e二灰碎石材料的配合比和施工工艺研究

论文题目：二灰碎石材料的配合比和施工工艺研究二灰碎石材料的配合比和施工工艺摘 要本文针对半刚性基层沥青路面的实际使用情况，对二灰碎石基层的强度形成机理及路用性能进行了深入研究，从而了解为了使半刚性基层沥青路面获得优良的路用性能，二灰碎石混合料所应该具有的合理组成比例；通过分析配合比设计的原则和方法，阐述了采用体积法进行骨架密实型二灰碎石混合料的配合比设计的过程。对二灰碎石基层施工工艺、质量控制、检测方法进行总结分析。关键词：二灰碎石；基层；配合比设计；路用性能；施工工艺The Research on Lime-fly ash-macadam Mixture Gradation and Construction TechnologyAbstractIn this paper, based on the practical use of the asphalt concrete pavement on Semi-rigid base, the perctical use of Lime-fly ash-macadam base is profoundly researched. So we know Semi-rigid mixture should be of logical combination rate to make a asphalt concrete pavement on Semi-rigid base obtain excellent performance. By analyzing the mixture gradation design principles and methods, described by volume method skeleton Lime-fly ash-macadam mixture gradation design process. Lime-fly ash-macadam base construction technology, quality control, testing method is analyzed.Keywords: Lime-fly ash-macadam; base; mixture gradation design; road performance；construction technologyanti-Japanese patriotism. Under the influence of the party, Zhu, Wang, acting in strict discipline, political, military quality and combat effectiveness has improved. As well as youth service corps, womens service and young pioneers, countryside-Japanese performance, posting anti-Japanese slogans, operate private schools, literacy classes, founder of the iron, and the tongue and the sound, sparks and other anti-Japanese mimeographed tabloid, actively promote anti-Japanese. Hanchang recovery after the party, that is, Jiangnan anti-Japanese guerrilla people save, Shen Yingjie, Xu Azhen to participate in development of the Chinese Communist Party, in October and set up a water party group in Hong Kong, Han chang long party group. Meanwhile, Xu on cleaning two wannan, demanding new army deployed cadres, and have sent many new progressive youth to receive training. On November 9, sheng, Wu Xing, Nanxun, jiaxing, Tongxiang, Zonta, Hangzhou, wukang strongholds such as Elves, nearly all men, together with the aircraft, boats, Zhu Xi Lu, pouncing on troop locations. 10th, the enemies have invaded yan Tomb, Xin Cheng, Wuzhen. 11th, Zhu Xi army pier at Bell House was surrounded by the enemy, break, casualties will be great, CPC party member Xu, Xu Quansheng, really so magnificent and head of three Wang Yulin, also died in the battle. Zhu Xi withdrew the remnants of more than 400 people back to Xiao Feng integration. Jie Xu with the new cadres, Communist party Mr CHOW (Zhou kangyu) came from southern Anhui. Zhu Xi Wei CHOY for staff officers. The end of unified leadership iii 目 录摘 要 Abstract第1章 绪论1 1.1 问题的提出及研究意义 1 1.2 二灰碎石材料的发展史及我国目前应用状况 2第2章 二灰碎石材料的强度形成机理及路用性能影响因素分析5 2.1 二灰碎石材料的强度形成机理 52.1.1 石灰在水溶液中的解离作用52.1.2 石灰的结晶和碳化作用62.1.3 石灰与粉煤灰的火山灰反应6 2.2 二灰碎石路用性能研究 72.2.1 力学性能82.2.2 稳定性 11第3章 二灰碎石材料的配合比设计 16 3.1 基本原则16 3.2 设计方法、步骤163.2.1 原材料性能要求 163.2.2 二灰含量的确定 17 3.3 试验设计203.3.1 原材料性能 203.3.2 配比设计 213.3.3 强度试验 23第4章 二灰碎石材料的施工工艺 24 4.1 施工准备244.1.1 下承层准备 24 4.2 施工放样24 4.3 拌合、检测、运输244.3.1 二灰碎石混合料的拌合 244.3.2 混合料的检测 244.3.3 二灰碎石混合料的运输 24 4.4 二灰碎石混合料的摊铺24 4.5 整平254.5.1 接缝处理 25 4.6 碾压254.6.1 二灰碎石混合料的普通碾压工艺 254.6.2 二灰碎石振动液化工艺 26 4.7 养生26结论27参考文献28致谢29 第1章 绪 论1.1 问题的提出及研究意义 随着我国经济的迅速发展，高等级公路的里程不断增加。到2008年底，高速公路通车总里程突破5.4万公里，我国高速公路总里程已跃居世界第二位。为适应高等级公路重交通、重载对道路的要求，以无机结合料稳定粒料（土）类为基层，沥青混凝土为面层的半刚性基层沥青路面被大量应用于高速公路路面。半刚性基层材料具有两个较明显的特点。其一是：具有较高的强度和承载能力，一般来说，半刚性基层材料具有较高的抗压强度和抗压弹性模量，并且具有一定的抗弯拉强度，且它们都具有随龄期而不断增长的特性，因此半刚性基层沥青路面通常具有较小的变形和较强的荷载扩散的能力；其二是：半刚性基层刚度大、整体性强，使得其上沥青面层弯拉应力值较小，从而提高了沥青面层抵抗行车荷载疲劳破坏的能力，甚至可以认为半刚性基层上的沥青面层不会产生弯拉疲劳破坏。二灰稳定碎石正是基于以上优点，在我国高等级公路修建的过程中得到了越来越广泛的应用。二灰碎石在我国许多高速公路上得以应用，一方面有利于我国环保事业的发展，既变废为宝，又减少了环境污染，有很大的社会效益；另一方面二灰碎石比水泥碎石有更好的韧性，即刚度较水泥碎石为小。有关实验表明，提高常温下韧性有利于抗疲劳，提高低温下极限变形能力有利于低温抗裂，二灰碎石较水泥碎石抗裂性能好，还因为前者的粘结力属胶凝型，而后者则属结晶型。尽管二灰碎石做路面基层有如上诸多优点，但并不是所有采用二灰碎石混合料做路面基层都能获得预期的效果。随着二灰碎石基层的大量使用，逐渐发现半刚性基层沥青路面也存在着一些严重的问题。如其早期强度低，影响交通及早开放；二灰稳定粒料容易产生冲刷唧浆现象，从而造成路面的破坏，影响路面的使用年限；二灰碎石混合料在强度形成及使用过程中，因温度变化产生温度收缩裂缝和因含水量变化会产生干缩裂缝。当沥青面层较薄时这种裂缝往往扩展到面层形成反射裂缝。裂缝的存在不仅使车辆行驶质量下降，而且也破坏了路面结构的整体性和连续性，并在一定程度上导致结构强度的削弱。路面基层施工技术规范中推荐的二灰碎石级配中，很明显的一点是粒径处于05mm范围的细集料含量为3050，若是再加上二灰，二灰碎石混合料中细料含量将超过50，难以使粗集料形成良好的骨架结构。1这对于它的收缩性能有不利影响，而且也不利于施工控制，同时加剧了二灰碎石这类半刚性结构固有缺陷的严重程度，引发了二灰碎石基层温缩裂缝的产生，并且发展迅速；由于以细集料为主（占优势）的混合料对水比较敏感，使得基层在施工期以及使用期经常受到干缩裂缝的困扰；基层细料含量过多以及裂缝的产生，致使基层表面的抗冲刷能力差而极意造成沥青路面的唧浆损坏。这些弊病，已在近几年按施工规范铺筑二灰碎石基层的高等级公路上时有发生。国内已建成的高速公路使用调查表明，半刚性基层路面裂缝问题日益突出，并已成为该结构的主要缺陷。不论是南方还是北方，通车后一年最迟第二年均有裂缝产生。初期产生的裂缝对行车并无明显影响，但随着表面雨水或雪水的浸入，在大量行车荷载反复作用下，会导致路面强度明显下降，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，加速了沥青路面的破坏，影响了沥青路面的使用性能。其次，二灰混合料早期强度低，影响施工进度，特别是在低温情况下甚至不能施工，在繁重交通道路上也常常因为早期强度不足而造成路面过早破坏，也会影响其疲劳强度。这在一定程度上影响了二灰碎石基层的推广应用。如何有效地提高二灰碎石混合料的早期强度，在90年代就引起了工程界的普遍关注。鉴于以上问题，有必要对二灰碎石的配合比进行研究，通过调整二灰碎石混合料的配合比，使得二灰碎石的路用性能得以改善，并对二灰碎石混合料的施工工艺进行研究。通过总结试验结果，得到性能变化规律，通过总结某种试验配合比方法，得到配合比优化的最佳方法。1.2 二灰碎石材料的发展史及我国目前应用现状二灰碎石属半刚性材料，以其整体性强、承载力高、工程造价低，同时也能解决环境问题等优点，早在20世纪50年代，已在欧美国家作为筑路材料被使用，且呈稳定增长的趋势。经历了70年代一场能源危机之后，西欧各国加快了粉煤灰利用的研究步伐。在此期间对二灰稳定碎石混合料在道路建筑中的应用、设计与施工工艺等发面做了大量的研究工作，并将研究成果应用于道路、机场跑道、停车场等工程的半刚性基层的修筑，取得了良好的效果，并制定了相应的使用规范。 我国从60、70年代开始把二灰碎石应用于路面基层，历经几十年的工程实践检验，现已成为我国使用最为广泛的两种半刚性基层材料之一。二灰碎石的使用过程，也是人们对其组成及结构认识的深入过程，有关二灰碎石基层材料的配合比设计及路用性能指标，随着施工机械的改进及施工方法的提高，也在不断的变化，日益完善。上海在60年代末采用的三渣和苏州70年代的二灰掺石用于路面基层，虽都具有良好的力学性能，但由于三渣和二灰掺石基层结构的集料含量仅为5060，必然悬浮于二灰胶结料之中，因而难以适应通车段施工的要求，又由于在使用期内三渣基层和二灰掺石产生的收缩裂缝，不可避免地反映到沥青面层表面，严重影响到路面的使用品质。通过研究认为，所用二灰碎石材料中二灰自身的收缩量较大是主要原因。在悬浮式结构的二灰碎石中，集料颗粒完全被二灰隔开，不能起到骨架作用，所以不能有效地抑制二灰的收缩。70年代末，苏州公路部门将混合料中集料的含量由60提高到7580，即改二灰掺石为二灰结石结构，并控制集料的最大颗粒尺寸为40mm。这一基层结构，不仅有着较高的力学强度，而且具有适应通车路段施工要求和基本避免产生收缩裂缝两大优点。正因为如此，二灰结石基层结构得以在全国推广应用。进入80年代后随着交通量的增加，为了推广具有较高强度的石灰粉煤灰稳定粒料基层结构，国家和交通部分别于“七五”和“八五”期间列项重点研究，并取得很多成果。但在此期间的二灰碎石基层结构也有着明显的缺陷，这就是：集料的大粒径、无极配以及混合料拌合摊铺工艺水平低下，从而构成了路面基层结构的平整度、均匀性、强度和耐久性欠佳。以大粒径集料为骨架的二灰结石混合料，难以采用机械拌合、摊铺的施工工艺，也就无法适应高等级公路路面基层的需求。为了减少二灰碎石混合料的收缩量，人们开始采用具有一定级配的集料颗粒，且集料在混合料中所占的比例也有所增加，并采用强制式拌和机加强混合料的拌合，采用重型压路机加大成型压力，以形成性能良好的嵌挤式二灰碎石，希望能够达到显著降低二灰碎石基层收缩量的目的。1993年，大粒径、无极配的三渣和二灰结石被公路路面基层施工规范JTJ034-93中的小粒径、级配型的二灰碎石所取代。这与施工机械的改善及施工工艺的提高有着不可分割的联系。此规范一改以往路面基层工程中集料惯用大粒径和无极配的状况，不仅适应了高等级公路机械化施工的需要，而且有利于二灰碎石混合料力学强度和耐久性的提高以及结构的均匀性和平整度的改善。这无疑是基层施工规范中二灰碎石混合料组成设计的突出优点。此规范首先将集料的最大粒径缩小到31.5mm，并认为当二灰与集料的质量比控制在15:8520:80之间时，集料可以起到骨架作用，而二灰则可以起到填充作用，从而使混合料具有较高的密实度，形成密实骨架结构。以期提高强度、减小收缩、提高其抗冲刷能力。然而，基层施工规范中所规定的二灰碎石混合料集料粒径偏小和4.75mm以下集料含量过大，从而造成了不可避免的基层温缩裂缝，抗冲刷能力差极意造成沥青路面的唧浆损坏。22000年最新发布了公路路面基层施工规范JTJ034-2000。新版规范中二灰碎石的集料级配采用方孔标准筛，并对各筛孔的集料通过量进行了调整。这些修正固然必要，但相对1993年规范的二灰碎石结构特殊性并未产生质的变化。规范中的集料级配如表1-2-1所示。3表1-2-1 公路基层施工技术规范中给出的集料颗粒组成范围筛孔尺寸（mm）31.5199.54.752.361.180.60.075通过率（）1008198527030501838102762007纵观二灰碎石的发展历程，可以看出随着人们对二灰碎石组成结构和路用性能认识的深入，并且随着施工机械的改进和施工工艺的提高，二灰碎石正以前所未有的速度大量应用于我国道路工程的生产实践中。由最初应用于轻交通的石灰粉煤灰混合料，发展到具有悬浮结构的二灰碎石，且随着使用要求的提高，采用具有一定级配的集料取代了单粒级粒料。发展至今，由于重型振动压路机的使用，使得二灰碎石混合料由以前的松散排列逐步向骨架密实结构过度。 为此本文力求通过二灰碎石混合料合理配合比的研究，来改善二灰碎石混合料的路用性能，为今后二灰碎石在道路工程中的进一步发展提供一种可供参考的配合比。第2章 二灰碎石材料的强度形成机理及路用性能影响因素分析2.1 二灰碎石材料的强度形成机理二灰碎石混合料在压实成型后，由固相（固体石灰、粉煤灰、碎石）、液相（水溶液）和气相（空气）三相组成。三相之间相互作用的结果，使得石灰粉煤灰稳定碎石具有一定的强度和刚度，从而满足了二灰碎石作为路面基层的性能要求。构成二灰碎石混合料强度的因素包括两方面。即由矿质颗粒之间的内摩阻力和嵌挤力，以及二灰胶结料及其与矿料之间的粘结力和内聚力所构成。矿质集料对混合料强度的影响主要是矿料级配类型、矿料物理特性等。混合料强度与集料级配组成有密切关系。一般而言，具有良好级配的混合料既有坚实的矿质骨架网络，又具有密实度相对较高，且空隙含量适中的特点，其路用性能就好，此外混合料中矿料表面的粗糙度、形状均对强度有明显影响。二灰碎石混合料加水拌合后，通过机械压实，使得集料在混合料中重新紧密排列，使其充分发挥其骨架作用。成型初期，可以认为二灰混合料未发生化学反应，其强度主要来自密实骨架的内摩阻力，以及颗粒间水膜与相邻颗粒之间的分子引力所形成的“原始粘聚力”。随着时间的推移，混合料内的固液相之间发生一系列物理、物理化学和化学作用，并生成一系列具有胶结作用的物质，使得混合料中颗粒与颗粒之间的连接加固，形成“固化粘聚力”，这是二灰碎石混合料强度形成的主要来源。在二灰稳定碎石的强度形成过程中，主要依靠结合料所发生的一系列反应，使得集料与结合料紧密连接到一起。二灰混合料三相间发生的基本反应过程有：石灰粉煤灰之 间的火山灰反应，石灰本身的解离作用、结晶作用和碳化作用等。这些作用的进行都是通过液相介质来完成的。从对二灰稳定碎石强度贡献的大小来说，石灰粉煤灰之间发生的火山灰反应是最主要的作用过程，而石灰的解离作用是所有作用过程的基础。石灰的碳化结晶作用又进一步增加了二灰稳定碎石的强度。其具体过程可阐述如下：2.1.1 石灰在水溶液中的解离作用熟石灰在水溶液可溶解解离成,并散发微量的热：这一过程提供了大量的离子，使混合料液相的PH值升高。这是其它后续反应的基础。虽是强碱，但在水溶液中由于离子间的相互吸引，使它表现出一定的电离度，且电离度随溶液浓度的减小或温度的升高而增大。2.1.2 石灰的结晶和碳化作用消石灰（）掺入粉煤灰中，由于水分较少，只有少部分解离，绝大部分饱和在二灰中自行结晶，其化学反应式如下：石灰吸收水分形成含水晶格并由胶体逐渐转变成为晶体，这种晶体相互连接，并与碎石结合形成共晶体，把固体颗粒胶结成整体，从而产生一定的结构强度。与不定形的相比，晶体的溶解度几乎减小一半，因而由晶体形成的晶体结构的水稳定性比由胶体形成的凝聚结构的水稳定性好。液相中的也可以与气相或溶解于水中的反应，产生碳化作用：晶体具有较高的强度和水稳定性，它对粉煤灰的胶结作用使粉煤灰得到了加固。当晶体沉积在二灰碎石混合料颗粒间隙中时，产生一定的胶结强度。由于可能由混合料的孔隙进入，也可能由粉煤灰本身产生，二灰碎石混合料的表层碳化后形成的硬壳阻碍进一步深入，因而的碳化作用相当缓慢，是形成二灰稳定碎石混合料后期强度的原因之一。42.1.3 石灰与粉煤灰的火山灰反应石灰粉煤灰间的火山灰反应是二灰碎石混合料强度形成的主要因素。在二灰碎石混合料中，随着龄期的增长，石灰与粉煤灰间的火山灰反应逐渐增强。粉煤灰中硅铝玻璃体是粉煤灰中具有活性的主要部分，它是由粉煤灰中的粘土矿物在高温下熔融，在表面张力作用下形成液滴，排出炉外时急速地冷却而成的小球体。硅铝玻璃体可与石灰发生火山灰反应。石灰水化后形成的溶胶使得粉煤灰玻璃体表面的、缓慢溶解，与逐步反应生成硅酸钙、硅铝酸钙等复合物。反应的定性描述如下：当体系生成物浓度达到一定值时，它们便互相啮合形成网状结构，进而形成凝胶，此时，尽管体系中仍有大量的水分存在，但它们已被大量的网状胶粒包围而不能自由运动。上述反应都是通过离子吸附和交换而完成。如果生成物胶粒水化膜的粘滞力小于胶粒间的范德华作用力，就是可能把微粒间夹层水膜排挤出去，当微粒直接接触后，将形成化学键，缓慢地生成硅、铝等含氧酸的复合物和配合物结晶，新生晶体会逐渐长大、发展，形成网络结构，并逐渐脱水干涸以稳定结晶缩合结构成为晶体整体，而成为具有较高强度的水稳定性的材料。上述三种反应不是立刻完成的，而是随着时间的推移逐渐发展，经一段时期后才告结束。在此期间胶体、晶体不断增多、长大，彼此逐渐接触、交叉，除将未参加化学反应的粉煤灰中的其他矿物粘结在一起外，并形成一个胶体加晶体的空间网络结构，这个坚固的空间网络是二灰混合料强度形成的原因。不言而喻，形成二灰强度的另一个必要条件是压实。当石灰、粉煤灰加水拌合后，应及时碾压，让上述的化学反应在压实了的混合料中进行，如果不压实，化学反应照常进行，但形不成网络结构，充其量，反应后的混合料变成一堆具有一定稳定性的松散集合体，没有强度，形不成板体。随着龄期的延长，水化产物在过饱和溶液状态下以微晶体形式析出，并由玻璃体表面伸展到二灰稳定碎石固相间的空隙，互相联结，形成二维的结晶体网状结构，且联结固相颗粒成一整体，形成了很高的联结强度。火山灰反应是一个缓慢、长期的过程，这是使二灰稳定碎石混合料具有较高后期强度的根本原因。分析了二灰强度形成的机理之后，就不难理解二灰碎石基层强度形成的原因了。当二灰碎石加水拌合后，便开始了一系列的化学反应，这些反应一般仍限于在二灰中进行，因为碎石是种惰性材料，通常条件下它不可能与石灰或粉煤灰发生化学反应。当二灰中的水化硅酸钙胶体析出之后，犹如水泥石一样，能将作为骨料的碎石紧紧地胶结在一起，形成一个坚实的整体，逐渐产生一定的强度。52.2 二灰碎石路用性能研究在路面结构中，二灰稳定碎石作为道路结构的基层必须能够随交通荷载的反复作用，即在预定设计标准轴次反复作用下，在设计使用年限内，基层不会产生过多的残余变形，更不会产生剪切破坏或弯拉疲劳破坏。基层要满足上述要求，除必须的厚度要求以外，主要取决于基层材料本身的性能。本节通过引用滕旭秋“二灰碎石混合料配合比设计及路用性能研究”中的室内试验研究二灰碎石混合料的力学性能指标、稳定性指标，并评价二灰碎石混合料路用性能的好坏。62.2.1 力学性能为了充分比较不同配合比对二灰稳定碎石基层力学性能的影响，本节从不同龄期的无侧限抗压强度、劈裂强度以及抗压模量等常规力学性能指标来研究两种配合比的二灰碎石的力学性能。2.2.1.1 抗压强度现行的公路路面基层施工技术规范（JTJ0342000）中对二灰碎石混合料应用于各级公路唯一的指标就是混合料7d无侧限饱水抗压强度，而没有采用其它指标，就其作为基层的受力特性来说是必要的，而且也是必需的。7二灰碎石的抗压强度是路面结构分析中的一个重要参数，不但要了解其早期的强度，还需要了解其发展规律，掌握其潜能，从而能够充分发挥二灰碎石的优点。抗压强度Rc按式(2-1)计算： (2-1)式中：P试件破坏时的最大压力(N) A试件的截面积(，D试件的直径，mm)为了充分比较不同级配的二灰碎石的强度发展规律，对两种级配进行了不同龄期的抗压强度试验，试验结果见表2-2-1和图2-2-1。表2-2-1 二灰碎石混合料的抗压强度龄期（d）72890180抗压强度(MPa)L41.0182.3554.7796.596GF0.7272.3014.3325.102由图2-2-1可以看出，L4、GF的抗压强度随龄期的变化有以下规律：两种级配的二灰碎石混合料的强度均随着龄期的增加而增大，无论在哪个龄期，L4的抗压强度均高于GF的抗压强度。两种级配的二灰碎石混合料的无侧限抗压强度参数变化规律经回归处理结果见表2-2-2。表中A反映了材料强度增长率，A越大，强度随龄期增长也就越快。因为，所以L4抗压强度增长速度比GF快。 图2-2-1 二灰碎石混合料抗压强度表2-2-2 无侧限抗压强度参数变化规律级配类型无侧限抗压强度ABL41.7104-2.71450.9577GF1.3877-2.07820.99162.2.1.2 劈裂强度为了进一步研究两种配比二灰碎石强度变化规律，分别按照两种配比成型试件，经标准养生后，测试其不同龄期的劈裂强度。试件的间接抗拉强度（劈裂强度）按式（2-2）计算： (2-2)式中：P试件破坏时的最大压力（N） D试件的直径（mm） H浸水后试件的高度(mm)具体试件结果见表2-2-3和图2-2-2所示，表2-2-4给出了回归分析结果。表2-2-3 不同级配类型二灰碎石的劈裂强度（MPa）龄期(d)72890180劈裂强度（MPa）L40.0610.2110.5210.705GF0.0390.1120.4710.650由图2-2-2可以看出两种级配的二灰碎石混合料的劈裂强度均随着龄期的增长而增大，但L4的劈裂强度均要优于GF的劈裂强度。两者对比说明L4具有更高的劈裂强度。在表2-2-4中，A反应了材料强度增长率，因为，说明L4的劈裂强度随着龄期的增长比GF的增长速度快。图2-2-2 二灰碎石混合料劈裂强度表2-2-4 劈裂强度参数变化规律级配类型劈裂强度ABL40.2011-0.37810.9598GF0.1947-0.41080.90812.2.1.3 抗压回弹模量基层的刚度（回弹模量）应适中，且应与面层的刚度相匹配。如基层的刚度过小，则面层会由于过大的拉应力或拉应变而过早开裂破坏；如基层的刚度过大，极易因干缩和温缩使其产生开裂，影响基层的抗裂性能。试件在不同龄期的抗压回弹模量变化规律结果见表2-2-5和图2-2-3。表2-2-5 不同级配类型二灰碎石的回弹模量龄期（d）72890180回弹模量（MPa）L4445.291252.131920.402121.33GF312.81797.081615.201970.45两种级配的二灰碎石混合料的抗压回弹模量参数变化规律经回归处理结果见表2-2-6，可以看出其刚度增长规律与强度增长规律基本一致。因为，所以L4的回弹模量增长率较GF回弹模量要略快一点。由图2-2-3亦可以看出，随着龄期的延长，两种级配试件的抗压回弹模量都在增加，不过在各龄期L4的模量值都要大于GF的模量值，但180d龄期试件的模量值相差不大。图2-2-3 二灰碎石混合料抗压回弹模量表2-2-6 抗压回弹模量参数变化规律级配类型抗压回弹模量ABL4529.56-547.200.9904GF525.44-792.680.9790二灰碎石力学性能取决于原材料本身的力学性能、反应生成物力学性能及其组成结构形式等。试件成型初期，由于火山灰反应刚刚开始，所形成的胶结料不足以使混合料联结成为整体结构，即混合料还处于松散状态，因此二灰碎石早期力学性能主要由材料组成的结构形式和原材料本身力学性能所决定。由以上数据可以看出，在反应初期，无论是抗压强度、劈裂强度、还是抗压回弹模量，其数值都较低。但L4的各项指标优于GF，这是因为L4的粗集料含量多，彼此间具有很高的嵌挤力，能够起骨架作用。随着龄期的增长，石灰和粉煤灰发生反应，生成的水化产物逐渐增多，它们粘结其它固体颗粒，填充颗粒间的空隙，并且互相搭接，形成具有一定强度的空间网状结构，并且水化产物越多，这种网状结构越牢固。表现在宏观上就是强度和模量的增加。在以上两种二灰碎石中，采用的材料相同，只是集料的级配情况不同。从以上试验结果可以看出，L4级配的二灰碎石的强度、刚度值在任意龄期都较GF级配的二灰碎石的强度、刚度要高，主要因为在L4中，集料的级配较好，粗集料能够形成密实骨架结构，集料间有较多的接触点，内摩阻力明显增强，二灰砂浆能够密实地填充粗集料的空隙，致使二灰碎石整体力学性能得以增强，所以二灰碎石的强度和刚度都有大幅度的提高。2.2.2 稳定性二灰碎石的稳定性是指二灰碎石在使用过程中经受自然条件作用时，保持自身性能的能力。包括水稳性和冻稳定性两方面。2.2.2.1 水稳性雨季表面水有可能透过沥青面层进入基层和底基层。如果沥青面层上产生了裂缝，表面水更会从裂缝渗入路面结构层中。沥青面层阻碍路面结构层和土基水分蒸发，进入路面结构层中的水（包括气态水）能使含土较多、土的塑性指数较大的基层或底基层材料的含水量增加，使基层强度大大降低，从而导致沥青路面过早破坏，在冰冻地区，这种水造成的危害更大。在路面材料性能研究中，常采用软化系数来表示材料的耐水性。 （2-3）因此研究水稳性时，在每一龄期将二灰碎石成型两组平行试件，一组浸水24h，一组不浸水，测试它们的无侧限饱水抗压强度，试验结果见表2-2-7和图2-2-4所示。表2-2-7 不同龄期二灰碎石的软化系数龄期（d）72890180GF未饱水强度（MPa）1.2883.4235.4826.042饱水强度（MPa）0.7272.3014.3325.102软化系数0.5640.6700.7900.844L4未饱水强度（MPa）1.7783.4965.7106.600饱水强度（MPa）1.0182.3554.7796.596软化系数0.5730.6740.8370.999由图2-2-4可以看出，随着龄期的增长，二灰碎石的软化系数也在增加，即二灰稳定碎石的抗水害能力逐渐增强。这主要是因为随着龄期的增加，石灰与粉煤灰的火山灰反应逐步由弱变强、石灰的碳化结晶作用不断进行，晶体沉积在二灰碎石混合料颗粒间隙中时，产生一定的胶结强度。各种晶体及非晶体逐渐增加，使二灰与碎石紧密的连接到一起，具有一定的整体性，同时生成的晶体也在不断填充二灰碎石混合料的空隙，进一步增强二灰碎石的整体结构。从集料组成来看，L4中粗集料较多，形成骨架结构，彼此之间接触点较多，具有较高的内摩阻力，从而使混合料整体抵抗水害的能力增强。 图2-2-4二灰碎石的软化系数2.2.2.2 冻稳性在冻融循环反复作用下，半刚性基层材料强度逐渐下降，产生薄弱面，甚至在薄弱面发生开裂破坏。因此选择抗冻性能良好的材料做基层在一定程度上可以缓解基层开裂破坏的发生。其破坏机理如下：2.2.2.2.1 液体膨胀压力。基层材料为多空隙材料，这类材料受冻融循环作用时，其内部空隙水冻胀产生的附加内应力将重复对材料的空隙壁产生挤压破坏作用。当空隙中含水量超过某一临界值时，由于水结冰时体积膨胀9，将产生很大压力。此压力的大小除了决定于空隙的含水量之外，还与水流动距离、水的结冻速度及空隙的形状有关。其中空隙的形状影响到尚未结冰的水向周围空隙流动的阻力。2.2.2.2.2 渗透压力。由于毛细管中的水不是纯水，而是含有几种可溶盐（大多数情况是碱）。当盐溶液浓度增加时，液体压力很高，产生很大的渗透压，形成渗透压力。基于以上原理，冻融循环试验除了用于评定材料的抗冻性之外，也常用于评价有空隙材料的耐久性。二灰碎石基层材料冻融循环试验方法目前还没有统一的试验规程，本文采用的试验方法是将试件在-15冰箱中冻6h，然后在20水浴中融18h为一循环。采用不同龄期的试件经5次冻融循环后的无侧限抗压强度与冻前无侧限饱水抗压强度之比的耐冻系数来表征材料的抗冻性，即冻稳性。 （2-4） 即 表2-2-8 二灰碎石的冻稳系数龄期（d）2890180GF饱水强度（MPa）2.3014.3325.102冻融循环后强度(MPa)2.1243.0064.177冻稳系数0.9230.6940.819L4饱水强度（MPa）2.3554.7796.596冻融循环后强度(MPa)2.3803.4065.455冻稳系数1.0100.7130.827图2-2-5 不同龄期二灰碎石的冻稳系数由表2-2-8可以看出，L4的28d龄期的冻融试验表明，二灰碎石混合料材料经冻融后其强度高于未冻融循环前的强度，一方面可能是不同的试件之间具有一定的离散性；另一方面可能是因为养生28d的试件龄期相对较短，并且二灰碎石早期强度低，而冻融试验结果是在试件经历反复5次冻融后得到的，也就是冻融试件是在第33天时才测试抗压强度。在5d的冻融过程中强度可能继续增长，即由于冻融造成试件强度的降低的量值与随着龄期的增加试件强度增长的量值基本相当，所以在28d龄期时，冻融系数大于1。由图2-2-5可以看出，在任意龄期L4的冻稳系数都比GF的冻稳系数要高。由前面的破坏机理可知，因为L4为骨架密实结构，试件空隙较少，冻融后其含水量较GF级配的含水量低，因而水结冰引起体积膨胀对空壁所产生的应力也相应较小，所以L4表现出较好的抗冻性能。综上所述，两种级配的二灰碎石混合料的强度、刚度、软化系数均随着龄期的增加而增大。无论在哪个龄期，L4级配的二灰碎石混合料均高于GF级配的二灰碎石混合料。第3章 二灰碎石材料的配合比设计3.1 基本原则二灰混合料基层的强度主要来自粘结料，粘结料强度越高则混合料强度越高；而粘结料强度主要来自石灰、粉煤灰二者水化产物产生的凝胶物，二者的比例影响凝胶物的数量，从而影响混合料的强度，此外还影响混合料的施工操作性和经济性；过高的石灰比例强度虽高但不经济，石灰比例过低则施工中拌合不易均匀，从而使石灰失去意义，经济、技术性均不好。考虑到上述因素并便于对比二者比例变化对混合料强度的影响，我们必须合理确定石灰粉煤灰的比例范围，并对粒料比例予以确定。二灰碎石配合比设计的目的是使得混合料符合路面结构的各种使用性能要求，能够进行准确的生产质量控制，易于摊铺和压实，而且比较经济。由于原材料性能的离散性相当大，到目前为止，还不可能提出一种单纯的理论计算方法，通常的设计方法都是计算与实验相结合的理论经验方法。二灰碎石混合料组成设计一般应遵循这样的原则：结合料剂量合理，集料应有一定的级配，施工操作方便，具有好的力学性能和路用性能。3.2 设计方法、步骤二灰碎石半刚性基层强度高、施工操作性好、路用技术性能良好，完全能满足高等级路面基层的规范要求。按公路路面基层施工技术规范（JTJ034-2000）中规定的混合料组成设计：二灰类规定作4至5个不同石灰含量配合比。混合料组成设计的程序为：原材料质量检查定出5个配合比例每个配合比例的标准击实制试件养护抗压资料整理分析确定采用的混合料配合比。整个实验过程工作量大，特别是对含有集料的标准击实，在击实完毕进行顶部整平时，有些大颗粒露出表面，难以用刮刀刮平，当取出某些露出颗粒时，在表面留有空洞，这就靠经验尽可能使突出体积与空洞的体积相等。73.2.1 原材料性能要求合格的原材料是性能优良的二灰碎石的保证，必须对原材料的各项基本性能进行测试。3.2.1.1 粉煤灰粉煤灰必须具有一定的活性。目前用于生产二灰碎石的粉煤灰颗粒普遍偏粗，品质较差，为了确保二灰碎石的质量，除对粉煤灰的活性成分、烧失量和比表面积进行测试外，有条件还应测定粉煤灰的活性。83.2.1.2 集料集料构成了二灰碎石的骨架结构，在路面施工条件下，由于采用重型压实成型，集料应有一定的强度，对针片状含量作出限制，为了保证基层施工的材料均匀性和平整程度的要求，其最大粒径不应超过40mm。在现行公路路面基层施工技术规范中，规定集料压碎值不能大于30，基层材料集料的最大粒径不大于31.5mm。73.2.2 二灰含量的确定在半刚性路面基层混合料的组成中，结合料的剂量太低则不能成为半刚性基层，剂量太高则刚度太大，容易开裂。实际上，限制低剂量是为了保证整体性材料具有基本的抗拉强度，以满足荷载作用的强度要求；限制高剂量可使模量不致过大，避免结构产生太大的拉应力，同时降低收缩系数，使结构层不会因温度变化而引起拉伸破坏。3.2.2.1 石灰与粉煤灰比例的确定在二灰碎石混合料的组成设计中，应根据石灰、粉煤灰的性能以及具体使用要求，确定二灰的配合比。由于石灰中实际起作用的是有效氧化钙和氧化镁，所以在配合比计算时，不能只是简单地计量二灰中的石灰含量，必须计量二灰中有效氧化钙和氧化镁的含量。这样才能使得计量比较准确，以进一步达到配合比计算的目的。在进行二灰配合比设计时，可按1:1、1:2、1:3、1:4、1:5试件成型，根据标准养生后试件的强度，结合使用要求与经济性的要求选取配合比，通过重型击实实验确定二灰含水量和最大干密度。3.2.2.2 石灰粉煤灰与集料比例的确定在确定二灰与集料比例时，应考虑合理的结构组成。按密实骨架结构的设想，骨料形成骨架嵌挤，使其空隙率最小，以石灰粉煤灰作为结合料填充骨架的空隙，形成密实结构，获得整体混合料的最大密实度。可采用以下方法确定二灰与集料的比例。将具有级配的集料在不加结合料的情况下，对其进行干捣，测试其松方密度和表观密度，计算出空隙率，如式（3-1）所示： （3-1）式中：n为集料的空隙率， 为集料的干捣下松方密度， 为集料的表观密度，则二灰结合料的用量为： （3-2）现行公路路面基层施工技术规范推荐的石灰粉煤灰的配合比为1:21:4之间，二灰占二灰碎石混合料重量比为1520。因此在实际生产中可先按1:3的配比进行试配，根据结果与实际情况再予以调整。73.2.2.3 集料含量的确定在二灰碎石基层混合料中，集料起骨架作用，结合料起填充和胶结作用，集料在混合料中的分布呈松方状态，并且填充混合料空隙的结合料得以充分碾压，这是最为理想的密实结构。这种结构强度高，收缩系数小，水稳性、抗裂性、耐久性都好。集料含量多了，填充空隙的结合料不能得以充分碾压，结合料强度低，胶结能力差，必然造成整体强度低；集料含量少了，就会成为悬浮结构，集料形成不了骨架。这就存在集料含量的最佳值问题，如何确定混合料中集料含量的最佳值是很重要的。现行公路路面基层施工技术规范对二灰碎石集料的级配和含量都有明确的规定，石灰粉煤灰与级配集料的比例应是15:8520:80，并给出了级配范围。7在实际工程中，由于产地的不同，材料的各方面性质会有所变化，因此，集料含量就必须进行相应的调整，以确定合适的集料比例。在计算时，可视混合料是由集料和胶结料两部分组成，预先通过实验求得集料表观密度和松方密度，胶结料最大密度。可按下式进行计算： （3-3） （3-4） （3-5）式中：n为集料的空隙率，为集料的松方密度，为集料的表观密度，为胶结料的最大干密度为胶结料的重量为集料的重量集料比例除影响混合料强度外还影响其收缩特性，集料比例过大则施工中易产生离析现象，集料比例太小则易产生收缩裂缝，因此确定石灰粉煤灰碎石混合料的粒料最佳比例范围是必要的。通常我们按石灰:粉煤灰=1:3，粒料含量由8085变化，制作的圆柱体试件，测定不同龄期的抗压强度，确定粒料比例对混合料强度的影响，找出粒料最佳比例范围。这个比例即保证混合料有足够强度，又使混合料具有良好的抗收缩能力，减少收缩裂缝。3.2.2.4 集料级配的确定道路工程中，一般天然或人工轧制的一种集料的级配往往难以达到要求的级配，就必须采用二种或二种以上的集料按一定的比例配合在一起，进行集料的级配组成设计。研究表明，单一粒径粗集料组成的二灰碎石，分散在二灰中成悬浮结构，而且施工中易发生离析而不均匀；而连续级配集料二灰碎石，由于细集料较多，易产生收缩裂缝。因此，采用骨架密实结构二灰碎石，最大粒径仍按规定要求，增大粗集料的用量，减少5mm粒料的用量，使之不仅有足够数量的粗骨料可以形成空间骨架，而且又有必要数量的细料和二灰填充于骨架间的空隙，使混合料有较高的密实度而形成一种骨架密实结构，其内摩阻力和粘结力均较高。为此，按混合料嵌挤密实结构的设想，把碎石集料分成：31.519.0mm、：19.09.5mm、：9.54.75mm、：4.752.36mm、：2.361.18mm、：1.180.6mm、：0.600.075mm等7个粒径组，进行连续填充，使其组合的骨架集料空隙率最佳，主骨料嵌挤形成的骨架不被破坏，得到各级粒径的最佳填充比例，再把分级筛余换算成分级通过率，即得集料的级配范围中值。确定集料级配的方法和主要步骤如下：3.2.2.4.1 取一定量的粗骨料：31.519.0mm，测定其表观密度和干捣密度，根据式（3-1）计算出空隙率；3.2.2.4.2 设定用量为100，以它的下一级：19.09.5mm，用用量的5为步长，将逐次加入中，分别测定其表观密度和干捣密度，得出此时的空隙率，建立填充数量与空隙率的关系；3.2.2.4.3 选择最佳填隙率时的合理用量；3.2.2.4.4 依次类推，分别进行、级填充，最后得到各级粒径的最佳填充比例；3.2.2.4.5 按最后空隙率确定二灰用量，制作试件对比试验，确定最优级配；3.2.2.4.6 把各级填充用量，也就是连续级配集料的分级筛余，转换成各级筛孔的通过率，即集料的级配。3.2.2.5 二灰碎石混合料最佳含水量与最大干密度的确定对于二灰碎石混合料最佳含水量与最大干密度的确定，可以采用以下两种办法：3.2.2.5.1 采用重型击实实验，建立干密度与含水量的关系曲线，得出混合料最佳含水量与最大干密度；3.2.2.5.2 根据室内试验测得结合料的最大干密度和集料的相对密度，把已确定结合料与集料的质量比换算为体积比，则混合料的最大干密度为 （3-6）二灰稳定碎石的最佳含水量是结合料的最佳含水量和集料饱水裹覆含水量的加权值，可按下式计算 （3-7）式中：A、B为结合料和集料的质量百分比饱水裹覆含水量是指把集料浸水饱和后取出，不擦去表面裹覆水时的含水量，除吸水率特大的集料外，此值对碎石可取4，砾石取3。3.3 试验设计本节引用肖昆的“提高二灰碎石路用性能的研究”中的试验数据，确定二灰碎石的配合比。83.3.1 原材料性能3.3.1.1 石灰石灰采用长春市双阳区生产的消石灰，实测起松方密度为0.96，并进行了筛分，结果如表3-3-1.3.3.1.2 粉煤灰粉煤灰采用四平电厂产的粉煤灰，实测其松方密度为0.69，并进行了筛分，结果如表3-3-1。表3-3-1 石灰、粉煤