無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類混合料

1、6.無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類混合料,定義： 在各種粉碎或原來松散的土、或礦質(zhì)碎（礫）石、或工業(yè)廢渣中，摻入一定數(shù)量的無機(jī)結(jié)合料（如石灰、水泥）及水，經(jīng)拌和得到的混合料，經(jīng)壓實(shí)及養(yǎng)生后，具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在廣義上統(tǒng)稱為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類混合料，或無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土。,★ 路面基層材料的類型粒料類：級(jí)配型集料、填隙碎石結(jié)合料穩(wěn)定類：有機(jī)結(jié)合料——瀝青 無機(jī)結(jié)合料——水泥、石灰

2、、工業(yè)廢渣★ 無機(jī)結(jié)合料石灰穩(wěn)定類水泥穩(wěn)定類水泥石灰穩(wěn)定類石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定類,,,,,,面層,基層,★ 混合料礦質(zhì)碎（礫）石、或工業(yè)廢渣等細(xì)粒土、中粒土、粗粒土★ 結(jié)合料穩(wěn)定類技術(shù)特性 優(yōu)點(diǎn)：整體性強(qiáng)、承載能力大、較為經(jīng)濟(jì) 強(qiáng)度和剛度介于剛性混凝土和柔性粒料材料之間,缺點(diǎn)：耐久性差、平整度低、易產(chǎn)生干縮裂縫、起塵等,主要內(nèi)容無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類混合料的技術(shù)特性——強(qiáng)度形成機(jī)理及其影響因

3、素、收縮特性等無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類混合料的組成設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)法 —擊實(shí)試驗(yàn)、計(jì)算法—填充理論）,6.1 石灰穩(wěn)定土,石灰土：用石灰穩(wěn)定細(xì)粒土得到的混合料石灰穩(wěn)定集料：用石灰穩(wěn)定中粒土和粗粒土得到的混合料石灰砂礫土—天然砂礫土、級(jí)配砂礫（無土）石灰碎石土—天然碎石土、級(jí)配碎石（包括未篩分碎石）結(jié)構(gòu)類型? 骨架密實(shí)式：粒料≈80%? 懸浮式：粒料≤50%,6.1.1 石灰,6.1.1.1石灰的生產(chǎn)、消化與硬化1. 石灰的煅

4、燒：CaCO3→CO2↑＋CaO（生石灰） ① 欠火石灰 ② 過火石灰→陳伏2. 石灰的消化：CaO＋H2O→Ca(OH)2（ 消石灰粉） ① 水化反應(yīng)進(jìn)行速度快 ② 消化時(shí)體積急劇膨脹：過火石灰→陳伏3. 石灰的磨細(xì)——生石灰粉 ① 提高“過火石灰”的利用率 ② 克服“過火石灰”對(duì)體積不安定的危害4. 石灰的硬化：Ca(OH)2 →結(jié)晶硬化

5、 碳酸化硬化：CO2＋Ca(OH)2→ CaCO3? 石灰不宜在長(zhǎng)期潮濕的環(huán)境中或有水環(huán)境中使用,6.1.1.2 石灰的品質(zhì)要求,1）石灰的化學(xué)品質(zhì) ⑴ f-CaO＋ f-MgO含量——判定石灰質(zhì)量 ⑵ CO2含量2）石灰的技術(shù)要求 ⑴ 未消化殘?jiān)?⑵ 細(xì)度——活性 ⑶ 游離水含量3) 石灰的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（教材P191）

6、 ⑴ 建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JC）：優(yōu)等品，一等品和合格品 ⑵ 道路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JTJ034－93）：3個(gè)等級(jí),6.無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類混合料,定義： 在各種粉碎或原來松散的土、或礦質(zhì)碎（礫）石、或工業(yè)廢渣中，摻入一定數(shù)量的無機(jī)結(jié)合料（如石灰、水泥）及水，經(jīng)拌和得到的混合料，經(jīng)壓實(shí)及養(yǎng)生后，具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在廣義上統(tǒng)稱為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類混合料，或無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土。,無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定混合料,半剛性基層材料,,6.1 石灰

7、穩(wěn)定土,石灰土：用石灰穩(wěn)定細(xì)粒土得到的混合料石灰穩(wěn)定集料：用石灰穩(wěn)定中粒土和粗粒土得到的混合料石灰砂礫土—天然砂礫土、級(jí)配砂礫（無土）石灰碎石土—天然碎石土、級(jí)配碎石（包括未篩分碎石）結(jié)構(gòu)類型? 骨架密實(shí)式：粒料≈80%? 懸浮式：粒料≤50%,6.1.2 石灰穩(wěn)定土的技術(shù)性質(zhì),6.1.2.1 石灰穩(wěn)定土的強(qiáng)度1) 強(qiáng)度形成機(jī)理——石灰與細(xì)粒土離子交換反應(yīng)石灰自身硬化火山灰反應(yīng)機(jī)械壓實(shí),離子交換反應(yīng)——石灰

8、中Ca+ +、OH－～土中Na+、K+交換——減薄吸附水膜、土粒聚凝、易于壓實(shí),1) 強(qiáng)度形成機(jī)理——石灰與細(xì)粒土,石灰硬化——膠結(jié)作用CaCO3 → CO2↑＋CaO（生石灰） CaO＋H2O → Ca(OH)2（消石灰）Ca(OH)2 →結(jié)晶硬化 碳酸化硬化：CO2＋Ca(OH)2→ CaCO3,1) 強(qiáng)度形成機(jī)理——石灰與細(xì)粒土,火山灰反應(yīng)復(fù)習(xí)反應(yīng)條件：堿活性激發(fā)劑——

9、Ca(OH)2 ——石灰 活性物質(zhì)——Al2O3 、SiO2——粘土——Al2O3＋H2O ＋Ca(OH)2 → 水化鋁酸鈣——SiO2＋H2O ＋Ca(OH)2 → 水化硅酸鈣,1) 強(qiáng)度形成機(jī)理——石灰與細(xì)粒土,,1）反應(yīng)條件 ⑴ 具有活性物質(zhì)：活性SiO2和活性Al2O3 ⑵ 具有活性激發(fā)劑：激發(fā)活性材料潛在活性的物質(zhì)

10、 Ca(OH)2溶液（堿性激發(fā)劑） CaSO4·2H2O溶液（硫酸鹽激發(fā)劑） 2）反應(yīng)機(jī)理 SiO2＋ Ca(OH)2＋H2O → CaO SiO2·mH2O 不定型水化硅酸

11、鈣（凝膠） Al2O3＋ Ca(OH)2＋H2O→ CaO Al2O3·nH2O 不定型水化鋁酸鈣（凝膠） Al2O3 ＋ CaSO4·2H2O → 水化硫鋁酸鈣（鈣礬石）,火山灰反應(yīng)（又稱二次反應(yīng)）,,機(jī)械壓實(shí)—顆?？繑n、形成緊密穩(wěn)定結(jié)構(gòu)總結(jié)：初期：離子交換 壓

12、實(shí)作用中、后期：氫氧化鈣的結(jié)晶和碳酸化反應(yīng) 火山灰反應(yīng),1) 強(qiáng)度形成機(jī)理,2) 石灰穩(wěn)定土強(qiáng)度的影響因素石灰的質(zhì)量與劑量、土質(zhì)、養(yǎng)生條件與齡期,⑴ 石灰——質(zhì)量（活性：f-CaO含量、細(xì)度） 劑量⑵ 土——粘土礦物成分（Al2O3、SiO2） 比表面積—塑性指數(shù)IP ⑶ 集料 圖6-1 ⑷ 含水量——石灰消

13、解、火山灰反應(yīng) 最佳含水量：壓實(shí)圖6-2 ⑸ 養(yǎng)生條件——溫度、濕度⑹ 齡期——時(shí)間,,圖6-1 礦質(zhì)混合料類型與強(qiáng)度的關(guān)系,單純用石灰穩(wěn)定無粘性或無塑性指數(shù)的集料，效果遠(yuǎn)不如用石灰土穩(wěn)定的效果：石灰穩(wěn)定粉質(zhì)粘土的強(qiáng)度＞石灰穩(wěn)定砂質(zhì)粘土石灰穩(wěn)定砂質(zhì)粘土＞石灰穩(wěn)定均質(zhì)砂,,,在適宜的含水量下壓實(shí)，可以取得最佳的壓實(shí)效果最大干密度→

14、最佳含水量:?壓實(shí)功↑最佳含水量↓最大密實(shí)度↑ ?細(xì)料含量↑最佳含水量↑最大密實(shí)度↓ ?石灰劑量↑最佳含水量↑最大密實(shí)度↓,含水量與干密度的關(guān)系,3) 強(qiáng)度指標(biāo),⑴ 抗壓強(qiáng)度——無側(cè)限抗壓強(qiáng)度配合比設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量控制 ⑵ 劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)計(jì)算與驗(yàn)算 ⑶ 抗折強(qiáng)度,6.1.2.2 收縮特征及其影響因素,1）溫縮：因溫度變化而造成的收縮

15、 ——新生凝膠礦物——熱脹冷縮程度大2）干縮：因含水量變化而造成的收縮 ——新生凝膠礦物——產(chǎn)生干縮的主要因素 圖6-3 ?收縮程度：石灰土＞懸浮式粒料＞密實(shí)式粒料 ?改善措施：選擇材料、控制含水量、施工壓實(shí)、養(yǎng)生條件,6.1.2.3 耐久性,⑴ 收縮裂縫 圖6-4⑵ 水穩(wěn)定性：軟化、沖刷 圖6-5⑶ 抗凍性 石灰土和懸浮式石灰粒料禁止用作高等級(jí)路面

16、的基層 只宜作為高等級(jí)路面的底基層，或一般交通量道路的基層,,砂礫體積率與干縮系數(shù)的關(guān)系,,石灰穩(wěn)定砂礫干縮系數(shù)＜石灰土隨著粒料含量，干縮系數(shù)↓,,,,瀝青路表翻漿,,6.1.3 石灰穩(wěn)定類混合料組成材料的質(zhì)量要求,石灰：3級(jí)以上消石灰 生石灰 (磨細(xì)生石灰——高速公路和一級(jí)公路)土：塑性指數(shù)范圍宜為15～20 硫酸鹽含量不得超過0.8％ 有機(jī)質(zhì)含量不得超過30％集料：級(jí)

17、配碎石、未篩分碎石、砂礫、碎石土、砂礫土、煤矸石、粒狀礦渣 為無塑性指數(shù)的粒料或不含粘土的集料時(shí)：+15％左右粘性土 級(jí)配良好（當(dāng)級(jí)配不好時(shí)，宜外加某種集料改善其級(jí)配） 最大粒徑 壓碎值水,6.1.4 石灰穩(wěn)定類混合料的組成設(shè)計(jì),6.1.4.1 設(shè)計(jì)要求 確定混合料中組成材料比例 石灰土：石灰劑量=石灰質(zhì)量/干土質(zhì)量 石灰集料：石灰：土：碎石（或砂礫） 確定混合料的最大干密度γmax和最佳含水量ω0

18、6.1.4.2 石灰土配合比設(shè)計(jì)方法（實(shí)驗(yàn)法）1）確定石灰土中的石灰劑量2) 石灰穩(wěn)定集料的配合比設(shè)計(jì),,,,,步驟1：確定石灰土的最佳含水量和最大干密度 ⑴ 石灰劑量范圍的確定 ⑵ 石灰土的擊實(shí)試驗(yàn),注：括號(hào)中數(shù)據(jù)為內(nèi)插值試件計(jì)算干密度＝γmax×壓實(shí)度（現(xiàn)場(chǎng)干密度/最大干密度）,擊實(shí)試驗(yàn)及強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果,步驟2：強(qiáng)度檢驗(yàn) ⑴ 試件計(jì)算干密度＝γmax×

19、;壓實(shí)度 （現(xiàn)場(chǎng)干密度/最大干密度） ⑵ 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：試件成型→試件養(yǎng)生→抗壓強(qiáng)度表 ⑶ 計(jì)算強(qiáng)度特征參數(shù) 強(qiáng)度平均值： 強(qiáng)度變異系數(shù)：步驟3：確定石灰劑量 ⑴計(jì)算石灰土的配制強(qiáng)度： ⑵繪制強(qiáng)度與石灰劑量關(guān)系試驗(yàn)曲

20、線,石灰劑量與試件7d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線,,,2) 石灰穩(wěn)定集料的配合比設(shè)計(jì),石灰土：碎石（或礫石）＝1：4按照石灰土強(qiáng)度確定石灰劑量強(qiáng)度測(cè)試、記錄,6.2 石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定土（石灰粉煤灰穩(wěn)定土）,常用工業(yè)廢渣品種——粉煤灰、煤渣、高爐礦渣、鋼渣以及其它冶金礦渣、煤矸石等礦物組成特點(diǎn)——活性Al2O3、SiO2或CaO，具有水硬性石灰粉煤灰穩(wěn)定土 二灰——石灰粉煤灰 二灰土——石灰粉煤灰穩(wěn)定細(xì)粒土

21、 二灰集料(或粒料)——石灰粉煤灰穩(wěn)定砂礫、碎石、礦渣、煤矸石等結(jié)構(gòu)類型：懸浮式——粒料≤50% 密實(shí)式——粒料≥80%,6.2.1 石灰粉煤灰穩(wěn)定土的技術(shù)性質(zhì),6.2.1.1 強(qiáng)度特征⑴ 強(qiáng)度形成機(jī)理石灰自硬、粉煤灰材料的火山灰反應(yīng)石灰粉煤灰的填充作用集料的骨架作用機(jī)械壓實(shí),⑵ 強(qiáng)度特點(diǎn)較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性早期強(qiáng)度較低，有著較高的后期強(qiáng)度⑶ 強(qiáng)度的主要影響因素粒

22、料比例粉煤灰摻量越高早期強(qiáng)度越低，但不影響后期強(qiáng)度養(yǎng)生溫度,6.2.1.2 收縮特征,⑴ 粒料含量 懸浮式二灰粒料＞密實(shí)式二灰粒料 ?密實(shí)式二灰粒料平均干縮系數(shù)為55×10-6，溫縮系數(shù)為4.2×10 -6 ?懸浮式二灰粒料平均干縮系數(shù)為109×10 -6 ，溫縮系數(shù)為6.7×10 -6⑵ 結(jié)合料劑量 ?粉煤灰用量：石灰劑量一定，粉煤灰用量↑干縮系數(shù)和溫縮系

23、數(shù)↓ ?石灰劑量：粉煤灰用量一定，石灰劑量↑干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)↑⑶ 排序 石灰土＞石灰砂礫＞石灰粉煤灰＞二灰穩(wěn)定砂礫,6.2.1.3 耐久性,? 穩(wěn)定性、抗凍性有較石灰穩(wěn)定類有顯著的改善? 溫度收縮系數(shù)比石灰穩(wěn)定類有所減小?二灰土收縮性雖小于石灰土和水泥土，但仍具有相當(dāng)?shù)母煽s變形，不允許應(yīng)用于高等級(jí)道路的上基層,6.2.2 石灰粉煤灰穩(wěn)定土組成材料的質(zhì)量要求,石灰和粉煤灰: 石灰質(zhì)量：3級(jí)或3級(jí)以上消石灰或

24、生石灰 粉煤灰：SiO2＋Al2O3＋Fe2O3≥70% 燒失量≤20% 比面積≥2500 cm2/g 濕粉煤灰的含水量≤35%土: 塑性指數(shù)12～20的粘性土（亞粘土） 土中土塊的最大尺寸≤15 mm，有機(jī)質(zhì)含量≤10％集料: 最大粒徑和壓碎值 級(jí)配,6.2.3 石灰粉煤灰穩(wěn)定土的配合比設(shè)計(jì),⑴ 目的

25、：確定石灰劑量 確定石灰與粉煤灰的比例 確定結(jié)合料與集料的比例⑵ 實(shí)驗(yàn)法存在問題：工作量大→劑量3×5×2＝15×2個(gè)試件 試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確：最大干密度偏小,6.3 水泥穩(wěn)定土,分類水泥土——水泥穩(wěn)定砂性土、粉性土和粘性土水泥砂——水泥穩(wěn)定砂水泥穩(wěn)定碎石、水泥

26、穩(wěn)定砂礫——水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石、未篩分碎石、砂礫等,6.3.2 水泥穩(wěn)定類土的組成材料及其技術(shù)要求,6.3.2.1 水泥普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥復(fù)習(xí)終凝時(shí)間較長(zhǎng)6.3.2.2 土與集料適宜材料：級(jí)配碎石、未篩分碎石、砂礫、碎石土、砂礫土、煤矸 石和各種粒狀礦渣不宜材料：塑性指數(shù)較大的細(xì)粒土 有機(jī)質(zhì)含量超過2％或硫酸鹽含量超過0.25％的土集料的顆粒組

27、成：級(jí)配集料最大粒徑和壓碎值要求：與二灰穩(wěn)定土相同,,2.3 常用硅酸鹽水泥,☆ 硅酸鹽水泥☆ 普通硅酸鹽水泥☆ 礦渣硅酸鹽水泥 ☆ 火山灰硅酸鹽水泥☆ 粉煤灰硅酸鹽水泥,水泥強(qiáng)度等級(jí)和標(biāo)號(hào),意義：強(qiáng)度是水泥的重要技術(shù)性質(zhì)之一 也是劃分水泥強(qiáng)度等級(jí)的主要依據(jù) 強(qiáng)度等級(jí) ※強(qiáng)度試驗(yàn)條件：水泥:標(biāo)準(zhǔn)砂＝1:3、水灰比＝0.5，試件4×4×16㎝，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、測(cè)定3d

28、與28d抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度 ※型號(hào)：早強(qiáng)型R和普通型（根據(jù)3d強(qiáng)度） ※強(qiáng)度等級(jí)： 硅酸鹽水泥—42.5、42.5R、52.5、52.6R、62.5、62.5R 普通水泥—32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.6R 表1硅酸鹽水泥各齡期強(qiáng)度值 影響強(qiáng)度等級(jí)因素：熟料礦物 C3S、C2S↑，強(qiáng)度↑

29、 細(xì)度大，水化反應(yīng)快并充分，強(qiáng)度高,,2.3.3 道路硅酸鹽水泥,1）作用和使用要求 ◇ 用途：供道路面層和機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)專用 ◇ 主要技術(shù)要求：抗折強(qiáng)度高 干縮性小 耐磨性好,2.3.3 道路硅酸鹽水泥,2）礦物組成對(duì)技術(shù)性能的影響

30、 ① 抗折強(qiáng)度高：C3S↑、C4AF↑、C3A↓、f- CaO↓。 ② 干縮性?。?jié)B、抗凍）：C3A↓，C4AF↑ ③ 耐磨性好： C4AF↑，C3S↑，C3A↓，強(qiáng)度高,2.3.3 道路硅酸鹽水泥,3）化學(xué)品質(zhì)要求（高鐵低鋁） ① C3S：51～60%，以提高早期強(qiáng)度，盡早放開交通； ② C2S：不宜過多，其早期強(qiáng)度過低 ③ C3A≤5%，考慮到其水化生成物耐

31、腐蝕性較差 ④ C4AF≥16%，提高水泥的抗折強(qiáng)度 ⑤ 控制堿含量,,6.3 水泥穩(wěn)定土,水泥穩(wěn)定土的特點(diǎn)具有較其它穩(wěn)定土高的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性與水泥混凝土的比較材料組成：水泥用量較低、允許混合料中含土施工方法：機(jī)械攤鋪、碾壓技術(shù)特性 ：強(qiáng)度小、耐久性差、抗裂性低,6.3.1 水泥穩(wěn)定類土的技術(shù)性質(zhì),6.3.1.1 強(qiáng)度的形成與影響因素⑴ 強(qiáng)度形成水泥硬化火山灰反應(yīng)離子交換

32、會(huì)影響水泥的水化，使強(qiáng)度增長(zhǎng)速度緩慢 機(jī)械壓實(shí),6.3.1 水泥穩(wěn)定類土的技術(shù)性質(zhì),⑵ 強(qiáng)度的主要影響因素① 組成材料水泥劑量：相同材料時(shí)→水泥劑量↑強(qiáng)度↑土質(zhì)圖6-8集料級(jí)配 改善級(jí)配可以明顯增加水泥穩(wěn)定集料的強(qiáng)度② 養(yǎng)生溫度圖6-8③ 延遲時(shí)間：從加水拌和開始到碾壓終了的時(shí)間 圖6-9延遲時(shí)間與水泥砂礫強(qiáng)度和干密度,,圖6-8 土質(zhì)、養(yǎng)生溫度與強(qiáng)度的關(guān)系,相同養(yǎng)生溫度：Ip↑強(qiáng)度↓相同齡期時(shí)：

33、養(yǎng)生溫度↑強(qiáng)度↑,,延遲時(shí)間與水泥砂礫強(qiáng)度和干密度,延遲時(shí)間越長(zhǎng)，穩(wěn)定土強(qiáng)度和密度的損失越大。在土質(zhì)不變時(shí)，用終凝時(shí)間短的水泥時(shí)，延遲時(shí)間對(duì)混合料強(qiáng)度損失的影響大。在水泥不變的情況下，延遲時(shí)間為2h時(shí)，用中等粘土或礫質(zhì)砂等制得的水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度可損失60％；用原狀砂礫或粗石灰石等）制得的混合料的強(qiáng)度損失只有20％左右，甚至沒有損失。,,6.3.1.2 收縮特性及影響因素,⑴ 溫度收縮：粘性土含量↑，溫度收縮系數(shù)↑⑵ 干縮系數(shù)

34、 粒料含量↑，干縮系數(shù)↓ 粘土礦物↑，干縮系數(shù)↑ 水泥劑量圖6-10 含水量：含水量增加的影響＞水泥用量增加的影響 粒料土的塑性指數(shù)越大，含水量的影響越大⑶ 三種穩(wěn)定土收縮系數(shù)的排序溫縮系數(shù)：石灰土＞石灰土砂礫＞石灰粉煤灰＞水泥砂礫＞二灰砂礫干縮系數(shù)：石灰土＞石灰土砂礫＞二灰＞二灰砂礫＞水泥砂礫,,水泥劑量與干縮

35、系數(shù)的關(guān)系,,6.3.3 水泥穩(wěn)定類混合料組成設(shè)計(jì),6.3.3.1 水泥土中水泥劑量的確定方法☆ 實(shí)驗(yàn)法：擊實(shí)試驗(yàn)確定其最大干密度和最佳含水量,,,6.3.3 水泥穩(wěn)定類混合料組成設(shè)計(jì),6.3.3.2 水泥穩(wěn)定集料的配合比計(jì)算法☆計(jì)算原則：集料達(dá)到最大振動(dòng)干密度 水泥漿膠結(jié)并填充集料空隙1）最大干密度的計(jì)算：2）最佳含水量的計(jì)算：?0＝(W/C＋k) a ＋(1－a /