路面设计原理与方 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: 无杋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 无杋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兟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-应变特征试殓方泫有顶面法、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; 第97页
路面设计原理与方法 第97页 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；
路面设计原理与方法 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f有圆柱体试件和梁式试件 试殓内有抗压强度、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) 15~25 10*10*40 <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较符合实际 变异特性 由于材料的变异性和式殓过程的不稳定性,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拉弯拉疲劳强度。 H=lcmE=1200MPa -0.414 H=20cm.E=900MIPa 0.266 HE30cm.E=800MPa Es=50MPa 0.650 图1·轮印下弯拉应力变化规律 第98页
路面设计原理与方法 第98页 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。 H=12cm,E=1200MPa H=20cm,E=900MPa H=30cm,E=800MPa Es=50MPa -0.627 -0.414 -0.427 0.266 0.202 0.650 图 1·轮印下弯拉应力变化规律
路面设计原理与方 H=12cm. E=1200MPa -0.316 H=20cm.E=900MPa 0.285 0.218 H=30cm. E=800MPa ES=50M 0.682 图2·轮隙下弯拉应力变化规律 由上至下 hl=dcm hI=scm 1=12 隙0055 h1=20c 沉 (cm) 1500 2000 2500 面层模量(MPa) 图3·面层模量与轮隙弯沉变化规律 由上至下 hI=12cm 底基 层底 sly 面弯 拉应 力 m^2) 面层桃量MPa) 图5·面层模量与底基层弯应力变化规律 第99页
路面设计原理与方法 第99页 H=12cm,E=1200MPa H=20cm,E=900MPa H=30cm,E=800MPa Es=50MPa 0.543 -0.316 -0.388 0.285 0.218 0.682 图 2·轮隙下弯拉应力变化规律 面层模量（MPa） 轮 隙 弯 沉 (cm) 由上至下 h1=4cm h1=8cm h1=12cm h1=16cm h1=20cm 图 3·面层模量与轮隙弯沉变化规律 底基 层底 面弯 拉应 力 (Kg/c m^2) 面层模量(MPa) 由上至下 h1=4cm h1=8cm h1=12cm h1=16cm h1=20cm 图 5·面层模量与底基层弯应力变化规律
路面设计原理与方 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σ/σ,)试验 结果表明:当σn/0,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σr/σ,与达到破坏时反复作用次数(N)所绘所的散点图来说明。试验 证明r0,与N之间关系通常用双对数疲劳方程(lgN=a+blgo/o,)及单对数疲劳方程 (lgNr=a+bor/o,)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-) 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(10mm) △l/1 式中:Δl为含水量损失ΔW时,小梁试件的整体收缩量,1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) 第100页
路面设计原理与方法 第100页 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）
路面设计原理与方法 平均干系数 〔石灰土) 图6 平均干缩系数 含水量(%) 石灰粉煤灰 图7 平 干 缩 数 含水量(%) 灰土砂砾(55%) 图8 第101页
路面设计原理与方法 第101页 含水量（％） （石灰土） 平 均 干 缩 系 数 *10 -6 /W 图 6 平 均 干 缩 系 数 *10 -6 /W 含水量（％） 石灰粉煤灰 图 7 平 均 干 缩 系 数 *10 -6 /W 含水量（％） 石灰粉煤灰 含水量（％） 灰土砂砾（ 55%） 图 8