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1、第十二章 无机结合料稳定路面,一、无机结合料稳定类材料的力学特性,（一）应力应变特性,水泥稳定碎石的力学特性指标与龄期的关系,石灰粉煤灰稳定碎石的力学特性指标与龄期关系,无机结合料稳定材料的应力-应变特性与原材料的性质、结合料的性质和剂量、密实度、含水量、龄期、温度等有关。 水泥稳定类材料设计龄期为3个月,石灰或粉煤灰稳定类材料为6个月。施工中用7天浸水强度作为控制指标。,（二）疲劳特性,在一定的应力条件下，整体性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。应力强度比越高，则疲劳寿命越短。,（三）干缩特性,无机结合料稳定材料的干缩性的大小与结合料的类型、剂量、被稳
2、定材料的类别、粒料含量、小于0.6mm的细颗粒的含量、试件含水量和龄期等有关 。对于稳定粒料类，三类半刚性材料的干缩性：石灰稳定类水泥稳定类石灰粉煤灰(二灰)稳定类.对于稳定细粒土, 三类半刚性材料的干缩性：石灰土综合稳定土二灰土.,（四）温缩特性,温缩的大小与结合料类型和剂量、被稳定材料的类别(特别是它的级配和细粒土的含量)、龄期等有关。一般来说, 温缩性: 石灰稳定的二灰稳定的水泥稳定的; 结合料剂量大则温缩大;被稳定材料中, 粗粒料越多,温缩越小. (因为0.074mm的颗粒温缩较小)在成型初期，半刚性基层表面温度昼夜变化大（多在高温季节施工），加上可 能的失水，温缩加干缩极易引起裂缝，
3、必须加强保温保湿养生，不得时干时湿。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、石灰稳定类基层,（一）石灰稳定土强度形成原理,1离子交换作用高价阳离子置换低价阳离子，结合水膜变薄，土粒靠得更近，塑指减小，粘性降低。,2 结晶作用 在石灰土中只有一部分熟石灰Ca(OH)2进行离子交换作用，绝大部分饱和的Ca(OH)2自行结晶。熟石灰与水作用生成熟石灰结晶网格。其化学反应式为：Ca(OH)2nH2Ca(OH)2nH2 这一作用使土粒发生胶结作用，整体性增强，水稳性提高。,3火山灰作用熟石灰的游离Ca2+与
4、土中的活性氧化硅SiO2和氧化铝Al2O3作用生成含水的硅酸钙和铝酸钙的化学反应就是火山灰作用，其反应式为：xCa(OH)2SiO2nH2OxCaOSiO2（n+1)H2OxCa(OH)2Al2O3nH2OxCaOAl2O3（n+1)H2O上述所形成的熟石灰结晶网格和含水的硅酸钙和铝酸钙结晶都是胶凝物质，它具有水硬性并能在固体和水两相环境下发生硬化。这些胶凝物质在土微粒团外围形成一层稳定保护膜，填充颗粒空隙，使颗粒间产生结合料，减少了颗粒间的空隙与透水性，同时提高密实度，这是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 碳酸化作用在土中的Ca(OH)2与空气中的二氧化碳作用而碳
5、化，其化学反应式为：Ca(OH)2CO2CaCO3H2OCaCO3是坚硬的结晶体，它和其他生成的复杂盐类把土粒胶结起来，从而大大提高了土的强度和整体性。,总之，石灰与土的相互作用可归纳如下： 初期，离子交换，结合水膜减薄，IP减小，wop提高，dmax下降；后期，结晶结构不断形成，板结、强度和稳定性提高。,（二）影响石灰稳定土强度的因素,有：土质，灰质，石灰剂量，含水量，密实度，龄期，养生条件（温度和湿度）,2.灰质,粘粒含量越高，则石灰与土的相互作用程度越高，石灰土的强度和水稳性越好，因细粒土才有离子交换等前述4种作用。但是塑性太大，不易粉碎，效果也不好。一般以IP=1520的粘性土为宜。,
6、石灰品质越好，其活性成分CaO+MgO含量越高，磨细度越好，则土与石灰的相互作用越显著，灰土的强度和水稳定性就越高 。,1. 土质,3.石灰剂量,石灰剂量较低(小于34)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814；对砂性土则为916。,4.含水量,5.密实度,6.石灰土的龄期,7.养生条件,（水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。）在利于压实的最佳含水量下，可满足灰、土发生化学反应的需要
7、，同时又可得到最大密实度，强度高，水稳定性好。含水量过大过小都不好。,石灰土的强度随密实度的增加而提高。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，缩裂也少 。,石灰土强度具有随龄期增长的特点。一般石灰土初期强度低，前期(12个月)增长速率较后期为快。1个月抗压强度达到约30 ，3个月达到约60，设计龄期为6个月。,温度温度高时，物理化学反应、硬化、强度增长快，反之强度增长慢 。（因此应尽量在热季施工，不宜在临近冬季或在冬季施工。）湿度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 。（属水硬性材料）,（三）石灰土的应用,石灰土因吸水性较
8、大，透水性差，吸水后强度下降较明显，不得用于二级及以上公路的基层和底基层，也不能用于高级路面的基层和底基层。所以，1.低剂量（34 %）用于地基处理，高剂量用于二级以下公路基层或底基层.2.冰冻地区的潮湿路段或其他地区的过湿路段，不宜采用石灰土做基层。,（四）石灰稳定土基层缩裂的防治措施,1. 控制压实含水量。石灰稳定土因含水量过高产生的干缩裂缝显著，因而压实时含水量一定不要大于最佳含水量，其含水量应略小于最佳含水量。,2. 严格控制压实度。实践证明，压实度小时产生的干缩要比压实度大时严重，因此，应尽可能达到最大压实度。,3. 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
9、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。,4. 干缩的最不利情况是石灰稳定土成型初期，因此，要做好初期保湿保温养护。保证在养护期内石灰土表面处于潮湿状况，防止干晒。,5. 石灰稳定土施工结束后要及早铺筑面层，使石灰土基层含水量不发生大变化，可减轻干缩裂隙。,6. 在石灰稳定土中掺加集料(砂砾、碎石等)，使其集料含量为6070%，使混合料满足最佳组成要求，不但能提高强度和稳定性，而且具有较好的抗裂性。,7. 基层的缩裂会反射到面层，为了防止基层裂缝的反射，国内外常采取以下措施：(1)设置联结层。设置沥青碎石或沥青贯入式联结层，是防止反射裂缝的有效措施。(2)铺筑碎石隔离
10、过渡层。在石灰土与沥青面层间铺筑厚1020cm的碎石层或玻璃纤维网格，可减轻反射裂缝出现。,(五) 石灰土混合料设计,石灰稳定土是由土、石灰和水组成的。混合料的组成设计包括：根据强度标准，通过试验选取合适的土，确定必需的或最佳的石灰剂量和混合料的最佳含水量。（详见课本）,（六）石灰土的施工工艺,1. 生石灰应在使用前710天充分消解成熟石灰粉，熟石灰粉应尽快使用，免碳化；2.路拌法或厂拌法拌合，细粒土拌合后闷料12小时，以使水份均匀分布，并渗透到土团内部；拌压时间不超过2d；3.现场配合比较实验室配合比提高石灰剂量1；4.覆盖保湿养生不少于7d。质量控制重点：石灰剂量，混合料的均匀性（包括水和
11、石灰的分布），压实度，养生条件。,路拌法:准备下承层施工放样备料, 摊铺土洒水闷料整平和轻压卸置和摊铺石灰拌和与洒水整形碾压养生,厂拌法:备料(土料,石灰消解)拌和摊铺碾压养生,二、水泥稳定类基层,水泥稳定土-在粉碎的或原状松散的土(包括各种粗、中、细粒土)中，掺 入适量水泥和水，按照技术要求，经拌和摊铺，压实及养生后，当其抗压强度符合规定要求时，称为水泥稳定土。用水泥稳定细粒土得到的强度符合要求的混合料，视所用土类而定 ，可简称为水泥土、水泥砂或水泥石屑等。（公路路面基层施工技术规范JTJ0342000）。用水泥稳定中粒土和粗粒土得到的强度符合要求的混合料，视其原材料而定，可简称为水泥碎石、
12、水泥砂砾等。,（一）概述,水泥是水硬性结合料，绝大多数的土类(高塑性粘土和有机质较多的土除外)都可以用水泥来稳定。水泥稳定土具有良好的整体性、足够的强度、水稳性和抗冻性。其初期强度较高，且随龄期增长而增长，在我国被广泛应用于高等级公路的基层和底基层。但水泥土禁止作为高速公路或一级公路路面的基层，只能用做底基层。在高等级公路的水泥混凝土路面板下，水泥土也不应做基层。因为水泥土收缩性大，水稳性相对较差。,（二）水泥稳定土的强度形成原理,1. 水泥的水化作用 在水泥稳定土中，首先发生的是水泥自身的水化反应，从而产生出具有胶结能力的水化产物，这是水泥稳定土强度的主要来源。(反应式见建筑材料),硅酸三钙
13、与水反应生成水化硅酸钙+氢氧化钙,硅酸二钙与水反应生成水化硅酸钙+氢氧化钙,铝酸三钙与水反应生成水化铝酸钙,铁铝酸四钙与水反应生成水化铁铝酸钙,由于粘土矿物对水化产物中的Ca(OH)2具有极强的吸附和吸收作用，使溶液中的碱度降低，从而影响了水泥水化产物的稳定性。因此在选用水泥时，在其它条件相同时，应优先选用硅酸盐水泥，因为硅酸盐水泥水化后 Ca(OH)2含量高（占水化产物的25%）。,2. 离子交换作用,水泥水化后形成高浓度 Ca(OH)2溶液中的Ca2+ 替换粘土颗粒表面的低价钾、钠离子。这与石灰土的一样。,3. 化学激发作用,随着Ca(OH)2浓度的增加，溶液PH值提高，这时粘土矿物中的部
14、分SiO2和Al2O3的活性将被激发出来，与溶液中的Ca2+ 进行反应，生成新的矿物，这些矿物主要是硅酸钙和铝酸钙系列。这些矿物的组成和结构与水泥的水化产物都有很多类似之处，并且同样具有胶凝能力。生成的这些胶结物质包裹着粘土颗粒表面，与水泥的水化产物一起，将粘土颗粒凝结成一个整体。因此，氢氧化钙对粘土矿物的激发作用，将进一步提高水泥稳定土的强度和水稳定性。,4. 碳酸化作用 水泥水化生成的Ca(OH)2，除了可与粘土矿物发生化学反应外，还可以进一步与空气中的CO2发生碳化反应并生成碳酸钙晶体。其反应如下： 碳酸钙生成过程中产生体积膨胀，也可以对土体起到填充和加固作用；只是这种作用相对来讲比较弱
15、，并且反应过程缓慢。,（二）影响强度的因素,1.土质,土是影响水泥稳定土强度的重要因素，各类土均可用水泥稳定，但稳定效果不同。1）水泥稳定级配良好的碎(砾)石和砂砾，效果最好，不但强度高，而且水泥用量少（因此一般要求土的不均匀系大于5）；其次是砂性土；再次之是粉性土和粘性土。2）重粘土难于粉碎和拌和，不宜单独用水泥来稳定，因此，一般要求土的塑性指数不大于17。 3）实际中，以不均匀系数大于10，塑性指数小于12的土为宜。,2.水泥的成分和剂量,1）硅酸盐水泥的稳定效果好，而铝酸盐水泥较差；（前者水化后氢氧化钙含量高于后者，与土的化学反应程度更高）2）不能用快硬水泥、早强水泥、禁用受潮变质的水泥
16、，不需要使用高标号水泥；3）强度随水泥剂量增大而增大，但高剂量成本高、干缩大，48较为合理。,3.含水量,含水量对水泥稳定土强度影响很大，当含水量不足时，水泥不能在混合料中完全水化和水解，发挥不了水泥对土的稳定作用，影响强度形成。同时，含水量小，达不到最佳含水量也影响水泥稳定土的压实度。因此，使含水量达到最佳含水量的同时，也要满足水泥完全水化和水解作用的需要为好。水泥正常水化所需的水量约为水泥重的20%，对于砂性土，完全水化达到最高强度的含水量较最佳密度的含水量为小；而对于粘性土则相反。,4.施工工艺过程：拌和运输摊铺碾压检测养生交通管制,1）水泥土从开始加水拌和到完成压实的延迟时间要尽可能最
17、短，一般要在6h以内；2）尽量使用低标号水泥，有时可以使用缓凝剂；（高标号水泥水化热高， 硬凝较快）3）需湿法养生 ；4）养生温度愈高，强度增长的愈快。,（三）水泥稳定类材料的应用,1.水泥稳定砂砾或级配碎石用于各级公路路面基层，尤其适用于水泥路面；2.水泥稳定细粒土不宜用于二级以上公路的基层。,（四）水泥稳定类的配合比,配合比设计方法与石灰稳定类相同，水泥稳定粒料的级配应满足相应规范的要求。,（五）水泥稳定类的施工工艺,1.水泥稳定粒料应采用中心拌和厂拌和 ，平地机或混合料摊铺机摊铺；2. 碾压要在拌合后34h内完成，拌碾时间不应超过6h ；3.现场配合比比实验室配合比提高水泥剂量和含水量0
18、.514.洒水覆盖养生至少3d，养生期结束、应立即浇洒透层油 。,三、石灰工业废渣稳定土,常用的工业废渣有：火力发电厂的粉煤灰和煤渣，钢铁厂的高炉渣和钢渣， 化肥厂的电石渣，以及煤矿的煤矸石等,分类: 石灰粉煤灰类石灰其它废渣类。,强度形成原理:用石灰稳定工业废渣时，石灰在水的作用下形成饱和的Ca(OH)2溶液。废渣的活性氧化硅和氧化铝在Ca(OH)2溶液中产生火山灰反应，生成水化硅酸钙和铝酸钙凝胶，把颗粒胶凝在一起，随水化物不断产生而结晶硬化，具有水硬性。温度较高时，强度增长快，因此，石灰稳定工业废渣最好在热季施工，并加强保湿养生。,应用:（因水硬性、缓凝性、强度高、稳定性好，成板体、且强度
19、随龄期不断增加，抗水、抗冻、抗裂而且收缩性小，适应各种气候环境和水文地质条件等特点。所以，） （1）石灰工业废渣稳定土可用于各级公路的基层和底基层。 （2） 但二灰、二灰土、二灰砂由于干缩和温缩性大；早期强度低，水稳定性较差；抗冲刷能力低。因此不能用作二级及以上公路高级路面的基层。,对原材料的要求、配合比设计（与石灰稳定土相似）、施工工艺等详见公路路面基层施工技术规范JTJ 034-2000,四、无机结合料稳定类基层缩裂防治措施,（一）满足强度的情况下，限制结合料用量；（二）提高混合料中粒料的含量；（三）压实度必须满足规范要求, 并尽量提高压实度；（四）严格控制压实含水量（不宜过高）；（五）注意初期保湿养生，尽量在高温季节施工；（六）及时铺筑上层覆盖；（七）设置隔离层或格栅。,见基层施工图片,
