1、公路半剛性基層材料結構理論、多指標控制設計方法及工程應用 長安大學 沙愛民 2010 年 04 月09日 基層路基面層基層是公路路面的主要承重層,基層的使用壽命決定著整個公路路面的使用壽命。大背景:公路建設快速發展。 減少路面早期損壞，延長路面使用壽命。供車輛安全、平穩行駛主要起承重作用+拌合、攤鋪水泥 或石灰砂石材料或工業廢渣 半剛性基層壓實、養生 半剛性基層在我國應用極廣，占到基層用量的85%（各級公路基層）至95%（高速公路基層）以上。 圖1 各級公路基層類型 圖2 高速公路基層類型瀝青路面早期損壞成因的“內憂外患”超載問題?施工質量問題?路面結構設計方法問題? 路面結構類型（半剛性基層

2、瀝青路面） 設計理論體系（指標與方法）半剛性基層的“問題”強度高且容易開裂半剛性基層容易發生水損壞半剛性基層的耐久性需要考證 半剛性基層何去何從?半剛性基層強度高抗裂性好抗沖刷性能強 國外對半剛性基層的開裂與沖刷損壞主要是通過增加面層厚度和控制面層的滲水來避免和減少，效果有限，成本較高。 國內曾采取過在基層中通過設置應力吸收層、鋪設土工布、預鋸縫以及封層等方式減少基層自身收縮開裂和沖刷現象以及對面層的影響，效果不明顯，且易引起新的破壞現象。研究內容理論依據試驗手段設計方法工程應用理論依據強度問題半剛性基層的可設計強度值域很寬:0.512MPa半剛性基層材料的強度不僅靠結合料的劑量,更應要靠良好

3、的集料級配.在一定條件下可以做到高強又不開裂.高強度半剛性材料應該是結構設計的要求的結果,而且應該是有界限的.土 類級配良好的礫石-砂-粘土，砂或礫石粉質砂，砂質粘土粉質-砂質粘土，級配差的砂粉土，粉質粘土，級配很差的砂重粘土7d無側限抗壓強度（MPa）2.810.51.73.50.71.70.351.050.7彎拉模量（103MPa）72173.573.51.4水泥劑量（干土重%）5791013水泥穩定土的無側限抗壓強度和彎拉模量 收縮開裂問題溫度或干燥收縮是材料的“天性”。及時的保濕養生可以避免干燥收縮裂縫。控制細料含量可以顯著減小溫度收縮開裂可能。干縮系數成分收縮系數（10-6）水泥石1

4、020集料花崗巖79玄武巖68石灰石6白云石710砂 巖1112水泥石和集料的收縮系數 沖刷問題半剛性基層表面的非緊密聯結的細料在動水壓力泵吸作用下的脫離是形成沖刷的主要原因。不產生或減小沖刷途徑： 減少細料含量 增加結合強度 消減動水壓力沖刷試驗疲勞問題半剛性基層材料是一應力敏感性材料： 疲勞曲線較為平緩 超載對半剛性基層的壽命影響要更大于瀝青面層 同樣應力比條件下，半剛性基層比普通瀝青面層具有更長的疲勞壽命。 半剛性基層的長壽命 路面基層一般要求應具有足夠的強度和穩定性；在冰凍地區應具有一定的抗凍性；應具有較小的收縮（溫縮及干縮）變形；較強的抗沖刷能力。材料組成設計目標材料組成設計新方法多

5、指標： 適宜強度 較小收縮 較小沖刷 材料組成設計新理念考慮結構： 結構決定性能 試驗手段振動壓路機結構振動壓路機結構示意圖1手動葫蘆 2機架 3導向柱 4上車系統 5偏心塊 6減振塊 7下車系統 8壓頭 9鋼模套環 10鋼模 11鋼模底盤 12傳動軸 13電動機 14變頻器 室內振動壓實成型設備示意圖室內振動壓實機結構振動法、靜壓法集料破碎情況對比靜壓法振動法振動法確定壓實標準試驗方法一、目的和適用范圍本試驗方法適用于在室內對水泥、石灰、石灰粉煤灰穩定粒料土基層材料進行振動壓實試驗，以確定這些材料的含水量干密度關系曲線，確定其最佳含水量和最大干密度。試驗集料的最大粒徑應控制在31.5mm以內

6、，最大不得超過37.5mm。二、儀器設備三、試料準備四、試驗步驟 五、計算及制圖振動法成型試件試驗方法一、目的和適用范圍 本試驗方法適用于采用振動壓實方法成型無機結合料穩定粒料的各種試件，其中包括用于測試無側限抗壓強度、間接抗拉強度和抗壓回彈模量的圓柱體試件和用于溫縮系數、干縮系數、抗折強度以及抗折回彈模量測試的梁式試件。二、儀器設備三、試料準備四、試件制作步驟五、注意事項及相關說明 1溫度補償片 2溫度補償應變片 3屏蔽線 4接線柱 5應變儀 6測試應變片 7試件 收縮系數測試接線示意 半剛性基層材料收縮方法 1計算機 2接口線 3接線柱 4應變儀 5屏蔽線 6環境箱 7試件 8應變片 收縮

7、系數測試系統溫縮系數測定試驗溫縮系數測定方法一、目的和適用范圍 水泥、石灰等無機結合料穩定細粒土或粒料所形成的半剛性基層材料的溫度收縮性能通常用溫度收縮系數表征。材料的溫度收縮系數是指下降單位溫度條件下，材料產生的收縮應變量。本試驗方法適用于在室內測定半剛性基層材料的溫度收縮系數。二、儀器設備三、試料準備四、成型標準確定五、試件制備六、試件養生七、試驗步驟八、計算各具體溫度區間的溫度收縮系數 一、目的和適用范圍 水泥、石灰等無機結合料穩定細粒土或粒料所形成的半剛性基層材料的干燥收縮性能通常用干燥收縮系數表征。材料的干燥收縮系數是指減少單位含水量條件下，材料產生的干燥應變量。本試驗方法適用于在室

8、內測定半剛性基層材料的干燥收縮系數。 二、儀器設備三、試料準備四、成型標準確定五、試件制備六、試件養生七、試驗步驟八、計算某一具體含水量區間的干燥收縮系數：干縮系數測定方法基層沖刷試驗現有設備狀況1鋼桶 2試件 3水 4配重 5振動臺頂面 6振動臺 法國振動臺試驗裝置 澳大利亞振動臺試驗裝置 1旋轉刷 2試件法國旋轉刷試驗裝置 1鋼桶 2水 3混凝土墊塊 4試件 5振動臺頂面 6振動臺利用MTS進行沖刷試驗壓頭向下運動壓頭向上運動室內沖刷試驗機 1機架 2皮帶 3固定偏心塊 4活動偏心塊 5 配重箱 6沖刷頭 7沖刷桶 8導向柱 9電機 10框架 11分動齒輪 12配重塊 13水 14試件 1

9、5鋼夾道路沖刷試驗機示意圖激振力調節原理示意圖1活動偏心塊 2銷孔 3固定偏心塊抗沖刷性能試驗方法一、 目的和使用范圍本試驗方法適用于水泥穩定類、石灰穩定類、二灰穩定類等基層材料進行抗沖刷試驗。本試驗方法包括：按照室內擊實試驗所確定的最大干密度和最佳含水量，采用靜力壓實或振動成型法制備試件，試件為圓柱體，高度與直徑之比為11。二、儀器設備三、試件形狀、尺寸四、試料準備五、壓實標準的確定六、試件制備七、試件養生八、試驗步驟九、試驗結果處理材料種類養生齡期水泥穩定類28天二灰穩定類90天設計方法 設計方法結構類型選擇控制指標、標準選擇法試驗法路面基層類型材料組成水泥穩定類、石灰粉煤灰穩定類、 水泥

10、混凝土類、瀝青穩定類、 無結合料粒料類；力學行為半剛性、柔性、剛性；結構組成骨架密實結構、骨架孔隙結構、 懸浮密實結構、均勻密實結構。V1 V2 V1 V2 V1 V2 提出了結構類型劃分的物理概念和檢驗標準。 提出半剛性基層材料四種結構類型： 均勻密實結構 懸浮密實結構 骨架密實結構 骨架孔隙結構均勻密實結構 懸浮密實結構 骨架密實結構 骨架孔隙結構 不同結構類型半剛性基層材料粗集料壓密后的孔隙體積細集料和結合料壓密后的總體積各結構類型基層的特點懸浮密實型混合料中的粗集料用量一般在50左右，細集料含量較多，抗彎拉性能較好，適用于各等級公路的基層和底基層。骨架密實型混合料中的粗集料用量一般在7

11、5以上，細集料含量較少，壓實混合料的嵌擠強度較高，抗裂性、抗沖刷性較好，宜用于高速公路和一級公路的基層。骨架孔隙結構型混合料與骨架密實型混合料相比具有較高的孔隙率，適用于有較高路面內部排水要求的基層。均勻密實型混合料建筑費用較低，可用作二級及二級以下公路路面的基層或底基層，不能用作高速公路和一級公路的基層。水泥穩定碎石基層材料體積參數測定結果試驗項目單位以9.5mm劃分以4.75劃分以2.36劃分粗集料空隙體積cm3409.05724.31760.36細集料部分(含水泥、水)體積cm31981.851345.68990.00混合料結構類型懸浮懸浮懸浮粗集料骨架試驗級配粗集料試驗級配表 篩孔孔徑

12、 （ mm）31.526.5 19.016.013.29.54.75連續級配a10088675847300b10087645243260c10085594837220多級嵌擠d10085352015100e1009578271370f1008872645550單級級配g1000h1000i1000 x 混合料中水泥的用量（g）y 混合料中細料的用量（g） W粗料裝滿標準容器后粗料的質量（g） 水泥、細集料 水泥、細集料的最大干密度（g/ cm3） A 混合料中預定水泥計量（%） B 通過試驗確定出的粗集料空隙體積（cm3）骨架密實水泥穩定碎石組成計算結構類型的選擇選擇結構類型骨架孔隙結構骨架密

13、實結構懸浮密實結構車輛組成道路等級、面層類型氣候條件路用性能檢驗確定混合料配比是否滿足要求推薦使用否是交通量混合料設計方法 半剛性基層材料混合料組成設計方法分兩種，即選擇法和試驗法。 選擇法 選擇法適用于常見的水泥穩定碎石、二灰穩定碎石材料。對于這些材料，當其集料級配得到改善，或混合料結構類型由懸浮密實型向骨架密實型改變后，其路用性能也會隨之改善，當其強度滿足規范要求后其他性能也能滿足相應要求。 試驗法 實踐中會因材料和施工設備等條件的變化提出超出常規的新的材料級配組成；并且，隨著半剛性基層材料的發展，在各地的實踐中采用了許多外加成分和新材料，如在混合料中加入各種填加劑、纖維、早強劑以及當地的

14、工業廢渣等。這些材料使用經驗很少，僅從7天的抗壓強度指標難以評判這些新材料的其他路用性能，對于它們需要進行充分的室內試驗論證其可用性。 選擇法水泥穩定碎石懸浮密實結構水泥穩定碎石級配范圍篩孔尺寸(mm)31.526.519.016.09.54.752.361.180.60.30.150.075上限100100998877493527181372下限100948873572917126420骨架密實結構水泥穩定碎石級配范圍篩孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150333下限100825645

15、34190細集料上限10010010090592552下限10090755030800骨架孔隙結構水泥穩定碎石級配范圍 篩孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150335下限10082564534190細集料上限100100100100844052下限100908575601500 骨架密實型水泥穩定類集料級配 （JTG D50-2006）層位通過下列方篩孔（mm）的質量百分率（%）31.519.09.504.752.360.60.075基層100688638582232162881503懸

16、浮密實型水泥穩定類集料級配 （JTG D50-2006）層位通過下列方篩孔（mm）的質量百分率（%）37.531.519.09.504.752.360.60.075基層1009010060802949153262005底基層10093100759050702950153562005試 驗 法一、原材料二、試驗方法 1. 試件成型方法 2. 抗壓強度 3. 收縮系數測定 4. 抗沖刷性能試驗 三、多指標控制設計指標及標準表81 水泥穩定碎石基層 公路等級指標高速、一級公路二級、二級以下公路抗壓強度（MPa）32收縮系數平均干縮系數（1/%）7010-68510-68010-69510-6平均溫縮系數（1/）（+5515）6.510-67.510-67.510-69.010-630min沖刷量 （g）4252表82 石灰、粉煤灰穩定碎石基層 公路等級指標高速、一級公路二級