摘 要

针对水稳填充大粒径碎石施工工序多、人工依赖度高、大粒径碎石嵌锁程度不稳定对于其推广应用的限制，本文提出改进思路：将自密实细石混凝土作为填充料填充至预先堆积好的大粒径碎石间以形成集料嵌锁型路面基层材料。预先堆积的大粒径碎石形成骨架结构，在为基层结构提供承载力的同时阻止填充材料形成连续板体，有效克服半刚性基层易产生开裂的固有缺陷。填充料稳固大粒径碎石骨架，减少集料嵌锁型路面基层材料的水平推移与蠕变。得益于自密实填充料良好的流动性能与填充性能，集料嵌锁型路面基层在施工过程中无需现场翻拌，改善了大粒径碎石嵌锁程度不稳定的问题，同时降低了人工依赖度，提高了施工效率。本文基于绝对体积法，设计并制备了集料嵌锁型路面基层材料的填充料。通过实验研究了碎石体积率、砂体积率、胶凝材料组成以及水灰比对于填充料的工作性能、力学性能的影响规律。确定了适宜的填充料配合比，并制备出了填充效果良好、强度满足要求的的集料嵌锁型路面基层材料。利用SEM对填充料微观结构进行了表征与研究。取得了如下成果：

设计出碎石体积率为6%，砂体积率为53%，粉煤灰掺量为45%，水灰比为0.9，7d强度为3.75 MPa，28d强度达到6.21MPa，28d静弹模量达到18.5GPa的自密实填充料，胶凝材料用量343.1kg/m³，其中水泥用量188.7kg/m³，扩展度达到760mm，可充分填充空隙率不低于48%的大粒径碎石空隙。对应的基层材料7d整体强度为5.63MPa，28d整体强度为7.24MPa。

在本研究所取的配合比参数范围内，填充料工作性随碎石体积率增加而降低；随砂体积率的增加而降低；随粉煤灰掺量的增加而增大；随水灰比的增加而增大；其中，水灰比与砂率的影响更加显著。 填充料强度随碎石体积率增加而降低；随砂体积率的增加而增加；随粉煤灰掺量的增加而降低；随水灰比的上升而降低；其中，碎石体积率与砂体积率对于填充料强度的影响远不如水灰比与粉煤灰掺量的影响明显。填充料的静弹模量基本上与其强度呈正相关关系，同时，随着碎石体积率的增加，填充料的静弹模量逐渐升高。

填充料SEM图像信息中可观察到较多的粉煤灰颗粒与对应的孔结构，填充料微观结构不如传统混凝土硬化浆体的结构致密，可观察到较多的孔隙与强度较低导致的微裂纹。

关键词：集料嵌锁混凝土；自密实；力学性能；大粒径碎石；路面基层

Abstract

In view of the limitations in the popularization and application of water-stabilized large-grained gravel with many construction procedures, high artificial dependence, and unsteady interlocking of large-grained stone, this topic proposes an improved concept: Self-compacting fine stone concrete as a filler It is filled between pre-stacked large-size crushed stones to form aggregate-locked pavement base material.Pre-stacked large-size crushed stone forms a skeleton structure, which prevents the filling material from forming a continuous plate body while providing a bearing capacity for the base layer structure, and effectively overcomes the inherent defects of the semi-rigid base layer that are prone to cracking. The filler stabilizes the large-size crushed stone skeleton and reduces the horizontal displacement and creep of the aggregate-locked pavement base material.Thanks to the good flow performance and filling performance of the self-compacting fillers, the aggregate-locking type pavement base course is not required to be turned over during the construction process, which improves the problem of unstable interlocking of large-size gravels and reduces labor Dependence increases construction efficiency.Based on the absolute volume method, this paper designs and prepares fillers for aggregate-locked pavement base materials. The effects of the volume fraction of gravel, the volume ratio of sand, the composition of cementitious materials, and the ratio of water to cement on the workability and mechanical properties of the fillers were studied experimentally.Proper filler mix ratio was determined, and aggregate-locking pavement base materials with good filling effect and strength were prepared. The microstructure of the filler was characterized and studied by SEM. The following results have been achieved:

Designed a crushed stone volume rate of 6%, a sand volume rate of 53%, fly ash content of 45%, water-cement ratio of 0.9, 7d strong degree of 3.75 MPa, 28d intensity of 6.21MPa, 28d static elastic modulus The amount of 18.5GPa self-compacting fillers, the amount of cement material 343.1kg/m³, of which the cement dosage of 188.7kg/m³, the expansion of 760mm, can fully fill the gap of not less than 48% of the large size of the gravel voids. The overall strength of the corresponding base material 7d is 5.63 MPa, and the overall strength of 28d is 7.24 MPa.

Within the range of the mix ratio parameters taken in this study, the workability of the filler decreases with the increase of the volume fraction of the gravel; decreases with the increase of the sand volume rate; increases with the increase of the fly ash content; and the ratio of water to dust. The increase in the increase; Among them, the water-cement ratio and the sand rate are more significant. The filler strength decreases with the increase of the volume fraction of the crushed stone, increases with the increase of the sand volume rate, decreases with the increase of the fly ash content, and decreases with the increase of the water-cement ratio, wherein the volume fraction of the crushed stone and the volume of the sand The effect of the rate on the strength of the filler material is far less pronounced than the effect of the water-cement ratio and the fly ash content. The static elastic modulus of the filler is basically positively related to its strength. At the same time, as the volume fraction of gravel increases, the elastic modulus of the filler gradually increases.

Filler SEM image information can be observed more fly ash particles and the corresponding pore structure, the filler microstructure is not as dense as the traditional concrete hardened slurry structure, can be observed more porous and low strength caused by micro crack.

Keywords: aggregate interlocking concrete; self-compact; mechanical properties; large particle size gravel; pavement ba

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 路面基层材料概念 1

1.1.2 路面基层材料的分类 1

1.1.3 水稳填充大粒径碎石基层技术的提出 1

1.1.4 水稳填充大粒径碎石基层的优势与问题 2

1.2 研究目的及意义 2

1.3 国内外研究应用现状 3

1.3.1 传统的道路基层材料及研究现状 3

1.3.2 集料嵌锁型混凝土及研究现状 4

1.4 研究目标、研究内容和技术方案 5

1.4.1 研究目标 5

1.4.2 研究内容 5

1.4.3 技术方案 5

第2章 试验材料、试验方法及试验设备 7

2.1 试验材料 7

2.1.1 水泥 7

2.1.2 粉煤灰 7

2.1.3 细集料 8

2.1.4 粗集料 8

2.1.5 水 8

2.2 试验方法 9

2.2.1 试样制备 9

2.2.2 混凝土性能试验方法 9

2.2.3 绝对体积法设计自密实细石混凝土 11

2.3 试验设备 12

第3章 填充料配合比设计及工作性试验研究 13

3.1.1 碎石体积率对填充料填充性能的影响 14

3.1.2 砂率对填充料填充性能的影响 15

3.1.3 粉煤灰掺量对填充料填充性能的影响 16

3.1.4 水灰比对填充料填充性能的影响 16

3.2 填充料配合比参数对其强度的影响 18

3.2.1 碎石对填充料强度的影响 18

3.2.2 砂率对填充料强度的影响 18

3.2.3 粉煤灰掺量对填充料强度的影响 19

3.2.4 水灰比对填充料强度的影响 20

3.2.5 影响填充料强度的主要参数 20

3.3 填充料弹性模量的探究 21

3.3.1 填充料弹性模量与其抗压强度的关系 21

3.3.2 填充料弹性模量与其碎石含量的关系 22

第4章 填充料微观结构分析和基层材料整体分析 23

4.1 填充料微观结构分析 23

4.2 集料嵌锁型路面基层材料性能分析 25

4.2.1 集料嵌锁型路面基层材料填充效果 25

4.2.2 集料嵌锁型路面基层材料强度分析 27

第5章 结论 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 路面基层材料概念

路面基层，是在路基（或垫层）表面上用单一材料按照一定的技术措施分层铺筑而成的层状结构^[1]，其材料组成与质量的好坏直接影响路面的质量和使用性能。路面基层主要承受由面层传递下来的荷载垂直力，并将其扩散至下层的垫层和土基中，故基层材料服役表现的重要性无须赘言。当基层所承受的垂直荷载超过其材料本身的承载能力时就会发生变形，进而引发一系列路面病害问题。因此，要求基层结构强度在行车荷载的作用下，不会产生残余变形，更不允许产生弯拉破坏和剪切破坏^[2]。对于路面基层的基本要求是：足够的强度和刚度；足够的水稳定性；足够的温度稳定性；具有良好的扩散应力；具有良好的平整度；拥有一定的低温抗裂性和抗冻性；具有良好的耐久性。由于中国经济的快速发展和交通的快速增长，对道路服役表现的要求日益提升，进而对路面基层材料的性能提出了更高的要求。

1.1.2 路面基层材料的分类

在路面基层材料的应用和发展过程中，按照不同的力学性能、材料组成和结构组成，有不同的划分：

根据其力学性能可以将基层材料分为刚性基层、半刚性基层、柔性基层三大类。

而路面基层材料又可以分为水泥稳定类、石灰稳定类、石灰粉煤灰稳定类、水泥混凝土类、沥青稳定类等几类，这是按照它的材料组成来分的。

最后路面基层材料还可以分为骨架密实结构、骨架空隙结构、悬浮密实结构、均匀密实结构等四类，而这又是按照路面基层的结构组成来分的。

1.1.3 水稳填充大粒径碎石基层技术的提出

近年来，随着我国几个新型战略政策的快速推进，“互联互通”被提上更加重要的位置，公路建设规模也快速提升，截至2016年末，我国公路总里程数已接近470万公里，而且还保持以每年超过11.9万公里的速度增长着，这对公路质量和道路建设材料需求量提出了更大的要求。我国高等级路面主要采用沥青混凝土路面和水泥混凝土路面，而沥青混凝土路面的比例不断增加。在这种情况下，半刚性基层沥青混凝土路面已成为中国最典型的路面结构之一。

但是近些年来，早期病害问题已经成为威胁半刚性基层沥青路面使用的最大阻碍，并且发生概率十分普遍，已经引起了广泛的关注，其中影响最为深远的还是收缩开裂问题。普遍认为这种路面会因为开裂衍生出来诸多病害，例如由于基层开裂诱发的反射裂缝严重影响着路面整体性能和耐久性；由于裂缝的存在，会使路面板体不连续，板体边缘的变形在车辆载荷作用下会增大，从而在裂缝处传递过大压力至路基顶面，造成的影响便是这些结构层的寿命缩短；在车辆、湿度、冻融等因素的共同作用下，损耗层通常会沿着裂缝脱落，造成表层松动^[3]；水分通过裂缝浸入到路面基层、底基层，甚至进入对湿度十分敏感的路基土中，软化土基，危及整个路基路面结构等等^[4]。

因此，正是基于这种最为普遍的路面基层结构形式病害频发，并且难以有效地预防和除治，近年来我国在路面基层方面进行了从刚性到柔性的广泛尝试，水稳填充大粒径碎石基层技术便是在这样的背景下于2000年研究形成。

1.1.4 水稳填充大粒径碎石基层的优势与问题

水稳填充大粒径碎石基层技术是以大粒径碎石为骨架，水稳级配细集料为填充料，在大粒径碎石骨架空隙中填充集料，形成了刚柔并济的密实结构^[5]。其中，大粒径碎石组成强度骨架提升耐重载能力，又阻断连续水稳板体结构，限制裂缝的产生与发展；水稳细料填充大粒径碎石空隙，稳固大粒径碎石骨架，减少材料的水平推移和蠕变。这种技术结合了柔性基层与半刚性基层的优点，同时又克服了两者的缺点。

但是这种水稳大粒径技术也有其局限性：在施工过程中需对水稳细料及大粒径碎石进行现场翻拌且对人工依赖度较大、施工效率低、局部施工质量欠佳；另外大粒径碎石之间的嵌锁程度经翻拌遭到了一定程度上的削弱，不利于充分开发集料嵌锁型基层结构的潜力；还有就是翻拌作用范围有限，翻拌不充分处填充效果较差，降低了材料的密实度，进而制约了基层的服役表现。

1.2 研究目的及意义

本论文是集料嵌锁型路面基层材料的设计与性能，即基于传统的水稳填充大粒径碎石基层技术的局限性，提出对其的改进方案——自密实填充大粒径骨料嵌锁型基层技术。采用自密实细石混凝土作为填充料填充至预先堆积的大粒径碎石间的空隙，形成填充更充分、大粒径骨料嵌锁效果更强的基层材料。大粒径碎石间形成相互嵌锁的骨架，为路面基层结构提供承载力。自密实细粒填充料填充在大粒径碎石之间的空隙，对大粒径碎石骨架起到稳定作用，减少集料嵌锁型路面基层材料的水平推移与蠕变，大粒径碎石阻隔了裂缝在基层整体中传递与发展的路径^[6]，进而改善了传统半刚性基层易产生开裂的固有缺陷。

改进后的技术仍可以保持原水稳大粒径基层具有的耐重载、抗开裂的良好性能，并且由于填充料本身具有良好的自密实性能，在施工过程中省略了翻拌工序，无需大量人工进行找补工作，降低了人工依赖度，无需多次碾压以确保密实，无需洒水养护，提高了施工效率^[7]。此外，该技术不会削弱大粒径粗骨料之间的嵌锁效应，充分发挥骨料嵌锁型基层的潜力，有助于提高基层的整体承载能力和抗收缩开裂能力。也由于骨料嵌锁程度更高，更有利于阻止填充料连续板体的形成，更有助于减少裂纹的产生与发展^[8]。

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