半刚性基层的材料特性

0 引 言
半刚性材料作为中国传统的基层材料 ,应用于
各级公路路面结构中 。由于经济基础和技术基础所 致 ,在相当长的一段时期内 ,半刚性基层仍将作为一 种主导性基层应用于中国高速公路和一般公路路
收稿日期 :2007207219 作者简介 :沙爱民 (19642) ,男 ,安徽宣城人 ,教授 ,博士生导师 ,工学博士 ,博士后 , E2mail :aiminsha @263. net 。
集料
成 分 水泥石
花岗岩 玄武岩 石灰石 白云石 砂 岩
温度收缩系数/ 10 - 6 10～20 7～9 6～8
6 7～10 11～12
注 :温度收缩系数是指单位温度变化时的收缩应变值 。
1. 3 强度设计 半刚性基层在一定条件下可以做到高强又不开
裂 。鉴于上述对材料强度组成的分析 ,可以通过一 定的组成设计得到强度高而收缩性低或抵抗收缩开
裂性好的材料 。这就需要在半刚性基层材料组成中
增大粗集料的比例并形成较好的级配 ,加入适宜的 水泥剂量 。骨架密实结构的材料便是符合这种半刚
性基层材料设计理念的代表 。半刚性基层材料中 , 从均匀密实结构到悬浮密实结构 ,再到骨架密实结 构 ,材料的粗集料用量逐渐增加 ,强度增大 ,收缩系 数却减小 ,见表 3[425 ] 。
1 强度特性
1. 1 强度值域 半刚性基层材料可设计的强度值域很宽 。半刚
性基层材料强度随所稳定对象和结合料的不同可以 在很宽的值域内变化 ,见表 1[1] 。水泥稳定类材料 的强度规律是 :在相同的水泥剂量条件下 ,颗粒组成 较好的细粒土和级配组成较好的粗粒土能获得较高 的强度 ;对于同一种被稳定的材料 ,一般是随着水泥 剂量的增加 ,稳定类材料的强度增大 。对于组成较 好的材料 ,可以用较少的水泥剂量获得较高的强度 ; 对于组成较差的材料 ,即使用很高的水泥剂量得到 的强度也很低 。
Abstract : The characteristics of semi2rigid base material were researched in fo ur aspect s : st rengt h , temperat ure shrinkage and drying shrinkage , ero sio n resistance and fatigue. Co nclusio ns are as following : st rengt h of semi2rigid base material can be designed in a quite broad range by t he requirement of pavement st ruct ure and t he st rengt h is o btained not o nly by t he binder but al so by aggregatio ns p roperly designed ; cracks caused by drying shrinkage are avoidable by well2timed curing and cracks caused by temperat ure shrinkage can be reduced evidently by co nt rolling t he co ntent of fine aggregate ; anti2ero sio n performance of semi2rigid material can be o bvio usly imp roved by designing p roper material co mpo sitio n , such as reducing t he co ntent of fine aggregate , imp roving t he st rengt h of binders and increasing t he void of mixt ures ; semi2rigid base material is st ress sensitive material and a pavement will have a lo nger fatigue life if semi2rigid base can be placed in p roper po sitio n of pavement . Key words : road engineering ; semi2rigid base ; experimental research ; material performance ; st rengt h ; shrinkage ; ero sio n ; fatigue
1. 4
GPa
水泥剂量/ %
≤5
7
9
10
≥13
1. 2 强度组成 半刚性基层材料的强度获得不仅要靠结合料的
剂量 ,更应靠良好的集料级配 。半刚性基层材料受 压破坏实际上是一种剪切破坏 。由材料的剪切强度 组成可以看出 , 剪切强度τ的大小取决于材料的内 摩阻角φ和黏聚力 c 。剪切强度的计算式为
τ= σtan φ+ c 增加结合料剂量是通过增大黏聚力 c 的成分来 提高强度 ;使用级配良好的集料和增加粗集料用量 是通过增加内摩阻力σtan φ来提高强度 。由于结 合料剂量增加在增大黏聚力的同时 , 会增加新生矿 物 (水泥石等) 的含量从而增加材料的收缩性 , 因而 容易产生收缩开裂 。而集料多为花岗岩 、玄武岩 、石
虽然中国对公路半刚性基层材料的研究和应用 已有超过半个多世纪的历史 ,但是对其认识并不全 面和深入 。事实上 ,随着半刚性基层在高速公路中 的应用 ,尤其是对一些沥青路面早期损坏现象的相 关分析结论 ,表明目前对半刚性基层材料的特性认 识不足 ,甚至存在着误区 ,因此需要重新梳理对半刚 性基层材料特性的认识 。本文中笔者在已有的长期 研究和应用成果的基础上 ,重点结合近 20 a 来中国 高速公路上半刚性基层的研究成果和应用经验 ,对 半刚性基层材料特性的分析加以澄清和应用引导 。
3
1. 4 强度界限 高强度半刚性材料应该是结构设计要求的结
果 ,而且应该是有界限的 。半刚性基层材料的强度 要求应该视所应用的公路等级和结构设计要求来 定 。对应所要求的强度高低和相关性能要求 ,同时 考虑原材料的供给条件再进行具体的材料类型选择 和组成设计 。这样设计出的半刚性基层材料在性能 和成本上都能合理 。半刚性基层材料的强度值应该 在结构设计要求值相应的变化幅度范围内 。过大的 强度值可能不仅不经济 ,而且会带来其他性能的副 效应 。
Material Characteristics of Semi2rigid Base
S HA Ai2min
( Key Labo ratory of Highway Engineering in Special Region of Minist ry of Educatio n , Changπan U niversity , Xiπan 710064 , Shaanxi , China)
2 收缩特性
2. 1 材料属性的认识 热胀冷缩和湿涨干缩是材料的属性 。无论是半
刚性基层材料还是沥青面层材料的性质都不可避免 地要受到环境因素的影响 。一定环境条件下的面层 或基层产生收缩裂缝是不可避免的 。这种收缩裂缝 的危害表现在 2 个方面 : ①外界水分通过裂缝渗入 会引起面层的冲刷剥落或基层的冲刷唧泥 ; ②过小 的裂缝间距破坏了路面结构的整体性 ,改变了受力 状态 。也就是说 ,在裂缝间距较大 ,又能保证不让水 分进入的条件下 ,收缩裂缝是不可怕的 。 2. 2 干燥收缩的控制
粉质砂 , 砂质黏土
粉质2砂质 黏土 ,级配
差的砂
粉土 ,粉质 黏土 ,级配 重黏土 很差的砂
7 d 无侧限抗 压强度/ MPa
2. 80～10. 50 1. 70～3. 50 0. 70～1. 70
0. 35～1. 05
≤0. 70
弯拉模量/ 7. 0～21. 0
7. 0
3. 5～7. 0
< 3. 5
灰石等岩石 , 其收缩系数比水泥石要小得多 , 见表 2[223 ] ,因而在增加强度的同时 , 不会带来基层材料 收缩性的增大 。
表 2 水泥石和集料的温度收缩系数
Tab. 2 Temperature Shrinkage Coeff icients of
Cement Stone and Aggregates
(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 :从强度 、温度收缩和干燥收缩 、抗冲刷以及疲劳 4 个方面论述了半刚性基层材料的特性 ,指 出 :半刚性基层材料的强度可以根据路面结构要求在一个很宽的值域内设计 ;半刚性基层材料的强 度获得不仅要靠一定剂量的结合料 ,更要靠良好级配的集料 ;及时的保湿养生可以避免半刚性基层 材料的干燥收缩裂缝 ;控制细料含量可以显著减小半刚性基层材料的温度收缩裂缝 ;通过减少细料 含量 、增加结合强度以及增大空隙率等合适的材料组成设计 ,可以显著地提高半刚性基层材料的抗 冲刷性能 ;半刚性基层材料是应力敏感性材料 ,将半刚性基层放在路面中合适的层位 ,可以使其具 有更长的疲劳寿命 。 关键词 :道路工程 ;半刚性基层 ;试验研究 ;材料性能 ;强度 ;收缩 ;冲刷 ;疲劳 中图分类号 :U416. 2 文献标志码 :A
表 3 水泥稳定类材料的强度和收缩系数
Tab. 3 Strength and Shrinkage Coeff icients of Cement
Stabilized Materials
水泥稳定碎石 结构类型
悬浮密实结构 骨架密实结构
不同龄期 (d) 的抗压强度/ MPa 温度收缩系数/ 干燥收缩系数/
第 21 卷 第 1 期 2008 年 1 月
中 国 公 路 学 报 China Journal of Highway and Transport
Vol . 21 No . 1 J an. 2008
文章编号 :100127372 (2008) 0120001205
半刚性基层的材料特性
沙爱民
2
中 国 公 路 学 报 2008 年
面 。同时应该看到 ,中国如此广阔的地域条件和复 杂的气候特征 ,也不应该只用一种基层结构来应对 所有的使用场合 。另外 ,如同其他类型的材料一样 , 半刚性基层材料也有其缺点 。目前所要做的是在研 究应用各国已有的其他基层材料或开发新的基层材 料的同时 ,仍然继续研究半刚性基层材料 ,更加深入 地认识其特性 ,并加以改善和利用 ,从而充分发挥半 刚性基层材料的优良特性 。
表 1 水泥稳定类材料的无侧限抗压强度和弯拉模量
Tab. 1 Unconf ined Lateral Compressive Strengths and
Bending Tensile Modulus of Cement Stabilized Materials
材料类型
级配良好的 砾石2砂2黏 土 ,砂或砾石
及时的保湿养生可以避免基层的干燥收缩裂 缝 。虽然半刚性基层材料的收缩和膨胀是不可避免 的 ,但是由于半刚性基层材料的热胀冷缩和湿涨干 缩是有条件和过程规律的 ,因而是可以控制和改善 的 。试验得出基层材料的干燥收缩规律是材料的收 缩系数随含水量的变化呈上凸型抛物线 (图 1) ,即 从成型含水量开始 ,随着含水量的丧失 ,材料的收缩 应变开始变化不大 ,进入一定的含水量范围内时急 剧增加 ,随后又减小 。这一规律可以说明为什么施 工现场基层成型初期 ,尤其在夏季高温时段的干燥 收缩裂缝往往是在很短的时间内出现 。由这一规律 同时可以看到 ,由于从成型含水量到产生最大收缩 应变的最不利含水量之间还有一段含水量的变化范 围 ,如果现场能够做好及时保湿养生 ,完全可以避免 基层材料的含水量低到最不利含水量而出现最大收 缩应变 。也就是说 ,从施工工艺控制角度可以做到 避免基层成型早期的干燥收缩开裂 。 2. 3 温度收缩的减小
7来自百度文库
28
90
10 - 6
10 - 6
3. 5～7. 8 4. 5～8. 6 8. 6～11. 3 8. 0～10. 8
80～120
4. 1～7. 3 6. 4～10. 0 7. 4～11. 6 8. 2～9. 6
72～110
注 :干燥收缩系数是指单位含水量变化时的收缩应变值 。
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