第十二章无机结合料稳定路面 §121概述 在粉碎的或原状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。 无机结合料稳定路面具有稳定性好、抗冻性能强、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。 粉碎的或原状松散的土按照土中单个颗粒(指碎石、砾石、砂和土颗粒)的粒 径的大小和组成,将土分成细粒土、中粒土和粗粒土。不同的土与无机结合料 拌和得到不同的稳定材料。例如石灰土、水泥土、水泥砂砾、石灰粉煤灰碎石 无机结合料稳定材料种类较多,其物理、力学性质各有特点,使用时应根据 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 选定。 由于无机结合料稳定材料的刚度介于柔性路面材料和刚性路面材料之间,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(底基层)。 §122无机结合料稳定材料的力学特性 无机结合料稳定材料的力学特性包括应力-应变关系、疲劳特性、收缩(温 缩和干缩)特性。 1.无机结合料稳定材料的应力-应变特性 无杋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増 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, 石灰或石灰粉煤灰(简称二灰)稳定类材料设计龄期为六个月。 半刚性材料应力-应变特性试验方法有顶面法、粘贴法、夹具法和承载板法 等。试件有圆柱体试件和梁式(分大、中、小梁)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等。 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 种试验方法不同的材料及同一种试验方法不同龄期试验结果存在差异性。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。表12-1给 出 表12-1水泥稳定碎石的力学特性指标与龄期的关系 学参数(MPa)28天90天8天□28天/180天「90天/180天 R 449557633 0.71 0.88 E 209330973872 0.54
1 第十二章无机结合料稳定路面 §12-1 概述 在粉碎的或原状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。 无机结合料稳定路面具有稳定性好、抗冻性能强、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。 粉碎的或原状松散的土按照土中单个颗粒(指碎石、砾石、砂和土颗粒)的粒 径的大小和组成，将土分成细粒土、中粒土和粗粒土。不同的土与无机结合料 拌和得到不同的稳定材料。例如石灰土、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，使用时应根据 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 选定。 由于无机结合料稳定材料的刚度介于柔性路面材料和刚性路面材料之间，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（底基层）。 §12-2 无机结合料稳定材料的力学特性 无机结合料稳定材料的力学特性包括应力-应变关系、疲劳特性、收缩（温 缩和干缩）特性。 1．无机结合料稳定材料的应力-应变特性。 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， 石灰或石灰粉煤灰（简称二灰）稳定类材料设计龄期为六个月。 半刚性材料应力-应变特性试验方法有顶面法、粘贴法、夹具法和承载板法 等。试件有圆柱体试件和梁式(分大、中、小梁)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等。 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及同一种试验方法不同龄期试验结果存在差异性。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。表 12-1 给 出 表 12-1 水泥稳定碎石的力学特性指标与龄期的关系 力学参数（MPa) 28 天 90 天 180 天 28 天／180 天 90 天／180 天 R 4.49 5.57 6.33 0.71 0.88 Ep 2093 3097 3872 0.54 0.80
041306340813 0.51 0.78 339261287 0.41 了水泥稳定碎石抗压强度(R)、抗压回弹模量(Ep)劈裂强度(σφ)和劈裂模量(Esp) 与龄期之间的关系。表12-2则为石灰粉煤灰稳定碎石的测试结果。 表12-2石灰粉煤灰稳定碎石的力学特性指标与龄期关系 力学参数 (MPa) 28天90天180天28天/180天|90天/180天 3.10 5.75 8.36 0.37 0.69 10861993 2859 02190.5360913 359 0.37 0.56 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 量及密实度、含水量、龄期、温度等有关 2.无机结合料稳定材料的疲劳特性 材料的抗压强度是材料组成设计的主要依据,由于无机结合料稳定材料的 抗拉强度远小于其抗压强度,材料的抗拉强度是路面结构设计的控制指标。 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 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应力之比 ,原则上当小于509%,无机结合料稳定材料可经受无限次重复加荷 次数而无疲劳破裂,但是,由于材料的变异性,实际试验时其疲劳寿命要小得 多 疲劳性能通常用/与达到破坏时反复作用次数N所绘成的散点图来表 示。试验证明,On与N之间关系通常用双对数疲劳方程(gN=a+bgo 及单对数疲劳方程(gNf=a+ bo dos)来表示比较合理 在一定的应力条件下,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。 由于材料的不均匀性,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)将得出不同的疲劳方 程
2 sp 0.413 0.634 0.813 0.51 0.78 Esp 533 926 1287 0.41 0.72 了水泥稳定碎石抗压强度(R)、抗压回弹模量(Ep)劈裂强度(σsp)和劈裂模量(Esp) 与龄期之间的关系。表 12-2 则为石灰粉煤灰稳定碎石的测试结果。 表 12-2 石灰粉煤灰稳定碎石的力学特性指标与龄期关系 力学参数 （MPa) 28 天 90 天 180 天 28 天／180 天 90 天／180 天 R 3.10 5.75 8.36 0.37 0.69 Ep 1086 1993 2859 0.38 0.70 sp 0.219 0.536 0.913 0.41 0.59 Esp 359 960 1720 0.37 0.56 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 量及密实度、含水量、龄期、温度等有关。 2．无机结合料稳定材料的疲劳特性 材料的抗压强度是材料组成设计的主要依据，由于无机结合料稳定材料的 抗拉强度远小于其抗压强度，材料的抗拉强度是路面结构设计的控制指标。 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。 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应力之比 s f ，原则上当 s f 小于 50%，无机结合料稳定材料可经受无限次重复加荷 次数而无疲劳破裂，但是，由于材料的变异性，实际试验时其疲劳寿命要小得 多。 疲劳性能通常用 s f 与达到破坏时反复作用次数(Nf)所绘成的散点图来表 示。试验证明， s f 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)来表示比较合理。 在一定的应力条件下，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。 由于材料的不均匀性，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)将得出不同的疲劳方 程
除点 未破坏乩 075右活率 95% 疲劳寿命Nt 图12-1二灰砂砾(小梁)应力强度比疲劳寿命曲线 保留点 斯除点 未破坏点 存活率95% 存活率90 存活率50% 疲劳寿命Mt 图12-2水泥砂砾(小梁)应力强度比疲劳寿命曲线 3.无机结合料稳定材料的干缩特性 无机结合料稳定材料经拌和压实后,由于水分挥发和混合料内部的水化作 用,混合料的水分会不断减少。由此发生的毛细管作用、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无机 结合料稳定材料体积收缩 描述材料干缩特性的指标主要有干缩应变、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是水分损失引起的试件单位长度的收缩量(×106) 干缩系数是某失水量时,试件单位失水率的干缩应变(×10°) 平均干缩系数ad是某失水量时,试件的干缩应变与试件的失水率之比 (×10 失水量是试件失去水分的重量(g 失水率是试件单位重量的失水量(%) 干缩量是水分损失时试件的收缩量(10mm) △W 式中:M为含水量损失ΔW时,试件的整体收缩量,l为试件的长度
3 图 12-1 二灰砂砾(小梁)应力强度比疲劳寿命曲线 图 12-2 水泥砂砾(小梁)应力强度比疲劳寿命曲线 3．无机结合料稳定材料的干缩特性 无机结合料稳定材料经拌和压实后，由于水分挥发和混合料内部的水化作 用，混合料的水分会不断减少。由此发生的毛细管作用、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无机 结合料稳定材料体积收缩。 描述材料干缩特性的指标主要有干缩应变、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)是水分损失引起的试件单位长度的收缩量(×10-6 )； 干缩系数是某失水量时，试件单位失水率的干缩应变(×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分的重量(g) 失水率是试件单位重量的失水量(%) 干缩量是水分损失时试件的收缩量(10-3mm) l l d = αｄ＝εｄ／ΔＷ （12-1） 式中： l 为含水量损失ΔW 时，试件的整体收缩量， l 为试件的长度
无机结合料稳定材料的干缩特性(最大干缩应变和平均干缩系数)的大小与结 合料的类型、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 例如二灰(石灰+粉煤灰)∶碎石=15∶85(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分别为273×106、233×106,而平均干缩 系数分别为65×106、55×10 对稳定粒料类,三类半刚性材料的干缩特性的大小次序为:石灰稳定类>水 泥稳定类>石灰粉煤灰稳定类 对于稳定细粒土,三类半刚性材料的收缩性的大小排列为:石灰土>水泥土 和水泥石灰土>石灰粉煤灰土。 4.半刚性材料的温度收缩特性 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物)、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。 所以,半刚性材料的外观胀缩性是三相的不同的温度收缩性的综合效应的结果。 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, 半刚性材料温度收缩的大小与结合料类型和剂量、被稳定材料的类别、粒料 含量、龄期等有关。试验结果表明: 石灰土砂砾(167×10-5)悬浮式石灰粉煤灰粒料(15.3×106>密实式石灰粉 煤灰粒料(114×106)和水泥砂砾(5~7%水泥剂量为10~15×106) 半刚性基层一般在高温季节修建,成型初期基层内部含水量大,且尚未被沥 青面层封闭,基层内部的水分必然要蒸发,从而发生由表及里的干燥收缩,同 时,环境温度也存在昼夜温度差,因此,修建初期的半刚性基层同时受到干燥 收缩和温度收缩的综合作用,必须注意养生保护,但此时以干燥收缩为主。 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,使材料的含水量由回升趋于平衡,这时半刚性基层的变形以温度收缩为 主 §123石灰稳定类基层(底基层) 在粉碎的土和原状松散的土(包括各种粗、中、细粒土)中、掺入适量的石灰 和水,按照一定技术要求,经拌和,在最佳含水量下摊铺、压实及养生,其抗 压强度符合规定要求的路面基层称为石灰稳定类基层。用石灰稳定细粒土得到 的混合料简称石灰土,所做成的基层称石灰土基层(底基层 石灰剂量是石灰质量占全部土颗粒的干质量的百分率,即石灰剂量=石灰质 量/干土质量。 石灰稳定类材料适用于各级公路路面的底基层,可用作二级和二级以下公路 的基层,但石灰土不应用作高等级公路的基层。 1.石灰稳定土强度形成原理 在土中掺入适量的石灰,并在最佳含水量下拌匀压实,使石灰与土发生一系 列的物理、化学作用,从而使土的性质发生根本的变化。一般分四个方面,第
4 无机结合料稳定材料的干缩特性(最大干缩应变和平均干缩系数)的大小与结 合料的类型、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。 例如二灰(石灰+粉煤灰)∶碎石=15∶85(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分别为 273×10-6、233×10-6，而平均干缩 系数分别为 65×10-6、55×10-6。 对稳定粒料类，三类半刚性材料的干缩特性的大小次序为：石灰稳定类>水 泥稳定类>石灰粉煤灰稳定类。 对于稳定细粒土，三类半刚性材料的收缩性的大小排列为：石灰土>水泥土 和水泥石灰土>石灰粉煤灰土。 4．半刚性材料的温度收缩特性 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物)、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。 所以，半刚性材料的外观胀缩性是三相的不同的温度收缩性的综合效应的结果。 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。 半刚性材料温度收缩的大小与结合料类型和剂量、被稳定材料的类别、粒料 含量、龄期等有关。试验结果表明： 石灰土砂砾(16.7×10-6 )>悬浮式石灰粉煤灰粒料(15.3×10-6 )>密实式石灰粉 煤灰粒料(11.4×10-6 )和水泥砂砾(5～7％水泥剂量为 10～15×10-6 )。 半刚性基层一般在高温季节修建，成型初期基层内部含水量大，且尚未被沥 青面层封闭，基层内部的水分必然要蒸发，从而发生由表及里的干燥收缩，同 时，环境温度也存在昼夜温度差，因此，修建初期的半刚性基层同时受到干燥 收缩和温度收缩的综合作用，必须注意养生保护，但此时以干燥收缩为主。 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，使材料的含水量由回升趋于平衡，这时半刚性基层的变形以温度收缩为 主。 §12-3 石灰稳定类基层（底基层） 在粉碎的土和原状松散的土(包括各种粗、中、细粒土)中、掺入适量的石灰 和水，按照一定技术要求，经拌和，在最佳含水量下摊铺、压实及养生，其抗 压强度符合规定要求的路面基层称为石灰稳定类基层。用石灰稳定细粒土得到 的混合料简称石灰土，所做成的基层称石灰土基层（底基层）。 石灰剂量是石灰质量占全部土颗粒的干质量的百分率，即石灰剂量＝石灰质 量／干土质量。 石灰稳定类材料适用于各级公路路面的底基层，可用作二级和二级以下公路 的基层，但石灰土不应用作高等级公路的基层。 1．石灰稳定土强度形成原理 在土中掺入适量的石灰，并在最佳含水量下拌匀压实，使石灰与土发生一系 列的物理、化学作用，从而使土的性质发生根本的变化。一般分四个方面，第
一是离子交换作用,第二是结晶硬化作用,第三是火山灰作用,第四是碳酸化 作用 1)离子交换作用 土的微小颗粒具有一定的胶体性质,它们一般都带有负电荷,表面吸附着 定数量的钠、氢、钾等低价阳离子(Nat、H、K勹)。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 价变成了二价,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,许多单个土粒聚成小团粒,组成一个稳定结构 2)结晶作用 在石灰土中只有一部分熟石灰CaOH进行离子交换作用,绝大部分饱和的 Ca(OH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)+nH2O→Ca(OH)z·nH2O 3)火山灰作用 熟石灰的游离Ca2+与土中的活性氧化硅SiO2和氧化铝A2O3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)2+SO2+nH2O→xCaO·SO2(n+1)H2O xCa(OH+A2O3+nHO→xCaO·AO3(n+1)HO 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,其化学反应式为 Ca(OH)2+CO2-CaCO3+H2O CaCO3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。 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,主要表现为土的结团、塑性降低、最佳含水量增加和最大密实度减少 等。后期主要表现为结晶结构的形成,从而提高其板体性、强度和稳定性。 2.影响强度的因素 1)土质 各种成因的土都可以用石灰来稳定,但生产实践说明,粘性土较好,其稳定 的效果显著,强度也高。当采用高液限粘土时施工不易粉碎;采用粉性土的石 灰土早期强度较低,但后期强度也可满足行车要求;采用低液限土质时易拌和, 但难以碾压成型,稳定的效果不显著。采用的土质,既要考虑其强度,还要考 虑到施工时易于粉碎便于碾压成型。一般采用塑性指数12~18(100g平衡锥测液 限,搓条法测塑限)的粘性土为好。塑性指数偏大的粘性土,要加强粉碎,粉碎 后,土中15~25mm的土块不宜超过5%。经验证明塑性指数小于12的土不宜 用石灰稳定。对于硫酸盐类含量超过0.8%或腐殖质含量超过10%的土,对强度
5 一是离子交换作用，第二是结晶硬化作用，第三是火山灰作用，第四是碳酸化 作用。 1)离子交换作用 土的微小颗粒具有一定的胶体性质，它们一般都带有负电荷，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 一价变成了二价，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，许多单个土粒聚成小团粒，组成一个稳定结构。 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)2＋nH2Ｏ→Ca(OH)2·nH2Ｏ 3)火山灰作用 熟石灰的游离Ca2+与土中的活性氧化硅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)2＋SiO2＋nH2O→xCaO·SiO2（n+1)H2O xCa(OH)2＋Al2O3＋nH2O→xCaO·Al2O3（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，其化学反应式为： Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O CaCO3 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。 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，主要表现为土的结团、塑性降低、最佳含水量增加和最大密实度减少 等。后期主要表现为结晶结构的形成，从而提高其板体性、强度和稳定性。 2．影响强度的因素 1)土质 各种成因的土都可以用石灰来稳定，但生产实践说明，粘性土较好，其稳定 的效果显著，强度也高。当采用高液限粘土时施工不易粉碎；采用粉性土的石 灰土早期强度较低，但后期强度也可满足行车要求；采用低液限土质时易拌和， 但难以碾压成型，稳定的效果不显著。采用的土质，既要考虑其强度，还要考 虑到施工时易于粉碎便于碾压成型。一般采用塑性指数 12～18(100g 平衡锥测液 限，搓条法测塑限)的粘性土为好。塑性指数偏大的粘性土，要加强粉碎，粉碎 后，土中 15～25mm 的土块不宜超过 5%。经验证明塑性指数小于 12 的土不宜 用石灰稳定。对于硫酸盐类含量超过 0.8%或腐殖质含量超过 10%的土，对强度