第五章無機結(jié)合料穩(wěn)定材料

第一節(jié)無機結(jié)合穩(wěn)定材料的組成無機結(jié)合穩(wěn)定材料是指通過無機膠結(jié)材料將松散的集料粘結(jié)成為具有一定強度的整體材料。即在粉碎或原狀松散的集料（土、碎石或砂礫）中，摻入一定量的無機結(jié)合材料（水泥、石灰或工業(yè)廢渣等）和水，經(jīng)拌和得到的混合料在壓實與養(yǎng)生后，其抗壓強度符合規(guī)定要求的材料。無機結(jié)合穩(wěn)定材料具有穩(wěn)定性好、抗凍性能強、結(jié)構(gòu)本身自成板體，但耐磨性差，因此被廣泛用于路面結(jié)構(gòu)的基層或底基層。一、無機結(jié)合穩(wěn)定材料的分類1．根據(jù)無機結(jié)合穩(wěn)定材料組成的集料將其分為兩大類：①穩(wěn)定土類；②穩(wěn)定粒料類。在粉碎或原狀松散的土中摻入一定量的無機結(jié)合材料形成的稱為穩(wěn)定土類（如：水泥穩(wěn)定土、等），在松散的碎石或砂礫中摻入一定量的無機結(jié)合材料形成的稱為穩(wěn)定粒料類（如：水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定砂礫等）。2．按無機膠結(jié)材料的種類可分為四大類：①用水泥穩(wěn)定的混合料稱為水泥穩(wěn)定類（如：水泥穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定砂礫等）；②用石灰穩(wěn)定的混合料稱為石灰穩(wěn)定類（如：石灰穩(wěn)定土等）；③同時用水泥和石灰穩(wěn)定的混合料稱為綜合穩(wěn)定類（如：綜合穩(wěn)定土、綜合穩(wěn)定砂礫等）；④用一定量的石灰和工業(yè)廢渣穩(wěn)定的混合料稱為石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定類。二、無機結(jié)合料穩(wěn)定土組成材料及要求（一）土1．水泥穩(wěn)定土⑴二級或二級以下公路①底基層：單個顆粒的最大粒徑不超過50mm，顆粒組成滿足規(guī)范要求。土的均勻系數(shù)應(yīng)大于5，細粒土液限不超過40，塑性指數(shù)不超過17；宜采用均勻系數(shù)大于10，塑性指數(shù)小于12的土，對于塑性指數(shù)大于17的土，宜采用石灰穩(wěn)定類或用水泥和石灰綜合穩(wěn)定。②基層：單個顆粒的最大粒徑不超過40mm。

⑵高速公路和一級公路①底基層：單個顆粒的最大粒徑不超過40mm，顆粒組成應(yīng)滿足規(guī)范要求。土的均勻系數(shù)應(yīng)大于5，細粒土的液限不應(yīng)超過25，塑性指數(shù)不應(yīng)超過6；對中粒土和粗粒土，如小于0.5mm的顆粒含量在30%以下，塑性指數(shù)可稍大。

②基層：單個顆粒最大粒徑不應(yīng)超過30mm，土的均勻系數(shù)應(yīng)大于5，細粒土的液限不應(yīng)超過25，塑性指數(shù)不應(yīng)超過6，顆粒組成應(yīng)滿足規(guī)范要求。2．石灰穩(wěn)定土：砂性土、粉性土、粘性土都可以用石灰來穩(wěn)定，一般說來：粘土顆粒的活性強，表面積大，表面能量也較大，故適當?shù)脑龃笸恋乃苄灾笖?shù)對強度有利。宜采用塑性指數(shù)為15～20粘土以及含有一定數(shù)量粘性土中粒土或粗粒土用作石灰穩(wěn)定土。對于硫酸鹽含量超過0.8%或腐殖質(zhì)含量超過10%的土，對強度有明顯影響的不宜直接采用。⑴石灰穩(wěn)定土用做高速公路和一級公路的底基層時，顆粒的最大粒徑不應(yīng)超過40mm；用做其它等級公路時，顆粒的最大粒徑不應(yīng)超過50mm。⑵石灰穩(wěn)定土用做基層時，顆粒的最大粒徑不應(yīng)超過40mm。石灰穩(wěn)定土不宜作為高等級公路的基層。3．石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定土：宜采用塑性指數(shù)為15～20的粘土（亞粘土），有機質(zhì)含量不超過10%，最大粒徑不應(yīng)大于15mm。（二）無機結(jié)合料1．水泥2．石灰3.工業(yè)廢渣⑴粉煤灰⑵煤渣（三）水水分是穩(wěn)定土的一個重要組成部分，一般飲用水均滿足要求，其技術(shù)指標符合水泥混凝土用水標準。第二節(jié)無機結(jié)合穩(wěn)定材料的技術(shù)性質(zhì)

一、無機結(jié)合穩(wěn)定材料的強度形成原理石灰與土之間的物理與化學(xué)作用大致可分為四個方面：離子交換作用、結(jié)晶作用、碳酸化作用和火山灰作用。水泥與土之間產(chǎn)生的物理與化學(xué)作用也可分為四個方面：硬凝反應(yīng)、離子交換作用、化學(xué)激發(fā)作用、碳酸化作用。（一）石灰穩(wěn)定土強度形成原理（二）水泥穩(wěn)定土強度形成原理（三）影響無機結(jié)合料穩(wěn)定材料強度的因素1．離子交換作用2．結(jié)晶3．火山灰作用4．碳酸化作用由于石灰與土發(fā)生了一系列的相互作用，從而使土的性質(zhì)發(fā)生根本的改變。在初期，主要表現(xiàn)為土的結(jié)團、塑性降低、最佳含水量增大和最大密實度減少等，后要表現(xiàn)為結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成，從而提高其整體性、強度和穩(wěn)定性。①化學(xué)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(chǎn)物與粘土礦物之間的化學(xué)作用等。②物理-化學(xué)作用：如粘土顆粒與水泥及水泥水化產(chǎn)生物之間的吸附作用，微粒的凝聚作用，水及水化產(chǎn)物的擴散、滲透作用，水化產(chǎn)物的溶解、結(jié)晶作用等。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。1．硬凝反應(yīng)2．離子交換作用3．化學(xué)激發(fā)作用4．碳酸化作用1、土質(zhì)：用與石灰穩(wěn)定土的土，其塑性指數(shù)為10%～20%的粘性土較適宜，而不適宜使用塑性指數(shù)10以下的低塑性土。2、穩(wěn)定劑品種及用量3、含水量4、密實度：密實度越大，材料有效受荷面積越大，強度越高，受水影響的可能性減少。5、施工時間長短的影響6、養(yǎng)生條件：穩(wěn)定土的強度發(fā)展需要適當?shù)臏囟?，濕度。二、無機結(jié)合穩(wěn)定材料的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標準無機結(jié)合穩(wěn)定材料應(yīng)用廣泛，由于其耐磨性差，在路面工程中一般不用于路面面層，主要作為路面基層材料。為滿足行車、氣候和水文地質(zhì)的要求，穩(wěn)定材料必須具備一定的強度，抗變形能力和水穩(wěn)定性。（一）強度（二）密度（三）力學(xué)特性（四）水穩(wěn)定性和抗凍穩(wěn)定性

在柔性路面結(jié)構(gòu)中要求無機結(jié)合穩(wěn)定材料具有足夠的強度。水泥混凝土路面要求基層材料具有適當?shù)膹姸?，而最重要的是要求材料強度均勻、整體性好，表面密實平整，透水性小。無機結(jié)合穩(wěn)定材料的抗壓強度采用的是飽水狀態(tài)下的無側(cè)抗壓強度。1．試件尺寸：無機結(jié)合穩(wěn)定材料的抗壓強度試件采用的都是高∶直徑=1∶1的圓柱體，不同顆粒大小的土應(yīng)采用不同的試件尺寸。試件制備時，盡可能用靜力壓實法制備等干密度的試件。

2．強度標準：不同的公路等級、穩(wěn)定劑類型和路面結(jié)構(gòu)層次無機結(jié)合穩(wěn)土的抗壓強度標準也不一樣。密度是材料單位體積的質(zhì)量，是衡量材料內(nèi)部緊密程度的指標。密度愈大材料愈致密，其空隙愈小、耐久性和強度就愈高。無機結(jié)合穩(wěn)定材料的密度往往用壓實度來表示。1．壓實度：土或其它筑路材料在施加外力作用下，能獲得的密實程度。它等于材料干密度與最大干密度的比值。2．含水量：材料中所含水分的質(zhì)量與干燥材料質(zhì)量的比值。用等量的機械功去壓實無機結(jié)合穩(wěn)定材料，可以得到的最大密度，此時的含水量值稱為最佳含水量。1、無機結(jié)合穩(wěn)定材料的應(yīng)力—應(yīng)變特性：與原材料的性質(zhì)、結(jié)合料的性質(zhì)和劑量及密實度、含水量、齡期、溫度等有關(guān)。2、無機結(jié)合料穩(wěn)定材料疲勞特性3、無機結(jié)合料穩(wěn)定材料的干縮特性4、半剛性材料的溫度收縮特性5、裂縫防治措施⑴改善土質(zhì)。⑵控制含水量及壓實度。⑶摻加粗粒料。

穩(wěn)定類基層材料除具有適當?shù)膹姸?，能承受設(shè)計荷載以外，還應(yīng)具備一定的水穩(wěn)定性和冰凍穩(wěn)定性。評價材料的水穩(wěn)定性和抗凍性可用浸水強度和凍融循環(huán)試驗。影響水穩(wěn)定性和冰凍穩(wěn)定性的主要因素如下：①土類：細土含量多，塑性指數(shù)大的土，水穩(wěn)定性抗凍性能差。②穩(wěn)定劑種類和劑量：當穩(wěn)定劑劑量不足時，膠結(jié)作強用弱，透水性大，強度達不到要求，其穩(wěn)定性也差③密實度：密實度大時透水能力降低水穩(wěn)定性增強。④齡期由于某些穩(wěn)定劑如水泥、石灰或二灰的強度形成需要一定的時間，因此這類穩(wěn)定土其水穩(wěn)定性隨齡期的增長而增長。第三節(jié)無機結(jié)合穩(wěn)定材料的組成設(shè)計穩(wěn)定類材料組成設(shè)計，也稱混合料設(shè)計，即根據(jù)對某種穩(wěn)定材料規(guī)定的技術(shù)要求，選擇合適的原材料、摻配用料（需要時），確定結(jié)合料的種類和劑量及混合料的最佳含水量?；旌狭辖M成設(shè)計所要求達到的目標是：滿足設(shè)計強度要求，抗裂性達到最優(yōu)且便于施工?；旌狭辖M成設(shè)計的基本原則是：結(jié)合料劑量合理、盡可能采用綜合穩(wěn)定以及集料應(yīng)有一定級配。結(jié)合料劑量太低不能形成半剛性材料，劑量太高則剛度太大，容易脆裂。（一）設(shè)計依據(jù)與標準穩(wěn)定土設(shè)計目前的依據(jù)有強度、耐久性。（二）原材料試驗⑴顆粒分析；⑵液限和塑性指數(shù)；⑶相對密度；⑷擊實試驗；⑸壓碎值；⑹有機質(zhì)含量（必要時做）；⑺硫酸鹽含量（必要時做）。⑻穩(wěn)定劑性質(zhì)試驗。（三）混合料配合比設(shè)計步驟1．選定不同的石灰或水泥劑量，制備同一種土樣的混合料試件若干。2．確定各種混合料的最佳含水量和最大干（壓實）密度，至少應(yīng)做三個不同劑量混合料的擊實試驗，即最小劑量、中間劑量和最大劑量。3．按規(guī)定壓實度分別計算不同石灰或水泥劑量的試件應(yīng)有的干密度。4．按最佳含水量和計算得的干密度制備試件。進行強度試驗時，作為平行試驗的最少試件數(shù)量應(yīng)不小于規(guī)范的規(guī)定。如試驗結(jié)果的偏差系數(shù)大于表中規(guī)定的值，則應(yīng)重做試驗，并找出原因，加以解決，如不能降低偏差系數(shù)，則應(yīng)增加試件數(shù)量。5．試件在規(guī)定溫度下保溫養(yǎng)生6d，浸水24h后，按《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行無側(cè)限抗壓強度試驗。并計算試驗結(jié)果的平均值和偏差系數(shù)。6．選定石灰或水泥的劑量根據(jù)試驗結(jié)果和表5-6(課本P156)的強度標準，選定合適的石灰或水泥劑量此劑量試件室內(nèi)試驗結(jié)果的平均抗壓強度應(yīng)符合公式5-8的要求：（5-8）

式中：Rd───設(shè)計抗壓強度（MPa）；

Cv───試驗結(jié)果的偏差系數(shù)（以小數(shù)計）；Za───保證率系數(shù)，高速公路和一級公路應(yīng)取保證率95%，此時即=1.645；一般公路應(yīng)取保證率90%，即=1.282。7．工地實際采用水泥劑量應(yīng)比室內(nèi)試驗確定的劑量多0.5%～1.0%。采用集中廠拌法施工時，可只增加0.5%；采用路拌法施工時，宜增加1%。8．水泥的最小劑量應(yīng)符合規(guī)范的規(guī)定。9．綜合穩(wěn)定土和其它無機穩(wěn)定類材料的組成設(shè)計與上述步驟相同。

[例1]某新建二級公路，因地處潮濕地帶類型，選用石灰土作為底基層。設(shè)計強度要求7天齡期的飽水強度為0.7MPa，試設(shè)計石灰劑量。解題過程如下：解：根據(jù)現(xiàn)場采集的土樣篩分和試驗得WL=33.34%、IP=12.31,確定為中液限土。通過擊實試驗求得石灰劑量分別為8%、10%、11%、12%、14%的最佳含水量及對應(yīng)的最大干密度見下表。石灰劑量（%）最佳含水量（%）最大干密度（g/cm3）810.911.8391011.381.851111.841.8541212.561.8481413.351.818在按所求得的最佳含水量W0、最大干密度ρd制備滿足施工壓實度的石灰劑量分別為8%、10%、11%、12%、14%的試件，每組6個，并按規(guī)范要求進行保濕養(yǎng)生6天，浸水1天，然后進行抗壓試驗，并將計算結(jié)果列于下表。8910111210.6160.6420.7580.6980.59020.5880.6520.7280.7080.57230.6320.6900.7530.6690.56640.6260.6720.7820.6560.61850.5900.6640.7470.6930.60760.5680.6240.7690.6320.584平均值0.6030.6570.7560.6760.589石灰劑量(%)試件編號由表列計算結(jié)果知：當石灰劑量為11%時的平均抗壓強度最高。故驗算該組六個試件的相關(guān)情況，然后判斷