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

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(fā)展。

減少路面早期損壞，延長路面使用壽命。供車輛安全、平穩(wěn)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(yè)廢渣

半剛性基層壓實、養(yǎng)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（半剛性基層瀝青路面）

設計理論體系（指標與方法）抗裂性不足導致面層反射裂縫沖刷能力不足導致面層唧漿、松散強度不足導致面層疲勞破壞半剛性基層在具有顯著技術、經濟優(yōu)勢的同時，存在下列突出問題。半剛性基層的“問題”強度高且容易開裂半剛性基層容易發(fā)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。長安大學自“八五”開始至今，近二十年長期對半剛性基層的抗裂性、強度形成機理以及綜合性能改善等方面開展了大量研究和實踐，發(fā)現：半剛性基層性能改善的經濟、有效途徑在于改進材料的組成設計。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題半剛性基基層的可可設計強強度值域域很寬:0.5~12MPa半剛性基基層材料料的強度度不僅靠靠結合料料的劑量量,更應應要靠良良好的集集料級配配.在一定條條件下可可以做到到高強又又不開裂裂.高強度半半剛性材材料應該該是結構構設計的的要求的的結果,而且應應該是有有界限的的.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）＞2.8～10.51.7～3.50.7～1.70.35～1.05≤0.7彎拉模量（×103MPa）7～2173.5～7＜3.51.4水泥劑量（干土重%）≤57910≥13水泥穩(wěn)定定土的無無側限抗抗壓強度度和彎拉拉模量收縮開裂裂問題溫度或干干燥收縮縮是材料料的“天天性”。。及時的保保濕養(yǎng)生生可以避避免干燥燥收縮裂裂縫。控制細料料含量可可以顯著著減小溫溫度收縮縮開裂可可能。干縮系數數溫縮系數數成分收縮系數（×10-6）水泥石10～20集料花崗巖7～9玄武巖6～8石灰石6白云石7～10砂巖11～12水泥石和和集料的的收縮系系數沖刷問題題半剛性基基層表面面的非緊緊密聯(lián)結結的細料料在動水水壓力泵泵吸作用用下的脫脫離是形形成沖刷刷的主要要原因。。不產生或減小小沖刷途徑：：減少細料含量量增加結合強度度消減動水壓力力沖刷試驗結果果圖4-18水泥砂礫（6%）、水泥土（（6%）在相同作用用力相同時間間不同頻率下下沖刷曲線圖4-20水泥砂礫（6%）、水泥土（（6%）在相同作用用頻率、相同同作用時間不不同作用力下下沖刷曲線沖刷試驗疲勞問題半剛性基層材材料是一應力力敏感性材料料：疲疲勞曲曲線較為平緩緩超載對半剛性性基層的壽命命影響要更大大于瀝青面層層同樣應力比條條件下，半剛剛性基層比普普通瀝青面層層具有更長的的疲勞壽命。。半剛性基層層的長壽命路面基層一般般要求應具有足夠的的強度和穩(wěn)定定性；在冰凍地區(qū)應應具有一定的的抗凍性；應具有較小的的收縮（溫縮縮及干縮）變變形；較強的抗沖刷刷能力。材料組成設計計目標材料組成設計計新方法———多指標：適宜強度較小收縮較小沖刷材料組成設計計新理念———考慮結構：：結構決定性能能試驗手段振動壓實倡導室內振動動壓實成型目目的-適應多粒料材材料的壓實保持設計級配配符合現場壓實實狀態(tài)減小試驗結果果偏差振動壓路機結結構振動壓路機結結構示意圖1—手動葫蘆2—機架3—導向柱4—上車系統(tǒng)5—偏心塊6—減振塊7—下車系統(tǒng)8—壓頭9—鋼模套環(huán)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實成型設備示示意圖室內振動壓實實機結構振動法、靜壓壓法含水量變變化情況對比比——反映了振動壓壓實功與靜力力壓實功的一一致性振動法、靜壓壓法集料破碎碎情況對比靜壓法振動法振動法確定壓壓實標準試驗驗方法一、目的和和適用范圍圍本試驗方法法適用于在在室內對水水泥、石灰灰、石灰粉粉煤灰穩(wěn)定定粒料土基基層材料進進行振動壓壓實試驗，，以確定這這些材料的的含水量—干密度關系系曲線，確確定其最佳佳含水量和和最大干密密度。試驗驗集料的最最大粒徑應應控制在31.5mm以內，最大大不得超過過37.5mm。二、儀器設設備三、試料準準備四、試驗步步驟五、計算及及制圖振動法成型型試件試驗驗方法一、目的和和適用范圍圍本試驗方法法適用于采采用振動壓壓實方法成成型無機結結合料穩(wěn)定定粒料的各各種試件，，其中包括括用于測試試無側限抗抗壓強度、、間接抗拉拉強度和抗抗壓回彈模模量的圓柱柱體試件和和用于溫縮縮系數、干干縮系數、、抗折強度度以及抗折折回彈模量量測試的梁梁式試件。。二、儀器設設備三、試料準準備四、試件制制作步驟五、注意事事項及相關關說明1—溫度補償片片2—溫度補償應應變片3—屏蔽線4—接線柱5—應變儀6—測試應變片片7—試件收縮系數測測試接線示示意半剛性基層層材料收縮縮方法1—計算機2—接口線3—接線柱4—應變儀5—屏蔽線6—環(huán)境箱7—試件8—應變片收縮系數測測試系統(tǒng)溫縮系數測測定試驗溫縮系數測測定方法一、目的和和適用范圍圍水泥、石灰灰等無機結結合料穩(wěn)定定細粒土或或粒料所形形成的半剛剛性基層材材料的溫度度收縮性能能通常用溫溫度收縮系系數表征。。材料的溫溫度收縮系系數是指下下降單位溫溫度條件下下，材料產產生的收縮縮應變量。。本試驗方方法適用于于在室內測測定半剛性性基層材料料的溫度收收縮系數。。二、儀器設設備三、試料準準備四、成型標標準確定五、試件制制備六、試件養(yǎng)養(yǎng)生七、試驗步步驟八、計算各各具體溫度度區(qū)間的溫溫度收縮系系數一、目的和和適用范圍圍水泥、石灰灰等無機結結合料穩(wěn)定定細粒土或或粒料所形形成的半剛剛性基層材材料的干燥燥收縮性能能通常用干干燥收縮系系數表征。。材料的干干燥收縮系系數是指減減少單位含含水量條件件下，材料料產生的干干燥應變量量。本試驗驗方法適用用于在室內內測定半剛剛性基層材材料的干燥燥收縮系數數。二、、儀儀器器設設備備三、、試試料料準準備備四、、成成型型標標準準確確定定五、、試試件件制制備備六、、試試件件養(yǎng)養(yǎng)生生七、、試試驗驗步步驟驟八、、計計算算某某一一具具體體含含水水量量區(qū)區(qū)間間的的干干燥燥收收縮縮系系數數：：干縮縮系系數數測測定定方方法法基層層沖沖刷刷試試驗驗現現有有設設備備狀狀況況1——鋼桶桶2——試件件3——水4——配重重5——振動動臺臺頂頂面面6——振動動臺臺法國國振振動動臺臺試試驗驗裝裝置置澳大大利利亞亞振振動動臺臺試試驗驗裝裝置置1—旋轉轉刷刷2—試件件法國國旋旋轉轉刷刷試試驗驗裝裝置置1——鋼桶桶2——水3——混凝凝土土墊墊塊塊4——試件件5——振動動臺臺頂頂面面6——振動動臺臺利用用MTS進行行沖沖刷刷試試驗驗壓頭頭向向下下運運動動壓頭頭向向上上運運動動室內內沖沖刷刷試試驗驗機機1—機架架2—皮帶帶3—固定定偏偏心心塊塊4—活動動偏偏心心塊塊5—配重重箱箱6—沖刷刷頭頭7—沖刷刷桶桶8—導向向柱柱9—電機機10—框架架11—分動動齒齒輪輪12—配重重塊塊13—水14—試件件15—鋼夾夾道路路沖沖刷刷試試驗驗機機示示意意圖圖激振振力力調調節(jié)節(jié)原原理理示示意意圖圖1—活動動偏偏心心塊塊2—銷孔孔3—固定定偏偏心心塊塊抗沖沖刷刷性性能能試試驗驗方方法法一、、目目的的和和使使用用范范圍圍本試試驗驗方方法法適適用用于于水水泥泥穩(wěn)穩(wěn)定定類類、、石石灰灰穩(wěn)穩(wěn)定定類類、、二二灰灰穩(wěn)穩(wěn)定定類類等等基基層層材材料料進進行行抗抗沖沖刷刷試試驗驗。。本本試試驗驗方方法法包包括括：：按按照照室室內內擊擊實實試試驗驗所所確確定定的的最最大大干干密密度度和和最最佳佳含含水水量量，，采采用用靜靜力力壓壓實實或或振振動動成成型型法法制制備備試試件件，，試試件件為為圓圓柱柱體體，，高高度度與與直直徑徑之之比比為為1∶1。二、、儀儀器器設設備備三、、試試件件形形狀狀、、尺尺寸寸四、、試試料料準準備備五、、壓壓實實標標準準的的確確定定六、、試試件件制制備備七、、試試件件養(yǎng)養(yǎng)生生八、、試試驗驗步步驟驟九、、試試驗驗結結果果處處理理材料種類養(yǎng)生齡期水泥穩(wěn)定類28天二灰穩(wěn)定類90天設計計方方法法設計計方方法法結構構類類型型選選擇擇控制制指指標標、、標標準準選擇擇法法試驗驗法法路面面基基層層類類型型材料料組組成成—水泥泥穩(wěn)穩(wěn)定定類類、、石石灰灰粉粉煤煤灰灰穩(wěn)穩(wěn)定定類類、、水泥泥混混凝凝土土類類、、瀝瀝青青穩(wěn)穩(wěn)定定類類、、無結結合合料料粒粒料料類類；；力學學行行為為—半剛剛性性、、柔柔性性、、剛剛性性；；結構構組組成成—骨架架密密實實結結構構、、骨骨架架孔孔隙隙結結構構、、懸浮密實結構構、均勻密實實結構。V1＜V2V1＝V2V1＞V2提出了結構類類型劃分的物物理概念和檢檢驗標準。提出半剛性基基層材料四種種結構類型：：均勻密實結構構懸浮浮密實結構骨架密實結構構骨架架孔隙結構均勻密實結構構懸浮密密實結構骨骨架密實實結構骨骨架孔隙結結構不同結構類型型半剛性基層層材料粗集料壓密后后的孔隙體積積細集料和結合合料壓密后的的總體積各結構類型基基層的特點懸浮密實型混混合料中的粗粗集料用量一一般在50％％左右，細集集料含量較多多，抗彎拉性性能較好，適適用于各等級級公路的基層層和底基層。。骨架密實型混混合料中的粗粗集料用量一一般在75％％以上，細集集料含量較少少，壓實混合合料的嵌擠強強度較高，抗抗裂性、抗沖沖刷性較好，，宜用于高速速公路和一級級公路的基層層。骨架孔隙結構構型混合料與與骨架密實型型混合料相比比具有較高的的孔隙率，適適用于有較高高路面內部排排水要求的基基層。均勻密實型混混合料建筑費費用較低，可可用作二級及及二級以下公公路路面的基基層或底基層層，不能用作作高速公路和和一級公路的的基層。水泥穩(wěn)定碎石石基層材料體體積參數測定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試驗——級配配粗集料試驗級級配表篩孔孔徑（mm）31.526.519.016.013.29.54.75連續(xù)級配a10088675847300b10087645243260c10085594837220多級嵌擠d10085352015100e1009578271370f1008872645550單級級配g1000h1000i1000x——混合料中水泥泥的用量（g）y——混合料中細料料的用量（g）W粗料——裝滿標準容器器后粗料的質質量（g）ρ水泥、細集料料——水泥、細集料料的最大干密密度（g/cm3）A——混合料中預定定水泥計量（（%）B——通過試驗確定定出的粗集料料空隙體積（（cm3）骨架密實水泥泥穩(wěn)定碎石組組成計算結構類型的選選擇選擇結構類型骨架孔隙結構骨架密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方法半剛性基層材材料混合料組組成設計方法法分兩種，即即選擇法和試試驗法。選擇法選擇法適用于于常見的水泥泥穩(wěn)定碎石、、二灰穩(wěn)定碎碎石材料。對對于這些材料料，當其集料料級配得到改改善，或混合合料結構類型型由懸浮密實實型向骨架密密實型改變后后，其路用性性能也會隨之之改善，當其其強度滿足規(guī)規(guī)范要求后其其他性能也能能滿足相應要要求。試驗法實踐中會因材材料和施工設設備等條件的的變化提出超超出常規(guī)的新新的材料級配配組成；并且且，隨著半剛剛性基層材料料的發(fā)展，在在各地的實踐踐中采用了許許多外加成分分和新材料，，如在混合料料中加入各種種填加劑、纖纖維、早強劑劑以及當地的的工業(yè)廢渣等等。這些材料料使用經驗很很少，僅從7天的抗壓強度度指標難以評評判這些新材材料的其他路路用性能，對對于它們需要要進行充分的的室內試驗論論證其可用性性。選擇法——水水泥穩(wěn)定碎石石懸浮密實結構構水泥穩(wěn)定碎碎石級配范圍圍篩孔尺寸(mm)31.526.519.016.09.54.752.361.180.60.30.150.075上限100100998877493527181372下限100948873572917126420骨架密實結構構水泥穩(wěn)定碎碎石級配范圍圍篩孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150333下限10082564534190細集料上限10010010090592552下限10090755030800骨架孔隙結構構水泥穩(wěn)定碎碎石級配范圍圍篩孔尺寸(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骨架密實型水水泥穩(wěn)定類集集料級配（JTGD50-2006）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10068～8638～5822～3216～288～150～3懸浮密實型水水泥穩(wěn)定類集集料級配（JTGD50-2006）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10090～10060～8029～4915～326～200～5底基層10093～10