无机结合料稳定土

《道路材料》科课时授课计划课题：无机结合料稳定材料组成及强度形成原理目的要求：1．描述无机结合料稳定材料组成2．叙述无机结合料稳定材料的形成原理重点和难点：重点：对原材料的要求教具：授课日期授课班级环节内容和方法时间提问复习土的级配评定指标有什么？5′讲授新课一、无机结合料稳定材料组成二、无机结合料稳定材料形成原理40′40′巩固小结无机结合料稳定材料的特点5′布置作业课后记注意该类材料与水泥混凝土的不同编写教师：编写日期：2005年11月2日无机结合料稳定材料常用作路面基层材料，是在粉碎或原状的土（或砂砾）中掺入一定量的无机胶结材料和适量的水，经拌和、压实与养生后，得到的具有较高后期强度，整体性和水稳定性均较好的材料。由于无机结合料稳定材料耐磨性差，具有较大的变形能力，刚度介于柔性路面材料和刚性路面材料之间，故常将这类材料称为半刚性材料，以此修筑的基层或底基层亦称半刚性基层（或底基层）。一、无机结合稳定材料的组成1．无机结合稳定材料的分类1）根据无机结合稳定材料组成的集料将其分为两大类①稳定土类②稳定粒料类：在粉碎或原状松散的土中掺入一定量的无机结合材料形成的称为稳定土类（如：水泥稳定土、等），在松散的碎石或砂砾中掺入一定量的无机结合材料形成的称为稳定粒料类（如：水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾等）。2）按无机胶结材料的种类可分为四大类：①用水泥稳定的混合料称为水泥稳定类（如：水泥稳定土、水泥稳定砂砾等）②用石灰稳定的混合料称为石灰稳定类（如：石灰稳定土等）；③同时用水泥和石灰稳定的混合料称为综合稳定类（如：综合稳定土、综合稳定砂砾等）；④用一定量的石灰和工业废渣稳定的混合料称为石灰工业废渣稳定类。2．无机结合料稳定土组成材料及要求1）土除有机质或硫酸盐含量高的土以外，各类砂砾土、砂土、粉土和粘土都可以用作无机结合稳定材料。一般规定用于稳定土的液限不大于40，塑性指数不大于20。级配良好的土用作无机结合稳定料时，既可以节约无机结合料的用量，又可以取得满意的效果。重粘土中粘土颗粒含量多，不易粉碎、拌和，用石灰稳定时，容易使路面造成缩裂。粉质粘土的稳定效果最佳。用水泥稳定重粘土时，同样因不易粉碎、拌和，会造成水泥用量过高，经济性差。2）无机结合料（1）水泥各类水泥都可以用于稳定土，水泥的矿物成分和分散度对其稳定效果有明显影响。对同一种土，硅酸盐水泥比铝酸盐水泥稳定效果好。在水泥矿物成分相同、硬化条件相似的情况下，其强度随水泥比表面积和活性的增大而提高。稳定土的强度还与水泥用量有关，一般说来：水泥剂量愈大，稳定土的强度愈高，但过多的水泥用量，虽获得了较高的强度，但在经济上不一定合理，在效果上也不明显，而且容易开裂。所以水泥用量不存在最佳水泥用量，而存在一个经济用量。通常在保证土的性质能起根本变化，且能保证稳定土达到所规定的强度和稳定性的前提下，取尽可能低的水泥用量。（2）石灰石灰剂量对石灰土强度影响显著，石灰剂量较低（小于3%～4%）时，石灰主要起稳定作用，土的塑性、膨胀性、吸水量减小，使土的密实度、强度得到改善。随着剂量的增加，强度和稳定性均提高，但剂量超过一定范围时，强度反而降低。石灰的最佳剂量，对粘性土和粉性土为干土重的8%～16%，对砂性土为干土重的10%～18%。剂量的确定应根据结构层技术要求进行混合料组成设计。（3）工业废渣①粉煤灰石灰粉煤灰可用来稳定各种粒料和土，又称二灰土。粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量应大于70%，烧失量不应超过20%；其比面积宜大于2500cm2/g。干和湿粉煤灰都可以应用，湿粉煤灰的含水量不宜超过35%，干粉煤灰如堆积在空地上应加水，防止飞扬造成污染。使用时，应将凝固的粉煤灰块打碎或过筛，同时清除有害杂质。②煤渣煤渣是煤经锅炉燃烧后的残渣，它的主要成分是SiO2和Al2O3，它的松干密度在700～1100kg/m3之间。煤渣的最大粒径不应大于30mm，颗粒组成宜有一定级配，且不宜含杂质。3）水水分是稳定土的一个重要组成部分，一般饮用水均满足要求，其技术指标符合水泥混凝土用水标准。最佳含水量用标准击实试验确定。[注意]组成材料对性质的影响二、无机结合料稳定材料形成原理（一）石灰稳定土强度形成原理1．离子交换作用2．结晶作用熟石灰与水作用生成熟石灰结晶网格，其化学反应式为：0)()(2222nHOHCaOnHOHCa由于结晶作用，把土粒胶结成整体，使石灰土的整体强度得到提高。3．火山灰作用熟石灰的游离Ca2+与土中的活性氧化硅SiO2和氧化铝Al2O3作用生成含水的硅酸钙和含水的铝酸钙，它们在水分作用下能够逐渐硬结，其反应式为：OHnSiOxCaOOnHSiOOHxCa222221)(OHnOAlxCaOOnHOAlOHxCa23223221)(4．碳酸化作用灰土中的Ca(OH)2与空气中的CO2作用，生成CaCO3结晶，其化学反应式为：OHnCaCOOnHCOOHCa23222)1()(CaCO3是坚硬的结晶体，它和其生成的复杂盐类把土粒胶结起来，从而大大提高了土的强度和整体性。结晶作用和碳酸化作用使石灰土的后期整体性、强度和稳定性得到提高。由于石灰与土发生了一系列的相互作用，从而使土的性质发生根本的改变。在初期，主+Na+(或K+)土+Ca2+K+Na+Ca2+土（6-1）要表现为土的结团、塑性降低、最佳含水量增大和最大密实度减少等，后要表现为结晶结构的形成，从而提高其整体性、强度和稳定性。（二）水泥稳定土强度形成原理在利用水泥来稳定土的过程中，水泥、土和水之间发生了多种非常复杂的作用，从而使土的性能发生了明显的变化。这些作用可以分为：①化学作用：如水泥颗粒的水化、硬化作用，有机物的聚合作用，以及水泥水化产物与粘土矿物之间的化学作用等。②物理-化学作用：如粘土颗粒与水泥及水泥水化产生物之间的吸附作用，微粒的凝聚作用，水及水化产物的扩散、渗透作用，水化产物的溶解、结晶作用等。③物理作用：如土块的机械粉碎作用，混合料的拌和、压实作用等现就其中的一些主要作用过程介绍如下：1．硬凝反应硬凝反应也是水泥的水化反应。在水泥稳定土中，首先发生的是水泥自身的水化反应，在选用水泥时，在其它条件相同情况下，应优先选用硅酸盐水泥，必要时还应对水泥稳定土进行“补钙”，以提高混合料中的碱度。2．离子交换作用当溶液中富含Ca2+时，因为Ca2+的电价高于Na+、K+等离子，因此与电位离子的吸引力较强，从而取代了Na+、K+，成为反离子，同时Ca2+的双电层电位的降低速度加快。因而使电动电位减小、双电层的厚度降低，使粘土颗粒之间的距离减小，相互靠拢，导致土的凝聚，从而改变土的塑性，使土具有一定的强度和稳定度。这种作用就称为离子交换作用。3．化学激发作用土的矿物组成基本上都属于硅铝酸盐，其中含有大量的硅氧四面体和铝氧八面体。在通常情况下，这些矿物具有比较高的稳定性，但当粘土颗粒周围介质的PH值增加到一定程度时，粘土矿物中的部分SiO2和Al2O3的活性将被激发出来，与溶液中的Ca2+进行反应，生成新的矿物，这些矿物主要是硅酸钙和铝酸钙系列。4．碳酸化作用水泥水化生成的Ca(OH)2，除了可与粘土矿物发生化学反应外，还可进一步与空气中的CO2发生碳化反应并生成碳酸钙晶体。《道路材料》科课时授课计划课题：无机结合料稳定技术性质及组成设计目的要求：1．描述无机结合料稳定材料技术性质2．叙述无机结合料稳定材料的组成设计重点和难点：重点：技术性质的影响因素教具：授课日期授课班级环节内容和方法时间提问复习无机结合料稳定材料由哪些材料组成？5′讲授新课一、无机结合料稳定材料的技术性质二、无机结合料稳定材料的组成设计40′40′巩固小结无机结合料稳定材料的组成设计的内容5′布置作业课后记组成设计与水泥混凝土配合比设计的区别应加以说明编写教师：编写日期：2005年11月2日一、无机结合料稳定材料的技术性质（一）强度无机结合稳定材料的抗压强度采用的是饱水状态下的无侧抗压强度。1．试件尺寸无机结合稳定材料的抗压强度试件采用的都是高∶直径=1∶1的圆柱体，不同颗粒大小的土应采用不同的试件尺寸。试件制备时，尽可能用静力压实法制备等干密度的试件。2．强度标准不同的公路等级、稳定类型和路面结构层次无机结合稳土的抗压强度标准也不一样。（二）密度无机结合稳定材料的密度用压实度来表示。1．压实度压实度是指土或其它筑路材料在施加外力作用下，能获得的密实程度。它等于材料干密度与最大干密度的比值。压实的实质是通过外力作功，克服材料之间的内摩擦力和粘结力，使材料颗粒产生位移并互相靠近，从而提高其密度。水的含量变化较大程度上影响结合料的性质，对所能达到的密实度起着非常重要的作用。2．含水量含水量是材料中所含水分的质量与干燥材料质量的比值。适量的水在颗粒之间起着润滑作用，使材料的内摩擦阻力减小，有利于材料的压实；过多的水分，虽然能继续减小材料的内摩擦阻力，但单位材料中空气的体积逐渐减少到最小程度，而水的体积却不断在增加。用等量的机械功去压实无机结合稳定材料，可以得到的最大密度，此时的含水量值称为最佳含水量。无机结合稳定材料的最佳含水量和最大干密度都是通过标准击实试验得到的。（三）力学特性无机结合稳定材料的力学特性包括应力—应变关系、疲劳特性、收缩（温度和干缩）特性。裂缝防治措施⑴改善土质。稳定土用土愈粘，则缩裂愈严重。所以采用粘性较小的土，或在粘性土中掺入砂土、粉煤灰等，以降低土的塑性指数。⑵控制含水量及压实度。稳定土因含水量过多产生的干缩裂缝显著，压实度小时产生的干缩比压实度大时严重。因此，稳定土压实时含水量比最佳含水量略小为好，并尽可能达到最佳压实效果。⑶掺加粗粒料。掺入一定数量（掺入量60%～70%）的粗粒料，如砂、碎石、砾石等，使混合料满足最佳组成要求，可以提高其强度和稳定性，减少裂缝产生，同时可以节约结合料和改善碾压时的拥挤现象。二、无机结合稳定材料的组成设计（一）设计依据与标准稳定土设计目前的依据有强度、耐久性。各种混合料的强度标准（7天）。关于耐久性标准，鉴于现行冻融试验方法所建立的试验条件与稳定层在路面结构中所能遇到的环境条件相比，更为恶劣，因此我国《公路路面基层施工技术规范》规定：混合料进行设计时，仅采用一个设计标准，即无侧限抗压强度。（二）原材料试验原材料试验主要包括基础材料和稳定剂性质试验。主要进行下列试验：⑴颗粒分析；⑵液限和塑性指数；⑶相对密度；⑷击实试验；⑸压碎值；⑹有机质含量（必要时做）；⑺硫酸盐含量（必要时做）。⑻稳定剂性质试验。（三）混合料配合比设计步骤1．选定不同的石灰或水泥剂量，制备同一种土样的混合料试件若干。2．确定各种混合料的最佳含水量和最大干（压实）密度，至少应做三个不同剂量混合料的击实试验，即最小剂量、中间剂量和最大剂量。3．按规定压实度分别计算不同石灰或水泥剂量的试件应有的干密度。4．按最佳含水量和计算得的干密度制备试件。5．试件在规定温度下保温养生6d，浸水24h后，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行无侧限抗压强度试验。并计算试验结果的平均值和偏差系数。6．选定石灰或水泥的剂量根据试验结果和强度标准，选定合适的石灰或水泥剂量此剂量试件室内试验结果的平均抗压强度R应符合下式的要求：VadCZRR17．工地实际采用水泥剂量应比室内试验确定的剂量多0.5%～1.0%。采用集中厂拌法施工时，可只增加0.5%；采用路拌法施工时，宜增加1%。8．水泥的最小剂量应符合规范的规定。9．综合稳定土和其它无机稳定类材料的组成设计与上述步骤相同。