基于抗裂性能的水泥稳定碎石级配组成与路用性能研究

摘要

水泥稳定碎石由于具有强度高、刚度大、整体性强、水稳性和抗冻性好以及抗行车疲劳性能较好、施工方便等特点，被一些地区作为首选材料应用于高速公路路面结构中，但它在湿度、温度变化时易产生收缩裂缝。采用我国《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)推荐的水泥稳定碎石集料级配组成的混合料在实际应用中常出现较多的收缩裂缝，导致沥青层表面形成反射裂缝，进而影响路面的使用性能和使用寿命。本文根据目前国内高速公路水泥稳定碎石基层的使用情况，针对苏南地区高温多雨，水泥稳定碎石基层易产生缩裂的特点，在调查和广泛收集资料的基础上，依托苏州绕城高速公路路面工程系统开展基于抗裂性能的水泥稳定碎石级配组成与路用性能研究，解决高速公路水泥稳定碎石基层的关键技术问题，以确保工程质量。本文采用弹性层状体系理论和有限元法分析了水泥稳定碎石基层沥青路面结构在重载交通下不同深度的应力应变情况，结合劈裂强度与无侧限抗压强度的相关方程，提出了合理的水泥稳定碎石上、下基层强度限值，经设计和施工检验，建议在特重交通情况下，水泥稳定碎石下基层材料7d龄期的无侧限抗压强度为3.0±0.25MPa，上基层材料7d龄期的无侧限抗压强度为2.5±0.25MPa。在国内外研究成果和原材料基本性能测试的基础上，通过无侧限抗压强度、劈裂强度、干缩及温缩等物理力学试验，开展了考虑抗裂性能的水泥稳定碎石级配组成设计的试验研究，提出了抗裂性能较好的水泥稳定碎石基层材料的集料级配组成范围；分析了水泥稳定碎石基层材料强度和收缩特性的影响因素，提出了水泥稳定碎石基层适宜的施工温度为5℃～15℃，分析了收缩开裂机理，提出了采用抗裂评价系数作为水泥稳定碎石基层抗开裂性能的评定指标；并在此基础上，采用正交试验设计方法和灰色关联分析方法进行水泥稳定碎石基层材料的级配组成优化设计研究，提出了抗裂性能良好的级配组成设计方法和设计方案；提出了基于抗裂性能的水泥稳定碎石混合料配合比设计方法。为进一步完善水泥稳定碎石混合料的级配组成、改善其收缩性能提供参考。关键词：道路工程；水泥稳定碎石；级配组成；抗裂性能；路用性能；正交试验；关联度；无侧限抗压强度；劈裂强度；干缩应变；温缩应变；抗裂评价系数

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1研究的必要性和意义

1.2国内外研究现状和发展动态

1.2.1半刚性基层沥青路面裂缝的防治研究

1.2.2水泥稳定碎石基层收缩裂缝的防治研究

1.3当前存在的问题

1.4本文研究的技术路线和主要内容

参考文献

第2章 研究方案和试验方法

2.1研究方案

2.2试验方法

2.2.1原材料性能试验

2.2.2水泥稳定碎石混合料性能试验

参考文献

第3章 水泥稳定碎石基层沥青路面典型结构研究

3.1国内外路面结构调研

3.1.1国内水泥稳定碎石基层沥青路面结构调研

3.1.2国外水泥稳定碎石基层沥青路面结构调研

3.2推荐的路面结构型式

3.3小结

参考文献

第4章 水泥稳定碎石基层的力学响应分析

4.1计算的路面结构

4.2弹性层状体系理论分析

4.2.1计算模型与方案

4.2.2计算结果与分析

4.3有限元分析

4.3.1有限元的基本原理

4.3.2有限元的计算模型

4.3.3有限元的后处理及结果分析

4.4基于力学分析的强度限值

4.5小结

参考文献

第5章 考虑抗裂性能的水泥稳定碎石级配组成范围研究

5.1水泥基本性能评价

5.1.1对水泥的技术要求

5.1.2水泥的基本性能评价

5.2集料的基本性能

5.3水泥稳定碎石级配组成范围的拟定

5.3.1级配范围Ⅰ的中值级配计算

5.3.2级配范围Ⅱ的中值级配计算

5.3.3级配范围Ⅲ的中值级配计算

5.4三种级配的颗粒组成设计

5.4.1击实试验

5.4.2强度试验

5.4.3干缩试验

5.5结果分析

5.5.1一次循环干缩试验

5.5.2二次循环干缩试验

5.6推荐采用的级配范围

5.7小结

参考文献

第6章 水泥稳定碎石基层材料强度影响因素分析

6.1水泥品种、剂量及水灰比

6.2集料种类

6.3级配类型

6.3.1试验因素、水平和正交表

6.3.2试验方案

6.3.3试验方法和试验结果

6.3.4试验结果分析

6.4 0.075mm通过率

6.5针片状颗粒含量

6.6试件尺寸

6.7养生温度

6.8延迟时间

6.9龄期

6.10抗压强度与劈裂强度的相关性分析

6.11抗压回弹模量及其与强度、龄期的相关性分析

6.12小结

参考文献

第7章 水泥稳定碎石干缩变形特性影响因素分析

7.1水泥品种及用量

7.2水灰比

7.3集料品种、含量

7.4集料级配

7.4.1各因子对干缩应变指标的影响

7.4.2显著性检验

7.4.3粗、细集料含量对干缩应变指标的影响

7.5 0.075mm通过率

7.6集料平均粒径

7.7曝露时间

7.8失水率

7.9养生温度

7.10小结

参考文献

第8章 水泥稳定碎石温缩变形特性影响因素分析

8.1水泥含量

8.2集料种类

8.3集料级配类型

8.4养生温度

8.5小结

参考文献

第9章 水泥稳定碎石合理强度及抗裂性能评价指标研究

9.1收缩开裂机理分析

9.1.1收缩变形的分类

9.1.2干燥收缩的形成机理

9.1.3温度收缩的形成机理

9.2水泥稳定碎石合理强度研究

9.2.1水泥稳定碎石下、上基层7d龄期无侧限抗压强度取值研究

9.2.2水泥稳定碎石劈裂强度限值合理性检验

9.2.3水泥稳定碎石下、上基层材料7d龄期强度取值建议

9.2.4施工检验

9.2.5弯沉与拉应力的检验

9.3水泥稳定碎石抗裂性能评价指标研究

9.3.1抗裂评价系数

9.3.2抗裂评价系数应用实例

9.4小结

参考文献

第10章 水泥稳定碎石级配优化设计研究

10.1正交试验设计

10.1.1试验因素、水平和正交表

10.1.2水泥稳定碎石混合料组成设计

10.2试验方法和试验结果

10.2.1强度试验

10.2.2一次循环干缩试验

10.2.3二次循环干缩试验

10.3试验结果分析

10.3.1集料级配组成(各因子)对强度指标的影响

10.3.2集料级配组成(各因子)对干缩应变指标的影响

10.3.3显著性检验

10.3.4有利水平组合的确定

10.4两种级配设计方法的比较

10.5与规范级配比较

10.6水泥稳定碎石路用性能与其级配组成关联分析

10.6.1灰色关联法分析集料级配对抗压强度的影响

10.6.2灰色关联法分析集料级配对干缩应变的影响

10.6.3试用灰色关联法评价水泥稳定碎石路用综合性能

10.7考虑抗裂性能的水泥稳定碎石混合料配合比设计方法研究

10.7.1级配范围优化

10.7.2级配类型优化

10.7.3水泥剂量优化

10.7.4级配设计方法优化

10.8小结

参考文献

第11章 试验路的铺筑、观测与分析

11.1原材料

11.2水泥稳定碎石基层混合料的生产配合比设计

11.3试验路段的铺筑

11.3.1准备工作

11.3.2试验路段的施工

11.4试验路段的质量控制

11.5施工中有待改进的问题

11.5.1混合料拌和中存在的问题

11.5.2混合料运输的问题

11.5.3施工现场存在的问题

11.6结语

参考文献

第12章 结论与展望

12.1主要结论

12.2主要研究成果与创新点

12.3研究展望

致谢

博士在读期间发表的论文