第七章 无机结合料稳定材料 1 ．概述 定义： 在粉碎的或原来松散的土中掺入一定量的无机结合料(包括水泥、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的要求的材料称为无机结合料稳定材料。以此修筑的路面称为无机结合料稳定路面。 特点： 无机结合料稳定路面具有稳定性好、抗冻性能好、结构本身自成板体等特点，但其耐磨性差。因此广泛用于修筑路面结构的基层和底基层。 （1）具有一定的抗拉强度，且各种材料的抗拉强度有明显的不同。（2）环境温度对半刚性材料强度有很大的影响； （3）强度和刚度都随龄期增长； （4）刚度较柔性路面大，但比刚性路面小； （5）承载能力和分布荷载能力大于柔性路面； （6）容许弯沉小于柔性路面； （7）容易产生收缩裂缝。 土种类： 粉碎的或原来松散的土按照土中单个颗粒(指碎石、砾石和砂颗粒)的粒径的大小和组成，将土分成细粒土、中粒土和粗粒土。 细粒土：颗粒的最大粒径小于10mm，且其中大于2mm的颗粒不少于90%。 中粒土：颗粒的最大粒径小于30mm，且其中大于20mm的颗粒不少于85%。 粗粒土：颗粒的最大粒径小于50mm，且其中大于40mm的颗粒不少于85%。 无机结合料稳定材料种类： 不同的土与无机结合料拌和得到不同的稳定材料。例石灰土、水泥土、水泥砂砾、石灰粉煤灰碎石等。 无机结合料稳定材料种类较多，其物理、力学性质各有特点，应根据结构要求，掺加剂和原材料的供应情况及施工条件，进行综合技术、经济比较后确定。 使用场合： 　　由于无机结合料稳定材料其刚度介于粒料和水泥混凝土之间，常称此为半刚性材料，以此修筑的基层或底基层亦称为半刚性基层。 2 ．无机结合料稳定材料的特性 无机结合料稳定材料的力学特征包括应力-应变关系、疲劳特性、收缩特性、温缩特性。 2．1无机结合料稳定材料的应力-应变特征 设计龄期 无机结合料稳定路面的重要特点之一是强度和模量随龄期的增长而不断增长，逐渐具有一定的刚性性质。一般规定水泥稳定类材料设计龄期为三个月，石灰或二灰稳定类材料设计龄期六个月。 试验方法： 半刚性材料应力-应变特征试验方法有顶面法、粘贴法，夹具法和承载板法等。 顶面法：直接在试件顶面用千分表测量回弹变形； 粘贴法：在柱体壁上两端各1/6高度处粘贴支架，用千分表测量中间2/3柱体的回弹变形； 夹具法：在柱体壁上两端各1/6高度处套一箍，在箍上伸出支架，用千分表测量中间2/3柱体的回弹变形； 承载板法：用小承载板在试件中间模拟野外测定方法。 试验结果表明：顶面法较合理。 试件有圆柱体试件和梁式试件。 试验内容有抗压强度、抗压回弹模量、劈裂强度和劈裂模量、抗弯拉强度和抗弯拉模量。 圆柱体试件：抗压、劈裂试验; 梁式试件：抗弯拉试验 【1】细粒土（最大粒径不大于10mm）： 试模直径*高=50*50mm 【2】中粒土（最大粒径不大于25mm）： 试模直径*高=100*100mm 【3】粗粒土（最大粒径不大于40mm）： 试模直径*高=150*150mm 表9·梁式试件 名称 矿料最大粒径(mm) 试件尺寸(cm)  大梁 25～35 15*15*55  中梁 15～25 10*10*40  小梁 <15 5*5*24  通过各种试验方法的综合比较，认为抗压试验和劈裂试验较符合实际。 变异特性 由于材料的变异性和试验过程的不稳定性，同一种材料不同的试验方法、同一种试验方法不同的材料、同一种试验方法不同龄期试验结果存在差异性。 2．２无机结合料稳定材料的疲劳特性 概念： 材料的抗压强度试验用来进行材料组成设计。 无机结合料稳定材料的抗拉强度远小于其抗压强度，路面结构承受交通荷载的重复作用，因此路面结构设计必须评价材料的抗弯拉疲劳强度。  图1·轮印下弯拉应力变化规律  图2·轮隙下弯拉应力变化规律  图3·面层模量与轮隙弯沉变化规律  图5·面层模量与底基层弯应力变化规律 试验方法： 抗拉强度试验方法有直接抗拉试验、间接抗拉试验和弯拉试验。常用的疲劳试验有弯拉疲劳试验和劈裂疲劳试验。 数据处理： 无机结合料稳定材料的疲劳寿命主要取决于重复应力与极限强度之比(σｆ/σｓ)试验结果表明：当σｆ/σｓ小于50%，可经受无限次重复加荷次数而不会疲劳破裂。 疲劳性能通常用σｆ/σｓ与达到破坏时反复作用次数(Nf)所绘所的散点图来说明。试验证明σｆ/σｓ与Nｆ之间关系通常用双对数疲劳方程(lgNｆ=a+blgσｆ/σｓ)及单对数疲劳方程(lgNｆ=a+bσｆ/σｓ)来表示。 影响因素： 在一定的应力条件下材料的疲劳寿命与取决于： 【1】材料的强度和刚度。强度愈大刚度愈小，其疲劳寿命就愈长。 【2】由于材料的不均性，无机结合料稳定材料的疲劳方程还与材料试验的变异性有关。不同的存活率(到达疲劳寿命时出现破坏的概率)能得出不同的疲劳方程。 【3】试验方法、试验操作。 2．３无机结合料稳定材料的干缩特性 原因： 无机结合料稳定材料经拌和压实后，由于蒸发和混合料内部发生水化作用，混合料的水份会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化收缩作用等会引起半刚性材料产生体积收缩。 指标： 　　描述材料干缩主要用干缩应变、干缩系数、干缩量、失水量、失水率和平均干缩系数。 　　干缩应变(εｄ)是水份损失引起的试件单位长度的收缩量(×１０－６)； 　　平均干缩系数αｄ是某失水量时，试件的干缩应变与试件的失水率之比(×１０－６) 失水量是试件失去水份的重量(g)。 失水率是试件单位重量的失水量(%)。 　　干缩量是水份损失时试件的收缩量(10－３mm) 　　　　　　　　　εｄ＝Δl／l 　　　　　　　　　αｄ＝εｄ／ΔＷ 　　式中：Δl为含水量损失ΔW时，小梁试件的整体收缩量，l为试件的长度。 影响因素： 无机结合料稳定材料产生的干缩性(最大干缩应变和平均干缩系数)的大小与结合料的类型和剂量、被稳定材料的类别，粒料含量、小于0.5mm的细颗粒的含量、试件含水量和龄期等有关。 【1】材料品种、含水量与平均干缩系数关系 半刚性材料的干缩系数是通过对试件经饱水后，在40℃恒温环境箱中随着水分的不断蒸发而测得的。（28天龄期）  图6  图7  图8  图9 【2】粒料含量与平均干缩系数关系  图10 【3】龄期与平均干缩系数关系 龄期 平均干缩系数   灰土砂砾 二灰砂砾 水泥砂砾  1 264.30 99.07   7 124.32 49.25 34.1  28 110.30 41.13 29.4  90 95.26 35.70 27.0  180 90.01 32.20 34.5  【4】制件含水量与干缩应变的关系 含水量增加1%，干缩应变增加23.5～80.1% 【5】细料含量与干缩应变的关系 【6】无机结合料剂量对干缩结果的影响 水泥剂量从5%增加到6%和7%，干缩系数增加20%和30%。 总结 主要影响因素： 〖1〗细料含量； 〖2〗无机结合料剂量； 〖3〗含水量； 〖4〗暴露时间。 同一类半刚性材料干缩量的大小次序为： 稳定细粒土(稳定粒料土(稳定粒料; 对稳定细粒土，三类半刚性材料的干缩量的大小次序为： 石灰稳定土>水泥或水泥石灰土>石灰粉煤灰土; 对稳定粒料土，三类半刚性材料的干缩量的大小次序为： 石灰稳定类>水泥稳定类>石灰粉煤灰稳定类; 　　例如二灰(石灰+粉煤灰)：碎石=15:5(重量比)与二灰(石灰+粉煤灰)：碎石=20：80时，7天龄期的最大干缩应变和平均干缩系数为233×１０－６、２７３×１０－６和6５×１０－６、５５×１０－６。 2．４半刚性材料的温度收缩特性 定义： 半刚性材料是由固相(组成其空间骨架的原材料的颗粒和其间的胶结构)、液相(存在于固相表面与空隙中的水和水溶液)和气相(存在于空隙中的气体)组成。 半刚性材料的外观胀缩性是三相在降温过程中相互作用，使半刚性材料产生体积收缩，即为温度收缩。 概念： 　　温度应变(εt)是温度变化引起的试件单位长度的变化量(×１０－６)； 平均温度收缩系数αt是某温度时，试件的温度应变与试件的温度变化之比(×１０－６/℃) 一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略，原材料中砂粒以上颗粒的温度收缩系数较小；粉粒以下的颗粒温度收缩性较大。 影响因素： 【1】封闭状态下的温缩试验 封闭状态：保持含水量不变。 试验状态：饱水；最佳含水量；半风干状态（1/2最佳含水量）；风干状态（1/5最佳含水量）。 结论： （1）对烘干的试件，温度收缩系数随龄期的增大而增大，初期较大，后期较慢，但各种材料差别不大。 （2）含水量对温度收缩系数影响极大，饱水；风干状态最小，约在最佳含水量最大。 （3）温度收缩的不利状态是：接近最佳含水量和0～-10℃温度区间。 【2】自由状态下的温缩试验 说明随着粒料含量的增加干缩+温度收缩系数减少。 【4】评价方法 抗裂系数表征半刚性材料对于温度或湿度变化时不致开裂的承受能力。 对于温缩抗裂： 二灰砂砾>石灰粉煤灰>灰土砂砾>水泥砂粒>石灰土 对于干缩抗裂： 石灰粉煤灰>二灰砂砾>水泥砂粒>灰土砂砾>石灰土 2．5半刚性材料收缩机理分析 温度收缩机理 半刚性材料是由固相（组成其空间骨架结构的原材料的颗粒和其间的胶结构）、液相（存在与固相表面与空隙中的水和水溶液）和气相（存在与空隙中的气体）组成。所以半刚性材料的外观胀缩性是由其基本体的固相、气相和液相的不同温度收缩性的综合效应结果。 一般气相与大气相通，在综合效应中影响较小。半刚性材料的外观胀缩性是由固相、液相胀缩和两者的综合作用组成。 干燥收缩机理 干燥收缩时半刚性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”；“炭化脱水作用”而引起的整体的宏观体积的变化。 三．半刚性路面面层 1．概述 　　半刚性路面是介于柔性路面与刚性路面之间的特殊路面形式，它最早出现于法国。早在1954年，法国就研制成功了“灌水泥浆开级配沥青混凝土路面施工法”(Salaiacim Paoement)，并在科涅克(Cognac)机场跑道上作为耐热用的道面进行了的试验铺装。七十年代初，英国、美国，苏前联等国，也相继对这一课题进行了研究。英国是在摊铺后的开级配沥青碎石路面空隙中灌入树脂—水泥灰浆。前苏联则把水泥砂浆作为第二结合料加入沥青混凝土中进行了拌和压实，结果证明能提高这种材料的温度稳定性。科威特的H.R.Guirguis的研究表明，用水泥和置后的集料铺筑的沥青路面的强度和稳定性大大提高，路面泛油和抗水性能也有相当大的改善。美国切夫隆研究公司的R.J.SCHMIDT和 L.E.SANTUCCI为提高乳化沥青的早期强度，在混合料中加入1.3%的波特兰水泥，结果发现，在空气中养生一天后，材料的回弹模量比未加水泥的增加了大约五倍，养生60天后，回弹模量仍比未加水泥的度件提高两倍。但掺加水泥后材料的疲劳性能有所降低。R．W．Head对冷拌沥青混凝土的研究表明，当加入1%的水泥时，混合料的马歇尔稳定度能提高2．5-3．0倍。 半刚性路面于1961年传至日本，次年2月由日本道路公团在箱根新道上的立交枢纽部分铺筑了一千平方米的试验性路面。此后，这种路面结构在日本逐渐被采用，并在1978年作为一种特殊的施工方法正式列入《沥青路面施工规范》。八十年代以来，在大孔隙率的开级配沥青混凝土中灌注水泥(砂)浆的半刚性路面在日本有了广泛的应用与发展，每年的施工面积已超过二十万平方米，各大道路公司和研究所对半刚性路面都进行了试验研究，提出了这种特殊路面材料的力学性能与路面结构设计计算方法的研究论文，证实了该种材料提高了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性，尤其是对抵抗永久性变形有较大程度的改善。特别适用于公共汽车站、停车场，收费站等车辙现象比较严重的场所。 2．施工 　　由于半刚性路面是由水泥砂浆和乳化沥青(渣油)两种结合料组成的新型路面结构，因而在施工技术上与热拌沥青混凝土和乳化沥青混凝土具有不同的特点，有着不同的特殊要求，必须根据这种新型路面材料的特性，掌握其施工规律和方法，才能保证施工质量，取得预期效果。在施工中应注意以下事项： 2．１拌和 半刚性路面材料有三道拌和工序，其顺序是水泥砂浆的拌制，水泥砂浆与矿料的拌和，以及水泥砂浆、乳化沥青(渣油)混合料的拌和。在这三次拌和中，水泥砂浆也可以用人工拌和，便必须保证质量要求。而最后一道拌和，则应选用强制式拌和机，因一般的自落式拌和机拌和能力差，出料慢。细料容易聚团或粘附在简壁上，使得混合料的质量不均匀。 　　混合料的拌和应在乳液破乳前结束，否则将因乳液的破乳而失去施工的和易性。一般拌和时间在乳液加入后不超过60秒。最佳拌和时间应根据施工现场使用的骨料级配情况，拌和机械性能，施工时的气候等条件通过试拌和确定。 2．２摊铺 　　拌制的水泥砂浆、乳化渣油混合料最好用摊铺机摊铺，条件不允许时，也可用人工摊铺，提人工摊铺时不得扬锹甩料，以避免混合料的离散。整平时也不能过多地用刮板摊料，防止沥青膜的剥落。 　　摊铺混合料的虚方厚度，需通过试验求出压实系数，根据骨料的级配情况及摊铺方式的相同，一般情况下压实系数为1．2～1．5，具体的数值应根据现场施工条件，并通过铺筑试验路段确定。 2．３碾压 　　当混合料摊铺整齐后，可立即进行初压，为防止初期碾压出现波浪、推移现象，开始应用6吨左右的轻型压路机碾压1-2遍，使混合料初步稳定后，再用轮胎压路机碾压1-2遍，碾压时应匀速退进，不得在碾压路段上制动或启动，以免混合料发生局部拥包和搓板开裂。当碾压时有粘轮现象时，可在碾办引适当洒水或涂废机油。 　　当沥青(渣油)乳液开始破乳，混合料由褐色转为黑色时，用压路机复压，复压2-3遍后停止，待晾晒一般时间，待水分蒸发后再压实。 　　因半刚性路面材料中含中水泥砂浆，所以在水泥砂浆终凝前，一般5-8小时，用压路机再复压1-2遍。 2．４早期养护 　　由于乳化沥青路面的早期强度较低，稳定性差，尤其大低温或阴湿的情况下表现得更为明显，因此要注意早期养护，一般应断绝交通2-6小时，在不断绝交通时，必须设专人指挥车辆慢速通过(不超过20km/h)，并严禁兽力车和铁轮车在未稳定成型的路段上行驶，如发现路面有局部破坏应及时予以修补。 　　为使半刚性路面能均匀地压实，应采用适当的交通措施控制车辆的行驶，让车辆沿整个路面宽度分散行驶，通过车辆荷载的补充压实提高路面的整体强度。 　　目前，国内对半刚性路面材料的研究还是处于起步阶段。七十年代末期沥青水泥砂浆曾被尝试作为渗漏建筑物的内粉刷材料用于人防工程中。直到八十年代中期，国内有些单位将含高分子聚合物的特种水泥砂砾，作为第二结合料，掺加到普通沥青混合料中，使用拌和法和灌浆法两种工艺制成特殊路面材料进行各种物理力学试验，对不同温度条件下的力学性质进行比较，并初步探讨了该种路面材料的使用性能与强度形成理论。此外，湖北、四川等省的公路管理部门，也结合当地的实际，对这种材料进行了尝试和初步研究，并取得了一定的成果。 ２．结构设计与施工 国外试验表明，半刚性路面的应变和破坏次数的关系(即疲劳曲线)与普通沥青混凝土有着明显的差异，半刚性沥青混凝土的耐久性极限应变仅相当于普通沥青混凝直的十分之一到四分之一，因此在考虑到疲劳破坏时，直接采用普通沥青混凝土的路面结构设计方法是不适宜的。 半刚性沥青混凝土主要用于道路的维修与改建，在原有路面面层挖除后加铺罩面。则原有路面以下可按均匀体考虑，半刚性路面的厚度采用弹性双层体系进行计算。其方法是：根据疲劳试验结果，在20℃的条件下，设半刚性沥青混凝土的复合弹性模量Ｅ１为6000及10000MP，原有路面以下的平均弹性模量E２变化在50-1000MPs范围内，设半刚性层的厚度分别为5、10、15厘米时，计算出半刚性层底面的拉应变，并绘出用半刚性沥青混凝土弹性模量E１与其厚度h来表示的应变εｒ与原有路面以下弹性模量Ｅ１的函数关系。在E２－εｒ曲线上找出与疲劳曲线上相同的应变值，就可以知道原有路面以下的弹性模量E２。使用寿命的基础上，可以计算出作为罩面时所应铺筑的半刚性路面的厚度。