半刚性基层
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半刚性基层
一、概述
1.半刚性基层发展和应用概况
６0~70年代：石灰土——经济
7０年代：开始应用二灰类,但碎石无级配
80~９0年代：大量应用二灰稳定类,悬浮型结构
90年代：同时应用二灰稳定类和水泥稳定类２. 半刚性基层类型
基层类型:
（1）粒料类基层
(２)有机结合料稳定类——沥青稳定类
沥青稳定土
沥青碎石——沥青碎石、沥青贯入
沥青稳定碎石
沥青混凝土
（３）无机结合料稳定类——半刚性基层
此外还有刚性基层——混凝土、贫混凝土基层
半刚性基层类型：
（1）石灰稳定类
（2）水泥稳定类
(３）综合稳定类
(４)工业废渣稳定类
常用半刚性基层类型:
(1)二灰稳定类
二灰稳定碎石、二灰稳定砂砾——基层
二灰土——底基层(２）水泥稳定类
水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾——基层
水泥土——底基层
水泥稳定砂、水泥稳定石屑等,水泥稳定中粒土——低等级公路基层
、高等级公路底基层３. 半刚性基层的特点
（1）优点
①强度高、承载力大、整体性好
②稳定性好(水稳性、冻稳性)
③刚度大
④对地方材料的质量要求较低
⑤就地取材，经济性能好
(2）缺点
①收缩系数较大、抗变形能力差
②透水性差，表面易积水
③破裂后不能愈合
④对荷载大小的敏感性较大
(3)特点
①较大的刚性、抗变形能力差
②弯拉强度控制设计
目前沥青路面设计中，采用劈裂强度
③环境温度和湿度对强度形成有很大的影响
④强度和刚度均随龄期增长、后期衰减并逐渐疲劳
（4）再认识——结论
①裂缝难以解决
②排水性能不好
③强度、模量会不断衰减
④抗车辙能力并不比柔性基层好
⑤对重载、超载交通敏感性大
⑥铺筑过程易提前开裂
⑦维修困难
养生时间长、破坏后无愈合能力，新老基层无法联结
⑧与沥青面层之间难以成为整体
⑨施工中表面处理困难
无法铣创或修补，浮灰难以清除
二、强度形成机理
１. 强度形成机理
(1)石灰稳定类
①离子交换作用
粘土凝聚(初期强度)
②结晶作用
形成含水ＣaＣO3(CaＣＯ３?nH2Ｏ),属晶体结构（后期强度）
③碳酸化作用
形成碳酸钙（后期强度）
④火山灰作用
形成含水硅、铝酸钙(主要的作用，中、后期强度）
（２)水泥稳定类
①离子交换作用
②水泥的水化作用和硬化作用
产生水泥石(主导性，全过程)
③水泥水解产物(Ca(OH)2）的作用——碳酸化作用,属次生的。
④化学激发作用
粘土矿物中的部分S i O２和Al2Ｏ3活性分子激发出来，与溶液中的Ca2+进行反应，生成新的矿物即铝酸钙系列。
（3）二灰稳定类
主要是火山灰反应，在粉煤灰的表面进行,比较缓慢。
具体表现为:
①石灰与粉煤灰之间的火山灰反应
②石灰在水溶液中的解离作用
③石灰的结晶和碳化(碳酸化)作用
二灰碎石的强度形成
形成二灰稳定碎石混合料强度的另一个必要条件是压实。当混合料加水拌和后，应及时碾压,让上述的化学反应在压实了的混合料中进行，如果不压实,化学反应照常进行,但形不成网络结构，充其量反应后的混合料变为一堆具有一定水稳定性的松散集合体,没有强度，不能形成板体结构。
随着龄期的延长，水化产物在过饱和溶液状态下以微晶体形式析出,并由玻璃体表面伸展到二灰稳定碎石固相间的空隙，互相联生,形成二维的结晶体网状结构，且将固相颗粒联结成一整体,形成了很高的联结强度。火山灰反应是一个缓慢、长期的过程，这是使二灰稳定碎石混合料具有较高后期强度的根本原因。当二灰中的水化硅酸钙胶体析出之后,犹如水泥石一样，能将作为骨料的碎石紧紧地胶接在一起,形成一个坚实的整体，逐渐产生一定的强度。并且强度随着龄期的增长而增大。
２．强度形成过程
反应（作用）新生物凝胶晶体（结晶）,这一过程是不断、连续地进行的（且长期的)
在一定时期内,原材料、新生物质凝胶和晶体几乎是同时存在的。
随着时间的延续，结晶体逐渐增多，强度和刚度不断增大。
半刚性材料逐渐由松散状态经过凝胶状态向结晶状态转化。
3. 强度形成过程中半刚性材料的力学特性
（1)强度、刚度和稳定性逐渐增大
(2)极限拉应变逐渐减小，即变形能力逐渐减少
（３)抗冲刷能力逐渐提高
(４）收缩系数逐渐增大
（5)应变控制应力控制状态
(6)抗剪强度逐渐失效
（7)对荷载大小的敏感性逐渐增大
4. 影响路用性能的因素
（1）强度、刚度
石灰稳定类——土质、灰质、石灰剂量、密实度、龄期、养生条件、温度(气温)
二灰稳定碎石
——骨架密实结构,强度的构成一般来自于3个方面:
①石灰和粉煤灰在水的作用下形成凝胶物质
②骨料的嵌锁（挤)作用
③结晶、凝胶物质
——悬浮型结构,强度来自于两个方面:
①结晶、凝胶物质
②结晶、凝胶与粘质和固定作用
影响因素：
①石灰和粉煤灰的比例
②石灰粉煤灰的总含量(结合料的用量)
③骨料的用量
④骨料的级配
（2)冲刷性能
①0．07５mｍ以下颗粒的含量
②结合料用量
③结合料类型和性质
④混合料强度
⑤养生温度和湿度
⑥养生龄期
⑦浸水时间
⑧延迟压实、接触压力等
（3)疲劳特性
①初期强度
②细集料、粗集料、石灰、粉煤灰所占比例
③集料级配
（4）收缩性能
干缩随集料含量的增大而减小，但温缩有所增大。当集料含量为75%时,混合料收缩最小。
因此，集料含量为70～8０％的半刚性基层,具有良好的耐温抗裂性和耐温抗裂性。
三、半刚性基层的结构类型
1. 无机结合料稳定细粒土
其结构型式属于密实型
(1)粘性大的土——石灰稳定
（2）粘性较小的土——水泥或二灰稳定
特点：
（１）强度主要由结合料及其与土之间的相互作用的新生物质形成;强度形成受环境因素的影响大
(2）无侧限抗压强度大,收缩系数大,抗裂性能差,抗冲刷能力低
（3)可就地取材，但结合料用量大
(4)适用于作高等级公路的底基层或垫层
2. 无机结合料稳定粗集料
（1)悬浮型
粗集料＜70%
特点:
①密实、无侧限抗压强度及抗拉强度高、刚度大
②收缩系数比较大，抗裂性能较差
③透水性差，抗冲刷能力差
④施工较容易
⑤常用于高等级下基层或上底基层
(2）骨架密实型
粗集料多于70~80%
特点：
①侧限抗压强度及抗拉强度略低,但嵌挤能力强，整体性好
②收缩系数较小，抗裂性较好
③透水性较大
④施工中易发生离析
⑤适合作高等级公路的基层和底基层
(3）骨架空隙型
特点：
①以粗集料为主体（＞90%）的开级配碎石
②渗透系数应大于300ｍl/ｄ
③水泥剂量相对要多些,7d强度大于3~4MPa
④强度高、收缩系数小,耐冲刷
⑤适用于作排水基层,其厚度通常为8～15cm
必须用水泥来稳定。
四、无机结合料稳定土基层特性
无机结合料稳定土基层的特性与其组成材料有关。具有以下特性:
1.强度高、承载力大、整体性好
无机结合料与土的物理、化学作用下无机结合料稳定土基层逐渐形成整体，具有较高的强度和较大的承载力,特别是水泥稳定土和二灰稳定土,在高等级公路路面结构中起承重层。能适应重交通量和高等级公路路面基层的需要。但后期强度会衰减并逐渐疲劳。
2．稳定性好
无机结合料稳定土基层具有较好的水稳定性、冻稳定性。有时可用作垫层,改善路基的水温状况。
３.就地取材,经济性能好
对地方材料的质量要求较低，一般来说，当地的材料都可以用无机结合料来稳定,特别是水泥除高塑性粘土和有机质较多的土外，几乎能稳定所有的土。而且粉煤灰等工业废渣的使用既变废为宝，又减少了环境污染，有很好的社会效益,有利于可持续发展。
4.对荷载的敏感性较大
由于无机结合料稳定土基层刚度大,在荷载作用下基层层底会产生较大的拉应力，特别是荷载的小量增大,会使层底拉应力有较大的增大。重载、超载交通对无机结合料稳定土基层的影响较大,极易形起破坏。
５.收缩系数较大、抗变形能力差
强度逐渐增大的同时，极限拉应变逐渐减小,即变形能力逐渐减少。温度的降低、湿度的减小，会形起无机结合料稳定土基层的收缩变形,进而导致其开裂,并反射到沥青面层,形成反射裂缝。
6.耐磨性能差
在行车荷载的作用下,无机结合料稳定土基层不耐磨,因而无机结合料稳定土不宜用作面层。在低等级道路上使用，也必须加铺一层沥青表面处治磨耗层。
7.维修困难
无机结合料稳定土基层养生时间长，一定程度上会影响工程进度和开放交通。而且破坏后无愈合能力,新老基层无法联结。
此外，无机结合料稳定土基层与沥青面层之间难以结合成为整体，半刚性基层沥青路面的抗车辙能力并不比柔性基层沥青路面强。
石灰稳定土一般可以用于各类路面的基层或底基层,但石灰稳定土因其水稳定性较差不应做二级及二级以上公路基层和底基层,在冰冻地区的潮湿路段以及其他地区的过湿路段，也不宜采用石灰稳定土做基层和底基层；水泥稳定土、二灰稳定土可以用于各级公路路面的基层和底基层，但水泥土、二灰土禁止作为高速公路或一级公路沥青路面的基层，只能用做底基层，也不宜作水泥混凝土路面的基层。
五、对半刚性基层的基本要求
1. 足够的强度
适宜的刚度
2. 足够的水稳性和冻稳性
水稳性和冻稳性的评价方法：
常采用软化系数来表示材料的水稳性或耐水性：
软化系数＝极限抗压强度
材料在未饱水状态下的限抗压强度材料在饱水状态下的极 在每一龄期将半刚性基层材料成型二组平行试件,一组浸水２４h ，一组不浸水,测试它们的无侧限饱水抗压强度。
将试件在-15℃冰箱中冻6h,然后在20℃水浴中融18h 为一循环。采用不同龄期的试件经5次冻融循环后的无侧限抗压强度Ｒ冻与冻前无侧限饱水抗压强度R c 之比的耐冻系数K 冻来表征材料的抗冻性，即冻稳性。
耐冻系数=压强度
材料未经冻融的饱水抗压强度材料在冻融循环后的抗 3. 足够的抗冲刷能力
冲刷能力的评价:
预冲刷
预冲刷时间限定在3m ｉｎ，即将冲刷试验的前3ｍin 作为预冲刷,其冲刷量应在总冲刷量中扣除，从而使半刚性基层材料抗冲刷性能的评价更加合理。
4. 良好的抗裂性能
５. 良好的耐久性能（抗疲劳性能）
骨架密实结构与悬浮密实结构的路用性能比较:
骨架密实型半刚性基层材料由于集料形成骨架结构互相嵌挤而具有较大的内摩擦角,结合料密实填充而具有较大的内聚力，因此具有高的强度及抗压模量;
由于集料紧密嵌挤，因此集料颗粒之间“富余”砂浆含量少，这使得温度与湿度变化对此种结构的半刚性基层材料的收缩影响小,从而具有好的抗裂性；
骨架密实结构的内摩擦角对强度贡献较大，而内摩擦角对水的作用及冻融作用不敏感,因此具有好的水稳定性和冻稳定性。
半刚性基层材料粗集料含量多，细集料含量少。而冲刷损失主要由细集料所引起。因此骨架密实型半刚性基层材料具有好的抗冲刷能力。
骨架密实型半刚性基层材料结合料含量由理论计算确定，兼顾填充与最大密
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303501234
56冲刷时间（min ）每分钟冲刷量（g ）
实原则，因此混合料内部微空隙与裂缝较少，从而骨架密实型半刚性基层材料具有较好的抗疲劳能力。
六、半刚性基层防裂措施
1. 降低刚度、提高抗裂能力——混合料组成
（１)控制结合料剂量、混合料中细料的含量及其塑性指数
(2)掺加增韧剂(如聚合物、乳化沥青）
(3)掺加加筋纤维
(4)掺加膨胀剂
2．结构措施
（1）设置应力消减层,如橡胶沥青封层、土工格栅等
（2）级配碎石过渡层
（3)混合式基层（半刚性基层下放)
（４)加厚沥青面层
(5)切缝——被动措施
采用骨架密实型结构可有效减少半刚性基层的收缩
有关机理: 以二灰稳定碎石为例加以说明
３. 施工工艺
（1）切缝
(２）施工季节
(３)立即铺面层
(4)充分压实
（5）适当控制碾压含水量
因此,要使二灰碎石的收缩变形量减小,必须尽可能地使二灰存在于集料框架内,而集料是否能较好地形成框架,框架是否稳定,是否具有足够地抵抗收缩变形能力,就成为减少二灰碎石收缩变形的先决条件。
在选择和确定集料级配的基础上,应考虑进行二灰结合料和集料比例的设计。目标是:既要使二灰碎石充分发挥骨架作用,又要使混合料在保证强度的条件下，“富余”二灰尽可能地少，从而使二灰碎石混合料同时具有良好的抗裂性能。
六、二灰稳定碎石(骨架密实型)配合比设计
设计思路
1．集料级配设计
以逐级填充理论为基础
采用方法：击实试验
振动（振动台、振动压路机）试验
插捣试验
主骨架料为19~3１.5ｍm
一级填充料为9.5~19mm
二级填充料为4.７5～9.５mm
４.75mm以下的集料级配可采用理论法计算(如ｉ、k法），也可采用试验法确定（同粗集料级配设计)
控制指标：最小空隙率、最大干密度
2. 石灰与粉煤灰的比例
以无侧限抗压强度为指标(７ｄ龄期)
不合理的方面：
3. 二灰结合料和集料比例
分别考察以下三种状态
①堆积
②振动
③捣实
并且以７d无侧限抗压强度为指标。
振动状态:“富余”灰较少,但抗压强度较低，捣实状态比较理想。
七、二灰稳定碎石混合料早强技术
归纳为化学方法和物理方法
1. 化学方法
掺加碱性激发剂是提高二灰混合料早期强度的主要措施，其目的在于激发粉煤灰的活性。
化学添加剂：氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠、石膏、氢氧化钾、硅酸钠、磷酸钠
①硫酸钠、碳酸钠、氢氧化钠使用效果较好
②复合剂Nａ(ＯH)2+ Na2SO4、Na2ＣO３＋Na２SＯ4
途径:
（１)以石灰和石膏为激发剂提高粉煤灰的活性
（2）以石灰和水泥为激发剂在高温养生下激发粉煤灰活性
（3)以食盐等化学早强剂间接激发粉煤灰活性
常用添加剂：水泥（2%)、硫酸钠(混合料的1.5‰左右）
2．物理方法
（1）加热混合料——不太现实
（2）磨细粉煤灰
(3）使用二次拌和工艺
（４)提高密实度