《道路建筑材料》《道路建筑材料》

第六章 无机结合料稳定类材料

主讲人：延西利 教授长安大学 公路学院

http://202.117.64.98/ec/C24/index.asp

关于无机结合料稳定类材料授课

我们应该重点掌握：

1 ）是什么？种类？用途？

2 ）力学特性、技术性能？

注 意：①无机结合料无机结合料稳定类材料，即：混合料；

②科学、技术、生产（相互区别、相互关联）；

③科学（可以用图表、符号及公式表达的学科）。

2

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主要内容

概 述6.1

水泥稳定类混合料 (水稳混合料 )6.2

石灰稳定类混合料 (石灰土混合料 )6.3

石灰粉煤灰稳定类混合料 (二灰混合料 )6.4

4

6.1 概 述

1 ）土木工程：道路材料 道路工程 公路工程 土木工程

民用工程（ Civil Engineering ）＝ 土木工程 军事工程（ Military Engineering ）

土木工程含：公路、铁路、房建、港航、水利…

土木工程四大范畴：材料、结构、工艺、维修。

1. 材料的学科属性

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6.1 概 述

2 ）土工材料 (Geomaterials) ：用于土木工程的主体材料，如土、石、砖、碎砾石、水稳混合料、二灰混合料、 BM 、 CC 等非金属材料。

其物理结构有三大类：

颗粒性材料 水硬性胶结材料 均质性材料

显然，无机结合料混合料 土工材料 [ 物理结构 ?]

1. 材料的学科属性

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6.1 概 述

3 ）基本力学性质：颗粒性 与 粘弹性。路面材料大多具有这样的二重性。

1. 材料的学科属性

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1 ）材料通识：［如何认识、介绍、考察一个材料］产源 制作工艺 产品特征 使用性能。

2 ）基本定义：在土或碎 ( 砾 ) 石中加入无机结合料，以改善其路用性能。注：无机结合料［水泥、石灰、粉煤灰…］。有机结合料［？］

3 ）主要种类：目前的使用率依次为［水稳混合料、二灰混合料、石灰土混合料］。

6.1 概 述2. 关于无机结合料混合料

8

4 ）通常用途：主要用于路面的 ( 底 ) 基层。

5 ）基本特性：半刚性明显、板体性好、耐磨性差、颗粒性、粘弹性…

6.1 概 述2. 关于无机结合料混合料

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6 ）材料要求：① 石灰的 CaO+MgO 含量，② 水泥的类别和标号，

③ 粉煤灰的 SiO2+Al2O3+Fe2O3>70% 和烧失量 20%...

7 ）基本试验：击实试验、无侧限抗压试验。要点：试件制作、养生、加载速度、设备标定。

8 ）应用问题：剂量，养生，工艺，裂缝 etc.

6.1 概 述2. 关于无机结合料混合料

6.2 水泥稳定类混合料 (水稳混合料 )

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天然湖沥青 岩沥青

组成：由不同性质和标号的水泥与集料 ( 或细粒土 ) ，按比例配合而成。 种类：水泥土、水稳砂砾、水稳碎石…水泥稳定的材料范围很广。 说明：① 水泥有硅酸盐、铝酸盐、矿渣、火山灰质等类别，一般

用普通硅酸盐 32.5 级；② 主要用于路面 ( 底 ) 基层；③ 工程上，以水稳碎 ( 砾 ) 石为主。

1. 材料组成

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天然湖沥青 岩沥青

6.2 水泥稳定类混合料 (水稳混合料 )2. 力学特性

1 ）强度构成特性： c-φ 值。2 ）强度形成过程：［是 c-φ 值此消彼长的过程］① 水化硬凝反应，②离子交换作用，③碳酸化作用。3 ）影响因素：原材料（水泥、集料）的品质、剂量、水、温度、压实、龄期 etc.

4 ）应力应变特性：半刚性特性（ E）； 颗粒性特性（ K， σ3 ） 水硬性胶结特性（龄期、水）； 粘弹性特性（ t， T）…

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6.2 水泥稳定类混合料 (水稳混合料 )2. 力学特性

［相对］半刚性特性 压实度与强度和模量

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6.2 水泥稳定类混合料 (水稳混合料 )2. 力学特性

抗压强度与土质、龄期、养生温度

干缩系数与水泥剂量

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6.2 水泥稳定类混合料 (水稳混合料 )3. 路用性能 为半刚性材料； 具有良好的整体性（板体性）； 足够的力学强度（压、弯拉）及刚度； 良好的水稳性和耐冻性； 耐磨性一般较差（不作面层）； 易缩裂（作基层时的致命弱点，水稳碎石较好）； 水泥用量，混合料强度显著，裂缝（数量、宽度）； 不存在最佳水泥剂量，但有经济用量； 存在最佳含水量。

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6.2 水泥稳定类混合料 (水稳混合料 )4. 组成设计

内容：通过试验选择合适的水泥、集料（或土）、级配、合适水泥剂量、最佳混合料含水量。

试验：① 重型击实试验；② 无侧限抗压试验 ( 如 15×15cm ， 7d ， 50mm/min) 。

步骤： (1)拟定配合比 (至少 3 个水泥用量 ) ，制备水稳

混合料；(2) 击实试验确定（ ϒdmax 、 ωopt ）；(3)确定无侧限抗压强度（工地预定压实度）；(4)根据试验结果，选择合适的配合比。

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6.2 水泥稳定类混合料 (水稳混合料 )举例：《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50-2006) 的规定 .

水泥稳定类材料用集料的技术要求

水泥剂量推荐值： (a= 水泥质量／集料质量）①《公路路面基层施工技术规范》推荐范围 3 ～ 16% ；②工程多用水稳碎石， 3.8 ～ 4.2%( 基层 ) 、 3.6 ～ 4.0%(底基层 ) ；③土越细、塑限越大，剂量越大。

道路等级 高速公路、一级公路 二级及其以下公路结构层位 基 层 底基层 基 层 底基层

最大粒径 (mm)≤ 31.5 37.5 37.5 53

压碎值 (%)≤ 30 30 35 40

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6.2 水泥稳定类混合料 (水稳混合料 )举例：《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50-2006) 的规定 .

水泥稳定类材料的压实度 (%) 及 7d 无侧限抗压强度 (MPa)

层 位稳 定类 型

特重交通 重、中交通 轻交通

压实度 抗压强度 压实度 抗压强度 压实度 抗压强度

基 层集 料 ≥98

3.5 ～4.5

≥98 3 ～ 4 ≥972.5 ～

3.5细粒土 ／ ≥96

底基层集 料 ≥97

≥2.5≥97

≥2.0≥96

≥1.5细粒土 ≥96 ≥96 ≥95

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6.3 石灰稳定类混合料 (石灰土混合料 )1. 材料组成

组成：由不同性质和等级的石灰与集料 ( 或细粒土 ) ，按比例配合而成。

种类：石灰土、石灰砂砾土、石灰碎石土…

说明： 1) 石灰性质 ( 按 MgO 含量 ) 有钙质石灰、镁质石灰，等级［优等品、一等品、合格品］；2) 一般用于低等级公路的路面 ( 底 ) 基层；3) 工程上以石灰土为主，但目前使用极少。

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6.3 石灰稳定类混合料 (石灰土混合料 )

1 ）强度构成特性： c-φ 值。2 ）强度形成过程：［是 c-φ 值此消彼长的过程］离子交换作用，碳酸化作用，结晶作用，火山灰作用。3 ）影响因素：石灰的品质与剂量、土与集料的种类、养生条件和龄期、压实程度 etc.

4 ）应力应变特性：半刚性特性（ E）；

颗粒性特性（ K， σ3 ）

水硬性胶结特性（龄期、水）； 粘弹性特性（ t， T）…

2. 力学特性

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6.3 石灰稳定类混合料 (石灰土混合料 )2. 力学特性

抗压强度与土质、石灰剂量

干缩系数与砂砾含量

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6.3 石灰稳定类混合料 (石灰土混合料 )3. 路用性能

基本性能［半刚性、整体性 ( 板体性 ) 、力学强度、开裂等 ] 类似于［水稳混合料］；不存在最佳石灰剂量，但有经济用量；存在最佳含水量。

但存在这样一些致命弱点：耐磨性很差 ( 不利开放施工车辆，更不可作面层 ) ；极易开裂，在面层产生较强的反射裂缝；遇水表面软化，抗水冲刷能力差。

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6.3 石灰稳定类混合料 (石灰土混合料 )4. 组成设计

内容：通过试验选择合适的石灰、集料 ( 或土 ) 、级配、合适石灰剂量、最佳混合料含水量。 试验：① 重型击实试验，② 无侧限抗压试验 ( 如 10×10cm ， 7d ， 50mm/min) 。 步骤： (1)拟定配合比 (至少 3 个石灰用量 ) ，制备石

灰土混合料；

(2) 击实试验确定 (ϒdmax 、 ωopt) ；

(3)确定无侧限抗压强度 ( 工地预定压实度 ) ；(4)根据试验结果，选择合适的配合比。

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6.3 石灰稳定类混合料 (石灰土混合料 )举例：《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50-2006) 的规定 .

石灰稳定类材料用集料的技术要求

石灰剂量推荐值：（ a= 石灰质量／干土质量）①《公路路面基层施工技术规范》 :

砂砾土和碎石土 3 ～ 7 ％，粘性土 5 ～ 16% ；②土越细、塑限越大，剂量越大。

道路等级 高速公路、一级公路 二级及其以下公路结构层位 基 层 底基层 基 层 底基层

最大粒径 (mm)≤ / 37.5 37.5 53

压碎值 (%)≤ / 35 30/35 40

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举例：《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50-2006) 的规定 .

石灰稳定类材料的压实度 (%) 及 7d 无侧限抗压强度 (MPa)

层 位稳 定类 型

重、中交通 轻交通

压实度 抗压强度 压实度 抗压强度

基 层集 料

/≥97 ≥0.5

细粒土 ≥95( 注 ) ≥0.8

底基层集 料 ≥97

≥0.8≥96

≥0.7细粒土 ≥95 ≥95

注：三、四级公路，压实机具有困难时，可降低 1 ％。

6.3 石灰稳定类混合料 (石灰土混合料 )

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6.4 石灰粉煤灰稳定类混合料 (二灰混合料 )1. 材料组成

组成：石灰＋粉煤灰＋集料 ( 或细粒土 ) ［按比例混合］＝二灰混合料。

种类：二灰土、二灰砂砾、二灰碎石…

粉煤灰：

成份： SiO2+Al2O3+Fe2O3 （成份 >70% ，烧失量 20% ）；

来源：火力发电厂、其它矿渣；供应：曾经变废为宝，目前经济市场。

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6.4 石灰粉煤灰稳定类混合料 (二灰混合料 )

1 ）强度构成特性： c-φ 值。2 ）强度形成过程：［是 c-φ 值此消彼长的长时间过程］初期类似于石灰土混合料，后期类似于水稳混合料。3 ）影响因素：石灰和粉煤灰的活性成份与剂量、土与集

料的种类、养生温度和龄期、压实程度 etc.

4 ）应力应变特性：半刚性特性（ E）；

颗粒性特性（ K， σ3 ）

水硬性胶结特性（龄期、水）； 粘弹性特性（ t， T）…

2. 力学特性

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6.4 石灰粉煤灰稳定类混合料 (二灰混合料 )2. 力学特性

举例 1 ：二灰碎石的养生温度与 7d 抗压强度养生温度（ °C ） 20 30 40

抗压强度(MPa)

悬浮式二灰粒料 1.35 / 5.85

密实式二灰粒料 1.60 3.03 6.78

举例 2 ：二灰混合料的最大干缩应变及与石灰土的对比

混合料种类二灰稳定粒料 石灰 : 粉煤灰 : 碎石 :

土二灰土 石灰土

多粗集料 多细集料 含土 0 ％ 含土 23％

最大干缩应变 (x10-3)

0.23-0.27

0.83 0.67 1.780.34-2.63

3.12-6.03

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6.4 石灰粉煤灰稳定类混合料 (二灰混合料 )3. 路用性能

基本性能［半刚性、整体性 ( 板体性 ) 、力学强度、开裂等 ] 均相类似［无机结合料混合料］；不存在明显的最佳二灰剂量，但有经济用量；存在最佳含水量。注：配合比有［举例］参考值。

但存在这样一些差异：强度形成慢，养生周期长，开放交通晚；耐磨性介于前述二者之间；不易开裂，防裂效果较好［粉煤灰可作防裂外掺剂］；作路面 ( 底 ) 基层时，多用二灰碎石，几乎无二灰土。

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6.4 石灰粉煤灰稳定类混合料 (二灰混合料 )4. 组成设计

内容：通过试验选择合适的石灰、粉煤灰、集料 ( 或土 ) 、级配、合适二灰剂量、最佳混合料含水量。

试验：① 重型击实试验，② 无侧限抗压试验 ( 如 15×15cm ， 7d ， 50mm/min) 。

步骤： (1) 依据参考值，拟定配合比，制备二灰混合料；(2) 击实试验确定 (ϒdmax 、 ωopt) ；

(3)确定无侧限抗压强度 ( 工地预定压实度 ) ；(4)根据试验结果，选择合适的配合比。

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6.4 石灰粉煤灰稳定类混合料 (二灰混合料 )举例：

石灰粉煤灰稳定类材料用集料的技术要求

石灰粉煤灰混合料的配合比参考值

道路等级 高速公路、一级公路 二级及其以下公路结构层位 基 层 底基层 基 层 底基层

最大粒径 (mm)≤ 31.5 37.5 37.5 53

压碎值 (%)≤ 30 35 35 40

混合料类型 材料比例及配合比二灰 石灰 : 粉煤灰 =1:2 ～ 1:9

二灰土 石灰粉煤灰 : 土 ( 石灰 : 粉煤灰 )=30:70 ～ 90:10(1:2 ～1:4)

二灰集料 石灰粉煤灰 : 集料 ( 石灰 : 粉煤灰 )=15:85 ～ 20:80(1:2 ～1:4)

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6.4 石灰粉煤灰稳定类混合料 (二灰混合料 )举例：《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50-2006) 的规定 .

石灰粉煤灰稳定类材料的压实度 (%) 及 7d 无侧限抗压强度 (MPa)

层 位稳 定类 型

特重、重、中交通 轻 交 通

压实度 抗压强度 压实度 抗压强度

基 层集 料 ≥98 ≥0.8 ≥97

≥0.6细粒土 / ≥96

底基层集 料 ≥97

≥0.6≥96

≥0.5细粒土 ≥96 ≥95

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思考题

① 试说明无机稳定类混合料的种类及其材料组成。

② 试在 σ-ε 坐标系中，相对于刚性和柔性材料，描述无机稳定类混合料的半刚性特征。

③ 简述水泥稳定碎 ( 砾 ) 石的强度形成过程和强度构成特性，及二者的关联。

④ 试说明石灰粉煤灰混合料的路用技术性能。

⑤ 以水泥稳定碎 ( 砾 ) 石为例，试设计试验分析方案，以确定无机稳定类混合料的配合比。

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