试述半刚性材料温度收缩和干燥收缩的基本原理.docx
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试述半刚性材料温度收缩和干燥收缩的基本原理
试述半刚性材料温度收缩和干燥收缩的基本原理。
（一）半刚性基层材料温度收缩机理
半刚性基层材料是由固相（组成其空间骨架结构的原材料的颗粒和其间的胶结构）、液相（存在于固相表面与空隙中的水和水溶液）和气相（存在于空隙中的气体）组成。
所以，半刚性基层材料的外观胀缩性是由其基本体的固、液、气相的不同温度收缩性的综合效应结果。
一般气相大部分与大气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略，故半刚性基层材辑的胀缩性可主要从固相胀缩、液相胀缩，以及两者的综合作用三个方面进行研究．
1．固相复合材料的热胀缩性分析
半刚性基层材料中的面相颗粒大部分为结晶体及部分非结晶体，其热学性质由质点的键性和热运动以及结构组成所决定。
组成晶体的质点（原子、分子、离子）间的键性一般较强，质点的热运动只是在其平衡位置附近的热震荡。
晶体的势能曲线是不严格对称的左陡、右缓的复杂函数曲线。
影响晶体热胀缩性的因素主要有：
晶体内质点间的键力、离子电荷及质点间距、晶体与晶体类型以及晶体的空间结构等。
质点间的键力越强、离子的间距越小以及电子电荷越大时，热胀缩系数就越小，晶体质点的配位数越大，则热胀缩系数越大，层状晶体，垂直于层面方向的热胀缩系数要大于层向的热胀缩系数，紧密堆积结构比敞旷式结构有较大的热胀缩系数。
由于组成固相复合材料的各矿物有不同的热胀缩性，但又是胶结为整体的材料，所以，其热胀缩性是各组成单元体间相互作用的“综合效应”。
2.水对半刚性基层材料热胀缩性的影响
半刚性基层材料内部广泛分布有空隙，包括大空隙、毛细孔和凝胶孔。
自由水存在于大空隙中；毛细水存在于毛细孔和凝胶孔中；表面结合水存在于一切固体表面；层间水存在于晶胞及凝胶物层间；结构水和结晶水存在于矿物晶体结构内部。
水对半刚性基层材解热胀缩性的影响主要是通过三种作用过程而实现的，即扩张作用、毛细管张力作用和冰冻作用。
温度升高时，水的扩张压力使颗粒间距离增大面产生膨胀；反之，则产生收缩。
毛细管张力作用有两个方面的影响；其一，温度下降时，毛细管中水的表面张力增大，从而加大了材料的收缩系数；其二是由于毛细管弯液面的内外存在压力差，以压的形式作用于管壁之间。
温度下降时，对管壁的压力增大，从而引起整体材料的收缩。
各孔隙中的水在其冰点温度以下冻结肘，体积增大9％，从而引起材料膨胀。
同时，由于冰具有较大约收缩系效，又会使整体材料的温缩系数增大。
（二）半刚性基层材料干燥收缩机理
干燥收缩是指半刚性基层材科因内部含水量变化（水分蒸发）而引起的体积收缩现象。
干燥收缩的基本原理是由于水分蒸发而发生的“毛细管张力作用”、 “吸附水及分子间力作用”、矿物品体成胶轻体的“层间水作用”、以及“碳化脱水作用”而引起的整体宏观体积的变化。
1．毛细管张力作用
半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在着内外压力差（即毛细管张力），以压的形式作用于毛细管壁，其大小与毛细管的半径成反比。
当水分蒸发时，毛细管水面下降，弯液面的曲率半径变小，致使毛细管压力增大，从而产生收缩。
2．吸附水和分子间力作用
毛细水蒸发完结后，随着相对温度的继续变小，半刚性基层材料中的吸附水开始蒸发，使颗粒表而水膜变薄，颗粒间距变小，分子力增大，导致其宏观体积的进一步收缩。
这一阶段的收缩量要比毛细管作用的影响大得多。
当吸附水膜减薄到一定程度以后，收缩量逐渐减小，直至终止收缩。
3.层间水作用
随着相对温度的进一步下降，层间水蒸发，致使晶体间距减小，从而引起整体材料的收缩。
4.碳化收缩作用
所谓碳化收缩是指Ca（OH）2与CO2反应生成CaCO3过程中析出水分而引起的体积收缩。
试述影响疲劳寿命的因素
影响沥青路面疲劳寿命的因素有很多方面，除了荷载条件的影响外，还包括材料性质与种类、环境变量等的影响。
1 荷载条件
1）荷载历史。
材料的疲劳寿命可按不同的荷载条件测定。
对于相同的沥青混合料,试件在承受简单荷载或是复合荷载的情况下所表现出来的疲劳反映是不同的。
采不同的加载模式作用于试件的实际受荷状况是不同的。
2）加载速率。
在沥青混合料疲劳加载试验中,混合料的劲度量随着加载作用次数增加呈下降的趋势。
在试验过程中,加载率越高,则劲度模量也就越大。
虽然速率不同,但是劲度模量着作用次数下降的趋势却是相近的,即不同速率的几条曲线在到疲劳破坏的作用次数以前,基本上保持了平行的关系。
3）荷载间歇时间。
路面在承受车辆荷载时,在车辆前后轮之间或前后车辆轮载之间都有间隔时间。
由于沥青材料具有粘弹性性质,故在荷载之间的间歇时间内沥青路面将产生有利于疲劳微细裂缝愈合的内部应力,因而可以延长其疲劳寿命。
研究表明,荷载之间的间歇时间对疲劳性能的影响是很大的。
2 材料性质
1）混合料劲度。
从疲劳观点来看,沥青混合料的劲度模量是一个重要的材料特性。
任何影响混合料劲度的变量,诸如集料与沥青的性质、沥青用量、混合料的压实度与空隙率,以及反映车辆行驶速度的加载时间和所处的环境温度条件等都会影响到它的疲劳寿命。
2）混合料中沥青的种类及用量。
沥青种类和稠度对沥青混合料疲劳寿命的影响基本上可以用它对混合料劲度的作用来衡量。
通常,在控制应力加载模式中疲劳寿命随沥青硬度的增大而增长,在控制应变加载模式中则出现相反的情况,即沥青越软,疲劳寿命越长。
沥青混合料的疲劳性能受沥青用量的影响很大,沥青用量大,混合料的空隙率就小,疲劳寿命也长。
3）集料的表面性状与混合料的空隙率。
由于集料的表面纹理、形状和级配可以影响混合料中的空隙结构,即空隙的大小、形状与连贯状况以及沥青的适宜用量和沥青同集料的相互作用情况,可以对疲劳寿命表现出不同的影响。
3 环境条件
1）温度。
温度对于疲劳性能的影响可以用混合料劲度来解释。
温度在一定限度内下降时,沥青混合料的劲度增大,试件在承受一定应力的条件下所产生的应变就小,因而在控制应力加载模式的试验中导致有较长的疲劳寿命;而在控制应变加载模式的试验中,温度增加引起混合料劲度降低,使裂缝扩展速度变慢而导致疲劳寿命得以增长。
2）湿度。
湿度和大气因素对路面寿命影响这方面的研究工作进行得比较少。
预计湿度的作用可使混合料的劲度减小,沥青混合料在大气因素作用下的老化过程可使其劲度增大。
沥青混合料在这些因素作用下的疲劳反应可以通过劲度的变化而得到体现。
沥青路面疲劳性能的影响因素是多方面的,除了以上分析的各种因素之外,还包括路面设计、施工及工程所在地的地质条件等很多因素。
在具体的实际工程中,要从各个环节入手,针对工程特点,采取有针对性的有效措施,提高沥青混合料的抗疲劳性能、延长其使用寿命。
评述疲劳试验的方法。
第三章
试论述土体的强度构成
土体是由不同尺寸和不同成分的土粒所组成的多相分散体系．就其结构强度而言，土体属于松散介质，即其基本粒子（土粒）本身的强度远大于它们之间的连接强度，因此土体的强度主要由土粒（或微团粒）之间的连接强度所决定。
从构成土体的整体强度来讲，起决定性作用的是土粒之间的粘聚力和土拉之间的内摩阻力。
对于无粘性土，土体强度主要来源于内摩阻力，其摩擦性质是控制抗剪强度发展的主要物理分量。
无粘性土的摩擦性质涉及到颗粒之间的相对移动，其物理过程包含两部分：
一是颗粒的滑动，产生滑动摩擦；另一是颗粒与相邻颗粒脱离咬合而移动，产生咬合摩擦。
滑动摩擦是由于颗粒接触面粗糙不平而形成的微细咬合作用，它并不产生明显的体积膨胀。
咬合摩擦是由于相邻颗粒对相对移动起约束作用而形成的。
因为颗粒相互咬合，阻碍相对移动，颗粒必须首先竖立，跨过相邻颗钮才能移动，所以随着咬合作用的破坏，一般都发生体积增大——即剪脓。
通常认为，粘性土的强度由粘聚力和内摩阻力构成，且粘聚力占有重要地位。
粘聚力又可分为原始粘聚力和固化粘聚力。
原始粘聚力通过土粒之间的相互作用形成，而固化钻聚力是通过土中天然胶结物质的作用而产生的。
对于粘性土，含水量对原始粘聚力起决定性作用。
粘性土由湿变开始放出松弛结合水后，土粒所固有的、用于形成结合水的分子力起了作用，各颗粒间开始可能有分子引力，也就是说其原始粘聚力开始出现。
随着结合水含量的减少，分布在土粒表面很近的结合水层相互接触，再加上离土粒较近的结合水层具有较大的粘滞性，使钻聚力进一步增大。
相反，当含水量增加时，由于水膜增厚而产生解离作用和分子力的减弱，致使原始粘聚力降低。
固化粘聚力除了有引起原始粘聚力的分子间力和阳离子键以外，还存在着第一价键力（即分子内力）和氢键的作用。
固化粘聚力来源于土中原先存在的天然胶结物，包括凝胶和非水镕性盐类。
从以上对土体强度构成的分析可知，土体的强度在很大程度上随其含水量的不同而变化，即随土中含水量的增大面强度降低。
影响土体强度和水稳定性的土质学原理是什么？
通常，土中粘土矿物都具有不同程度的亲水件，水的侵入使其与水发生强烈的相互作用，致使土被周围的结合水模加厚，特别是扩散层中松弛结合水的增多而引起土体膨胀。
由于粘土胶粒周围出现厚的结合水膜使土粒疏远，以致脱离相互分子吸力的范围，致使原始粘聚力减弱。
此外。
形成固化钻聚力的某些水溶性胶结物质遇水后也会溶解，导致固化粘聚力减弱；与此同时，水还起着润滑作用，降低土粘之间的内摩阻力。
大量水的浸入最终使土体离散，形成湿坍和水化现象。
土体的膨胀性和湿坍性可以用来表征其水稳定性，即土体浸水后其保持力学强度的能力。
总之，粘性土遇水后的体积变化和强度变化通常是由于物理作用（润滑）、物理化学作用（吸附）和化学作用（溶解）造成的。
物理化学作用与土粒表面的亲水性能有关；化学作用则取决于水对土中防结物的消解能人及其相互发生化学反应的能力。
影响土体水稳性的因素主要有土的分散度、土的成分、土中天然胶结物质的性质，以及土体的密实度等。
土中粘土胶粒的含量越多，遇水后膨胀越剧烈，强度降低也越多，粘土矿物中蒙脱石类矿物的亲水性强，遇水后膨胀量大；而高岭石类矿物的亲水性较小，遇水膨胀量小；有机质的存在对土体的水稳性不利；吸附阳离子的电价越高，土体的膨胀里越小。
水溶性的胶结物遇水后则丧失其胶结能力，抗水性较强的胶结物质受水的影响较小。
土体的密实度越大，则孔隙率越小，水不易浸入土体，因而水稳性较好。
加固土的基本过程有哪些？
加固土时所出现的各种作用过程是非常复杂和多种多样的，视土的性质和结合料的种类不同而异，但可概括为化学过程、物理化学过程和物理力学过程三种。
化学过程 又可分为结合料自身的化学反应、结合料与土粒之间的化学反应，以及土粒自身的化学反应等三种情况。
矿质结合科的水解与硬化反应、高分于化合物的聚合与缩聚反应等均系结合料自身的化学反应；结合料与土粒相互作用生成新的不溶于水的化合物，如石灰与土中活性硅铝矿物作用生成含水硅铝酸钙的反应等用于结合料与土粘之间的化学反应，在高温作用下，土粒缩水再结晶则属于土粒自身的化学反应。
物理化学过程 主要指土粒对结合料的各种吸附过程，其中物理吸附、物理化学吸附和化学吸附对加固土具有特别重要的意义。
物理吸附是在分于力的作用下土粒将结合料吸附在其表面，使其表面自由能得以降低的过程，如土粒对沥青等有机结合料的吸附属物理吸附；物理化学吸附是结合料中的某些成分与土粒表面吸附的阳离于交换的过程，如用某些金属盐类和矿质结合料加固土时均可发生离于交换反应，化学吸附是吸附剂与被吸附物质之间发生化学反应而生成新的不溶性物质，并在吸附剂与被吸附物质之间形成化学键的联系时的反应过程，如当用沥青加固土时，沥青中的表面活性物质与土粒表面所吸附的高价离子之间常发生这种反应过程。
物理力学过程主要包括粉碎土团、拌和及压实混合料等过程。
根据加固方法的不同，上述的每一过程部可能占主导地位，但是上述三种过程是处于相互联系、彼此配合和相互促进之中的。
一般来说，只有产生化学过程和物理化学过程才能使土的强度与稳定性得到根本的改善，而物理力学过程可加速并保证化学程和物理化学过程的充分发生。
第五章
试述石灰加固土的基本原理。
土中掺入石灰后，石灰与土之间发生强烈的相互作用，从而使土的性质发生根本的改变。
在初期表现在土的结团、塑性降低、最佳含水量的增大和最大密实度的减小等；后期变化主要表现在结晶结构的形成，从而板体性、强度及稳定性提高。
根据目前国内外对石灰加固土强度形成机理的研究成果，可以认为：
石灰加入土中后发生一系列的化学反应和物理化学反应，主要有离子交换反应、ca（oH）2的结晶反应与碳酸化反应和火山灰反应。
这些反应的结果，使粘土胶粒絮凝，生成品体氢氧化钙以及碳酸钙和含水硅、铝酸钙等胶结物，这些胶结物逐渐由凝胶状态向晶体状态转化，致使石灰土的刚度不断增大，强度与水稳性断提高。
石灰加入土中后，经过物理作用、物理化学作用和化学作用，石灰土发止团聚，随之有凝胶物生成，构成了凝胶团聚结构。
随着龄期的增长，棒状及纤维状结晶体生成，并不断生长，构成了结晶体的网架结构。
随着龄期的继续增长，胶凝结构层加厚，结品的网架结构加密，形成了胶凝—结晶的网状混合结构。
离子交换反应使枯土胶体絮凝，土的湿坍性得到改善，使石灰土获得初期的水稳性；碳酸化反应与火山灰反应对提高石灰土的强度与稳定性起有决定性的作用。
当它们的生成物处于凝胶状态时，石灰土结构属凝聚结构，随着结晶网架的生成，逐渐向结晶缩合结构转化，其刚度不断增大。
[公式在路基路面课本上可以找到]
试述影响石灰加固土的因素
一、土质对石灰加固土效果的影响
实践表明，各种成因的亚砂土、亚粘上、粉土类土和粘土类土都可以用石灰加固。
一般来说，粘土颗粒有利于石灰土强度的形成，但当土质过粘时，不易被粉碎，反而会影响加固效果，而且需要较多的石灰才能起到加固作用．成型后还会产生较严重的收缩裂缝。
各种土由于化学矿物成分的不同，用石灰加固的效果亦不相同。
就钻土矿物的类型而言，具有扩张型晶格的粘土矿物蒙脱石的离子交换容量大，会积极由石灰中吸附钙离子而影响石灰的加固作用；而伊利石和高岭石类粘土矿物的离子容量较小，用石灰加固的效果较好。
国内的研究资料表明：
东北、华北分布很广的钙质土适于用石灰加固，用石灰加固黄土质亚粘土可得到较好的效用土中交换钠离子的存在并不会影响石灰加固的效果，只是石灰的剂量略增，含有大量腐殖质的土会显著地降低石灰加固的效果，但东北的黑土较一般腐殖质的土要好一些，因为其腐殖质的成分中胡敏酸的含量较高；盐渍土的含盐量较高时，对石灰加固有影陶，但当合盐量较少的则无明显影响。
二、石灰的品种、性质和剂量对其加固效果的影响
实践表明，各种化学组成的石灰均可用于加固土，但白云石石灰的加固效果优于方解石石灰。
石灰的等级越高，即活性CaO和MgO的含量越高，在同样石灰剂量下有较多多的CaO和MgO起作用，加固效果越好。
石灰的细度越大，其比表面越大，在相同剂量下与土粒作用就越充分、反应的进展越快，因而加固效果就越好。
就石灰的品种而言，由于生石灰在消解过程中可放出大量热能（6．49xl04J／m。
1），利用生石灰加固土时，消解过程在土中进行，所放出的热量有利于石灰与土之间的相互作用。
另外，刚消解的石灰呈胶状ca（oH）2，其活性和溶解度均较高，能够保证石灰与土粒更好的作用。
因而，采用生石灰加固土的效果要优于熟石灰。
石灰剂量的影响为：
当石灰剂量绞低时（2％~3％），石灰主要起稳定作用，使土的塑性、膨胀性、吸水量等降低，初步具有水稳性；随着石灰剂量的增加，石灰土的强度与稳定性均提高，当石灰剂量超过某一剂量以后，过多的石灰在土的空隙中以自由石灰存在，继续增加石灰剂量将会导致石灰土强度的降低。
石灰土具有最大强度时的石灰剂量被称之为最佳石灰剂量。
三、养生条件及龄期对石灰加固土效果的影响
石灰土的强度是在一系列复杂的物理、化学反应过程中逐渐形成的，而这些反应过程需要一定的温度和湿度条件。
试验证明，高温和一定的湿度对高灰土强度的形成是有利的。
这是因为，温度高可使反应过程加快，一定的湿度为ca（oH）2结晶和火山灰反应提供了必要的结晶水。
另一组试验还表明，湿度过大（湿砂养生）会影响石灰土强度的形成，其原因是影响了新生物的胶凝与结晶硬化。
试述提高石灰土早期强度的途径及原理
从国内外的研究情况来看，提高石灰土类材科早期强度的途径有三类：
掺加化学添加剂、掺加水泥和掺加粗骨科。
实践表明，在盛产石料的地区，在石灰土中掺加30％左右的碎、砾石对提高其早期强度有一定的作用。
在石灰土或二灰土中掺加少量水泥亦有一定的成效，不足之处在于工艺上有初、终凝时间的限制，见其早期强度的提高主要来源于水泥水化产物的形成，而粉煤灰中含有较高成分的活性SiO2和Al2O3并末得到充分的发挥和利用。
石灰加固土所发生的物理化学及化学作用过程，都是以石灰在液相中的解离为基础的。
因而，溶液的状态则是决定加固土强度形成和发展的一个十分重要的条件。
石灰解离成Ca2+与OH-离子，一方面为离子交换及各种化学反应提供可能的条件；同时，在固相的周围形成碱性环境，使粉煤灰和土中的SiO2和Al2O3的溶蚀并与ca2+离子产生火山灰反应。
因此，为了加速这一反应进程，就必须采取措施设法提向溶液中的离子浓度以及溶液中介质的PH值。
掺加氢氧化钠等碱类物质，可以增加溶液中的OH-离子，提高PH值，促进SiO2和Al2O3的溶蚀。
同时，它还以催化剂的作用方式直接参与化学反应，从而达到加速火山灰反应进程的目的。
其具体作用过程是，先同土中的硅质材料反应生成中间产物硅酸钠，硅酸钠再同Ca（OH）2反应生成氢氧化钠与肢凝物质硅酸钙。
而被释放出的氢氧化钠将继续与末反应的硅质材料发生化学反应。
碳酸钠掺入石灰中后、将与石灰反应生成胶凝性物质碳酸钙及氢氧化钠。
碳酸钙使加固土的结构得到加密，并将周围的固相颗粒胶凝在—起，使加固土的强度提高。
而氢氧化钠又可起到上述加速火山灰反应的积极作用。
应指出的是，掺加化学添加剂后，随着介质PH值的增加也有使ca（oH）2的溶解度降低以及Na+离子使扩散双电层的电动电位增大的副作用存在。
因此，添加剂的增强效果实际上是上述几种作用产生的综合效应的结果。
当其掺加里低于最佳剂量时，增强作用占主导地位，强度随剂量的增加而增大；当剂量超过最佳剂量时，副作用占主导地位，导致强度随剂量的增加而下降。
硫酸钠属于中性盐，同石灰作用可以生成硫酸钙及氢氧化钠，其生成物硫酸钙也厩胶凝物质，而氛氧化钠又可起到上述加速火山灰反应的积极作用。
氯化钙属于酸性盐的一种，它将会降低掖相介质中的PH值，延缓火山灰作用的反应过程。
采用磨细生石灰可以避免熟石灰土消解过程中的活性损失，以及由于生石灰直接在土中水化与解离，使混合料波相中的Ca2+和OH—离子的浓度增加．PH值提高。
这一方面可加速火山灰反应的进程。
采用磨细生石灰加固土，在常温和低温条件下，均具有良好的早强效果。
试述水泥稳定土强度形成的基本原理
用少量水泥掺入土中就能改变土的性质，其原因为水泥分布在土中构成坚固的核心，在所有的空隙小形成水化水泥的骨架，借以约束土粒的结果。
在水泥加固土中，由于水泥用量很少，水泥的水化完全是在土的围绕下进行的，土对这一过程起着很大的影响，其凝结速度比在水泥混凝土中进行得缓慢。
水泥与土拌和后，水泥矿物与土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解山氢氧比钙并形成其它水化物。
当水泥的各种水化物生成后，有的自行继续硬化形成水泥石骨架，有的则与土相互作用，其作用形式可归纳为：
1．离子交换及凶桃化作用
在水泥水化后的胶体中，Ca（OH）2和Ca2++2（OH）-共存。
而构成粘土的矿物是以SiO2为骨架而合成的板状或针状的结晶，通常其表面会带有Na+和K+等离子。
析出的Ca2+离子会与土中的Na+和K+离子进行当量吸附交换。
其结果使大量的土粒形成较大的土团。
由于水泥水化生成物Ca（OH）2具有强烈的吸附活，而使这些较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的链条状结构，有封闭土团间孔隙的作用，形成稳定的联结。
2．硬凝反应
随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca2+，当Ca2+的数量超过上述离子交换的需要最后，则在碱性的环境中与组成粘土矿物的部分SiO2和Al2O3发生化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶矿物。
3．碳酸化作用
水泥水化物中的游离Ca（OH）2不断地吸收水中的HCO3—和与空气中的CO2作用生成碳酸钙；这种反应也能使土固结，提高土的强度，但比硬凝反应的作用要差一些。
综上所述可以认为，水泥加固土是水泥石的骨架作用与ca（oH）2的物理化学作用共同作用的结果。
后者使粘土微粒和微团粒形成稳定的团粒结构，而水泥石则把这些团粒包覆和连接成坚强的整体。
试述影响水泥加固土强度的因素。
一、土质对水泥加固土效果的影确
土的矿物成分对水泥加固土的性质具有重要的影响。
试验表明，含有少量蒙脱石类矿物和不合腐殖质的各种碳酸盐土，用水泥加固后均可取得良好的效果；覆盖粘土和冰（石责）亚粘土用水泥加固后亦具有很高的强度；由石英颗粒所组成的最佳级配的土，由于土体的密实度很大而保证丁水泥能表现结合性质的最好条件，因而最适于用水泥加固；黑土腐殖层，尤其是草皮灰化土的腐殖层．用水泥加同后强度最低；用水泥加固含有大量蒙脱石和过于亲水的碱土层效果亦较差。
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