半刚性基层材料的结构特征.pdf

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1、第 21 卷?第 4 期2008 年 7 月中?国?公?路?学?报China Journal of Highway and TransportVol.21?No.4July 2008文章编号:1001?7372(2008)04?0001?05收稿日期:2008?01?17基金项目:交通部公路工程建设行业标准编制(修订)重点研究项目(199907)作者简介:沙爱民(1964?),男,安徽宣城人,教授,博士研究生导师,工学博士,博士后,E?mail:aiminsha 。半刚性基层材料的结构特征沙爱民,胡力群(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西 西安?710064)摘要:根据基层材料中

2、粗集料和细集料的分布状态,将基层材料的结构划分为骨架密实、骨架孔隙、悬浮密实和均匀密实 4 种类型。依据粗集料压密后的剩余空隙体积和细集料、结合料一起压密后体积之间的相对关系提出了不同结构类型半刚性基层材料的室内检验方法,给出了骨架密实、骨架孔隙结构水泥稳定类半刚性基层材料的设计方法;并对不同结构类型水泥稳定碎石材料的抗压强度、劈裂强度、抗折强度、抗压回弹模量以及抗折回弹模量进行了试验研究。结果表明:不同结构类型的半刚性基层材料有着显著的性能差异,在满足强度指标的情况下,骨架密实结构比传统的悬浮密实结构有着更好的抗裂和抗冲刷性能。关键词:道路工程;半刚性基层材料;试验研究;结构特征;组成设计;

3、收缩;冲刷中图分类号:U414.1?文献标志码:AStructural Characteristics of Semi?rigid Base Course MaterialSHA Ai?min,H U Li?qun(Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of M inistry of Education,Chang?an University,Xi?an 710064,Shaanxi,China)Abstract:According to the distribution state of coarse and fine

4、 gradation in semi?rigid basecourse,base course material structure can be divided into 4 types,ie skeleton?dense structure,skeleton?pore structure,suspended?dense structure and uniform?dense structure.Structure typediscriminant method was provided based on the relationship between residual air void

5、ofcompacted coarse aggregate and the volume of compacted fine aggregate and binder material.Design methods of skeleton?dense structure and skeleton?pore structure cement stabilized semi?rigid base course were given.Compressive strength,splitting strength,flexural strength,compressive resilience modu

6、lus and flexural resilience modulus of cement stabilized stone ofdifferent structure types were tested.Test results indicate that performances of semi?rigidmaterial with different structural types are obviously different.Performances of anti?crack andanti?erosion of skeleton?dense structure are bett

7、er than that of suspended?dense structure undercondition of satisfying strength indexes.Key words:road engineering;semi?rigid base course material;experimental research;structuralcharacteristic;proportion design;shrinkage;erosion0引?言路面基层材料通常可以根据其稳定用结合料及被稳定材料的组成特征等加以分类。如按照结合料类型可以分为水泥稳定类材料、石灰粉煤灰稳定类材料、

8、沥青稳定类材料等;按照被稳定材料可以分为稳定细粒土、稳定砂、稳定碎石等。实际使用中不同材料组成的路面基层材料其性能有明显的差异。除了具体施工条件的差异外,集料级配组成的不同造成的结构差异是主要的原因。这说明与其他材料一样,基层材料的性能不仅与其组成有关,更是由其结构所决定的 1。因此有必要进一步对路面基层材料的结构进行划分,以利于更好地把握其性能并合理地加以应用。本文中笔者在明确定义半刚性基层材料 4 种结构类型的基础上,提出了不同结构类型的室内检验方法,研究了水泥稳定类骨架密实结构、骨架孔隙结构材料的设计方法,并通过试验对比了不同结构类型水泥稳定类基层材料的强度、模量、收缩性能以及抗冲刷性能

9、。1基层材料结构类型划分通过对路面基层材料现场和室内性能的分析总结,根据基层材料中粗集料和细集料的分布状态,可以将基层材料的结构划分为 4 种类型:(1)骨架密实结构:粗集料形成相互嵌挤的骨架,细集料以充分密实的状态填充到骨架间的空隙里 图 1(a)。(2)骨架孔隙结构 2:粗集料形成相互嵌挤的骨架,骨架间的空隙部分被细集料所填充,并留有一定的空隙 图 1(b)。(3)悬浮密实结构:粗集料没有形成相互嵌挤的骨架,只是分散地分布在充分密实的细集料当中 图1(c)。(4)均匀密实结构:没有粗集料,粒径大小相近的细集料或细粒土处于充分密实的状态 图 1(d)。对于基层材料来说,这里所说的粗细集料的分

10、界线一般为 4.75 mm。从物理概念上讲,骨架密实、骨架孔隙以及悬浮密实 3 种结构的形成取决于粗集料的空隙体积与细集料压密体积的相对关系。当基层材料的粗集料压密后的空隙体积等于细集料和结合料的压密体积时,形成骨架密实结构;当基层材料的粗集料压密后的空隙体积远大于细集料和结合料的压密体积时,粗集料骨架间的空隙部分图 1基层材料结构类型Fig.1Structure Types of Base Course Material不能完全被细集料所填充,留有空隙,形成骨架孔隙结构;当基层材料的粗集料压密后的空隙体积小于细集料和结合料的压密体积时,粗集料不能相互靠近形成嵌挤的骨架,而是分散或悬浮在连续、

11、压密的细集料和结合料之中,形成悬浮密实结构。2基层材料结构类型检验由于基层材料具有明确的物理概念,因此基层材料的结构类型可以通过试验进行检验。2.1室内试验检验方法首先看基层混合料中有无粗细颗粒之分。若混合料或被稳定材料均为细集料或细粒土,则属于均匀密实结构;若有粗细集料之分,则分别对粗细集料进行试验以确定是属于剩下 3 种结构中的哪一种。按一定体积压实混合料进行检验,将混合料组成中粒径大于 4.75 mm 的粗集料单配出来或筛分出来,进行压实,求取其压实后的剩余空隙体积 V1?V1=VC-mC?C1=(1-?C?C1)VC(1)式中:V1为粗集料的空隙体积;VC为粗集料的压实体积;mC为粗集

12、料的质量;?C1为粗集料的视密度;?C为粗集料的压实密度。然后将混合料中粒径小于 4.75 mm 的细集料单配出来或筛分出来,与规定比例的结合料混合后在一定的压实功下进行密度试验,确定其最大干密度和最佳含水量。最后求取细集料和结合料一起压2中?国?公?路?学?报?2008 年密时的体积 V2V2=mF(1+?F)?F(2)式中:V2为细集料和结合料混合后的压密体积;mF为细集料和结合料的总质量;?F、?F分别为细集料与结合料混合后的最大干密度和最佳含水量。比较粗集料压密后的剩余空隙体积 V1和细集料与结合料一起压密后的体积 V2。V1=V2时形成的是骨架密实结构;V1 V2时形成的是骨架孔隙结

13、构;V1 V2时形成的是悬浮密实结构。2.2传统半刚性基层材料结构类型检验按照上述基层材料结构检验方法,可以对以往的半刚性基层材料的结构类型进行检验。选取?公路工程基层施工技术规范(JT J 034!2000)中推荐的水泥稳定碎石材料的级配中值及 5%水泥剂量(质量分数,后文同)进行试验 3。试验结果表明:无论是以 9.5、4.75 mm 还是 2.36 mm 作为粗细集料的分界尺寸,压实后的粗集料空隙体积均小于细集料和水泥结合料在一起的压密体积,即该材料属于悬浮密实结构(表 1)。表 1水泥稳定碎石基层材料结构类型检验结果Tab.1Test Results of Structure Type

14、s of CementStabilized Stone Base Course Material粗细集料划分界限/mm9.504.752.36粗集料空隙体积 V1/cm3409724760细集料和结合料体积 V2/cm31 9821 346990混合料结构类型悬浮密实悬浮密实悬浮密实3水泥稳定类半刚性基层材料结构设计方法?根据基层材料结构类型的划分定义,基层材料结构设计时主要是控制好粗集料与细集料及结合料的体积关系。以半刚性基层材料水泥稳定碎石为例,设计骨架密实型的水泥稳定碎石的步骤如下 4:(1)首先是确定碎石粗集料的级配,在此基础上,根据压实所用试模容积大小,填满相应的粗集料进行振动压实,

15、取填满试模并振动密实了的粗集料质量,并测定其空隙体积。一般认为为了获得最佳密实效果,粗集料级配还是应该取连续级配的。因为连续级配的粗集料空隙率相对较小,应力应变性能、面部抗剪切能力较好,各档料含量相对均匀,有利于抗离析。(2)其次是确定碎石细集料的级配,在此基础上根据所设定的混合料水泥剂量进行击实或振实试验,确定细集料和结合料一起时的最大干密度。在骨架密实结构中,对细集料级配和最大粒径有较严格的要求:细集料的最大粒径不应太大,较大粒径的细集料含量也要控制,以免将粗集料撑开;细集料的级配应有利于细集料在与水泥混合后形成更为密实的结构。因此细集料也应该选用容易密实的连续级配,最大 粒径不应 大于

16、4.75 mm,而且 粒径为2.36 4.75 mm的颗粒也不能太多。(3)最后根据骨架密实结构的概念,按照式(3)可以计算出相应的混合料的配合比,即粗集料、细集料以及水泥的用量比例xy+mC=A(x+y)(1+?F)?F=B(3)式中:x 为混合料中水泥的质量;y 为混合料中细集料的质量;mC为装满试模的粗集料的质量;A 为混合料中预定水泥剂量;B 为试验确定出的该试模中粗集料的空隙体积。(4)经过强度试验,选择满足要求的混合料的配合比。应该注意的是,粗集料形成骨架时可以有自然堆积、捣实和振实 3 种状态,这 3 种状态相应的空隙率也逐渐减小 5。单纯的粗集料压实可以达到紧装的振实状态,而在

17、施工现场混合料的压实过程中粗集料很难达到理想的紧装状态。混合料试拌、试铺离析严重或有困难时,可以适当增大粗集料空隙率,即增大细集料和结合料的体积比率,但是粗集料的空隙率最低不能低于松装的自然堆积空隙率。骨架孔隙型结构设计时,只需让细集料和结合料的压密体积等于粗集料的空隙体积减去所要求的空隙率所对应的空隙体积;悬浮密实结构设计时,则让细集料和结合料的压密体积大于粗集料空隙体积。4不同结构类型水泥稳定类半刚性基层的材料特性?本文中笔者设计了不同集料级配和不同结合料剂量的混合料,形成不同结构类型的水泥稳定碎石(表 2),系统进行了成型密度、强度、模量、收缩系数以及冲刷量试验,并进行了性能比较。试验中

18、,每种结构类型混合料采用 3 种水泥剂量,其中悬浮密实和骨架密实结构采用 4%、5%、6%,骨架孔隙结构采用 6%、8%、10%。4.1最大干密度与最佳含水量尽管以4.75 mm作为粗细集料分界线时,本文3第 4 期?沙爱民,等:半刚性基层材料的结构特征表 2不同结构类型水泥稳定碎石的集料级配Tab.2Aggregate Gradations of Cement Stabilized Stones of Different Structure Types结构类型(代号)不同筛孔孔径(mm)下的通过率/%31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150

19、.075悬浮密实(XM)100.096.893.584.775.967.039.026.020.515.011.27.33.5骨架密实(GM)100.090.473.665.258.046.026.825.818.09.14.41.60.5骨架孔隙(GK)100.086.362.852.541.126.311.25.03.02.01.00.00.0试验中所用的悬浮密实、骨架密实以及骨架孔隙 3种结构类型的粗集料质量与集料总质量的比分别为61.0%、73.2%和 88.8%(表 2),但是在相同的振动压实功作用下,悬浮密实结构型水泥稳定碎石材料的最大干密度与骨架密实型的相当,而骨架孔隙型的明显较

20、小(表 3)。这说明粗集料间空隙被细集料填充的程度显著影响着混合料密实程度的高低。表 3通过振动压实方法确定的水泥稳定碎石参数Tab.3Parameters of Cement Stabilized Stone byVibrational Compaction Method结构类型(代号)水泥剂量/%最佳含水量/%最大干密度/(g cm-3)悬浮密实(XM)骨架密实(GM)骨架孔隙(GK)45645668105.005.205.004.804.805.003.804.004.502.4142.4302.4352.4152.4192.4282.2052.2122.2314.2强度与模量本文中通过

21、振动法成型了不同结构类型的水泥稳定碎石材料,并测定了无侧限抗压强度、抗压回弹模量、劈裂强度、抗折强度以及抗折回弹模量,试验结果表明:相同的水泥剂量和养生龄期条件下,骨架密实型水泥稳定碎石的抗压强度、抗压回弹模量略大于悬浮密实型,骨架孔隙型的最小;对于劈裂强度、抗折强度和抗折回弹模量,悬浮密实型最大,骨架密实型次之,骨架孔隙型最小(图 2,其中横坐标括号内的数值是指水泥剂量,后图同)。这进一步证明,随着混合料中粗集料含量的增加,粗集料在混合料结构中的骨架嵌挤作用增强,抗压强度和抗压回弹模量增加;随着混合料中细集料含量的增加,在混合料结构中细集料与结合料的黏结作用增强,劈裂强度、抗折强度以及抗折回

22、弹模量增加。4.3收缩系数从 3 种结构类型的水泥稳定碎石在-15#55#温度变化区域内的平均温缩系数(单位温度变化时的平均收缩应变值)大小来看:骨架密实型的水泥稳定碎石的收缩变形明显小于悬浮密实型的,而骨架孔隙型的相对最小 图3(a)。从 3 种结构类型的水泥稳定碎石成型含水量到干燥最低含水量(约1%5%)的平均干缩系数(单位含水量变化时的平均收缩应变值)来看:骨架孔隙型的水泥稳定碎石的平均干缩系数最小,骨架密实型的较大,悬浮密实型的最大 图 3(b),相应的最大干缩系数也有相同的规律。4.4冲刷量强度相当时,不同结构类型的水泥稳定碎石的30 min 冲刷量的大小排序为:悬浮密实型明显大于骨

23、架密实型,骨架密实型又明显大于骨架孔隙型(图4)。骨架孔隙型的水泥稳定碎石有着较大的空隙率,能够及时消散动水压力。已有的研究表明,无机结合料稳定细粒土或砂的强度、模量与稳定集料相比均较小,细粒土颗粒组成越差,达到一定强度要求所需的结合料剂量越高;无机结合料稳定细粒土或砂的收缩系数和冲刷量均大于稳定集料 6?7。根据不同结构类型的半刚性基层材料的路用性能试验结果,笔者总结出半刚性基层材料的性能总体特征如下:骨架密实结构的混合料中的粗集料含量较多,压实混合料的抗压强度较高,抗裂性、抗冲刷性较好;%悬浮密实结构的混合料中的粗集料含量较少,压实混合料的劈裂强度和抗折强度较高;&骨架孔隙结构的混合料与骨

24、架密实型混合料相比具有较高的空隙率,适用于有较高路面内部排水要求的基层;均匀密实结构的混合料中被稳定的是细粒土或均匀细集料,强度较低,需要较大的结合料剂量才能获得一定的强度,抗裂性、抗冲刷性较差。5结语(1)根据基层材料中粗集料和细集料的分布状态,可以将基层材料的结构划分为骨架密实、骨架孔隙、悬浮密实和均匀密实 4 种类型。(2)基层材料的结构类型有着明确的物理概念,根据粗集料压密后的剩余空隙体积和细集料与结合4中?国?公?路?学?报?2008 年图 2不同结构类型的水泥稳定碎石的性能试验结果Fig.2Performance Test Results of Cement StabilizedS

25、tone of Different Structure Types料一起压密后的体积,可以进行基层材料结构类型的划分,并且可以通过试验进行检验。图 3不同结构类型的水泥稳定碎石的收缩系数对比Fig.3Comparisons of Shrinkage Coefficients of CementStabilized Stone of Different Structure Types图 4不同结构类型的水泥稳定碎石的冲刷量对比Fig.4Comparisons of Erosion Quantities of CementStabilized Stone of Different Structur

26、e Types(3)半刚性基层材料的结构类型可以在混合料配合比设计时进行控制和实现。(4)不同结构类型的半刚性基层材料有着显著的性能差异。骨架密实结构较之于悬浮密实结构有着更好的抗裂和抗冲刷性能。参考文献:References:1?细矢治夫,丸山有成.结构与物性 M.方小钰,译.上海:上海科学技术出版社,1979.(下转第 42 页)5第 4 期?沙爱民,等:半刚性基层材料的结构特征20?26.4 沙爱民,江晓霞.路面动态特性分析 J.交通运输工程学报,2001,1(2):63?67.SHA Ai?min,JIANG Xiao?xia.Pavement DynamicCharacteristi

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