高速公路到半刚性基层修筑技术.ppt
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1、二灰碎石基层修筑技术,1 发展历程,20世纪50年代中期,欧美国家从环保角度出发,开始采用二灰碎石替代传统筑路材料 20世纪6070年代,欧美制定了相应的使用规范,总结了成熟的施工经验 20世纪6070年代以来,二灰碎石在中国得到了大力推广应用,成为最广泛的两种半刚性基层材料之一,周晓龙 首次提出用振碾法施工半刚性基层 获取了国内第一条经振动压实的二灰碎石混合料的疲劳寿命曲线 编写吉林省二灰类道路基层设计、施工技术规程,2 原材料要求,石灰 粉煤灰 碎石,活性,3 配合比设计,规范配合比方法 “二灰-砂浆-骨架”理论设计法 “骨架密实”理论设计法 基于抗裂性能的设计法,规范配合比方法,公路路面
2、基层施工技术规范(JTJ034-2000)中建议的集料级配情况,二灰:集料=15:8520:80,在混合料中,集料形成骨架,二灰起填充孔隙和胶结作用。,事实上,规范级配中,粒径处于04.75mm范围的细集料含量为3050%,若再加上二灰,二灰碎石中细料将超过50%,难以形成良好的粗集料骨架结构,这对于它的收缩性能有不利影响。此外,过多的细料含量使得材料的含水量敏感性太高,不利于施工控制。,“二灰-砂浆-骨架”理论设计法,将二灰碎石分成三个组成结构层次:第一层次,由石灰、粉煤灰和水组成的二灰,它是二灰碎石中的主要粘结成分,必须具有足够的强度和粘结力;第二层次,由二灰和细集料组成的砂浆,在组成比例
3、合适的条件下,细集料改善二灰的性能,使得砂浆与二灰相比,具有较高的强度、较好的抗收缩性能;第三层次,粗集料颗粒紧密排列形成良好的骨架结构,砂浆填充骨架的空隙,并将骨架粘结成一个稳定的整体,既充分发挥了粗集料的骨架作用,又利用了砂浆的粘结力。这样形成的二灰碎石具有较好的力学性能、水稳定性能、耐久性和抗收缩性能。,二灰比例,二灰不同配比时的强度试验结果,二灰中石灰含量的增加促进了粉煤灰的水化反应,有利于提高二灰的强度,但是,过高的石灰含量并不能提高二灰强度,此外,石灰的含量偏高会使生成的水化产物的收缩加大。因此,在石灰与粉煤灰之间存在一个最佳的配比,在这个配比下二灰的性能最优。,砂浆比例,砂浆必须
4、是一个致密的整体,必须有足够的二灰能完全包裹细集料颗粒、填充细集粒颗粒间的空隙。当细集料所占比例较小时,它的增强作用得不到充分体现;而当细集料比例太大时,二灰的粘结作用又显得不够充分,反而会引起强度的下降。所以,细集料与二灰之间存在一个最佳比例。,二灰细集料不同配比时的强度结果,砂浆与粗集料的比例,在二灰碎石中,砂浆与粗集料的比例应该能够确保形成这样的结构:表面包裹一薄层砂浆的粗集料紧密排列形成良好的空间骨架结构,密实的砂浆填满骨架的空隙,并将骨架粘结成为稳定的整体。所以,粗集料与砂浆的适宜配比组成是:一体积的二灰碎石中,含有一松方体积的粗集料;压实后砂浆的体积完全填充粗集料松散堆积颗粒间空隙
5、。,“骨架密实”理论设计法,1) 主骨料级配确定 (1)确定骨料规格D0(一般选取24cm料)。将一定质量的此粒径的骨料分三次放入击实筒中,每次按重型击实98次,然后量测其击实的高度,利用公式=M/V计算出击实密度,算出空隙率。 (2)以D0用量为100,D0的一下级为1/2D0(12cm),以D0用量的5%为步长,将D1逐次掺入D0中,每次掺入后,击实,测定击实密度,建立填充数量与击实密度关系曲线。 (3)选择D1的合理用量,测得最佳的填隙率。 (4)以此类推,进行二、三、四、五级填充,最后分别得到各粒径的最佳填充比例,即主骨料的级配。 2) 石灰与粉煤灰的比例确定 3) 石灰粉煤灰与主骨料
6、比例的确定 4) 二灰碎石混合料最大干密度的确定,基于抗裂性能的设计法,理论基础,集料密实状态,集料隔离状态,二灰碎石基层的收缩认为是由二灰的收缩导致的。,设计原则 二灰含量应与集料振实空隙率相当。断开510mm粒径间集料,增加粒径10mm以上集料形成混合料主框架,控制5mm以下集料,仅用于填充框架空隙。 配合比设计流程,建议级配范围,嵌挤骨架主骨料级配,4 提高二灰碎石早期强度,目的 提高二灰碎石的早期强度 二灰碎石强度形成的机理 二灰碎石强度主要是由碎石之间嵌挤摩擦力和二灰之间火山反应形成粘力构成。火山灰反应是指粉煤灰中活性SiO2、Al2O3等物质在碱性激发下,在水的参与下与Ca(OH)
7、2作用生成水硬性物质,如水化硅酸钙(-)、水化铝酸钙(-)。 方法 添加酸、碱、盐等活性外加剂,常用的有Na2CO3、Na2SO4、NaOH、水泥,二灰混合料早强机理,生成了非火山灰晶体胶结物 Na2CO3在早期可以与石灰作用生成Ca2CO3、CaSiO3结晶体,胶结固相颗料来提高二灰混合料早期强度,同时产生一定量的NaOH。 Na2CO3+Ca(OH)2CaCO3+2NaOH 强碱NaOH、水泥对火山灰反应的促进作用 粉煤灰硅铝玻璃体属于玻璃结构, NaOH能以分子形式进入松驰的粉煤灰硅铝玻璃体中,破坏硅氧健,致使硅氧分子单位SiO44-溶于水中。 Si-O-Si+ NaOH Si-OH+N
8、a-O-Si 强碱NaOH 、水泥的作用是提高液相介质的PH值,促进了液相中由溶蚀生成的硅酸的电离度, PH值提高,液相中氢离子浓度降低,平衡向着生成硅酸根离子的方向移动,结果增大了与Ca2+离子反应的机率。,二灰混合料早强机理,促进结晶体形成、生长 在二灰混合料中掺加Na2SO4早强剂, Na2SO4与石灰反应生成CaSO4,CaSO4能与Al2O3迅速生成水化硫铝酸钙晶体,起到胶结密实二灰混合料的作用。 Na2SO4 +Ca(OH)2 CaSO4 +2NaOH 3 CaSO4 + Al2O3 +28H2O+3 Ca(OH)2 3CaO Al2O33 CaSO431H2O 3 Ca(OH)2
9、 + Al2O3 + CaSO4 + 9H2O 3CaO Al2O3 CaSO412H2O,二灰混合料,掺NaOH的二灰混合料,掺Na2SO4的二灰混合料,掺Na2CO3的二灰混合料,掺水泥的二灰混合料,扫描电镜分析,二灰混合料7的扫描电镜照片,固相颗粒表面已有部分结晶物、凝胶物生成,但不太显著。而加外掺剂后其固相颗粒已明显变得粗化,有结晶物和凝胶物生成。Na2CO3早强二灰混合料有块状方解石晶体生成;Na2SO4早强二灰混合料有棒状或针状的钙矾石晶体生成;在水泥、NaOH早强二灰混合料中有水化硅酸钙、铝酸钙和硅铝酸钙生成。,扫描电镜分析,二灰混合料,掺NaOH的二灰混合料,掺Na2SO4的二
10、灰混合料,掺Na2CO3的二灰混合料,掺水泥的二灰混合料,二灰混合料微观结构形态更加显著。纯二灰混合料中固相颗料为凝胶物所覆盖,并有结晶物生成;早强二灰混合料的凝胶物、结晶物也大大增多,这些结晶物以纤维状、棒状、薄片状等形态出现,包括水化硅酸钙、铝酸钙、硅铝酸钙、硫铝酸钙等。Na2SO4早强二灰混合料表现出纤维状、棒状结晶丛生,纤维状晶体向四周空间发展联结固相颗粒,凝胶状、纤维状结晶晶体相互联结并穿刺其中。NaOH早强二灰混合料中由颗料表面凝胶物生长出的纤维状结晶形态明显。Na2CO3早强二灰混合料中,薄片状的CaCO3结晶体堆积在一起,并且粗化。水泥早强二灰混合料中以凝胶物水化硅酸结晶体为多
11、。,二灰混合料28的扫描电镜照片,粉煤灰,掺加NaOH粉煤灰,掺加Na2CO3粉煤灰,掺加Na2SO4粉煤灰,掺加水泥粉煤灰,-射线衍射分析,28的-射线衍射图谱,CaCO3的特征谱线有3.04、2.29、2.10、1.19 、1.88 等,二灰混合料及各种早强二灰混合料的衍射图中均表现出以3.04为主的CaCO3特征谱线,各种早强剂中,Na2CO3早强二灰混合料的28龄期衍射图中3.04谱线强度明显大于同龄期其它二灰混合料,这说明在Na2CO3早强二灰混合料中,初期存在Na2CO3与石灰作用生成CaCO3的反应。而水泥的谱线强度最低,这说明其早强效果不明显。,二灰混合料强度试验结果,从表中结
12、果可以看出,对于不同品种粉煤灰,加入外加剂其不同龄期的强度均要比未加外加剂的强度有所提高,但提高的幅度不相同。在早期掺加Na2CO3和Na2SO4的效果相当,其次为掺加NaOH,而掺加水泥的效果较差;但到后期,掺加Na2SO4效果最好,其次为Na2CO3和NaOH,掺加水泥效果仍然最差。,干缩系数,温缩系数,水泥、石灰、粉煤灰、细集料对二灰碎石干缩的影响,因子水平表,最大干缩应变与因素的关系,粉煤灰 石灰 水泥 细集料,影响大小依次为,水泥提高二灰碎石基层的早期强度,配合比及其主要技术指标,二灰混合料比例不变,最大干密度、最佳含水量均变化不大。,水泥提高二灰碎石基层的早期强度,混合料不同龄期的
13、抗压强度单位(MPa),(a)在二灰碎石中加入一定量的水泥后,其早期(7天)强度得到明显提高。 (b) 对其后期强度作用也十分明显,这对于延长路面使用年限是有利的。 (c)加水泥后的早期强度取决了水泥的比例,水泥用量越大,早期强度的改善越明显,但水泥剂量过大则不经济易造成浪费,过小则增加施工难度,造成拌和不均匀,铺筑路面后强度不稳定,增强效果也差。从施工、经济及增强效果几个方面考虑,最佳水泥比例建议采用12%。,水泥提高二灰碎石基层的早期强度,试验路段弯沉测试结果,随着水泥用量的增大,路面弯沉逐渐减小,说明路面基层整体强度逐渐提高。通过对试验路段的观察,随着水泥用量的增加,基层的反射裂缝也随着
14、增加,因此水泥用量不宜过大。 施工中应对其碾压成型延迟时间进行控制,建议成型延迟时间最长不超过8小时。,水泥水化产物对火山灰反应的影响,在纯硅酸盐水泥浆体中,单体量随着龄期的延长而逐渐减小。双聚体量在28天以前逐渐增加,28天以后又逐渐减小,环四和链三的量变化无规律,但低聚物的总量随水化进行而减少。原灰中同样存在单体、双聚体、环四和链三,但无论有无外加剂,水化至90天后各聚合态SiO44的含量基本没有变化,说明纯粉煤灰的火山灰活性反应进行非常缓慢。当在水泥中掺入50%粉煤灰剂量后,双聚体及其它低聚物的含量变化缺少规律,这可以解释为在水泥水化产物的作用下,粉煤灰中的双聚体及其它低聚物有从单体聚合
15、生成,多聚体解聚生成及自身又解聚的双重反应,因此水泥的水化产物将影响粉煤灰的活性。激发剂的加入提高了水泥粉煤灰浆体中单、双体的含量和低聚物的总量,加快了粉煤灰的水化速度。,水泥水化的部分产物沉积和吸附在粉煤灰颗粒表面,早期会妨碍粉煤灰网络结构的解体,但后期却会加速粉煤灰的溶蚀,5二灰碎石基层厚度对沥青路面的影响,案 例:龟裂、唧浆修补汇总表,规范规定每层最小压实厚度为10cm。,5二灰碎石基层厚度对沥青路面的影响,力学计算图式,5二灰碎石基层厚度对沥青路面的影响,上基层厚度与基层底面弯拉应力关系图,上基层厚度与基层底面弯拉应变关系图,当基层不存在分层时,各标段基层底面的弯拉应力(变)都差不多,
16、一旦存在分层,则上基层底面的弯拉应力(变)要增大好几倍,并且均随着上基层的厚度增大而增大;而不同基层厚度之间的比较发现,上基层底面的弯拉应力(变)随基层厚度的变化不十分明显。实际路况表明病害的严重程度与基层的厚度有显著关系,由此不难得到以下结论:造成路面早期唧浆的主要原因是基层厚度不合理,导致上基层厚度太薄,压实时容易出现施工隐患而不足以充当结构层的作用,最终导致上基层破碎。,6二灰碎石分层特性对沥青路面的影响,二灰碎石用作高等级路面基层时,其厚度一般都大于20cm,需分层铺筑。 公路路面基层施工技术规范(JTJ034-2000):二灰碎石基层分层施工时,下层碾压完毕后,可以立即在上铺筑另一层
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- 高速公路 刚性 基层 修筑 技术
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