第11章土木工程材料 無機結合料穩定材料

2021-07-22 03:29:39 字數 3837 閱讀 2429

學習目的:

目前我國的瀝青混凝土路面或水泥混凝土路面95%以上採用無機結合料穩定材料作為基層或底基層,通過本章的學習應了解無機結合料穩定材料的組成設計、強度、乾縮、溫縮的特性,為工程服務。

教學要求:

為了提高對無機結合料穩定材料的認識,應首先說明我國路面結構的實際情況,例如國內主要高速公路的路面無機結合料穩定材料的使用情況及分類。

結合無機結合料穩定材料的特點,簡要說明無機結合料穩定材料的強度特性、疲勞特性、乾縮特性和溫縮特性。

無機結合料穩定材料的強度、組成設計方法與材料品種等關係密切,應注意通過不同例項進行講解。

(一)總述

1、在粉碎的或原狀鬆散的土中摻入一定量的無機結合料(包括水泥、石灰或工業廢渣等)和水,經拌和得到的混合料在壓實與養生後,其抗壓強度符合規定要求的材料稱為無機結合料穩定材料,以此修築的路面稱為無機結合料穩定路面。

無機結合料穩定路面具有穩定性好、抗凍效能強、結構本身自成板體等特點,但其耐磨性差,廣泛用於修築路面結構的基層和底基層。

粉碎的或原狀鬆散的土按照土中單個顆粒(指碎石、礫石、砂和土顆粒)粒徑大小和組成,將土分成細粒土、中粒土和粗粒土。不同的土與無機結合料拌和得到不同的穩定材料。例如石灰土、水泥土、石灰粉煤灰土、水泥穩定碎石、石灰粉煤灰穩定碎石等。

2、無機結合料穩定基層具有強度大、穩定性好及剛度大等特點,被廣泛用於修建高等級公路瀝青路面和水泥混凝土路面的基層或底基層。

七、五期間,國家組織開展了「高等級公路無機結合料穩定材料基層、重交信道路瀝青面層和抗滑表層的研究」,其中無機結合料穩定基層材料的強度和收縮特性、組成設計方法是主要的研究內容之一。

在此基礎上,結合近15年來無機結合料穩定基層的設計、施工和使用的經驗,根據實際使用效果,提出無機結合料穩定材料設計、施工及管理要點,為高等級公路無機結合料穩定基層的設計與施工提供了理論依據和技術保證。

(二)無機結合料穩定基層瀝青路面

無機結合料穩定基層用於高速公路的瀝青路面結構,其合理性主要表現在具有較高的強度和承載能力。一般來說,無機結合料穩定基層材料具有較高的抗壓強度和抗壓回彈模量,並具有一定的抗彎拉強度,且它們都具有隨齡期而不斷增長的特性,因此無機結合料穩定基層瀝青路面通常具有較小的彎沉和較強的荷載分布能力。

由於無機結合料穩定基層的剛度大,使得其上的瀝青層彎拉應力值較小,從而提高了瀝青面層抵抗行車疲勞破壞的能力,甚至可以認為無機結合料穩定基層上的瀝青面層不會產生疲勞破壞。也就是可以認為無機結合料穩定基層瀝青路面的承載能力完全可以由無機結合料穩定基層材料層來滿足,而不需要依靠厚瀝青面層,瀝青面層可僅起功能性作用,這就鼓勵人們去減薄面層。

但無機結合料穩定基層瀝青路面的使用實踐證明,如果面層不夠厚,無機結合料穩定基層因溫縮或乾縮而產生的裂縫會很快反射到瀝青路面的面層。初期產生的裂縫對行車無明顯影響,但隨著表面雨水或雪水的浸入,在行車荷載反覆作用下,會導致路面承載力下降,產生沖刷和唧泥現象,加速瀝青路面的破壞,影響瀝青路面的使用效能。

七五後我國高速公路進入快速增長期,高速公路建設從無到有,目前已經達到1.6萬公里,還即將建設2萬多公里的高速公路。而無機結合料穩定材料仍將是基層、底基層的主要材料。

如表11-1和11-2為我國高速公路無機結合料穩定基層瀝青路面結構型別。

國內主要的高速公路瀝青路面結構(七五前) 表11-1

國內主要的高速公路瀝青路面結構型別(七五後) 表11-2

(三)水泥路面

水泥混凝土路面結構層組合較為簡單,一般由混凝土面板、基層或墊層組成。水泥混凝土路面基層直接位於面層板之下,是保證路面整體強度、防止唧泥和錯台、延長路面使用壽命的重要結構層。目前基層型別主要採用無機結合料穩定基層,如水泥穩定粒料、工業廢渣穩定粒料等基層。

中等以下交通的道路,除上述型別外,還可採用石灰穩定類基層。

(一)水泥穩定材料

在破碎的或原來鬆散的土(包括各種粗、中、細粒土)中,摻入足量的水泥和水,經拌和得到的混合料,在壓實和養生後,當其抗壓強度符合規定要求的混合料成為水泥穩定材料。

根據土的顆粒組成不同,可以將水泥穩定材料具體分為以下幾類:

1.水泥穩定粗粒土:指被水泥穩定的土的最大粒徑小於37.5mm,且其中小於31.5mm的顆粒含量不少於90%。

2.水泥穩定中粒土:指被水泥穩定的土的最大粒徑小於26.5mm,且其中小於19mm的顆粒含量不少於90%。

3.水泥穩定細粒土:制被水泥穩定的土的最大粒徑小於9.5mm,且其中小於2.36mm的顆粒含量不少於90%。

用水泥穩定砂性土、粉性土和粘性土等細粒土得到的混合料簡稱為水泥土;用水泥穩定砂得到的混合料簡稱為水泥砂;用水泥穩定粗粒土和中粒土得到的混合料,視所用原料情況簡稱為水泥碎石(級配碎石和未篩分碎石)、水泥砂礫等。同時用水泥和石灰綜合穩定某種土而得到的混合料,簡稱為綜合穩定土。

水泥穩定材料是一種經濟實用的築路材料,具有較優良的效能,可用於各種交通類別道路的基層和底基層。由於以水泥為主要膠結材料,通過水泥的水化、硬化將集料粘結起來,因此水泥穩定土具有良好的力學效能和板體性。其強度隨養護齡期的增加而增加,並且早期的強度較高;同時其強度的可調範圍較大,由幾個兆帕到十幾個兆帕。

水泥穩定土的水穩定性和抗凍性也較其它穩定材料好。所不足的是,水泥穩定土在溫度、濕度變化時,易產生裂縫,而影響面層的穩定性;當細顆粒含量高、水泥用量大時開裂更為嚴重。

水泥穩定土作為一種築路材料,國際上已有了幾十年的使用歷史。2023年美國成功的鋪築了3.2km的水泥穩定土基層。

隨後,水泥穩定土在很多國家的道路和機場工程中,都得到了廣泛的使用。70年代初,我國在援外工程中,也不同程度的採用了水泥穩定土,作為瀝青表面處治面層的基層。2023年我國在遼寧的沈扶南線公路上鋪築了10多公里的水泥穩定土(砂礫),作為高等級瀝青面層的基層,這是我國公路上第一次正是較大規模的在路面的基層中使用水泥穩定土。

自80年代初以來,水泥穩定土已被廣泛用於我國各個省、市自治區的二級和高等級道路上。它不僅被用作瀝青路面的基層,還被用作水泥混凝土路面的基層。七五期間。

我國開始建設高速公路,多數都採用了水泥穩定粒料(碎石和礫石)作為基層,有些高速公路還採用水泥穩定土作為底基層。

(二)石灰穩定材料

在粉碎的或原來鬆散的土(包括各種粗、中、細粒土)中,摻入足量的石灰和水,經拌和得到的混合料,在壓實及養生後,當其抗壓強度符合規定的要求時,稱為石灰穩定材料。

用石灰穩定細粒土得到的混合料簡稱石灰土。用石灰穩定中粒土和粗粒土得到的混合料,視所用原材料而定,原材料為天然砂礫土時簡稱石灰穩定砂礫土。原材料為天然碎石土時簡稱石灰穩定碎石土。

用石灰土穩定級配砂礫(砂礫中無土)和級配碎石(包括未篩分碎石)時,也分別簡稱石灰穩定砂礫土和石灰穩定碎石土。

用石灰穩定土鋪築的路面基層和底基層,分別稱石灰穩定土基層和石灰穩定土底基層,或分別簡稱石灰穩定基層和石灰穩定底基層。也可在基層或底基層前標以具體簡稱,如石灰穩定碎石土基層、石灰穩定土底基層等。

石灰土在我國道路上的應用已有幾十年歷史。在缺乏砂石材料地區,廣泛應用石灰土做各種路面的基層和底基層。

石灰穩定土具有良好的力學效能,並有較好的水穩性和一定程度的抗凍性,它的初期強度和水穩性較低,後期強度較高。由於乾縮、溫縮係數較大,易產生裂縫。石灰穩定土適用於各級公路路面的底基層,可用作二級和二級以下公路的基層,但石灰土不應用作高階路面的基層。

在冰凍地區的潮濕路段以及其它地區的過分潮濕路段,不宜採用石灰土做基層。在只能採用石灰土時,應採取措施防止水分侵入石灰土層。

此外,石灰常與其它結合料(如水泥)一起綜合穩定土,此時,石灰起著一種活化劑的作用。有時,在加石灰的同時,還摻加工業廢渣(粉煤灰、煤渣等)或少量的化學新增劑(如cacl2、naoh、na2co3等)以改善石灰和土之間的相互作用和石灰穩定土的硬化條件。

(三)石灰工業廢渣穩定材料

工業廢渣包括:粉煤灰、煤渣、高爐礦渣、鋼渣(已經過崩解達到穩定)及其他冶金礦渣、煤矸石等。一定數量的石灰和粉煤灰或石灰和煤渣與其他集料相配合,加入適量的水(通常最佳含水量),經拌和、壓實及養生後得到的混合料,當其抗壓強度符合規範規定的要求時,稱石灰工業廢渣穩定材料。

石灰工業廢渣材料可分為兩大類:石灰粉煤灰類和石灰其他廢渣類。

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