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1、第五章无机结合料稳定材料,无机结合料稳定土强度形成原理。,教学目标,稳定土对组成材料的要求；稳定土的强度形成原理；稳定土的配合比设计；分析稳定土强度不足而产生破坏的原因。,教学重点,无机结合料稳定土配合比设计。,教学难点,第一节 无机结合料稳定材料的组成,概念 通过无机胶结材料将松散的集料粘结成为具有一定强度的整体。在粉碎或原状松散的集料（土、碎石或砂砾）中，掺入一定量的无机结合材料（水泥、石灰或工业废渣等）和水，经拌和得到的混合料在压实与养生后，其抗压强度符合规定要求。特点 无机结合稳定材料稳定性好、抗冻性能强、结构本身自成板体，但耐磨性差，广泛用于路面结构的基层或底基层。,无机结合料稳定材

2、料的分类,按组成集料的材料划分稳定土类：在粉碎或原状松散的土中掺入一定量无机结合材料所形成（如水泥稳定土等）。稳定粒料类：在松散的碎石或砂砾中掺入一定量无机结合材料所形成（如水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾）按无机胶结材料的种类划分水泥稳定类（如水泥稳定土、水泥稳定砂砾等）；石灰稳定类（如石灰稳定土等）；综合稳定类（如综合稳定土、综合稳定砂砾等）；石灰工业废渣稳定类。,稳定土的组成材料及要求,对土的技术要求 除有机质或硫酸盐含量高的土以外，各类砂砾土、砂土、粉土和粘土都可以用作无机结合稳定材料。一般规定用于稳定土的液限不大于40，塑性指数不大于20。级配良好的土用作无机结合稳定料时，既可以节约无机结

3、合料的用量，又可以取得满意的效果。重粘土中粘土颗粒含量多，不易粉碎和拌和，用石灰稳定时，容易使路面造成缩裂。粉质粘土的稳定效果最佳。用水泥稳定重粘土时，同样因不易粉碎和拌和，会造成水泥用量过高，经济性差。,水泥类稳定土对土的技术要求,二级或二级以下公路底基层 单个颗粒的最大粒径不超过53mm，颗粒组成应满足下表要求。土的均匀系数应大于5，细粒土的液限不应超过37.5，塑性指数不应超过17；宜采用均匀系数大于10，塑性指数小于12的土。底基层水泥稳定土的颗粒组成范围,水泥类稳定土对土的技术要求,二级或二级以下公路基层 单个颗粒的最大粒径不应超过40mm，颗粒组成应满足下表要求,集料不宜含有塑性指

4、数的土。,基层水泥稳定土的颗粒组成范围,水泥类稳定土对土的技术要求,高速公路和一级公路底基层 单个颗粒的最大粒径不超过40mm，颗粒组成应满足下表要求。土的均匀系数应大于5，细粒土的液限不应超过25，塑性指数不应超过6；对中粒土和粗粒土，如小于0.5mm的颗粒含量在30%以下，塑性指数可稍大。,用做底基层时水泥稳定土的颗粒组成范围,水泥类稳定土对土的技术要求,高速公路和一级公路基层 单个颗粒的最大粒径不应超过30mm，颗粒组成应满足下表要求。土的均匀系数应大于5，细粒土的液限不应超过25，塑性指数不应超过6。,用做底基层时水泥稳定土的颗粒组成范围,石灰类稳定土对土的技术要求,塑性指数要求 塑性

5、指数为1520的粘土以及含有一定数量粘性土的中粒土和粗粒土均适宜于用石灰稳定。底基层要求 做高速公路和一级公路颗粒的最大粒径不应超过37.5mm；做其它等级公路的底基层时，颗粒的最大粒径不应超过53mm。基层要求 石灰稳定土用做基层时，颗粒的最大粒径不应超过37.5mm。,无机结合料稳定材料对结合料的要求,对水泥的要求 各类水泥都可以用于稳定土，水泥的矿物成分和分散度对其稳定效果有明显影响。对同一种土硅酸盐水泥比铝酸盐水泥稳定效果好。在水泥矿物成分相同和硬化条件相似情况下，其强度随水泥比表面积和活性的增大而提高。稳定土的强度还与水泥用量有关。不存在最佳水泥用量，而存在一个经济用量。通常在保证土

6、的性质能起根本变化，且能保证稳定土达到所规定的强度和稳定性的前提下，取尽可能低的水泥用量。,无机结合料稳定材料对结合料的要求,各种化学组成的石灰均可用于稳定土。在剂量不大的情况下，钙质石灰比镁质石灰稳定土的初期强度高，镁质石灰稳定土在剂量大时后期强度优于钙质石灰稳定土。石灰的最佳剂量，对粘性土和粉性土为干土重的8%16%，对砂性土为干土重的10%18%。,对石灰的要求,石灰剂量的测定方法,EDTA滴定法钙电极快速测定法,无机结合料稳定材料对工业废渣的要求,对粉煤灰的要求 粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量应大于70%，烧失量不应超过20%；其比面积宜大于2500cm2/g。湿粉煤

7、灰的含水量不宜超过35%，干粉煤灰如堆积在空地上应加水，防止飞扬造成污染。使用时，应将凝固的粉煤灰块打碎或过筛，同时清除有害杂质。对煤渣的要求 煤渣是煤经锅炉燃烧后的残渣，它的主要成分是SiO2和Al2O3，它的松干密度在7001100kg/m3之间。煤渣的最大粒径不应大于30mm，颗粒组成宜有一定级配，且不宜含杂质,水分是稳定土的一个重要组成部分，一般饮用水均满足要求，其技术指标符合水泥混凝土用水标准。水分以满足稳定土形成强度的需要，同时使稳定土在压实时具有一定的塑性，以达到所需要的压实度。水分还可以使稳定土在养生时具有一定的湿度。最佳含水量用重型击实试验法确定。,无机结合料稳定材料对水的要

8、求,第二节 无机结合稳定材料的技术性质,石灰土强度形成原理,动画,离子交换作用 结晶作用碳酸化作用火山灰作用,水泥稳定土强度形成原理,硬凝反应离子交换作用化学激发作用 碳酸化作用,动画,石灰土强度形成原理,离子交换作用,土的微小颗粒具有一定的胶体性质，带有负电荷，表面吸附着一定数量的钠、氢、钾等低价阳离子（Na+、H+、K+）。石灰是一种强电解质，在土加入石灰和水后，石灰在溶液中电离出来的钙离子（Ca2+）就与土中的钠、氢、钾离子产生离子交换作用，原来的钠（钾）土变成钙土，土颗粒表面所吸附的离子由一价变成二价，减少了土颗粒表面吸附水膜的厚度，使土粒相互之间更为接近，分子引力随着增加，许多单个土

9、粒聚成小团粒，组成一个稳定结构。,石灰土强度形成原理,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)2+nH2O Ca(OH)2 nH2O 由于结晶作用，把土粒胶结成整体，使石灰土的整体强度得到提高。,石灰土强度形成原理,碳酸化作用,在土中的Ca(OH)2与空气中的二氧化碳作用，生成CaCO3结晶。,CaCO3是坚硬的结晶体，结晶作用和碳酸化作用使石灰土的后期板体性、强度和稳定性得到提高。由于石灰与土发生了一系列的相互作用，从而使土的性质发生根本的改变。在初期，主要表现为土

10、的结团、塑性降低、最佳含水量和最大密实度减少等，后期表现为结晶结构的形成，从而提高其板体性、强度和稳定性。,火山灰作用,石灰土强度形成原理,熟石灰的游离Ca2+与土中的活性氧化硅SiO2和氧化铝Al2O3作用，它们在水分作用下能够逐渐硬结。,反应生成物都是胶凝物质，具有水硬性并能在固体和水两种环境下发生硬化反应。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。,水泥稳定土强度形成原理,离子交换作用,土中粘土颗粒具有较高的活性，土颗粒表面离子吸引溶液中的K+、N

11、a+离子，形成双电层结构，双电层中电位离子形成了内层，反离子形成外层。靠近颗粒的反离子与颗粒表面结合较紧密。粘土颗粒表面具有相同的双电层结构，粘土颗粒之间有一定距离。水泥水化后所生成的氢氧化钙所占的比例约占25%。在土中形成了一个富含Ca2+的碱性环境，取代了Na+、K+成为反离子，使粘土颗粒之间的距离减小，相互靠拢，导致土的凝聚，从而改变土的塑性，使土具有一定的强度和稳定度。,水泥稳定土强度形成原理,硬凝反应,硬凝反应指水泥自身的水化反应，是水泥稳定土强度的主要来源。水化产物在土的孔隙中相互交织搭接，将土颗粒包覆连接，使土逐渐丧失了原有的塑性。粘土矿物对水化产物中的Ca(OH)2具有极强的吸

12、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。在选用水泥时优先选用硅酸盐水泥，必要时还应对水泥稳定土进行“补钙”，以提高混合料中的碱度。,水泥稳定土强度形成原理,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，还可进一步与空气中的CO2发生碳化反应并生成碳酸钙晶体。Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O 碳酸钙生成过程中产生体积膨胀，可以对土的基体起到填充和加固作用，这种作用相对比较弱，并且反应过程缓慢。,水泥稳定土强度形成原理,化学激发作用,钙离子的存在影响了粘土颗粒表面双电层的结构，在碱性溶液环境中土的化学性质也发生变化

13、。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的活性被激发出来，与溶液中的Ca2+进行反应，生成新的矿物，其组成和结构与水泥的水化产物有很多类似之处，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。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。,无机结合料的技术性质和技术标准,无机结合料的抗压强度无机结合料的密度 变形性能 疲劳特性 水稳定性和抗冻稳定性,无机结合料的抗压强度,强度的概念,采用的是饱水状态下的无側限抗压强度。在柔性路面结构中，路面层厚度较薄，传给基层的荷载应

14、力大，基层是承受车辆荷载作用的主要结构，它要求无机结合稳定材料具有足够的强度。在水泥混凝土路面，刚性板块传递给基层的应力已经很小，基层并非是主要承重作用。但却是保证其整体强度、防止水泥混凝土板产生开裂、唧泥和错台重要支承层次，同时对延长路面使用寿命也有明显作用。要求基层材料具有适当的强度，主要是要求材料强度均匀、整体性好，表面密实平整，透水性小。,无机结合料的抗压强度,试件尺寸,抗压强度试件采用的都是高直径=11的圆柱体，不同颗粒大小的土采用不同的试件尺寸。试件制备时尽可能用静力压实法制备等干密度的试件。,无机结合稳定材料无側限抗压强度试件尺寸,无机结合料的抗压强度,强度标准,无机结合稳定土抗

15、压强度标准,无机结合料的密度,密度的概念,密度是材料单位体积的质量，可衡量材料内部紧密程度。密度用压实度指标表示。,压实度,指土或其它材料在施加外力作用下，能获得的密实程度。它等于材料干密度与最大干密度的比值。,压实的实质是通过外力作功，克服材料之间的内摩擦力和粘结力，使材料颗粒产生位移并互相靠近，从而提高其密度。水的含量变化较大程度上影响结合料的性质，对所能达到的密实度起着非常重要的作用。,无机结合料的密度,含水量,适量的水在颗粒之间起着润滑作用，使材料的内摩擦阻力减小，有利于材料的压实；过多的水分，虽能继续减小材料的内摩擦阻力，但压实效果较差。另外由于水的蒸发，在材料中留下大量的孔隙，从而

16、降低了材料的密度和耐久性。当水分含量过少时，使材料的内摩擦阻力加大，增加了压实的难度，材料的可塑性变差，其塑性变形的能力降低。用等量的机械功去压实无机结合稳定材料，可以得到的最大密度，此时的含水量值称为最佳含水量。最佳含水量和最大干密度都是通过标准击实试验得到的。,无机结合料的密度,击实试验,击实试验模拟现场施工条件下，利用实验室标准化击实仪具，试验材料的密度和相应的含水量的关系。配制一组不同含水量的试样(不少于5个，按估计的塑限为最佳含水量，其它依此相差约2%)，通过击实试验，将每个试样所得到的含水量（w）与干密度（d）绘制成击实曲线图。则曲线峰值所对应的含水量即为最佳含水量（w0）,对应的

17、干密度即是最大干密度（dmax）。,无机结合料的密度,击实试验方法类型,无机结合料的变形性能,干缩,随无机结合料稳定土强度的不断形成，水分逐渐消耗以及蒸发，体积发生收缩，逐渐产生裂缝，称为干缩裂缝。最佳含水量状态下各种无机结合料稳定土的干缩系数的大小排序为：石灰土石灰砂砾二灰土二灰砂砾水泥砂砾。干缩裂缝与结合料的种类和用量、含细粒土的多少及养护条件有关。石灰稳定土比水泥稳定土容易产生干缩裂缝。对于含细粒土较多的无机结合料稳定土，常以干缩为主，故应加强初期养护，保证稳定土表面潮湿，减轻其干缩裂缝。,无机结合料的变形性能,温缩,随着气温的降低，稳定土会产生冷却收缩变形，收缩变形受到约束时，逐渐形成

18、裂缝，称为温缩裂缝。最佳含水量状态下各种无机结合料稳定土的温缩系数大小排序为，石灰石灰砂砾二灰土水泥砂砾二灰砂砾。温缩裂缝结合料的种类与用量、土的粗细程度与成分以及养护条件有关。石灰稳定土比水泥稳定土的温缩大，细粒土比粗粒土的温缩大。掺入一定数量的粉煤灰可以降低温缩系数。早期养生良好的无机结合料稳定土易于成形，早期强度高，可以减少裂缝的产生。,无机结合料的变形性能,裂缝防治措施,改善土质。稳定土用土愈粘，则缩裂愈严重。所以采用粘性较小的土，或在粘性土中掺入砂土、粉煤灰等，以降低土的塑性指数。控制含水量及压实度。稳定土因含水量过多产生的干缩裂缝显著，压实度小时产生的干缩比压实度大时严重。因此，稳

19、定土压实时含水量比最佳含水量略小为好，并尽可能达到最佳压实效果。掺加粗粒料。掺入一定数量（掺入量60%70%）的粗粒料，如砂、碎石、砾石等，使混合料满足最佳组成要求，可以提高其强度和稳定性，减少裂缝产生，同时可以节约结合料和改善碾压时的拥挤现象。,无机结合料的疲劳特性,在重复荷载作用下，材料的强度与其静力极限强度相比则有所下降。荷载重复作用的次数越多，这种强度下降亦大，即疲劳强度越小。材料从开始至出现疲劳破坏的荷载作用次数称之为材料的疲劳寿命，通过试验表明，石灰粉煤灰稳定材料的抗疲劳性能优于水泥砂砾。由于在一定的应力条件下，疲劳寿命决定于材料的强度，故在多数情况下凡有利于水泥（石灰）类材料强度

20、的因素对提高疲劳寿命也有利。,无机结合料的水稳定性和抗冻稳定性,稳定类基层材料除具有适当的强度，能承受设计荷载以外，还应具备一定的水稳定性和冰冻稳定性，否则，稳定类基层由于面层开裂、渗水或者两侧路肩渗水将使稳定土含水量增加，强度降低，从而是路面过早破坏。在冰冻地区，冰冻将加剧这种破坏。评价材料的水稳定性和抗冻性可用浸水强度和冻融循环试验。,概念,无机结合料的水稳定性和抗冻稳定性,影响水稳定性和冰冻稳定性的主要因素如下：土类 细土含量多，塑性指数大的土，水稳定性抗冻性能差。稳定剂种类和剂量 石灰粉煤灰粒料和水泥粒料的水稳定性最好。当稳定剂剂量不足时，胶结作强用弱，透水性大，强度达不到要求，其稳定

21、性也差 密实度 密实度大时，透水能力降低，水稳定性增强。龄期 由于某些稳定剂如水泥、石灰或二灰的强度形成需要一定的时间，因此这类稳定土其水稳定性随龄期的增长而增长。,第三节 无机结合稳定材料的组成设计,设计依据与标准原材料试验内容和项目混合料配合比设计步骤,无机结合料稳定土设计内容与标准,设计标准 以混合料的无侧限抗压强度为标准。,混合料设计内容,根据对某种稳定材料规定的技术要求，按照强度和耐久性的要求，选择合适的原材料；掺配各种材料用量以确定结合料的剂量及混合料的最佳含水量。,无机结合料稳定土抗压强度标准,无机结合料稳定土抗压强度标准,原材料试验内容和项目,颗粒分析；液限和塑性指数；相对密度

22、；击实试验；压碎值；有机质含量（必要时做）；硫酸盐含量（必要时做）。稳定剂性质试验。,试验内容,试验项目,原材料基础材料试验和稳定剂性质试验。,混合料配合比设计步骤,选定不同的石灰或水泥剂量,初拟配合比时规范建议的水泥剂量,混合料配合比设计步骤,初拟配合比时规范建议的石灰剂量,确定混合料的最佳含水量和最大干密度,至少应做三个不同水泥剂量混合料的击实试验，即最小剂量、中间剂量和最大剂量。,混合料配合比设计步骤,计算试件的干密度,按规定压实度分别计算不同石灰或水泥剂量的试件应有的干密度。,制备试件,试件保温养生,试件在规定温度下保温养生6d，浸水24h后，进行无侧限抗压强度试验。并计算试验结果的平

23、均值和偏差系数。,按最佳含水量和计算得到的干密度制备试件。,混合料配合比设计步骤,选定结合料的剂量,根据试验结果和规定的强度标准，选定合适的石灰或水泥剂量此剂量试件室内试验结果的平均抗压强度应符合下面公式的要求:,Rd 设计抗压强度MPa）；,CV 试验结果的偏差系数（以小数计）；,Za 保证率系数，高速公路和一级公路应取保证率95%，此时即Za=1.645,一般公路应取保证率90%，即Za=1.828。,混合料配合比设计步骤,水泥最小剂量的规定,工地实际采用水泥剂量应比室内试验确定的剂量多0.5%1.0%。采用集中厂拌法施工时，可只增加0.5%；采用路拌法施工时，宜增加1%。,计算试验结果的

24、算术平均值和偏差系数,配合比设计步骤,不同结合料剂量时试件的干密度的确定,按工地预定达到的压实度分别计算。,无侧限抗压强度试验,按最佳含水量和计算得到的干密度制备试件；进行强度试验；平行试验的试件数量应符合规定要求。,采用最佳含水量以保证达到最佳密实度。,影响石灰土强度的因素,土质,石灰土强度随土的塑性指数增加而增大；粉质粘土的稳定效果最好。,石灰的质量和剂量,不宜采用质量低于级标准的石灰；石灰剂量对石灰土强度的影响显著。,含水量,气温高时强度增长快；气温低时强度增长缓慢；在潮湿条件下养生比在一般空气中养生强度高。,影响石灰土强度的因素,密实度,达到要求的密实度是保证石灰土强度的关键。,石灰土的龄期,非冰冻地区采用三个月龄期；冰冻地区采用一个月龄期。,养生条件(温度与湿度),本节小结,稳定土具有较好的强度和稳定性；稳定土常用于修筑路面的基层；稳定土对组成材料的要求；稳定土的强度形成原理；稳定土的强度试验方法。,