无机结合料稳定材料十一月收集整理.ppt

1,高等筑路材料,廖公云 副教授Tel:13912975564 025-83790551Email：,2,第4章 无机结合料稳定材料,4,课前提问,为什么无机结合料稳定材料又称为“半刚性材料”？为什么CTB和LFTB会成为无机结合料稳定材料中的两大“主力”？,5,两个基本概念,无机结合料稳定材料在破碎的或原来松散的土（包括各种粗、中、细粒土）中，掺入足量的水泥、石灰或工业废渣材料和水，经拌和得到的混合料，在压实和养生后，抗压强度符合规定要求的混合料。,半刚性材料用水泥、石灰或水硬性结合料等无机结合料处治的土或碎（砾），前期具有柔性的性质，后期强度和刚度有大幅度的增长，但仍远小于水泥混凝土。这样的混合料称为半刚性材料。,强度来源,强度特征,6,“半刚性”的由来,沥青混合料、级配碎石,无机结合料稳定材料,水泥混凝土,1200MPa柔性材料,13001700半刚性,25000刚性材料,由于无机结合料稳定材料的刚度介于柔性材料和刚性材料之间，因此也被称为“半刚性材料”。,7,结构定位,大多用做沥青路面或水泥路面的基层或底基层。,最适合这两个层次的工作！,8,沥青路面主要病害：反射裂缝,路面裂缝,基层开裂,在荷载和温度的反复作用下，无机结合料基层上的裂缝逐渐向上反射，形成沥青路面的裂缝。,9,沥青路面主要病害：水损害,在沥青路面上产生反射裂缝后，水沿裂缝面逐渐渗入基层顶面，在高速车载的作用下，高压水流不断冲刷无机结合料稳定材料基层上的细小颗粒，逐渐泵吸到路面，形成唧泥。,路面唧泥,10,结构功能及设计,承受车辆荷载的作用，起主要承重层的作用；优化材料设计，尽量减小路面的反射裂缝；优化材料设计，增强抵抗水损害的能力。,11,本章内容要点,一、使用状况和分类二、力学性能 三、收缩性能 四、水稳定性 五、疲劳性能七、配合比设计 八、施工工艺及控制,六、综合性能,12,一、使用状况和分类,1.使用状况：国内（七五期间）,13,一、使用状况和分类,1.使用状况：国内（七五以后）,14,一、使用状况和分类,1.使用状况：国外从1980年代中期开始，国外在高速公路中很少使用无机结合料稳定材料，即使使用，也是采用较厚的沥青层、较薄半刚性材料作底基层的“混合结构”。国外最常用的基层材料是级配碎石（Unbound material 或Granular material）。与我国的使用状况存在很大差别（薄沥青层、厚半刚性材料）。,15,一、使用状况和分类,按结合料类型分：水泥稳定材料（水泥稳定碎石等）石灰稳定材料（石灰土等）石灰工业废渣稳定材料（石灰粉煤灰碎石，简称二灰碎石）,按土的颗粒组成分：稳定粗粒土（二灰稳定碎石等，常用做基层）稳定中粒土（水泥稳定砂砾等，常用做基层）稳定细粒土（二灰稳定土等，常用做底基层）,2.分类：,16,二、力学性能,1.强度作用原理a（水泥稳定材料）（1）水泥水化作用（2）离子交换作用（3）化学激发作用（4）碳酸化作用,17,二、力学性能,1.强度作用原理a（水泥稳定材料）（1）水泥水化作用 硅酸三钙 3CaOSiO2（C3S）硅酸二钙 2CaOSiO2（C2S）铝酸三钙 3CaOAl2O3（C3A）铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O3（C4AF）,强度形成的主要来源。,水泥成分,18,二、力学性能,19,二、力学性能,1.强度作用原理a（水泥稳定材料）两种水泥水化作用的区别（水泥稳定土 VS 水泥混凝土）土（水泥稳定土）具有非常高的比表面积和亲水性；水泥稳定土中的水泥含量较少（6%）；土对水泥的水化产物具有强烈的吸附性；在一些土中常存在酸性介质环境。,20,二、力学性能,1.强度作用原理a（水泥稳定材料）（2）离子交换作用水泥水化产物中的Ca(OH)2含量很高，易形成富含Ca2+的碱性溶液环境；当溶液中富含Ca2+时，因为Ca2+的电价高于K+、Na+等离子，因此与电位离子的吸引力较强，从而取代了K+、Na+，成为反离子，同时Ca2+使双电层电位的降低速度加快。Ca2+K+、Na+,增加强度和稳定性。,21,二、力学性能,1.强度作用原理a（水泥稳定材料）（3）化学激发作用Ca2+的化学激发作用 当粘土颗粒周围介质的pH值增加到一定程度时，粘土矿物中的部分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，如4CaO5SiO25H2O、4CaOAl2O319H2O、3CaOAl2O316H2O、CaOAl2O310H2O等。,增加强度和水稳定性。,22,二、力学性能,1.强度作用原理a（水泥稳定材料）（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。,反应缓慢，作用较弱。,23,二、力学性能,1.强度作用原理b（石灰稳定材料）生石灰的主要成分：有效氧化钙CaO和氧化镁MgO生石灰的熟化和硬化：熟化：（消石灰或熟石灰）CaOH2OCa(OH)265.9kJ/mol 硬化：结晶和碳酸化,24,石灰的技术指标(JTJ 034-2000,表4.2.2),25,化学激发作用,二、力学性能,1.强度作用原理b（石灰稳定材料）（1）离子交换作用（初期强度）（2）碳酸化反应（后期强度）（3）火山灰反应（中后期强度）（4）氢氧化钙的结晶反应,强度主要来源。,26,二、力学性能,1.强度作用原理c（工业废渣稳定材料）（1）常用材料：粉煤灰（2）粉煤灰的相关参数：密 度：19002400kg/m3（普通）25002800kg/m3（高钙15）比表面积：27003500cm2/g 最佳粒径：530m湿排灰、干排灰,27,二、力学性能,1.强度作用原理c（工业废渣稳定材料）（3）粉煤灰的化学组成氧化物含量：前三种氧化物含量应大于70；三种粉煤灰（CaO含量）：低钙（15）烧失量：应小于8（未燃煤的含量）,28,二、力学性能,1.强度作用原理c（工业废渣稳定材料）（4）石灰粉煤灰的水化活性 粉煤灰中的CaO含量较少，所以通常不能自行水化；水化激发条件包括生石灰、熟石灰、水泥水化生成的Ca(OH)2、石膏、碱性物质等，特别是Ca(OH)2。,29,二、力学性能,1.强度作用原理c（工业废渣稳定材料）（4）石灰粉煤灰的水化活性相关化学反应：（a）CaO+H2OCa(OH)2（b）Ca(OH)2+CO2CaCO3+H2O（c）Ca(OH)2+SiO2+H2OxCaOySiO2zH2O（c）Ca(OH)2+Al2O3+H2OxCaOyAl2O3zH2O（d）Ca(OH)2+SiO2+Al2O3+H2O xCaOyAl2O3zSiO2wH2O（e）Ca(OH)2+SO42-+Al2O3+H2O xCaOyAl2O3zCaSO4wH2O,30,二、力学性能,1.强度作用原理c（工业废渣稳定材料）（5）粉煤灰的技术要求 烧失量：小于8；氧化物含量：SiO2、Al2O3、Fe2O3，应大于70；细度：比表面积宜大于2500m2/g；含水量：不宜超过35。,31,2.温度和时间对强度的影响,二灰稳定材料,5,0,32,3.力学性能的特点,3.无机结合料稳定材料力学性能特点具有较大的抗压强度和一定的抗拉强度强度随龄期逐渐增长，但后期增加幅度较小环境温度对半刚性材料强度的形成和发展有很大影响无机结合料稳定材料强度的时-温转换特性,33,4.小结,（1）强度作用原理水泥稳定材料：水泥水化作用、离子交换作用、化学激发作用和碳酸化作用石灰稳定材料：离子交换作用、碳酸化反应、火山灰反应和氢氧化钙的结晶反应工业废渣稳定材料（粉煤灰）：与石灰稳定材料类似，但不能自行水化,34,4.小结,（2）温度和时间对强度的影响在环境温度达到5以上时，随着养护时间（龄期）的增加，无机结合料稳定材料的强度逐渐增长，但后期增幅较小。（3）力学性能的特点温度和时间对无机结合料的力学性能影响很大；无机结合料稳定材料的时温转换特性。,35,三、收缩性能,1.两种主要收缩类型干缩：干燥收缩是无机结合料稳定材料因内部含水量变化而引起的体积收缩现象。温缩：由于温度的交替而引起的无机结合料稳定材料收缩的现象。关系：通常干缩是主要的收缩类型，干缩可达到温缩的410倍以上。,36,2.收缩的测试,（1）干缩的测试百分表测试应变片测试,（2）温缩的测试应变片测试,在被测试件的适宜位置粘贴应变片，采用专用仪器测试应变片电阻的变化。,37,3.收缩指标,（1）干缩指标干缩应变：失水率：干缩系数：平均干缩系数：,（2）温缩指标温缩应变：平均温缩系数：,38,4.干缩特性,4.1干缩特性表现形式：常为横向裂缝，间距310m；常用材料的干缩应变：石灰土：（12001500）10-6（失水量2.5%）将引起基层裂缝，导致“反射裂缝的产生”。水泥砂砾：（1318）10-6（50最大失水量）密实式二灰砂砾：（2537）10-6（失水量2.5%）如果处理得当，将大大延缓裂缝的产生。,39,4.干缩特性,4.2干缩特性影响因素（1）结合料含量,存在最佳水泥用量，一般为5左右；二灰剂量一般为1525。,40,4.干缩特性,4.2干缩特性影响因素（2）细料含量,随着粘粒含量的增加，干缩应变显著增加。在实际应用中应尽量减少粘粒含量。,41,4.干缩特性,4.2干缩特性影响因素（3）含水量,对二灰砂砾的干缩来说，存在最不利含水量，在施工控制中应尽量避免。,最佳用水量范围：810,42,4.干缩特性,4.2干缩特性影响因素（4）养护龄期,随着养护龄期的增加，二灰砂砾的干缩性逐渐减小，在施工中应尽量增加养护时间。,43,4.干缩特性,4.3干缩机理干燥收缩是无机结合料稳定材料因内部含水量变化而引起的体积收缩现象。干燥收缩的基本原理是由于水分蒸发而发生的“毛细管张力作用”、“吸附水及分子间力作用”、“矿物晶体或胶凝体的层间水作用”、“碳化脱水作用”而引起的整体宏观体积的变化。,44,4.干缩特性,4.3干缩机理（1）毛细管张力作用当水分蒸发时，毛细管水分下降，弯液面的曲率半径变小，致使毛细管压力增大，从而产生收缩。（2）吸附水及分子间力作用 毛细水蒸发完结后，随着相对湿度的继续变小，无机结合料稳定材料中的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，颗粒间距变小，分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。这一阶段的收缩量比毛细管作用的量大得多。,45,4.干缩特性,4.3干缩机理（3）矿物晶体或胶凝体的层间水作用 随着相对湿度的继续变小，无机结合料稳定材料中的层间水开始蒸发，使晶格间距变小，导致其宏观体积进一步收缩。（4）碳化脱水作用 碳化脱水作用是Ca(OH)2和CO2反应生成CaCO3中析出水而引起体积收缩。,46,5.温缩特性,5.1温缩特性表现形式：常为横向裂缝，间距315m；缝宽330mm（冬季），小于1mm（夏季）。常用材料的温缩应变：石灰土：（3080）10-6 如处理不当将引起基层裂缝。水泥砂砾：（510）10-6 密实式二灰砂砾：（615）10-6 如果处理得当，将大大延缓裂缝的产生。,47,5.温缩特性,5.2两种温缩试验方法封闭状态下的温缩试验（1）在饱水状态下，温度收缩系数在高温区（T10）变化不大；而在低温区，在其相应的冰点附近出现负收缩（膨胀）现象，除水泥砂砾出现在0附近外，其余材料均发生在-10附近；（2）含水量对温度收缩系数影响极大，饱水、风干状态最小；约在最佳含水量与半风干区间，温度收缩系数在温度T=010区间最大；当含水量低于风干含水量时，一般在T=0-10温度区间有极小值，随后又有不同程度的回升。自由状态下的温缩试验,48,5.温缩特性,5.3温缩特性影响因素,水泥剂量在5时，水泥砂砾的温缩系数较小；在常用掺量范围内，二灰含量对二灰砂砾的温缩系数影响不大。,49,5.温缩特性,5.4温缩机理（1）固相外观胀缩性 就组成矿物的颗粒而言，原生矿物一般有较小的热胀缩性，而新生成胶结物（次生矿物，如粘土矿物）的热胀缩性较大。粉煤灰的热胀缩性最小。,晶体势能曲线,50,5.温缩特性,5.4温缩机理（2）水的影响 无机结合料稳定材料内部广泛分布有空隙，包括大空隙、毛细孔和胶凝孔。重力水存在于大空隙中，毛细水存在于毛细孔和胶凝孔中；表面结合水存在于一切固体表面；层间水存在于晶胞和凝胶物层间；结构水和结晶水存在于矿物晶体结构内部。,51,5.温缩特性,5.4温缩机理（2）水的影响扩张作用：水有相当大的热胀缩系数（常温下达70*10-6/），比固相部分的热胀缩系数大47倍。毛细管张力：毛细管张力只有当含水量在一定范围内时才存在，当材料过干或过湿时，毛细管张力消失，因此，在干燥和饱和状态下，材料的温缩系数较小。冰冻作用：各空隙中的水在其冰点温度以下冻结时，体积增大9%，从而引起膨胀。,52,6.小节,（1）两种主要的收缩类型干缩是主要的收缩类型，干缩可达到温缩的410倍以上。（2）收缩性能的测试常采用百分表或应变片进行干缩和温缩的测试。（3）收缩指标干缩：干缩应变、失水率、干缩系数和平均干缩系数温缩：温缩应变和平均温缩系数,53,6.小节,（4）干缩的主要影响因素结合料含量、细料含量、含水量和养护龄期（5）干缩机理“毛细管张力作用”、“吸附水及分子间力作用”、“矿物晶体或胶凝体的层间水作用”和“碳化脱水作用”（6）温缩机理固体外观胀缩性和水的作用,54,四、水稳定性,1水稳定性研究的目的增强无机结合料稳定材料抵抗水损害的能力，减少唧泥现象。2水稳定性的分类抗冲刷性测试：冲刷试验指标：冲刷率（常为5min内的冲刷速率）抗冻性测试：冻融试验指标：耐冻系数,55,3.抗冲刷性,3.1抗冲刷性的测试设备旋转刷振动台MTS试验装置高压冲洗法,评价：均能在一定程度上反映无机结合料稳定材料抵抗水侵蚀的能力，但均无法完美模拟现场有压水冲刷的现象，且冲刷机理不一。,56,养护龄期90d,3.抗冲刷性,3.2水泥、二灰稳定材料抗冲刷性对比,主要结论：二灰稳定材料28d以内的抗冲刷性远小于水泥稳定材料；90d以后两者的抗冲刷性能相差不大。在实际使用中应优先采用水泥稳定材料。,57,4.抗冻性,主要结论：水泥稳定材料的抗冻性要优于二灰稳定材料；材料的抗冻性与其抗压强度之间不存在绝对的对应关系。,58,5.提高水稳定性的措施,加强路面结构排水，采取“排防结合”的设计原则，减少降雨和地下水的不利影响；加强无机结合料稳定材料的配合比设计，尽量减少细集料用量；在可能的情况下，尽可能采用水泥稳定类材料，提高抗冲刷能力；及时进行路面的裂缝修补。,59,五、疲劳性能,1.疲劳试验方法试验路（AASHO试验路）真实路面 真实荷载与气候足尺路面（ALF、HVS和环道试验等）足尺路面（full-scale pavement）模拟荷载 模拟环境室内试件疲劳试验通常意义上的疲劳试验，包括弯拉（曲）疲劳试验和劈裂疲劳试验等。,60,五、疲劳性能,2.室内试件疲劳试验方法弯拉（曲）疲劳试验弯拉（曲）疲劳试验中试件实际为单向应力状态（梁试件），试验较为烦琐。劈裂疲劳试验又称为间接拉伸试验，试件承受双向应力状态（圆柱体试件），操作简便。,61,3.弯拉（曲）疲劳与劈裂疲劳的对比,弯拉（曲）疲劳试验,劈裂疲劳试验,62,劈裂试验用压条,63,3.弯拉（曲）疲劳与劈裂疲劳的对比,劈裂疲劳试验所得疲劳寿命远小于弯拉（曲）疲劳试验所得疲劳寿命，与其受力状态是密切相关的。,64,4.疲劳方程形式,疲劳方程形式：单对数疲劳方程双对数疲劳方程,65,5.典型的疲劳试验结果,典型的疲劳试验结果,66,5.典型的疲劳试验结果,疲劳试验的特点：强度愈大、刚度愈小，其疲劳寿命就愈长；疲劳寿命变异性较大，不同的保证率得到的疲劳寿命不同（保证率愈大，疲劳寿命愈小）；半对数疲劳方程的斜率很小，表明应力水平的少量变化将导致无机结合料稳定材料的疲劳寿命产生较大的变化。（重载车的危害）,67,六、综合性能,1.性能分类力学性能收缩性能水稳定性疲劳性能,四种性能之间是否存在内在联系？可否采用单一指标来表征其综合性能？,68,2.性能之间的联系,（1）力学性能 VS 收缩性能（干缩）,力学性能（抗压强度）增加，收缩性能（干缩）存在最佳值。（非单调）,69,2.性能之间的联系,（1）力学性能 VS 收缩性能（温缩）,力学性能（抗压强度）增加，收缩性能（温缩）存在最佳值。（非单调）,70,2.性能之间的联系,（2）力学性能 VS 水稳定性,力学性能（抗压强度）增加，水稳定性也越好。（单调）,71,2.性能之间的联系,（3）力学性能 VS 疲劳性能,力学性能（抗压强度）增加，疲劳性能也越好。（单调）,72,2.性能之间的联系,（4）力学性能VS其他性能（汇总）,73,3.综合性能指标(综合压缩模量),（1）综合压缩模量定义：,74,3.综合性能指标(综合压缩模量),（2）综合压缩模量参数建议值：,75,3.综合性能指标(综合压缩模量),（3）综合压缩模量运用（示例）：水泥稳定材料：14799MPa；二灰稳定材料：4227MPa。,76,七、配合比设计,1.配合比设计强度标准（公路路面基层施工技术规范JTJ 034-2000）,77,2.配合比设计步骤,取样筛分,级配组成,制备试件,养 生,选定剂量,实用剂量,材料组成设计,测抗压强度,78,击实试验,（1）取样筛分从料场选择有代表性的试样，进行筛分；（2）级配组成（矿料配合比）图解法试算法“优势粒径法”（所谓优势粒径是指某种集料中在某级筛孔上占有绝对优势的粒径，即分计筛余最大的粒径）,79,击实试验,（3）制备不同结合料剂量的混合料试样（混合料配合比）按不同类型的混合料，预估其用水量；至少需要制备三种剂量的混合料试样；（4）确定各种混合料的最佳含水量和最大干密度进行击实试验，测定和计算干密度和含水量确定最佳含水量和最大干密度,80,抗压强度试验,（1）制备无侧限抗压强度试件按上述最佳含水量和最大干密度制备抗压强度试件；平行试件的个数与偏差系数有关，一般为913个。（2）试件养生在规定温度（北方202，南方252）下保湿养生6d（或27d），浸水1d。（3）抗压强度测试与计算将试件放在试验仪的升降台上（台上先放一偏球座），以1mm/min的速度加载，记录试件破坏时的最大压力P。按RcP/A计算试件的抗压强度。,81,确定剂量,（1）选定合理的结合料剂量（2）实际使用剂量增加0.51.0%,82,八、施工工艺及控制,1.基本过程混合料拌和（拌和机）混合料运输（自卸卡车）混合料摊铺（摊铺机）混合料碾压（压路机）横缝、纵缝设置质量管理及验收养生及交通管制,83,2.混合料拌和,（1）备料贮料场地硬化集料分别堆放细集料加盖雨棚（2）上料按比例控制各料斗上料速度控制进水速度（3）拌和强制式拌和机等进行拌和检查拌和均匀性、在线配合比,84,3.混合料运输,（1）备车大吨位自卸卡车（2）装车清洗车厢不允许自由跌落 应前后移动装料，防止离析（画图）（3）运输尽快运输到现场覆盖篷布，尽量减少水分损失,85,4.混合料摊铺,（1）检查下承层表面，并洒水湿润摊铺机运转情况调整好传感器臂与控制线的关系（控制高程）（2）摊铺宜连续摊铺，禁止停机待料 适宜速度：1m/min左右 列队方式：两台梯队摊铺离析处理：及时消除粗细集料离析现象检查：摊铺均匀性,松铺系数：某路面结构层摊铺厚度与压实（设计）厚度的比值。是施工质量控制的一个重要指标，一般通过试铺段的施工来确定。,86,4.混合料碾压,（1）碾压压路机紧跟摊铺机合适碾压长度：50m-80m合适碾压顺序：静压轻振重振胶轮静压钢轮静压合适碾压速度：（1.5-1.7）km/h（1.8-2.2）km/h 静压要充分，振压不起浪、不推移碾压时应重叠1/2轮宽，结束时应无明显轮迹 压路机禁止刹车（2）检测灌砂法检测压实度,87,5.横缝、纵缝设置,（1）横缝设置（画图）中断施工超过2h（水泥稳定类），应设置横缝 纵向用三米直尺定出横缝位置横缝断面：竖向平面横缝碾压：横向碾压，逐渐过渡到新铺层，然后进行正常的（纵向）碾压（2）横缝检测纵向平整度,88,5.横缝、纵缝设置,（3）纵缝设置相邻车道摊铺时间相差1h以上设置（尽可能采用两台摊铺机梯队摊铺）摊铺时采用钢模或平整的枕木，采用垂直相接方式纵缝位置：相邻车道线上纵缝碾压：采用正常的纵向碾压方式（4）纵缝检测横向平整度,89,6.质量检查与验收,90,7.养生及交通管制,（1）养生碾压结束，应立即进行质量检查，并进行养生 养生方法：应将麻布或透水无纺土工布湿润，然后人工覆盖在碾压完成的基层顶面。覆盖2小时后，再用洒水车洒水，或用塑料薄膜覆盖养生。洒水方式：洒水车的喷头要用喷雾式，不得用高压式喷管 养生期：水泥稳定类7d，二灰稳定类28d（2）交通管制在养生期间应进行交通管制,91,课后思考,1.无机结合料稳定材料的抗压强度越大越好吗？如何理解无机结合料稳定材料的抗压强度标准？2.无机结合料稳定材料具有哪些性能？这些性能之间存在什么内在联系？3.无机结合料稳定材料的配合比设计步骤。4.无机结合料稳定材料施工的关键步骤是什么？,92,课后作业（小论文）,内容：（标题自拟）减小无机结合料稳定材料基层沥青路面收缩裂缝的措施和方法要求：（1）国内外有关措施及其效果、发展趋势；（2）4000字以上，A4纸打印；（3）本课程结束之前交。文献查阅：（均在学校图书馆网页）（1）中国期刊网（2）万方学位论文数据库,93,课后预习,1.沥青玛蹄脂碎石SMA的性能特点是什么？2.SMA配合比组成设计步骤是什么？3.再生沥青混合料RAP设计的主要内容是什么？,94,无机结合料稳定材料强度的时-温转换特性,时-温转换必要性：规范对无机结合料稳定材料的设计参数龄期要求较长：水泥稳定类90d，二灰稳定类180d；时-温转换公式：,转换系数：lga=0.0593+0.00634T,如T=60，t20=90d，tT=2.86d。,95,图解法,96,常用混合料的掺量,97,三种类型的击实试验,98,最佳含水量和最大干密度的确定,含水量W（）,干密度d（g/cm3）,W0,d0,99,无机结合料稳定材料的级配组成,