”的堿性溶液環(huán)境，Ca2+取代了K+，Na+，成為反離子，使電動電位減小、雙電層的厚度降低，使粘土顆粒之間的距離減小，相互靠攏，導致土的凝聚，從而改變土的塑性，使土具有一定的強度和穩(wěn)定度。3）化學激發(fā)作用

粘土礦物中的部分氧化硅和氧化鋁的活性將被激發(fā)出來，與溶液中的鈣離子進行反應，生成新的礦物，這些礦物的組成和結構與水泥的水化產(chǎn)物都有很多類似之處，并且同樣具有膠凝能力。生成的這些膠結物質包裹著粘土顆粒表面，與水泥的水化產(chǎn)物一起，將粘土顆粒凝結成一個整體。因此，氫氧化鈣對粘土礦物的激發(fā)作用，將進一步提高水泥穩(wěn)定土的強度和水穩(wěn)定性。4）碳酸化作用水泥水化生成的Ca（OH）2，還可以進一步與空氣中的CO2發(fā)生碳化反應并生成碳酸鈣晶體。碳酸鈣生成過程中產(chǎn)生體積膨脹，也可以對土的基體起到填充和加固作用。3、影響強度的因素1）土質土的類別和性質是影響水泥穩(wěn)定土強度的重要因素。穩(wěn)定效果：用水泥穩(wěn)定級配良好的碎（礫）石和砂礫>砂性土>粉性土>粘性土。一般要求土的塑性指數(shù)不大于17。2）水泥的成分和劑量對于同一種土，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。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，從而水泥土的強度也大大提高。

水泥土的強度隨水泥劑量的增加而增長。水泥劑量為4％－8％較為合理。約束試件的開裂情況3）含水量含水量對水泥穩(wěn)定土強度影響很大，當含水量不足時，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，影響強度形成。同時，含水量小，達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％。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)。在水泥終凝時間達不到規(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度的需要。養(yǎng)生溫度愈高，強度增長的愈快，因此，要保證水泥穩(wěn)定土養(yǎng)生的溫度和濕度條件。

4、材料要求及混合料組成設計1）材料要求（1）土：凡能被粉碎的土都可用水泥穩(wěn)定。宜做水泥穩(wěn)定類基層的材料有：石渣、石屑、砂礫、碎石土、礫石土等。碎石或礫石的壓碎值對于高速公路和一級公路應不大于30％，對二級和二級以下公路應不大于35％。顆粒組成符合要求。（2）水泥普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥或火山灰質硅酸鹽水泥都可以用于穩(wěn)定土，但應選用終凝時間較長（宜6h以上）的水泥。

（3）水飲用的水，均可以應用2）混合料組成設計水泥穩(wěn)定土混合料組成設計與石灰穩(wěn)定土基本相同。（1）強度和壓實度標準7d無側限抗壓強度和壓實度應根據(jù)公路等級和所在路面結構中的層位確定，如表12-6所示。

（2）設計步驟3）混合料施工A水泥集料混合料設計B施工過程施工期最低氣溫在5度以上，在第一次冰凍到來之前半個月到一個月完成拌和到碾壓應控制在3～4小時，盡量減少接縫（1）底基層準備：干凈、平整、堅實、路拱合格（2）拌和：按比例摻配，拌和均勻，含水量略大于最佳含水量，運送車輛應加以覆蓋。（3）攤鋪：平地機或者攤鋪機攤鋪，注意防止離析（4）整形：平地機（5）碾壓：靜壓1～2遍，再振動壓實，碾壓過程中表面應保持潮濕（6）接縫處理（7）養(yǎng)生：碾壓結束，立刻開始，保持潮濕狀態(tài)（8）養(yǎng)生期滿驗收合格澆透層油穩(wěn)定土類基層縮裂防治穩(wěn)定土基層防治縮裂的措施有：1）控制壓實含水量：含水量過多產(chǎn)生的干