基于振动成型法的抗裂型水稳碎石设计与施工探讨吴明.docx

1、基于振动成型法的抗裂型水稳碎石设计与施工探讨吴明毕业设计报告（论文）课题名称 基于振动成型法的抗裂型水稳碎石设计与施工探讨 专 业 土木工程（道路与桥梁工程） 学 号 5320021109153051 学生姓名 吴旻 指导教师（校内） 杨若冲 指导教师（校外） 丁武洋 起讫日期 2011.72011.11 设计地点 江苏 南京 摘 要基于振动成型法的抗裂型水稳碎石是一种以连续级配粗集料形成相互嵌挤骨架，用水泥及细料填充骨架空隙而形成的骨架嵌挤密实结构无机结合料。通过试验分析了不同水泥剂量及4.75mm通过率对抗裂水泥稳定碎石强度的影响，并得到了4.75mm通过率及水泥剂量取值范围。依托某省道新

2、建工程，研究探讨了基于振动成型法的抗裂型水稳碎石配合比优化设计方法，并对抗裂型水泥稳定碎石现场施工关键环节进行了探讨。关键词：抗裂型水泥稳定碎石 振动成型法 混合料设计 施工工艺AbstractThe anti-crack cement stabilized crushed stone based on vibratory compaction is a inorganic binder which have dense skeleton，which including embedded skeleton composed of continuous gradation coarse aggr

3、egate and filled with cement and fine material.The affect of different cement dosage and pass ratio through 4.75mm sieve on strength of the anti-crack cement stabilized crushed stone is analyzed through test,and the range of cement dosage and pass ratio through 4.75mm sieve has been obtained.The opt

4、imization for mixture of the anti-crack cement stabilized crushed stone based on vibratory compaction has been studied, and the key part of the construction are discussed.Key words：anti-crack cement stabilized crushed stone, vibratory compaction, mixture design, construction technology第一章 概述1.1 背景目前

5、，我国高等级公路建设中普遍采用水泥稳定类的半刚性基层。半刚性材料之所以普遍地作为道路基层使用，主要有以下几个原因：首先，车辆轴载增加和交通量的增大对路面的承载能力要求越来越高，以水硬性无机结合料处治粒料形成的半刚性材料能适应现代交通对道路基层的要求。其次，虽然早期采用优质的级配碎石和级配砾石作为道路基层性能良好，但是，随着建筑业对原材料的需求，优质石料的来源日益减少。采用水硬性无机结合料处治各类材料时，可以使用原先不能使用的质量较差的石料，甚至可以就地取材。这样就可以避免大量远运优质石料。再者，半刚性基层材料与以前使用的道路基层材料相比有着更大的灵活性和适应性，例如：用水泥稳定碎石半刚性基层材

6、料，随着水泥剂量的变化，其七天的无侧限抗压强度可以在1 MPa6MPa的范围内。我国自开始修建半刚性基层沥青路面以来，经过大量的科学研究和工程实践，解决了很多关键问题。虽然半刚性基层材料具有明显的优点和广阔的使用前景，但是在道路的实际使用过程中还是出现了不少问题，主要是水损害和裂缝。在交通荷载和环境的双重作用下，这种结构形式的路基和路面都出现了不同程度的收缩和开裂。并且干缩和温缩共同作用所生成的基层裂缝还反射到路面，破坏路面整体结构。裂缝的存在不仅使车辆行驶质量下降，而且也破坏了路面结构整体性和连续性，并在一定程度上导致结构强度的削弱（如裂缝处弯沉增大，路面回弹模量降低等）。无论是沥青路面还是

7、水泥路面在路面面层出现裂缝后，表面水都不可避免地通过面层上的各种缝隙进入道路结构层中。而且由于蒸发困难，进入结构层的水分往往难以及时的排出，这些停留在面层与基层之间的水分使得基层局部变得潮湿以至于接近饱和。这样在大量行车荷载反复作用下会导致路面强度大大降低，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青路面破碎，加速沥青路面的破坏，从而影响公路使用质量和寿命。虽然经过从“七五”开始至今的长期研究工作，人们对道路面层的裂缝机理有了深入的认识。但是至今，仍然没有找到有效的方法阻止路面裂缝的产生。为了使道路能够达到其设计使用寿命并在使用寿命中为车辆提供良好的服务，通常所能做的只有尽量的减少或延迟路面

8、的开裂。但在裂缝出现之后，路面各结构层在水分的浸入下仍然可能进一步遭受破坏。面对这种情况，很多研究机构开展了对贫混凝土基层和沥青稳定碎石基层等的研究，以期采用新的基层材料和结构来根本解决裂缝问题，真正提高路用性能。姑且不论这些新型材料在实际推广中会遇到哪些新问题，这些材料必定会大大增加修筑成本。在当前高速公路、地方公路等各级公路大规模建设的背景下，道路修筑成本是一个无法回避的问题。高等级道路的水泥稳定类材料，能够很好的适应当前的交通条件、自然条件和经济条件，是一种比较合适的选择。因此系统研究水泥稳定碎石基层材料的力学特性和收缩特性，掌握其力学强度和缩裂规律，提出科学有效的防治措施，可以进一步改

9、善其不足，对我国的公路建设事业具有重要意义。1.2 内容及意义传统的水泥稳定碎石基层具有强度高，干、温缩裂缝严重的特点，这也是导致沥青路面发生反射裂缝的主要原因。因此怎样设计水泥稳定碎石混合料，使之既满足路面结构的强度要求，又能尽量少的出现干、温缩裂缝，从而抑制发展到沥青面层的反射裂缝就成为道路工作者必须认真研究的课题。本项目将结合宁靖盐高速公路盐城北段的地质状况以及当地水泥稳定碎石基层所采用的特定材料，优化水泥稳定碎石级配范围、采用振动成型方法进行水泥稳定碎石混合料设计和施工应用。针对抗裂嵌挤型水泥稳定碎石基层的研究主要从以下几个方面展开。1国内外应用现状调查对国内外水泥稳定类材料的应用状况

10、进行全面调查，了解各方面的研究成果与经验并跟踪最新研究进展，掌握各种抗裂措施的原理及适用性，为本项目的开展奠定基础，确定研究思路和方向。2抗裂嵌挤型水泥稳定碎石设计方法探讨与传统设计方法相比较，抗裂嵌挤水泥稳定碎石的配合比设计不仅仅是采用振动成型即能得到，而是进行一系列设计优化，达到强度性能与抗裂性能的最佳设计。本研究拟优化的方面包括：成型方式（振动成型）、集料类型、级配范围、水泥种类、水泥剂量、无侧限抗压强度要求等等。水泥稳定碎石基层的收缩开裂与所用的集料级配、水泥、用水量都有关，本项目将分别研究不同集料级配、不同水泥用量以及用水量条件下的水泥稳定碎石的收缩应变，着重考察了材料的收缩性能及抗

11、裂评价指标。降低水泥稳定碎石基层材料本身的收缩是控制反射裂缝的重要措施。减小水泥稳定碎石干燥收缩措施主要有选用合适类型和数量的水泥，选用含泥量小、吸水率小的集料和采用合理的混合料级配，此外还可以通过改进振动压实工艺，增加振动压实设备等来提高水泥稳定碎石基层的压实度和抗裂性能。本项目将通过以上试验研究，形成采用振动成型方法的抗裂水泥稳定碎石混合料配合比设计方法。3抗裂嵌挤型水泥稳定碎石施工工艺的研究施工工艺对于水泥稳定碎石的强度形成和干、温缩特性有较大的影响。通过现场施工，研究合适的抗裂型水泥稳定碎石施工工艺，并编写相应的施工技术指南。第二章 国内外水泥稳定碎石基层抗裂研究调研2.1 国外水泥稳

12、定碎石基层调研在国外，应用半刚性基层最为广泛的地区是南非和法国。 国外收缩规律研究现状美国的George、澳大利亚的R.E.洛林斯等认为，水泥稳定土干缩与下述因素有关：结合料的类型和剂量、被稳定土的类别、粒料的含量、小于0.5mm的细土含量和塑性指数、小于0.002mm的粘粒含量和矿物成分、室内试件含水量和龄期等。 国外防裂措施研究现状为减少水泥稳定碎石基层的收缩裂缝，澳大利亚的水泥用量一般在3%以内，日本水泥稳定碎石基层混合料水泥用量一般仅为2%左右；德国冬季寒冷，水泥用量也较低，一般控制在2%3%左右；南非是应用水泥稳定碎石基层较多的国家，其水泥用量也在较低的水平。2.2 国内水泥稳定碎石

13、基层情况调研在我国已建成的高速公路路面，90%以上是半刚性基层沥青路面，在今后的国道主干线建设中，半刚性基层沥青路面仍将是主要的路面结构形式。在这期间公路工作者针对水泥稳定碎石特定的材料特性，在抑制反射裂缝等方面进行了大量的科研和实践性的工作，积累了许多宝贵的经验。 国内收缩规律研究现状半刚性基层材料的收缩类型主要有干燥收缩和温度收缩。干燥收缩就是半刚性材料内部水分损失导致材料的体积收缩现象；温度收缩是材料在较大温差和温差反复作用下产生的体积收缩现象。水泥稳定类材料的干缩性能（包括最大干缩应变和平均干缩系数）的大小与水泥含量、被稳定材料的类别、粒料含量、直径小于0.5mm的细颗粒含量、试件含水

14、量以及龄期都有关系。减少干燥收缩应变的措施有：用塑性指数较低的土、掺加一定的集料和降低含水量等。关于温度收缩，在国内，张洪华等用不同剂量（3%7%）水泥稳定同一种河滩砂砾，进行其温缩特性的对比试验，结果表明，对于不同的温度，随着水泥剂量的增加温缩系数呈波浪性，存在着波峰和波谷。5%水泥砂砾的温缩系数随温度的变化最小，4%水泥砂砾的温缩系数随温度的变化最大。同济大学丛林和郭忠印分别采用4.5%、5.0%、5.5%的水泥剂量制作试件进行干缩系数的测定，试验结果表明，水泥稳定碎石基层的干缩系数受水泥剂量的影响比较大，温缩系数在较低温度下影响不大，随着温度的升高，温缩系数的变化稍微加大，但干缩系数的影

15、响远远大于温度收缩系数。西安公路研究所在研究水泥砂砾的干缩性时，采用了不同剂量的水泥，以了解水泥剂量对混合料干缩性的影响，结果表明，随着水泥剂量的增大，水泥砂砾的最大干缩应变和平均干缩系数先逐渐减小，在水泥剂量5%左右达到最小，之后随着水泥剂量增大，其干缩应变和干缩系数逐渐增大。长安大学李美江通过使用自行研制加工的振动成型压实机在室内对水泥稳定碎石进行振动压实试验，得出了各振动参数水泥稳定碎石振动压实效果的影响规律，及最佳压实效果相应的振动压实条件。主要结论如下：1、水泥稳定碎石有非常明显的振动压实过程，从微振到回弹跳起，然后在较高含水量时过渡到微振，在较低含水量时过渡到间歇性的跳起振动。2、

16、含水量对水泥稳定碎石的振动压实效果影响较大。水泥稳定碎石振动压实的最佳含水量略小于其重型击实的最佳含水量。对于级配良好的粒料结构易于振动压实能够达到良好的振动压实效果，同时含水量对压实效果的影响比较敏感，可以在略小于重型击实的最佳含水量条件下振动并达到较好的压实效果。而对于含有较多细料的道路材料，振动压实时也能达到相对较好的振动压实效果，振动压实的含水量对压实结果的影响不太敏感，在略大于重型击实的含水量时能够得到较好的振动压实效果。3、水泥稳定碎石只要达到回弹跳起的振动状态，静面压力和激振力对振动压实效果的影响作用都不是很明显。4、对级配良好的易于振动压实的水泥稳定碎石，静面压力、激振力等振动

17、参数对达到标准振实状态所需的振动时间影响很大。对级配良好的筑路材料应该考虑静面压力、激振力和振动时间对压实效果影响的综合作用，选取合适的振动压实参数。5、水泥稳定碎石的响应频率在35Hz左右。6、水泥稳定碎石的最佳振幅1.3mm1.7mm之间。7、对不同的被压材料，能够达到稳定状态的静面压力、激振力范围基本差不多，但合适的振动频率和振幅是随材料本身的物理性质而变化的。8、振动压实对材料压实度的提高并不是很大，但对强度的提高起着不可估量的作用。采用良好的级配并配合合适的压实方式能够提高材料的力学性能。天津市政工程研究院于2005年进行了半刚性基层抗裂技术的系统研究，得到的主要结论如下：1、水泥稳

18、定碎石混合料抗裂方法评价劈裂模型可以简单而有效模拟半刚性材料的被拉伸状态。评价水泥稳定碎石混合料抗裂性能的主要指标有干缩系数和温缩系数、干缩抗裂系数和温缩抗裂系数、温缩能抗裂系数、干缩能抗裂系数，而干缩抗裂系数（采用应力与应变的乘积，实际只用应变就够了）为最优。建议采用一年最不利季节进行温度和干燥收缩综合分析裂缝宽度。2、静压法优化结果0.075mm通过率与短期强度相关性不大，与长龄期无侧限抗压强度有较好的相关关系。0.075mm通过率越高，最大干缩应变越大，并且具有统计显性。水泥剂量增加，最佳含水量增加，最大干密度增加，强度增加。级配越粗，最佳含水量越小，最大干密度越大。在静压条件下，级配对

19、抗压强度影响不明显。水泥剂量增加，水泥稳定碎石混合料干缩应变及干缩系数增大，粗级配干缩应变、干缩系数小于细级配。3、振动法优化结果水泥剂量增加，最大含水量增加；细级配最佳含水量大。粗集料含水量多的级配振动条件下干密度大于粗集料相对少的干密度。水泥剂量相同，级配粗的混合料强度大。振动条件下，粗级配干缩应变、干缩系数小于细级配。4、成型方式对水泥稳定碎石路用性能的影响振动成型的水泥稳定碎石混合料最大干密度大，粗集料多的水泥稳定碎石更适合于振动成型。振动成型试件较静压试件有很大提高，粗级配提高更多，振动成型变异系数小，材料分布均匀。静压法试件吸水率高，振动成型试件吸水率低，说明振动成型更密实。振动成

20、型强度提高多，模量提高很小。相同失水率下两种级配振动成型试件干缩应变及干缩系数均小于静压成型。振动成型条件下，粗级配抗裂性能最佳。 国内防裂措施研究现状1、结合料种类对于水泥稳定类砂砾材料，就收缩性能而言，存在着一个最佳水泥范围。一般认为水泥剂量超过6%时，会导致干缩和温缩系数大幅度增长。很多研究试验表明，当水泥剂量在3%6%时，其收缩性能没有明显的差异。对于半刚性材料，应提倡综合稳定，用粉煤灰代替部分水泥，可以抑制材料体积的部分收缩。2、集料级配及含量对于集料级配问题，在水泥稳定碎石和二灰稳定碎石材料中研究得比较多，而对于水泥稳定类砂砾材料，研究相对较少。同济大学林绣贤教授基于80年代实践经

21、验提出如下观点：针对石灰粉煤灰或水泥石灰粉煤灰稳定碎石类，其材料组成可采用填充理论，同时还需解决石灰粉煤灰的合理比例。他认为：首先，集料的最大粒径D以不大于结构层厚度之一半为原则。其次，此类结构中既要充分发挥无机结合料的稳定作用，又要使填充料有充分压实的机会，因此集料刚好靠拢。密实的无机结合料稳定材料填充于骨架空隙中。骨料太多，无机结合料填充料不能充分压实，总容重虽大，但强度不能发挥；骨料太少，则骨料悬浮于无机结合料稳定材料中，骨料不起作用，性质仍与无机结合料稳定类接近，刚度大、干温缩大、易于开裂。因此骨料的合理含量要根据实际材料计算，骨料空隙部分即为密实的结合料含量。关于石灰与粉煤灰比例，以

22、1：31：4为最好，但石灰在混合料中含量也不得低于5%。随着重型振动压路机在道路施工中的应用，哈尔滨工业大学王哲人教授提出了二灰碎石混合料的紧密骨架结构模型。他认为以前的二灰碎石结构模型概括为“松排骨架，紧密填充”，而当时基层施工都是采用静态碾压，在室内一律采用击实或加压成型。因而在二灰碎石中集料的用量，在一实方混合料中最多为一松方，压实后的混合料，集料刚刚靠拢而不密实，作用不是很明显。周晓龙等也提出目前在基层施工过程中普遍采用重型振动压路机，因而二灰碎石的组成符合紧密嵌挤骨架密实结构，突破松排骨架中集料的用量极限，减少收缩系数以提高混合料的耐裂性，再以具有振动状态下最大干密度的结合料来填充集

23、料间的空隙，以最少量的填隙获得最大的填隙率，得到混合料的最大密实度，从而达到混合料最好的力学性能，提高半刚性基层各方面的性能指标。长安大学的戴经梁教授、蒋应军博士等通过大量试验得出，骨架密实结构能显著减小半刚性基层的收缩量，增大其抗裂系数50%左右。该种方法不会增加公路建设费用，抗裂效果显著。第三章 振动成型法原理及试验方法3.1 抗裂型水稳碎石振动成型法原理振动压实的基本原理是振动使被压实材料的内部产生振动冲击，其中的颗粒在振动冲击的作用下由初始的静止状态过渡到运动状态，被压实材料的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐步过渡到动摩擦状态。同时，由于材料的水分的离析作用，使材料颗粒的外层包围一层水膜，

24、形成了颗粒运动的润滑剂，为颗粒运动提供了十分有利的条件。材料颗粒之间的非密实状态下存在许多不等的间隙，在振动冲击的作用下，材料颗粒间的相对位置变化出现了相互的填充现象，即较大颗粒形成的间隙由较小颗粒来填充，较小颗粒的间隙由水分来填充。被压实材料中空气的含量也在振动冲击过程中减少了。材料颗粒间隙的减小，意味着密实度的增加；间隙减小使其颗粒间接触面增大，导致被压实材料内摩阻力增大，提高承载力。 振动成型法基于上述原理采用振动压实试验进行水泥稳定碎石基层配合比设计，从材料组成比例、最大干密度及最佳含水量，以及各项性能都得到优化。振动成型法主要的特点是设计的配合比更准确地模拟了施工现场的碾压方式,在保

25、证强度的前提下减少水泥用量和含水量，采用连续级配的材料和用大功率的震动压路机碾压，形成骨架密实结构，提高压实度，减少路面裂缝产生和离析现象，发挥了半刚性基层的优势,从而提高了路面的整体性能，同时还降低了成本。3.2 抗裂型水稳碎石振动成型试验方法3.2.1目的和适用范围本试验方法适用于采用振动成型方法成型水泥稳定碎石材料用于确定最佳含水量和最大干密度，测试无侧限抗压强度、间接抗拉强度、抗压回弹模量、温缩系数、干缩系数的圆柱体试件。3.2.2仪器设备1、振动压实成型机：静压力、激振力和频率可调。配有150mm直径的圆形压头。2、圆柱体试模钢模：内径152mm，高170mm，壁厚10mm；钢模套环

26、：内径152mm，高50mm，壁厚10mm；桶内垫块：直径151mm，厚20mm；钢模底板：直径300mm，厚10mm。3、电子天平：量程15kg，感量0.1g；量程4000g，感量0.1g。4、量筒：50ml、100ml和500ml的量筒各一个。3.2.3材料准备在预定做试验的前一天，取有代表性的试料测定其风干含水量，试料应不少于2000g。同时测定水泥的含水量。按照设计的集料级配以及试件的体积计算各种集料的重量并配料，配料的份数为7个试件。3.2.4试件制作步骤1、调节振动成型压实机的振动参数，静面压力为140kPa；频率35Hz；振幅1.4mm。2、取1份试料平铺于金属盘内，案事先通过压

27、实标准试验确定的最佳含水量计算的每份试料的应加水量将水均匀地喷洒在试料上，用小铲将试料充分拌和到均匀状态。3、将所水泥加到浸润后的试料中，并用小铲、泥刀或其他工作充分拌和到均匀状态。应在拌和1h内完成振实试验。4、将钢模、套环以及钢模底板紧密连接，然后将其放在坚实地面上，将含和好的混合料按四分法分成四份，依次将混合料倒入桶内，一边倒一边用直径2cm左右的木棒插捣。混合料一次装完后整平其表面并稍加压紧，然后覆盖一片事先剪好的塑料纸。将钢模连同混合料放在振动压实机的钢质底板上，用螺旋将钢模底板与振动压路机底板固定在一起。5、启动振动压实成型机，开始振动压实，2分钟后关闭振动压实成型机。6、托住钢模

28、底部的垫块，小心将钢模和其中的混合料一起放在比较合适的地方，静置56h后用脱模器将振实以后的混合料推出钢模。7、时间脱模后立即用塑料薄膜包裹好后放入养生室中进行养生。3.2.5注意事项混合料的最大干密度最佳含水量的确定以2min的振动时间为准，成型混合料进行物理性能试验以控制试件的高度为准。3.2.6计算1、抗裂水泥稳定碎石材料湿密度计算式中：抗裂水泥稳定碎石材料湿密度（g/cm3）； m1试筒与湿试样的合质量（g）； m2试筒质量（g）； V试筒容积（cm3）。2、抗裂水泥稳定碎石材料干密度计算式中：抗裂水泥稳定碎石材料干密度（g/cm3）；抗裂水泥稳定碎石材料含水量（%）。3.2.7结果整

29、理1、混合料密度计算应保留小数点后3位有效数字，含水量应保留小数点后1位有效数字。2、应做两次平行试验，两次试验最大干密度的差不应超过0.08g/cm3，最佳含水量的差不应超过0.5%。3.3 本章小结1、振动成型压实是抗裂型水泥稳定碎石基层设计的前提。2、系统提出了抗裂型水泥稳定碎石混合料振动成型试验方法。第四章 抗裂型水泥稳定碎石设计关键指标分析4.1 抗裂型水稳碎石基层抗裂机理分析水泥稳定材料开裂的具体影响因素主要有交通量、材料性质、气候条件、集料级配、水泥剂量、施工含水量等。其中集料级配是影响水泥稳定碎石强度、干缩和温缩稳定性、耐久性和施工性能的最主要的内部因素。相对于悬浮密实型水稳碎

30、石，骨架密实型水稳碎石能够更有效地抵抗干缩和温缩引起的裂缝，主要体现在以下几个方面：（1）骨架密实结构减少了细集料含量，使得结构内部粗集料均匀且有良好的嵌挤，在骨料空隙内部的细混合料大部分致密和分散的局部不致密，存在一定的空隙和微裂缝来克服基层因温度变化产生的应力和含水量减小产生的干缩应力，使其应力不集中。悬浮结构虽然可以获得较大的密实度，但各级集料均被次级集料隔开，不能直接聚拢形成骨架，从而集料颗粒相互牵制和约束的能力小于骨架密实型级配，在收缩力作用下更容易发生微位移，干缩系数更大。（2）骨架密实结构细集料含量少，悬浮密实结构4.75mm筛孔通过率范围为2949%，0.075mm筛孔通过率为

31、05%，骨架密实结构对应的通过率分别为2232%和03%，因而骨架密实结构混合料的比表面积较悬浮密实结构要小很多，需要水泥胶浆的含量和最佳含水量均相应减少。而水泥胶浆含量和含水量又恰恰是影响水稳碎石收缩性的最主要两个因素。一般悬浮密实结构的水泥剂量为6%左右，骨架密实结构水泥剂量为3.54.5%。粗集料的收缩性很小，细集料和水泥胶浆组成的水泥胶浆具有很大的温度收缩性。骨架密实结构的最佳含水量一般也较悬浮密实结构少1.52%，含水量越多，水泥稳定碎石蒸发散失水分愈多，产生的干缩裂缝愈显著，骨架密实型水泥稳定碎石混合料的干缩系数较传统悬浮密实型水泥稳定碎石混合料低。（3）骨架密实结构中间颗粒含量较多，不容易产生离析，能够较好地形成均匀的嵌挤板体结构，产生应力集中的可能性也大为降低。悬浮密实结构容易因离析使细集料过于集中而产生较大的温缩和干缩应变，导致产生收缩裂缝。4.2抗裂型水稳碎石强度影响因素分析为进一步分析各种影响因素对于水泥稳定碎石强度特性的影响，主要对不同的4.75mm筛孔通过率对强度的影响进行试验研。水泥稳定碎石混合料4.75mm通过率对水泥稳定碎石混合料级配组成非常重要，不同4.75mm通过率就意味不同粗细组成比例，结合级配设计成果，选用不同4.75mm通过率级配进行水泥稳定碎石强度试验，以研究确定合适的4.75mm通过率。采用表4-1和图4-1所列的三