Transcript 公路路面基层技术讲座
公路路面基层 长安大学 沙 爱 湖北省公路学会，技术讲座 2010.06.11 民 一、立项背景 大背景:公路建设快速发展。 减少路面早期损坏，延长路面使用寿命。 供车辆安全、平稳行驶 面层 主要起承重作用 基层 路基 基层是公路路面的主要承重层, 基层的使用寿命决定着整个公路路面的使用寿命。 立项背景 半刚性 基层 其他类型 基层, 15% 半刚性基层 拌合、摊铺 压实、养生 水泥 或 石灰 + 砂石材料 或 工业废渣 其他类型 基层, 5% 半刚性基 层, 85% 其他类型基层 图1 各级公路基层类型 半刚性基 层, 95% 半刚性基层 其他类型基层 图2 高速公路基层类型 半刚性基层在我国应用极广，占到基层用量的85%（各 级公路基层）至95%（高速公路基层）以上。 沥青路面早期损坏成因的“内忧外患” 超载问题? 施工质量问题? 路面结构设计方法问题? 路面结构类型（半刚性基层沥青路面） 设计理论体系（指标与方法） 半刚性基层的“问题” 强度高且容易开裂 半刚性基层容易发生水损坏 半刚性基层的耐久性需要考证 半刚性基层何去何从? 立项背景 半刚性基层在具有显著技术、经济优势的同时，存在下列突出问题。 抗裂性不足 导致面层 反射裂缝 冲刷能力 不足导致面层 唧浆、松散 强度不足 导致面层 疲劳破坏 强度问题 半刚性基层的可设计强度值域很 宽:0.5~12MPa 半刚性基层材料的强度不仅靠结合料的剂量, 更应要靠良好的集料级配. 在一定条件下可以做到高强又不开裂. 高强度半刚性材料应该是结构设计的要求的 结果,而且应该是有界限的. 水泥稳定土的无侧限抗压强度和弯拉模量 土 类 级配良好的 砾石-砂-粘 土，砂或砾 石 粉质砂， 粉质-砂质 砂质粘土 粘土，级 配差的砂 粉土，粉质 粘土，级配 很差的砂 重粘 土 7d无侧限抗压强度 （MPa） ＞2.8～10.5 1.7～ 3.5 0.7～1.7 0.35～1.05 ≤0.7 弯拉模量（×103MPa） 7～21 7 3.5～7 ＜3.5 1.4 水泥剂量（干土重%） ≤5 7 9 10 ≥13 收缩开裂问题 温度或干燥收缩是材料的“天性”。 及时的保湿养生可以避免干燥收缩裂缝。 控制细料含量可以显著减小温度收缩开裂可 能。 水泥石和集料的收缩系数 集料 成分 收缩系数（×10-6） 水泥石 10～20 花岗岩 7～9 玄武岩 6～8 石灰石 6 白云石 7～10 砂 11～12 岩 冲刷问题 半刚性基层表面的非紧密联结的细料在动水压力泵 吸作用下的脱离是形成冲刷的主要原因。 不产生或减小冲刷途径： 减少细料含量 增加结合强度 消减动水压力 疲劳问题 半刚性基层材料是一应力敏感性材料： 疲劳曲线较为平缓 超载对半刚性基层的寿命影响要更大于沥 青面层 同样应力比条件下，半刚性基层比普通沥青 面层具有更长的疲劳寿命。 半刚性基层的长寿命 应力比 半刚性基层材料 沥青混合料 lgNf 路面基层一般要求 应具有足够的强度和稳定性； 在冰冻地区应具有一定的抗冻性； 应具有较小的收缩(温缩及干缩)变形； 较强的抗冲刷能力。 材料组成设计目标 材料组成设计目标——多指标： 适宜强度 较小收缩 较小冲刷 振动压实 振动压路机原理及现有室内振动 压实成型设备状况 室内振动压实成型设备的研制 室内振动压实设备振动压实规律 研究 振动法确定压实标准试验方法 振动法成型试件试验方法 振动压路机结构 振动压路机结构示意图 室内振动压实机结构 1—手动葫芦 2—机架 3—导向柱 4—上车系统 5—偏心块 6—减振块 7—下车系统 8—压头 9—钢模套环 10—钢模 11—钢模底盘 12—传动轴 13—电动机 14—变频器 室内振动压实成型设备示意图 室内振动压实机 振动参数之间关系 m1 r1 h1 m2 r2 h2 2 w 2f F 2 2 2 f 2 m2 Rw2 f1 m1 Rw2 f 1 f 2 2 f 1 f 2 cos(180 0 ) 2 A F / me w2 2 a Aw2 / g 式中：m1——活动偏心块的重量(kg)； m2——固定偏心块的重量(kg)； h1——活动偏心块的厚度(m)； h2——固定偏心块的厚度(m)； r1——活动偏心块的半径(m)； r2——固定偏心块的半径(m)； R——偏心距(mm)； ρ——钢的密度； f——振动频率（Hz） w——角速度(r/min)； F——振动器的激振力(N)； α——偏心块的夹角(°)； A——名义振幅（mm）； a——振动加速度（g）； me——下车系统的重量（下车重量+压头重量+下车配重）。 振动法、静压法含水量变化情况对比 反映了振动压实功与静力压实功的一致性。 振动法、静压法集料破碎情况对比 19 31.5 100 16 90 13.2 70 60 4.75 50 2.36 通过百分率(%) 80 9.5 40 30 20 筛孔尺寸(mm) 原始级配 振动法级配 击实法级配 振动压实的优点：级配的保持、变异性的减小，与现场压实状态的一致性 振动法、静压法集料破碎情况对比 静压法 振动法 振动法确定压实标准试验方法 一、目的和适用范围 本试验方法适用于在室内对水泥、石灰、石灰粉煤灰稳定粒料土基层 材料进行振动压实试验，以确定这些材料的含水量—干密度关系 曲线，确定其最佳含水量和最大干密度。试验集料的最大粒径应 控制在31.5mm以内，最大不得超过37.5mm。 二、仪器设备 三、试料准备 四、试验步骤 五、计算及制图 振动法成型试件试验方法 一、目的和适用范围 本试验方法适用于采用振动压实方法成型无机结合料稳定粒料的 各种试件，其中包括用于测试无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压 回弹模量的圆柱体试件和用于温缩系数、干缩系数、抗折强度以及抗 折回弹模量测试的梁式试件。 二、仪器设备 三、试料准备 四、试件制作步骤 五、注意事项及相关说明 半刚性基层材料收缩系数 测定方法 机测法和利用振弦传感器法 应变片电测法及测试系统的组成 半刚性基层材料温缩系数测定方法研究 半刚性基层材料干缩系数测定方法研究 半刚性基层材料温缩系数测定方法 半刚性基层材料干缩系数测定方法 应变片电测法——收缩系数测定系统 1—计算机 5—屏蔽线 2—接口线 6—环境箱 3—接线柱 7—试件 收缩系数测试系统 4—应变仪 8—应变片 应变片电测法——收缩系数测定系统 1—温度补偿片 2—温度补偿应变片 3—屏蔽线 4—接线柱 5—应变仪 6—测试应变片 7—试件 收缩系数测试接线示意 温缩系数测定试验 温缩系数测定方法 一、目的和适用范围 水泥、石灰等无机结合料稳定细粒土或粒料所形成的半刚性基层材料的温 度收缩性能通常用温度收缩系数表征。材料的温度收缩系数是指下降单位 温度条件下，材料产生的收缩应变量。本试验方法适用于在室内测定半刚 性基层材料的温度收缩系数。 二、仪器设备 三、试料准备 四、成型标准确定 五、试件制备 六、试件养生 七、试验步骤 八、计算各具体温度区间的温度收缩系数 干缩系数测定方法 一、目的和适用范围 水泥、石灰等无机结合料稳定细粒土或粒料所形成的半刚性基层材料的干 燥收缩性能通常用干燥收缩系数表征。材料的干燥收缩系数是指减少单位含 水量条件下，材料产生的干燥应变量。本试验方法适用于在室内测定半刚性 基层材料的干燥收缩系数。 二、仪器设备 三、试料准备 四、成型标准确定 五、试件制备 六、试件养生 七、试验步骤 八、计算某一具体含水量区间的干燥收缩系数： 半刚性基层材料 冲刷试验方法 现有试验方法的分析与评价 利用MTS试验机研究抗冲刷试验方法 抗冲刷试验设备的研制 半刚性基层材料抗冲刷性能试验方法 现有设备状况 1—旋转刷 2—试件 法国旋转刷试验装置 1—钢桶 2—试件 3—水 4—配重 5—振动台顶面 6—振动台 法国振动台试验装置 1—钢桶 2—水 3—混凝土垫块 4—试件 5—振动台顶面 6—振动台 澳大利亚振动台试验装置 利用MTS进行冲刷试验 压头向下运动 压头向上运动 利用MTS进行的冲刷试验结果 300 水泥土(6%) 200 150 100 50 0 5 10 15 20 25 30 0.5MPa 10HZ 0.5MPa 15HZ 0.5MPa 20HZ 0.5MPa 25HZ 冲刷量(克) 冲刷量(克) 250 0.5MPa 20HZ 0.5MPa 25HZ 时间(分钟) 水泥砂砾（6%）、水泥土（6%）在相同作用力相同时间不同频率下冲刷曲线 200 150 30 0.3MPa 10HZ 0.3MPa 10HZ 0.5MPa 10HZ 100 20 0.5MPa 10HZ 10 0.7MPa 10HZ 50 0.7MPa 10HZ 40 差刷量(克) 水泥砂砾(6%) 50 冲刷量(克) 0.5MPa 10HZ 0.5MPa 15HZ 5 10 15 20 25 30 时间(分钟) 图4-18 水泥砂砾(6%) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 水泥土(6%) 0 0 5 图4-20 10 15 20 25 30 时间(分钟) 5 10 15 20 25 30 时间(分钟) 水泥砂砾（6%）、水泥土（6%）在相同作用频率、相同作用时间不同作用力下冲刷曲线 室内冲刷试验机 1 8 1 2 9 54 0 2 O 180 O O 10 11 5 12 6 7 13 14 15 1—活动偏心块 3—固定偏心块 4—活动偏心块 8—导向柱 9—电机 13—水 14—试件 道路冲刷试验机示意图 3 3 3 3 4 1—机架 2—皮带 6—冲刷头 7—冲刷桶 11—分动齿轮 12—配重块 1 2 2—销孔 3—固定偏心块 激振力调节原理示意图 5— 配重箱 10—框架 15—钢夹 抗冲刷性能试验方法 一、 目的和使用范围 本试验方法适用于水泥稳定类、石灰稳定类、二灰 稳定类等基层材料进行抗冲刷试验。本试验方法包括：按照室内击 实试验所确定的最大干密度和最佳含水量，采用静力压实或振动成 型法制备试件，试件为圆柱体，高度与直径之比为1∶1。 二、仪器设备 三、试件形状、尺寸 四、试料准备 五、压实标准的确定 材料种类 养生龄期 六、试件制备 七、试件养生 水泥稳定类 28天 八、试验步骤 二灰稳定类 90天 九、试验结果处理 抗冲刷性能试验 半刚性基层材料 结构类型与组成计算 半刚性基层材料结构类型划分 半刚性基层材料粗集料骨架结构性能 骨架密实结构半刚性基层材料混合料组成计算 骨架孔隙结构半刚性基层材料混合料组成计算 路面基层类型 材料组成—水泥稳定类、石灰粉煤灰稳定类、 水泥混凝土类、沥青稳定类、 无结合料粒料类； 力学行为—半刚性、柔性、刚性； 结构组成—骨架密实结构、骨架孔隙结构、 悬浮密实结构、均匀密实结构。 水泥稳定碎石基层材料体积参数测定结果 单位 以9.5mm划分 以4.75划分 以2.36划分 粗集料空隙体积 cm3 409.05 724.31 760.36 细集料部分(含水泥、水)体积 cm3 1981.85 1345.68 990.00 悬浮 悬浮 悬浮 试验项目 混合料结构类型 粗集料骨架试验——级配 粗集料试验级配表 筛孔孔径 （ mm） 31.5 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 a 100 88 67 58 47 30 0 b 100 87 64 52 43 26 0 c 100 85 59 48 37 22 0 多 级 嵌 挤 d 100 85 35 20 15 10 0 e 100 95 78 27 13 7 0 f 100 88 72 64 55 5 0 单 级 级 配 g 100 0 连 续 级 配 h i 100 100 0 0 压实后的粗集料 压实后不同级配的粗集料 水泥稳定类集料级配 （JTJ 014-1997） 层位 通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%） 37.5 基层 底基层 100 31.5 19.0 9.50 4.75 2.36 0.6 0.075 100 88～99 57～77 29～49 17～35 8～22 0～7 93～98 74～89 49～69 29～52 18～38 8～22 0～7 骨架密实型水泥稳定类集料级配 （JTG D50-2006） 通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%） 层位 基层 31.5 19.0 9.50 4.75 2.36 0.6 0.075 100 68～86 38～58 22～32 16～28 8～15 0～3 悬浮密实型水泥稳定类集料级配 （JTG D50-2006） 层位 通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%） 37.5 基层 底基层 31.5 100 100 93～100 19.0 9.50 4.75 2.36 0.6 0.075 90～100 60～80 29～49 15～32 6～20 0～5 75～90 15～35 6～20 0～5 50～70 29～50 骨架密实水泥稳定碎石组成计算 x y W粗料 A x y B 水泥、细料浆 x—— 混合料中水泥的用量（g） y—— 混合料中细料的用量（g） W粗料——装满标准容器后粗料的质量（g） ρ水泥、细集料—— 水泥、细集料的最大干密度（g/ cm3） A ——混合料中预定水泥计量（%） B ——通过试验确定出的粗集料空隙体积（cm3） 骨架密实二灰稳定碎石组成计算 a A b ( a b) B ( c W 粗料 ) (a b c) C 石灰、粉煤灰、细集料 a—— 混合料中石灰的用量（g） b—— 混合料中粉煤灰的用量（g） c—— 混合料中细料的用量（g） W粗料——粗集料的质量（g） ρ石灰、粉煤灰、细集料—— 石灰、粉煤灰、细集料的最大干密度（g/cm3） A ——混合料中预定的石灰与粉煤灰之比（%） B ——混合料中预定的石灰、粉煤灰与粗、细集料之比（%） C ——通过试验确定出的粗集料空隙体积（cm3） 不同结构类型半刚性基层 路用性能试验 试验级配 强度试验 模量试验 收缩试验 冲刷试验 温缩系数 温缩系数（με/℃） 温缩应变（με） 700 600 500 400 300 水泥碎石 GK 6% 水泥碎石 GK 8% 水泥碎石 GK 10% 200 100 0 45 35 25 15 5 温度（℃） 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -5 -15 二灰碎石 XM 4：11：85 二灰碎石 XM 9：16：75 二灰碎石 GM 4：11：85 55 45 35 25 15 温度（℃） 5 -5 -15 -25 水泥碎石 GK 6% 水泥碎石 GK 8% 水泥碎石 GK 10% 14 12 10 8 6 4 55 -25 温缩系数（με/℃） 温缩应变（με） 55 16 35 20 15 温度（℃） -5 -25 二灰碎石 XM 4：11：85 二灰碎石 XM 9：16：75 二灰碎石 GM 4：11：85 15 10 5 0 55 35 15 温度（℃） -5 -25 干缩系数 水泥碎石 XM 4% 水泥碎石 XM 5% 水泥碎石 XM 6% 5.5 4.5 干缩应变（με） 含水量（%） 6.5 3.5 2.5 1.5 0 4 8 12 16 20 24 28 时间（h） 32 36 44 48 150 100 50 0 0 4 8 12 16 20 24 28 时间（h） 32 36 400 350 300 250 200 150 100 50 0 40 44 4 250 干缩系数（με/%） 200 水泥碎石 XM 4% 水泥碎石 XM 5% 水泥碎石 XM 6% 0 水泥碎石 XM 4% 水泥碎石 XM 5% 水泥碎石 XM 6% 干缩应变（με） 干缩系数（με/%） 250 40 400 350 300 250 200 150 100 50 0 8 12 16 20 1 150 36 40 44 48 100 50 0 0 48 2 32 水泥碎石 XM 4% 水泥碎石 XM 5% 水泥碎石 XM 6% 200 1 2 3 含水量（%） 水泥碎石 XM 4% 水泥碎石 XM 5% 水泥碎石 XM 6% 0 24 28 时间（h） 3 含水量（%） 4 5 6 4 5 6 二灰碎石GM 4∶11∶85 二灰碎石XM 9∶16∶75 二灰碎石XM 4∶11∶85 水泥碎石GK 10% 80 70 水泥碎石GK 8% 90 水泥碎石GK 6% 100 水泥碎石GM 6% 水泥碎石GM 5% 水泥碎石GM 4% 水泥碎石XM 6% 水泥碎石XM 5% 水泥碎石XM 4% 冲刷量（g） 冲刷试验 30分钟冲刷量 （g） 60 50 40 30 20 10 0 设计方法 结构类型选择 控制指标、标准 选择法 试验法 结构类型的选择 交通量 车辆组成 道路等级、 面层类型 气候 条件 选择结构类型 悬浮密实结构 骨架密实结构 确定混合料配比 路用性能检验 否 是否满足要求 是 推荐使用 骨架孔隙结构 混合料设计方法 半刚性基层材料混合料组成设计方法分两种，即选择法和试验法。 选择法 选择法适用于常见的水泥稳定碎石、二灰稳定碎石材料。对于 这些材料，当其集料级配得到改善，或混合料结构类型由悬浮密实型 向骨架密实型改变后，其路用性能也会随之改善，当其强度满足规范 要求后其他性能也能满足相应要求。 试验法 实践中会因材料和施工设备等条件的变化提出超出常规的新的材 料级配组成；并且，随着半刚性基层材料的发展，在各地的实践中采 用了许多外加成分和新材料，如在混合料中加入各种填加剂、纤维、 早强剂以及当地的工业废渣等。这些材料使用经验很少，仅从7天的 抗压强度指标难以评判这些新材料的其他路用性能，对于它们需要进 行充分的室内试验论证其可用性。 试验路施工现场 试验路水泥碎石基层 钥 匙 贫混凝土基层 提出背景 针对目前我国公路超载现象严重，新规范中 列入了贫混凝土刚性基层。 相对于水泥混凝土：低水泥剂量（100－ 200kg水泥/立方混凝土）的经济混凝土，或低强 度等级的水泥混凝土。 相对于稳定土基层：提高了混合料中水泥的 用量，因而具有更高的强度、模量和板体性，能 够承担更大的行车荷载。 类型划分 从成型方式分： 插入振捣式塑性贫混凝土基层 碾压式贫混凝土基层 表面振动式无砂或少砂透水塑性贫混凝土基层 。 从结构特征上分： 密实贫混凝土（塑性贫混凝土）：有湿贫和干贫 之分。密实干贫混凝土采用振动碾压工艺成型，即碾 压式贫混凝土； 多孔贫混凝土：无砂或少砂透水贫混凝土。 材料设计方法 贫混凝土基层属刚性基层，在原材料选择、配 合比设计和施工技术要求等方面，均与半刚性基 层的差异较大，而更接近于水泥混凝土，可沿用 水泥混凝土现有的原材料检验、配合比设计、施 工设备、铺筑技术及所有的试验检测方法和手段。 结构设计方法 贫混凝土基层沥青混凝土路面设计方法 贫混凝土基层沥青混凝土路面（LC-AC）设计 方法可借鉴RCC-AC复合式路面的设计方法。 贫混凝土基层水泥混凝土路面设计方法 贫混凝土基层水泥混凝土路面结构设计是将其 视为弹性地基上双层板。临界荷位为板纵缝边缘中 部，与现行水泥混凝土路面设计规范中对混凝土面 板临界荷位的取法相同。 水泥粉煤灰稳定碎石基层 提出背景 从稳定土原理上讲，粉煤灰与石灰并用能起 到较好的稳定效果。往往有些地区有粉煤灰资源 而缺乏石灰，或有石灰，但质量不合格或不稳定。 国内实际工程中已有采用水泥粉煤灰稳定基层的 工程实例，并取得了较好的应用效果。本次规范 列入水泥粉煤灰稳定基层类型，允许采用该种稳 定类基层，以积累相应的应用经验。 谢 谢 ！