1、第11章無機結合料穩定材料本章導學學習目的：目前我國的瀝青混凝土路面或水泥混凝土路面95以上采用無機結合料穩定材料作為基層或底基層，通過本章的學習應了解無機結合料穩定材料的組成設計、強度、干縮、溫縮的特性，為工程服務。教學要求：為了提高對無機結合料穩定材料的認識，應首先說明我國路面結構的實際情況，例如國內主要高速公路的路面無機結合料穩定材料的使用情況及分類。 結合無機結合料穩定材料的特點，簡要說明無機結合料穩定材料的強度特性、疲勞特性、干縮特性和溫縮特性。 無機結合料穩定材料的強度、組成設計方法與材料品種等關系密切，應注意通過不同實例進行講解。11.1無機結合料穩定材料的應用無機結合料穩定材料

2、的應用與分類（一）總述1、在粉碎的或原狀松散的土中摻入一定量的無機結合料(包括水泥、石灰或工業廢渣等)和水，經拌和得到的混合料在壓實與養生后，其抗壓強度符合規定要求的材料稱為無機結合料穩定材料，以此修筑的路面稱為無機結合料穩定路面。 無機結合料穩定路面具有穩定性好、抗凍性能強、結構本身自成板體等特點，但其耐磨性差，廣泛用于修筑路面結構的基層和底基層。 粉碎的或原狀松散的土按照土中單個顆粒(指碎石、礫石、砂和土顆粒)粒徑大小和組成，將土分成細粒土、中粒土和粗粒土。不同的土與無機結合料拌和得到不同的穩定材料。例如石灰土、水泥土、石灰粉煤灰土、水泥穩定碎石、石灰粉煤灰穩定碎石等。2、無機結合料穩定基

3、層具有強度大、穩定性好及剛度大等特點，被廣泛用于修建高等級公路瀝青路面和水泥混凝土路面的基層或底基層。七、五期間，國家組織開展了“高等級公路無機結合料穩定材料基層、重交通道路瀝青面層和抗滑表層的研究”，其中無機結合料穩定基層材料的強度和收縮特性、組成設計方法是主要的研究內容之一。在此基礎上，結合近15年來無機結合料穩定基層的設計、施工和使用的經驗，根據實際使用效果，提出無機結合料穩定材料設計、施工及管理要點，為高等級公路無機結合料穩定基層的設計與施工提供了理論依據和技術保證。（二）無機結合料穩定基層瀝青路面無機結合料穩定基層用于高速公路的瀝青路面結構，其合理性主要表現在具有較高的強度和承載能力

4、。一般來說，無機結合料穩定基層材料具有較高的抗壓強度和抗壓回彈模量，并具有一定的抗彎拉強度，且它們都具有隨齡期而不斷增長的特性，因此無機結合料穩定基層瀝青路面通常具有較小的彎沉和較強的荷載分布能力。 由于無機結合料穩定基層的剛度大，使得其上的瀝青層彎拉應力值較小，從而提高了瀝青面層抵抗行車疲勞破壞的能力，甚至可以認為無機結合料穩定基層上的瀝青面層不會產生疲勞破壞。也就是可以認為無機結合料穩定基層瀝青路面的承載能力完全可以由無機結合料穩定基層材料層來滿足，而不需要依靠厚瀝青面層，瀝青面層可僅起功能性作用，這就鼓勵人們去減薄面層。 但無機結合料穩定基層瀝青路面的使用實踐證明，如果面層不夠厚，無機結

5、合料穩定基層因溫縮或干縮而產生的裂縫會很快反射到瀝青路面的面層。初期產生的裂縫對行車無明顯影響，但隨著表面雨水或雪水的浸入，在行車荷載反復作用下，會導致路面承載力下降，產生沖刷和唧泥現象，加速瀝青路面的破壞，影響瀝青路面的使用性能。 七五后我國高速公路進入快速增長期，高速公路建設從無到有，目前已經達到1.6萬公里，還即將建設2萬多公里的高速公路。而無機結合料穩定材料仍將是基層、底基層的主要材料。如表111和11-2為我國高速公路無機結合料穩定基層瀝青路面結構類型。國內主要的高速公路瀝青路面結構（七五前） 表11-1 路名長度（km）瀝青面層厚度(cm)和類型基層厚度(cm)和類型底基層厚度(c

6、m)和類型滬嘉高速公路20.512(6km).17(6km)46石灰粉煤灰碎石20砂礫莘松高速公路18.912和1745石灰粉煤灰碎石 廣佛高速公路15.74中粒式瀝青混凝土+5粗粒式瀝青混凝土4中粒式瀝青混凝土+5粗粒式瀝青混凝土 +6瀝青碎石25水泥級配碎石或水泥石屑(31) 2528水泥石屑或水泥土西臨高速公路204中粒式瀝青混凝土+5粗粒式瀝青混凝土+6瀝青碎石20石灰粉煤灰砂礫25水泥級配碎石或水泥石屑(31) 20石灰粉煤灰土,2528水泥石屑或水泥土+20砂礫改善層(特殊不良路段);25石灰粉煤灰土沈大高速公路 3754中粒式瀝青混凝土+5粗粒式瀝青混凝土或5+5+52

7、0水泥砂礫或水泥礦渣砂礫或礦渣京津塘高速公路142.52023中粒式瀝青混凝土，粗粒式瀝青混凝土和瀝青碎石205水泥粒料(碎石或礫石)或石灰粉煤灰碎石2535石灰土或水泥土、水泥石灰土、石灰粉煤灰土京石高速公路(北京段)141235石灰粉煤灰砂礫 京石高速公路(河北石家莊一新樂)  3中粒式瀝青混凝土+5瀝青碎石 12水泥碎石或12石灰粉煤灰碎石 43石灰土國內主要的高速公路瀝青路面結構類型（七五后） 表11-2 路名表面層厚度(cm)中面層厚度（cm）底面層厚度（cm）基層厚度（cm）和材料底基層厚度（cm）和材料總厚度京石.定州-涿州5中AC 5粗AC15二灰

8、碎石40石灰土65涿州-北京5中AC 7.5粗AC15二灰碎石40石灰土67京石.北京三期3.5細AC4.5中AC7BM20水泥砂礫 20二灰砂礫55北京四期3.5細AC4.5中AC7BM40二灰砂礫20石灰砂礫75廣州-花縣(軟土地段)3中AC 4中AC1820水泥碎石2534水泥石屑5259廣州-深圳4中AC8密粗AC+10密BM10MB23水泥碎石23級配碎石+2232末篩分碎石110路肩100海南東干線4中AC4粗AC4BM20水泥碎石 20水泥碎石52濟南青島5中SAC 4中SAC 6粗AC 5粗AC7BM6BM 34水泥砂礫20水泥砂礫20水泥砂礫 15石灰土2

9、6石灰土26石灰土 676461 青島-黃島4中AC 5粗AC20水泥碎石22RCC+15水 25水泥碎石15石灰土 54鄭州-開封4中AC  泥碎石 56鄭州新鄭4中AC  22RCC+15水泥碎石 15石灰土56鄭州洛陽4中AC5粗AC6BM22RCC+15水泥碎石 24石灰土69佛山開平3抗滑AC7中AC8BM25水泥石屑15、23、28級配碎石58、66或 7深圳汕頭3抗滑AC5中AC6粗AC25水泥石屑28、32、38級配碎石67、71、77滬寧江蘇段4AK-16A6粗AC-25I6粗AC-25I28二灰碎石30二灰碎石25

10、二灰碎石33二灰土 成都重慶 12    西安-銅川4中AC 8BM21二灰砂礫22二灰土51西安寶雞4中AC 8BM二灰砂礫 二灰土  杭州寧波5中AC 7粗AC25或28或34二灰碎石 20二灰20級配碎石57、60、66南京南通、揚州段4中SLH 6粗LH6BM20二灰碎石33石灰土69石家莊安陽4中SLH 5粗SLH6LH-3020水泥碎石+20二灰碎石2040石灰土75石家莊太原河北段5LH 4LH 5LM7LH6BM 18二灰碎石土或22二灰碎石或25二灰碎石2025石灰土2025石

11、灰土50555765 （三）水泥路面水泥混凝土路面結構層組合較為簡單，一般由混凝土面板、基層或墊層組成。水泥混凝土路面基層直接位于面層板之下，是保證路面整體強度、防止唧泥和錯臺、延長路面使用壽命的重要結構層。目前基層類型主要采用無機結合料穩定基層，如水泥穩定粒料、工業廢渣穩定粒料等基層。中等以下交通的道路，除上述類型外，還可采用石灰穩定類基層。無機結合料穩定材料的分類（一）水泥穩定材料在破碎的或原來松散的土（包括各種粗、中、細粒土）中，摻入足量的水泥和水，經拌和得到的混合料，在壓實和養生后，當其抗壓強度符合規定要求的混合料成為水泥穩定材料。 根據土的顆粒組成不同，可以將水泥穩定材料具體分為以下

12、幾類：1水泥穩定粗粒土：指被水泥穩定的土的最大粒徑小于37.5mm，且其中小于31.5mm的顆粒含量不少于90。2水泥穩定中粒土：指被水泥穩定的土的最大粒徑小于26.5mm，且其中小于19mm的顆粒含量不少于90。3水泥穩定細粒土：制被水泥穩定的土的最大粒徑小于9.5mm，且其中小于2.36mm的顆粒含量不少于90。用水泥穩定砂性土、粉性土和粘性土等細粒土得到的混合料簡稱為水泥土；用水泥穩定砂得到的混合料簡稱為水泥砂；用水泥穩定粗粒土和中粒土得到的混合料，視所用原料情況簡稱為水泥碎石（級配碎石和未篩分碎石）、水泥砂礫等。同時用水泥和石灰綜合穩定某種土而得到的混合料，簡稱為綜合穩定土。 水泥穩定

13、材料是一種經濟實用的筑路材料，具有較優良的性能，可用于各種交通類別道路的基層和底基層。由于以水泥為主要膠結材料，通過水泥的水化、硬化將集料粘結起來，因此水泥穩定土具有良好的力學性能和板體性。其強度隨養護齡期的增加而增加，并且早期的強度較高；同時其強度的可調范圍較大，由幾個兆帕到十幾個兆帕。水泥穩定土的水穩定性和抗凍性也較其它穩定材料好。所不足的是，水泥穩定土在溫度、濕度變化時，易產生裂縫，而影響面層的穩定性；當細顆粒含量高、水泥用量大時開裂更為嚴重。水泥穩定土作為一種筑路材料，國際上已有了幾十年的使用歷史。1937年美國成功的鋪筑了3.2km的水泥穩定土基層。隨后，水泥穩定土在很多國家的道路和

14、機場工程中，都得到了廣泛的使用。70年代初，我國在援外工程中，也不同程度的采用了水泥穩定土，作為瀝青表面處治面層的基層。1974年我國在遼寧的沈扶南線公路上鋪筑了10多公里的水泥穩定土（砂礫），作為高等級瀝青面層的基層，這是我國公路上第一次正是較大規模的在路面的基層中使用水泥穩定土。自80年代初以來，水泥穩定土已被廣泛用于我國各個省、市自治區的二級和高等級道路上。它不僅被用作瀝青路面的基層，還被用作水泥混凝土路面的基層。七五期間。我國開始建設高速公路，多數都采用了水泥穩定粒料（碎石和礫石）作為基層，有些高速公路還采用水泥穩定土作為底基層。攤鋪1攤鋪2碾壓（二）石灰穩定材料在粉碎的或原來松散的土

15、(包括各種粗、中、細粒土)中，摻入足量的石灰和水，經拌和得到的混合料，在壓實及養生后，當其抗壓強度符合規定的要求時，稱為石灰穩定材料。 用石灰穩定細粒土得到的混合料簡稱石灰土。用石灰穩定中粒土和粗粒土得到的混合料，視所用原材料而定，原材料為天然砂礫土時簡稱石灰穩定砂礫土。原材料為天然碎石土時簡稱石灰穩定碎石土。用石灰土穩定級配砂礫(砂礫中無土)和級配碎石(包括未篩分碎石)時，也分別簡稱石灰穩定砂礫土和石灰穩定碎石土。 用石灰穩定土鋪筑的路面基層和底基層，分別稱石灰穩定土基層和石灰穩定土底基層，或分別簡稱石灰穩定基層和石灰穩定底基層。也可在基層或底基層前標以具體簡稱，如石灰穩定碎石土基層、石灰穩

16、定土底基層等。 石灰土在我國道路上的應用已有幾十年歷史。在缺乏砂石材料地區，廣泛應用石灰土做各種路面的基層和底基層。 石灰穩定土具有良好的力學性能，并有較好的水穩性和一定程度的抗凍性，它的初期強度和水穩性較低，后期強度較高。由于干縮、溫縮系數較大，易產生裂縫。石灰穩定土適用于各級公路路面的底基層，可用作二級和二級以下公路的基層，但石灰土不應用作高級路面的基層。在冰凍地區的潮濕路段以及其它地區的過分潮濕路段，不宜采用石灰土做基層。在只能采用石灰土時，應采取措施防止水分侵入石灰土層。此外，石灰常與其它結合料(如水泥)一起綜合穩定土，此時，石灰起著一種活化劑的作用。有時，在加石灰的同時，還摻加工業廢

17、渣(粉煤灰、煤渣等)或少量的化學添加劑(如CaCl2、NaOH、Na2CO3等)以改善石灰和土之間的相互作用和石灰穩定土的硬化條件。（三）石灰工業廢渣穩定材料工業廢渣包括：粉煤灰、煤渣、高爐礦渣、鋼渣(已經過崩解達到穩定)及其他冶金礦渣、煤矸石等。一定數量的石灰和粉煤灰或石灰和煤渣與其他集料相配合，加入適量的水(通常最佳含水量)，經拌和、壓實及養生后得到的混合料，當其抗壓強度符合規范規定的要求時，稱石灰工業廢渣穩定材料。 石灰工業廢渣材料可分為兩大類：石灰粉煤灰類和石灰其他廢渣類。用石灰粉煤灰穩定細粒土(含砂)、中粒土和粗粒土時，視具體情況可分別簡稱二灰土、二灰砂礫、二灰碎石、二灰礦渣等。其中

18、砂礫、碎石、礦渣、煤矸石等可能是中粒土也可能是粗粒土，都統稱為集料。 石灰工業廢渣穩定材料同樣是一種經濟實用的筑路材料，具有較優良的性能，可用于各種交通類別道路的基層和底基層。由于以石灰為活性激發劑，石灰工業廢渣為主要膠結材料，早期強度較低，但是后期強度與水泥穩定材料基本類似，因此石灰工業廢渣穩定材料具有良好的力學性能和板體性。石灰工業廢渣穩定材料在溫度、濕度變化時也易產生裂縫，當細顆粒含量高時開裂更為嚴重。石灰工業廢渣穩定材料的抗水損害的能力較水泥穩定同樣材料抗水損害的能力差，但是其在溫度、濕度變化時產生的溫縮、干縮系數較水泥穩定同樣材料的溫縮、干縮系數小。 石灰工業廢渣可適用于各級公路的基

19、層和底基層。但二灰土不應用作高級瀝青路面的基層，而只用作底基層。在高速和一級公路上的水泥混凝土面板下，二灰土也不應用作基層。11.2無機結合料穩定材料力學性能無機結合料穩定材料的強度特性.1水泥穩定材料（一）水泥穩定土的強度作用原理/水泥的水化作用1水泥穩定土的強度作用原理在利用水泥來穩定土的過程中，水泥、土和水之間發生了多種非常復雜的作用，從而使土的性能發生了明顯的變化。這些作用可以分為：（1）化學作用：如水泥顆粒的水化、硬化作用，有機物的聚合作用，以及水泥水化產物與粘土礦物之間的化學作用等等。（2）物理化學作用：如粘土顆粒與水泥及水泥水化產物之間的吸附作用，微粒的凝聚作用，水及水化產物的擴

20、散、滲透作用，水化產物的溶解、結晶作用等等。（3）物理作用：如土塊的機械粉碎作用，混合料的拌和、壓實作用等等。2水泥的水化作用在水泥穩定土中，首先發生的是水泥自身的水化反應，從而產生出具有膠結能力的水化產物，這是水泥穩定土強度的主要來源。水泥的水化反應簡式如下所示。硅酸三鈣： 硅酸二鈣： 鋁酸三鈣： 鐵鋁酸四鈣： 水泥水化生成的水化產物，在土的孔隙中相互交織搭接，將土顆粒包復連接起來，使土逐漸喪失了原有的塑性等性質，并且隨著水化產物的增加，混合料也逐漸堅固起來。但水泥穩定土中水泥的水化與水泥混凝土中水泥的水化之間還有所不同。這是因為：（1）土具有非常高的比表面積和親水性；（2）水泥穩定土中的水

21、泥含量較少；（3）土對水泥的水化產物具有強烈的吸附性；（4）在一些土中常存在酸性介質環境。由于這些特點，在水泥穩定土中，水泥的水化硬化條件較混凝土中差得多；特別是由于粘土礦物對水化產物中的Ca(OH)2具有極強的吸附和吸收作用，使溶液中的堿度降低，從而影響了水泥水化產物的穩定性；水化硅酸鈣中的C/S會逐漸降低析出Ca(OH)2，從而使水化產物的結構和性能發生變化，進而影響到混合料的性能。因此在選用水泥時，在其它條件相同時，應優先選用硅酸鹽水泥，必要時還應對水泥穩定土進行“補鈣”，以提高混合料中的堿度。（二）離子交換作用/化學激發作用/碳酸化作用1、離子交換作用土中的粘土顆粒由于顆粒細小、比表面

22、積大，因而具有較高的活性，當粘土顆粒與水接觸時，粘土顆粒表面通常帶有一定量的負電荷，在粘土顆粒周圍形成一個電場，這層帶負電荷的離子就稱為電位離子；帶負電的粘土顆粒表面，進而吸引周圍溶液中的正離子，如K+、Na+等，而在顆粒表面形成了一個雙電層結構，這些與電位離子電荷相反的離子就稱為反離子。在雙電層中電位離子形成了內層，反離子形成外層。靠近顆粒的反離子與顆粒表面結合較緊密，當粘土顆粒運動時，結合較緊密的反離子將隨顆粒一起運動，而其它反離子將不產生運動；由此在運動與不運動的反離子之間便出現了一個滑移面。 在硅酸鹽水泥中，硅酸三鈣和硅酸二鈣占主要部分，其水化后所生成的氫氧化鈣所占的比例也較高，可達水

23、化產物的25，大量的氫氧化鈣溶于水以后，在土中形成了一個富含Ca2+的堿性溶液環境。當溶液中富含Ga2+時，因為Ca2+的電價高于K+、Na+等離子，因此與電位離子的吸引力較強，從而取代了K+、Na+，成為反離子，同時Ca2+也雙電層電位的降低速度加快，如圖所示。因而使電動電位減小、雙電層的厚度降低，使粘土顆粒之間的距離減小，相互靠攏，導致土的凝聚，從而改變土的塑性，使土具有一定的強度和穩定度。這種作用就稱為離子交換作用。2、化學激發作用鈣離子的存在不僅影響到了粘土顆粒表面雙電層的結構，而且在這種堿性溶液環境下，土本身的化學性質也將發生變化。土的礦物組成基本上都屬于硅鋁酸鹽，其中含有大量的硅氧

24、四面體和鋁氧八面體。在通常情況下，這些礦物具有比較高的穩定性，但當粘土顆粒周圍介質的PH值增加到一定程度時，粘土礦物中的部分SiO2和Al2O3的活性將被激發出來，與溶液中的Ca2+進行反應，生成新的礦物，這些礦物主要是硅酸鈣和鋁酸鈣系列，如 、 、 、 等，這些礦物的組成和結構與水泥的水化產物都有很多類似之處，并且同樣具有膠凝能力。生成的這些膠結物質包裹著粘土顆粒表面，與水泥的水化產物一起，將粘土顆粒凝結成一個整體。因此，氫氧化鈣對粘土礦物的激發作用，將進一步提高水泥穩定土的強度和水穩定性。3、碳酸化作用水泥水化生成的Ca(OH)2，除了可與粘土礦物發生化學反應外，還可以進一步與空氣中的CO

25、2發生碳化反應并生成碳酸鈣晶體。其反應如下：碳酸鈣生成過程中產生體積膨脹，也可以對土的基體起到填充和加固作用；只是這種作用相對來講比較弱，并且反應過程緩慢。.2石灰穩定材料（一）緒論/離子交換作用/氫氧化鈣的碳酸化反應1、緒論石灰加入土中后，由于石灰與土的相互作用，使土的性質得到了改善，以滿足工程的要求。在初期，主要表現在土的結團，塑性降低，最佳含水量的增加和最大干密度的減小等。在后期，由于結晶結構的形成，提高了板體性、強度和耐久性。土是由許多顆粒(包括粘土膠體顆料)組成的分散體系，它的化學組成和礦物成分很復雜。所以石灰加入土中后，除了產生物理吸附作用外，還要產生復雜的物理化學作用和化學作用。

26、作用的程度與外界因素(濕度、溫度等)有關，因濕度、溫度的不同而有差異，因此，對石灰穩定土作用原理的研究是一個復雜的綜合性課題。國內外研究資料表明，石灰與土的作用可以歸納為以下四種反應過程。2、離子交換作用石灰加入土中后，氫氧化鈣能夠溶解于水，所以其進入溶液內并離解成帶正電荷的鈣離子和帶負荷的氫氧根離子。Ca(OH)2Ca2+2OH- 同樣，石灰中的氫氧化鎂離解成鎂離子和氫氧根離子。當土中的粘土膠體顆粒的擴散層大都是一價的K+、Na+等離子時，由離子Ca2+和Mg2+與土的吸附綜合體中的低價陽離子K+、Na+進行交換作用。交換的結果使得膠體擴散層的厚度減薄，電動電位降低，使范德華引力增大，顆粒之

27、間結合得更緊密，這樣就加強了石灰土的凝聚結構，其結果導致土的分散性、濕坍性和膨脹性降低。這種離子交換作用，在初期進行得很迅速，隨著Ca2+和Mg2+離子在土中的擴散逐步地進行，這是土加入石灰后初期性質得到改善的主要原因。3、氫氧化鈣的碳酸化反應石灰加入土中后，氫氧化鈣從空氣中吸收水分和二氧化碳可以生成不溶解的碳酸鈣，此種反應稱為氫氧化鈣的碳酸化反應，簡稱碳化反應。其化學反應式為：Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O 碳酸化反應實際上是二氧化碳與水形成碳酸，然后與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣，所以這種反應不能在沒有水分的全干狀態下進行。碳酸鈣是具有較高的強度和水穩性的結晶體。

28、碳酸鈣晶粒或是互相共生，或與土粒等共生，從而對土起到一種膠結作用，使土得到加固。此外，當發生碳化反應時，碳酸鈣固相體積比氫氧化鈣固相體積要稍有增大。使石灰土更加緊密。從而使它堅固起來。石灰土的碳化反應主要取決于環境中二氧化碳的濃度，CO2可能由混合料的孔隙滲入，或隨雨水滲入，也可能由土本身產生，但數量不多，所以碳酸化反應是一個最慢的過程，特別是當表面生成一層碳酸鈣層后，阻礙CO2進一步滲入。因此，碳化過程更加緩慢。氫氧化鈣的碳酸化反應是個相當長的緩慢的反應過程，也是形成石灰土后期強度的主要原因之一。（二）火山灰反應/氫氧化鈣的結晶反應/總述1、火山灰反應石灰加入土中后，氫氧化鈣與土中的活性氧化

29、硅和氧化鋁作用，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。此種反應稱為火山灰反應。其反應式為：活性SiO2+xCa(OH)2+mH2OxCaOSiO2nH2O活性AI2O3+xCa(OH)2+mH2OxCaOAI2O3nH2O 生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣的化學組成是不固定的，其類型和結晶程度不僅與石灰土中CaO/SiO2或CaO/Al2O3的比值有關，而且與溫度、濕度等有關。它們具有水硬性，是一種強度較高、水穩性較好的反應生成物。由于它們的形成、長大以及晶體之間互相接觸和連生，使得土顆粒之間的聯結得到加強，即增加了土顆粒之間的固化凝聚力，因此提高了石灰土的強度和水穩定性，并促使石灰土在相當長的時期內增長強

30、度。2、氫氧化鈣的結晶反應石灰加入土中后，氫氧化鈣溶解于水，形成Ca(OH)2的飽和溶液，隨著水分的蒸發和石灰土反應的進行，特別是石灰劑量較高時，有可能會引起土中溶液某種程度的過飽和。Ca(OH)2晶體即從過飽和溶液中析出，從而產生Ca(OH)2的結晶反應。其反應可用下式表達。Ca(OH)2+nH2OCa(OH)2nH2O此種反應使Ca(OH)2由膠體逐漸成為晶體，晶體相互結合，并與土粒等結合起來形成共晶體。結晶的Ca(OH)2溶解度較小(其溶解度與不定形的Ca(OH)2相比，幾乎小一半)，因而促使石灰土強度和水穩定性有所提高。3、總述綜上所述，石灰土強度提高的主要原因是石灰土中的離子交換反應

31、以及石灰、石灰與土發生化學反應的結果。在石灰土的四種不同反應中，離子交換反應的速度快，它們發生在石灰加入土中后的較短一段時間內，是石灰土初期發生的主要反應。石灰土的離子交換反應首先使得土的凝聚結構得到了加強，從而改善了土的初期性質。而后三種化學反應即氫氧化鈣的碳酸化反應、火山灰反應和氫氧化鈣的結晶反應，主要生成以下幾種結晶程度不一的反應生成物：碳酸鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和氫氧化鈣等。隨著這些結晶體的大量生成，使石灰土的結構進一步強化。在石灰土的硬化過程中，生成的晶體彼此交叉、接觸，在土粒之間由于晶體連生而形成了牢固的結晶結構網。結晶結構不同于凝聚結構的地方在于粒子之間的相互作用力不是分子間

32、力，而是化學鍵力，因而其具有大得多的強度。由于作用力性質的變化，所以結晶結構網破壞以后不具有觸變復原的性能。由此可見，石灰或石灰與土的化學反應對強度的影響更為顯著，它們貫穿著石灰土強度發展始終。當然，三種化學反應在石灰土硬化過程中所起的作用又有所不同，火山灰反應是在長時期范圍內繼續獲得強度的一種反應，這種反應引起強度的增長隨著土的類型和氣候不同而有很大的變化。反應最慢的是氫氧化鈣的碳酸化反應，它是石灰土后期強度繼續增長的主要原因之一。.3石灰工業廢渣穩定材料（一）粉煤灰粉煤灰是以煤為燃料的火力發電廠排出的一種工業廢料。在火力發電廠的鍋爐中，磨成一定細度的煤粉在11001600的高溫下劇烈燃燒，

33、其不可燃燒部分隨尾氣排出，經收塵器收集下來的細灰就稱為粉煤灰。煤粉在高溫燃燒過程中，煤粉中所含的粘土質礦物呈熔化狀態，在表面張力的作用下形成液滴，當隨尾氣排出爐外時，由于經受急速冷卻，而形成粒徑為150微米的球形顆粒。并且由于煤粉中某些物質的分解、揮發產生氣體，而使熔融的玻璃顆粒形成空心的玻璃球，有時玻璃球的球壁還呈蜂窩狀結構，因此粉煤灰的密度要比同礦物組成的其它礦物小得多，通常在19002400Kg/m3左右，松散密度為6001000Kg/m3左右，比表面積在27003500cm3/g；高鈣粉煤灰密度較大，一般為25002800Kg/m3，松散容重為8001200Kg/m3。粉煤灰顆粒除了空

34、心玻璃球狀外，還有開口的大顆粒，以及空心玻璃球中包裹著魚卵裝的許多小顆粒，也有的細小而致密的顆粒在煙氣中相互撞擊，粘結而成葡萄狀的組合顆粒等等。 粉煤灰隨著含碳量和鐵含量的不同，顏色可以由灰白到黑色，其外觀和顏色均與水泥類似，使用過程中應注意加以區分，避免錯用。根據收塵的方法不同，粉煤灰的生產又分為干排法和濕排法，干排法是利用壓縮空氣輸送除塵器收集下來的粉煤灰,，濕排法是利用水進行輸送。干排粉煤灰顆粒較細，活性較高；而濕排粉煤灰顆粒粗大，同時由于部分活性成分已先行水化，因此活性較低。（二）粉煤灰的顆粒組成與性能粉煤灰的顆粒組成是影響粉煤灰質量的主要指標。粉煤灰的粒徑分布與原煤種類、煤粉細度以及

35、燃燒條件等有關。當在水泥漿中加入部分粉煤灰時，由于球形粉煤灰顆粒可以在水泥漿中起到潤滑作用，因此可以起到降低用水量的作用。粉煤灰中表面光滑的球形顆粒含量越多，其需水量就越小。通常認為，粉煤灰顆粒越細，其球形顆粒含量越高，組合顆粒越少，因此需水量較小；同時粉煤灰顆粒較細時，其比表面積較大，水化反應界面增加，因此活性較高。當粉煤灰平均粒徑較大，組合顆粒又多時，其需水量必然增加，同時活性也下降。一般認為，粒徑范圍在530微米的粉煤灰顆粒，其活性較好。我國規定，粉煤灰的細度以80微米的方孔篩上的篩余量不大于8為宜。當粉煤灰顆粒較粗時，可以進行粉磨，將粗大多孔的組合顆粒打碎，使粒徑減小、比表面積增加；而

36、較細的球形顆粒由于很難磨碎，仍保持原來的形狀，因此通過粉磨可以有效的改善粉煤灰的質量。同時也可以將大于0.2mm的粉煤灰顆粒作為集料使用。（三）粉煤灰的化學組成粉煤灰的化學組成主要為氧化硅、氧化鋁，兩者總含量可達60以上，我國大多數粉煤灰的化學成分如下：粉煤灰的化學組成 表11-3 成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3 燒失量含量(%)40601540310250.52.5<2120粉煤灰的化學成分屬于CaO-Al2O3-SiO2體系，但隨著煤種、煤粉細度以及燃燒條件的不同，粉煤灰的化學成分也有較大的波動。粉煤灰的活性取決于Al2O3、SiO2的含量。美國、印度、土耳其、韓

37、國等國家的粉煤灰規范中，對低鈣粉煤灰中的SiO2+Al2O3+Fe2O3含量都規定為不小于70，日本規范中規定SiO2的含量應在45以上。我國的粉煤灰中SiO2+Al2O3+Fe2O3含量都大于70。粉煤灰中的CaO過去常認為是次要組分，并不重視。近十年來，對它的重要性才有了較明確的認識。CaO對粉煤灰的活性極為有利，有些粉煤灰由于原料特殊，其中CaO含量可達3445，加水后粉煤灰可自行水化。通常CaO含量在5以下的粉煤灰稱為低鈣粉煤灰；CaO含量在515之間的粉煤灰稱為中鈣粉煤灰；CaO含量在15以上的粉煤灰稱為高鈣粉煤灰。有時為了生產高鈣粉煤灰，在煤粉燃燒時，甚至可以采用“人工增鈣”的方法

38、。在低鈣粉煤灰中，CaO基本上固溶于玻璃相中，在高鈣粉煤灰中，CaO除大部分被固溶外，還有一部分是以游離態存在的。在低鈣粉煤灰中，CaO含量雖然不多，但與CaO結合的富鈣玻璃相的活性仍明顯提高；在高鈣粉煤灰中，游離的CaO可以起到激發玻璃相活性的作用，但游離CaO通常呈死燒狀態，有時會引起安定性不良。 粉煤灰的燒失量主要是指粉煤灰中未燃盡的煤的含量，通常用粉煤灰在9001000下，灼燒30分鐘后的重量損失表示。燒失量過大，說明燃燒不充分，對粉煤灰的質量影響較大。由于炭粒粗大、多孔，具有較強的飽水能力，且炭粒的大氣穩定性較差，當粉煤灰中的含碳量大時，其需水量也必然增加，而使材料的強度下降、收縮增

39、加，耐久性下降。并且未燃盡的煤粉遇水后會在表面形成一層憎水層阻礙水分向粉煤灰內部的滲入，從而影響到粉煤灰的水化反應。同時炭粉也是造成材料體積變化和大氣穩定性差的原因。我國規定，粉煤灰的燒失量不應大于8，過大時可用浮選法等處理，以改善質量。 粉煤灰中水分的存在往往會使其活性降低，易于結團。因此應加以控制，使用前也應進行測定。濕排粉煤灰中含水量可達45以上，露天堆放的干排粉煤灰，為了避免揚塵，常進行灑水，使粉煤灰的含水量增加。（四）石灰粉煤灰的水化活性粉煤灰的活性是指粉煤灰的火山灰性質。天然的或人造的火山灰材料，本身并無膠凝性能。但是，常溫下當有水存在時，這些粉狀材料能與石灰發生化學反應，生成具有

40、膠凝性能的水硬性水化產物，材料的這一性能稱為火山灰性質。從粉煤灰的化學組成可以看出，粉煤灰和硅酸鹽水泥同屬于SiO2-Al2O3-CaO系統，性能上有很多相似之處；粉煤灰中玻璃相也是在高溫下形成的亞穩相，因此在適當條件下，也具有通過水化而向穩定相轉化的趨勢。 由于粉煤灰中的CaO含量較少，所以通常不能自行水化。但在適宜的激發條件下，粉煤灰的活性可以發揮出來，激發條件包括生石灰、熟石灰、水泥水化生成的Ca(OH)2、石膏、堿性物質等，特別是Ca(OH)2，由于活性非常高，因此對粉煤灰具有明顯的激發效果。其主要的反應如下：（a）CaO+H2OCa(OH)2（b）Ca(OH)2+CO2CaCO3+H

41、2O（c）Ca(OH)2+SiO2+H2OxCaOySiO2zH2O（c）Ca(OH)2+Al2O3+H2OxCaOyAl2O3zH2O（d）Ca(OH)2+SiO2+Al2O3+H2OxCaOyAl2O3zSiO2wH2O（e）Ca(OH)2+SO42-+Al2O3+H2OxCaOyAl2O3zCaSO4wH2O（五）粉煤灰的技術要求a含碳量含碳量粉煤灰的含碳量是用800900下的燒失量來表示的。由于粉煤灰中碳含量過多會影響粉煤灰的活性，所以規范中規定粉煤灰的燒失量不應超過20。美國的一些州規定粉煤灰的燒失量不得超過10，而我國一些地區的粉煤灰雖然燒失量高達18，但與石灰一起穩定集料和土，仍

42、能達到規定的強度要求。b氧化物含量氧化物含量是指粉煤灰中的SiO2、Al2O3、Fe2O3在粉煤灰中的總含量。粉煤灰中的氧化物含量對二灰混合料的強度有明顯影響，因此規范中規定氧化物含量應大于70。c細度粉煤灰的顆粒細度直接影響與石灰和水泥混合后，反應的速度和反應生成物的數量，從而影響混合料的強度，粉煤灰的顆粒越細，比表面積越大，粉煤灰的活性越強，從而混合料也就越高；規范中規定粉煤灰的比表面積宜大于2500m2/g。d含水量粉煤灰在儲存和運輸過程中，為了防止揚塵造成污染，經常會灑入適量的水。如粉煤灰的含水量過多，易造成粉煤灰活性降低和混合料計量上的不準確；規范中規定粉煤灰的含水量不易超過35。溫

43、度與時間對無機結合料穩定材料強度的影響（一）無側限抗壓強度試驗/試件制備/強度測試無側限抗壓強度試驗的主要目的是通過測試無機結合料穩定材料試件的無側限抗壓強度是否滿足需要，以確定所需的結合料劑量。1、 試件制備無側限抗壓強度試驗都采用高:直徑1:1的圓柱體試件，采用靜力壓實法制備試件；根據土的最大粒徑不同，采用不同尺寸的試模：細粒土：試模的直徑×高50mm×50mm；中粒土：試模的直徑×高100mm×100mm；粗粒土：試模的直徑×高150mm×150mm。對于同一組無機結合料劑量的混合料，每組所需制備的試件數量（即平行試驗的數量）與

44、土的種類及操作的水平有關。對于無機結合料穩定細粒土，每組至少應制備6個試件；對于無機結合料穩定中粒土和粗粒土，每組至少應分別制備9和13個試件。 試件制備時，首先稱取一定量的風干的土樣，按最佳含水量計算出所需加水量，將水均勻的灑在土樣中，重復拌和均勻后，放在密閉的容器中浸潤備用，浸潤時間與擊實試驗相同。 在浸潤后的試料中，按預定的水泥劑量，摻入水泥并充分拌和均勻，同樣應在1小時內制備成試件，否則應予以作廢。根據試件的大小，稱取一定質量的試料，稱取質量 ，式中d 為混合料的干密度， 為試件體積V， w為混合料的含水量。 將試模的下壓柱放在試模的下部，但需外露2cm左右，將稱好的試料按規定方法倒入

45、試模中，并均勻插實，然后將上壓柱放入試模中，也外露2cm左右。將這個試模，包括上下壓柱，放在反力框架內的千斤頂上或壓力機上，加壓直到上下壓柱都壓入試模中為止，維持壓力1分鐘。解除壓力后，取下試模進行脫模；用水泥穩定有粘結性的材料時，制件后可以立即脫模，用水泥穩定無粘結性的材料時，最好過幾小時后再脫模，以確保試件不在脫模過程中破壞。2、 強度測試試件從試模中脫出并稱量后，應立即放到密封濕氣箱和恒溫室中進行保溫養生，但大、中試件應先用塑料薄膜包復。養生時間視需要而定，作為工地控制，通常都只取7天。整個養生期間的溫度，在北方地區應保持20，在南方地區應保持25±2。養生期的最后一天，應將試

46、件浸泡在水中進行養護，浸泡前應再次稱量試件的質量。在養生期間，試件的質量損失應符合下列規定：小試件質量損失不超過1克，中試件質量損失不超過4克，大試件質量損失不超過10克，超過此規定的試件應予以作廢。 將已浸水一晝夜的試件從水中取出，吸干試件表面的可見自由水，并稱量試件的質量和高度。將試件放在材料強度試驗儀上，以1mm/min的變形速度進行加載，記錄試件破壞時的最大壓力P（N）。從破壞的試件內部取有代表性的樣品測定其含水量。（二）結果分析試件的無側限抗壓強度Rc采用下列相應公式進行計算：對于小試件： 對于中試件： 對于大試件： 式中：A為試件截面積。 計算出試驗結果的平均值 和偏差系數CV（）

47、，在若干次平行試驗中的偏差系數應符合下列規定，對于不符合規定的應重新做，并應增加平行試件數量。表11-4 試件尺寸小試件中試件大試件CV（）不大于101520取試件平均強度 ，滿足如下公式的試件中的最小劑量，作為穩定土所需的無機結合料劑量：式中：Rd為設計抗壓強度，其值見下表；Cv為試驗結果的偏差系數（以小數計）；Z為標準正態分布表中，隨保證率（或稱置信度）而變的系數：對于高速公路和一級公路應取保證率為95，相應Z1.645；一般公路應取保證率為90，相應Z1.282。不同穩定材料的強度標準如表115117。水泥穩定土的強度標準 表115 公路等級一級和高速公路二級和二級以下公路使用的層位基層

48、底基層基層底基層抗壓強度（MPa）351.52.52.531.52.0注：設計累計標準軸次小于12×106的高速公路用低限值；設計累計標準軸次大于12×106的高速公路用中限值；主要行駛重載車輛的高速公路應用高限值。某一高速公路應采用一個值，而不是某一個范圍。 二級以下公路用低限值；二級公路用中限值；主要行駛重載車輛的公路應用較高的值。某一具體公路應采用一個值，而不是某一個范圍。石灰穩定土的強度標準(MPa) 表11-6公路等級二級和二級以下公路高速和一級公路基層0.8 0.8底基層0.50.7注：在低塑性土(塑性指數小于7)地區，石灰穩定砂礫土和碎石土的7天浸水抗壓強度應

49、大于0.5MPa(100g平衡錐測液限)。 低限用于塑性指數小于7的粘性土，高限用于塑性指數大于7的粘性土。二灰混合料的強度標準(MPa) 表11-7公路等級二級和二級以下公路高速和一級公路基層0.60.8 0.81.1 底基層0.50.6注：設計累計標準軸次小于12106的高速公路用低限值；設計累計標準軸次大于12106的高速公路用中限值；主要行駛重載車輛的高速公路應用高限值。某一高速公路應采用一個值，而不是某一個范圍。（三）環境溫度的影響、齡期的影響1、環境溫度的影響環境溫度起高，無機結合料穩定材料內部的化學反應就越快和越強烈，因此其強度也越高。試驗證明，無機結合料穩定材料的強度在高溫下形

50、成和發展得很快，當溫度低于5到0時無機結合料穩定材料的強度就難于形成和基本上沒有增長。而當溫度低于0時，如無機結合料穩定材料遭受反復凍融，其強度還可能下降，在伴隨有自由水侵入的情況下，無機結合料穩定材料甚至會遭受破壞。 因此，無機結合料穩定材料基層應在溫度大于5的條件下進行施工，并在第一次冰凍（-3-5）到來之前半個月（水泥穩定土）到一個月（石灰穩定土和石灰粉穩定土）停止施工。2、齡期的影響無機結合料穩定材料的化學反應要持續一個相當長的時間才能完成。即使是早期強度高的水泥穩定土，在水泥終凝后，水泥混合料的硬結過程也常延續到一至兩年以上。因此，在大致相同的環境溫度下，無機結合料穩定材料的強度和剛

51、性（回彈模量或彈性模量）都隨齡期而不斷增長。尤其是具有慢凝性質的石灰粉煤灰穩定材料和石灰穩定材料的硬結過程相當長。 由于材料的強度不僅與材料品種有關，而且與試驗與養生條件有關。根據公路工程無機結合料穩定材料試驗規程的規定，材料組成設計以7天的無側限抗壓強度為準。而路面設計中不僅要求材料的抗壓彈性模量，而且要求材料的抗拉強度或間接抗拉強度（劈裂強度）、材料在標準條件下參數及在現場制件條件下的參數、材料強度與模量與時間的變化關系等。所以一般規定水泥穩定材料設計齡期為三個月，石灰或二灰穩定材料設計齡期六個月。11.3無機結合料穩定材料的疲勞性能無機結合料穩定材料疲勞強度的試驗方法由于無機結合料穩定材

52、料的抗拉強度遠小于其抗壓強度，路面結構在交通荷載的重復作用下的破壞類型主要為彎拉破壞，因此路面結構設計主要由材料的抗彎拉疲勞強無機結合料穩定材料疲勞強度的試驗方法無機結合料穩定材料抗拉強度試驗方法主要有直接抗拉試驗、劈裂試驗和彎拉試驗。常用的疲勞試驗有彎拉疲勞試驗和劈裂疲勞試驗，目前主要采用彎拉疲勞試驗。對劈裂強度試驗，分有壓條與無壓條兩種。無壓條時：對于小試件，其劈裂強度計算公式為： 對于中試件，其劈裂強度計算公式為： 對于大試件，其劈裂強度計算公式為： 有壓條時：對于小試件，其劈裂強度計算公式為： 對于中試件，其劈裂強度計算公式為： 對于大試件，其劈裂強度計算公式為： 對梁式試件，應首先測

53、定材料的彎拉強度，根據不同的重復應力與極限強度之比(f/s)由疲勞試驗得到疲勞壽命Nf，再通過回歸就可得到某種材料的疲勞方程。疲勞試驗的數據處理無機結合料穩定材料的疲勞壽命主要取決于材料品種和重復應力與極限強度之比(f/s)，通常認為，當f/s小于50%，可經受無限次重復荷載作用而不會出現疲勞斷裂，一般設定的重復應力與極限強度之比(f/s)大于0.5。疲勞性能通常用f/s與達到破壞時重復作用次數(Nf)繪制的散點圖來說明。f/s與Nf之間關系通常用雙對數疲勞方程(lgNf=a+blgf/s)及單對數疲勞方程(lgNf=a+bf/s)表示。根據試驗不同的無機結合料穩定材料不同概率水平下的疲勞方程

54、如下。水泥碎石：50%概率水平： 95%概率水平： 二灰砂礫：50%概率水平： 95%概率水平： 石灰土：50%概率水平： 95%概率水平： 水泥土：50%概率水平： 95%概率水平： 二灰土：50%概率水平： 95%概率水平： 以上公式表明在一定的應力條件下材料的疲勞壽命取決于：（1）材料的強度和剛度。強度愈大、剛度愈小，其疲勞壽命就愈長。（2）由于材料的不均性，無機結合料穩定材料的疲勞方程還與材料試驗的變異性有關。不同的保證率(到達疲勞壽命時出現破壞的概率)得出的不同的疲勞方程也不同。（4）石灰粉煤灰穩定材料的疲勞曲線都位于水泥砂礫疲勞曲線之上。它說明石灰粉煤灰穩定的抗疲勞性能優于水泥砂礫

55、，或在相同應力水平下，前者能承受更多的荷載反復作用次數。（5）石灰粉煤灰穩定材料疲勞關系線的斜率略小于水泥砂礫的疲勞關系線。它說明，應力水平的少量變化，對石灰粉煤穩定材料的疲勞壽命影響更大。11.4無機結合料穩定材料的干縮與溫縮總述水泥（石灰或石灰粉煤灰）與各種細料土（中粒土或粗粒土）和水經拌和、壓實后，由于蒸發和混合料內部發生水化作用，混合料的水分不斷減少。由于水的減少而發生的毛細管作用、吸附作用、分子間力的作用、材料礦物晶體或凝膠間層間水的作用和碳化收縮作用等會引起無機結合料穩定材料產生體積收縮。由于水泥水化作用混合料水分減少而產生的收縮約占總收縮的17%。無機結合料穩定材料產生體積干縮的

56、程度或干縮性（最大干縮性應變和平均干縮系數）的大小與下述一些因素有關：結合料的含量、小于0.5mm的細土含量和塑性指數、小于0.002mm的粘粒含量和礦物成分、制作（室內試件）含水量和齡期等。 描述材料干縮（或溫縮）主要用干縮（或溫縮）應變、干縮系數、干縮（或溫縮）量、失水量、失水率和平均干縮（或溫縮）系數。 干縮（或溫縮）應變(d 或t )是水份損失（或溫度改變）引起試件單位長度的收縮量(×-6)； 干縮系數（d ）是某失水量時，試件單位失水率的干縮應變(×-6)； 平均干縮（或溫縮）系數（ 或 ）是某失水量時，試件的干縮（或溫縮）應變與試件的失水量之比(×-6/w)；失水量（w ）是試件失