（道路与铁道工程专业论文）粉煤灰沥青混合料路用性能试验研究.pdf

摘要 摘要 本文针对沥青路面常见的车辙病害，提出了粉煤灰沥青混合料的研究课题， 将粉煤灰添加到沥青混合料中，来提高沥青混合料的高温稳定性能。试验证明， 粉煤灰能提高沥青混合料的抗车辙能力及其它路用性能。将粉煤灰运用到沥青混 合料中，对提高沥青混合料的路用性能，降低工程造价，减少环境污染具有重要 意义。 本次试验通过用石粉、重庆低钙粉煤灰、云南高钙粉煤灰和硅藻土作填料， 对9 0 # 和7 0 # 沥青的a c 2 0 型和a c 1 6 型两种级配，分别采用4 o 和4 2 的 油石比，进行了马歇尔实验，高温稳定性，低温抗裂性及水稳定性的实验研究， 比较在相同油石比的情况下，石粉、云南高钙粉煤灰、重庆低钙粉煤灰和硅藻土 作填料时对沥青混合料的路用性能的影响。试验结果表明：加入低钙粉煤灰以后， 试验指标如高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等指标均较普通的a c 2 0 和a c 1 6 型级配有所提高，说明了低钙粉煤灰用做填料的优越性。高钙粉煤灰的加入，则 表现出不同的变化规律，在不同使用条件下表现出不同的使用效果。 根据沥青混合料的强度理论，分析了粉煤灰对沥青混合料稳定性影响的微观 机理。沥青混合料类型、沥青胶结料种类和粉煤灰种类是粉煤灰对沥青混合料发 挥影响的主要因素。 关键词：沥青胶浆，石粉，粉煤灰，硅藻土，路用性能 摘要 2 a b s t r a c t t h i s 删c ki sa i 】删砒a 啪a l tp 孙嘲n e n t sc 讲n 咖p i o b l e m 鲫c h 懿t r ；l c i n gm t ， p u tf 0 确，a i dt h em a f c ho nn y a s ha s p h a i tm i 】【n l l e ，a d d i n gt h en ) ，a s hi n t ot h ea 啪a ：i t m i x t i l i e ，i no r d c rt 0i m p v ct h ea s p ha ：l tm i ) d = i l s 髓d b i l i t yo fh i g ht c m p e r a t i l t h c e x p 慑i m c n tp l o v c d m a tt h ef l y a s hc 孤i n l p m ea 讪a l tm 咖圮sa _ b i n t yo f 枷_ n m i n g 狃do t h e r a dp e r f o 姗a n 。同y a s l lu s e d 雒t h e 丘l l e r i na s p h a 】tm i 珈地h a s i 唧o r t a mm e a n i n gf o fi m p v i i i gt h ci o a dp e 疵珊袖嘞i e d l l c i n gc o s to fc s t r i 】c 趾dd l 龃s i n gp o u u t i o no fm ee n v i 枷m e n t 。 ht h i sp a p 口，s t c m ea s h 、l o w - c a l c i u mf l y a s hi na l 伽喀q i n g 、h i g h - c a l c i 岫n y a s h i nm l 衄粗a n dd i 锄o m i t ca u s c d 雒t h e 丘n 盯，t a l 【e 懿p e 血n 朋ta b o m9 0 l 锄d7 0 群 b i t i l m e n 谢t ha c 珈缸l da c 1 6g 瑚d e ，s 印a m t e l yu 辩p p o r t i o no f a s p h a n a g g m g a t e m t i o sa s4 o a n d4 2 。髓k i n ge x p e r i i n e mo fm a f s h e n 、s t a l m 时砒h i 班t e m p e l a t i l 、 a n t i c 内c h l 唱a _ b i l i t ya tl o wt 咖p e m t l l 砖a n dw 砒口s t a b i m y ，c o m p a m e 丘n e r sa 矗b c tt o t h e a dp e d b 皿趾c ei n 山cs 衄ep i o p o r t i o no fb i t i l m e nt o 劬m c 。t c 砒m 叭l ti n d i c a t e ： a d d 血cl o w - c a l c i 眦n y a s hi n t oa s p h a l tm i x h 啦，o n l yd a c - 2 0 u 商e d9 皑b i t i l m 饥8 a 崩- c m 妇ga b i l 时砒l o wt e m 肼嘲t i l h 嬲s o m ed e 踮锄d i l l g ，o 山盯t c s tt a 增c t sh v e 8 0 m er a i s i i l gc 伽1 p a r c d 丽mc o m m a c 一2 0 ，训c hm l l 髓f a l et h ea d v a 曲唱eo f l o w - c a l c i 吼n y a s hu s c d 懿也e 唧h a l tn 叔m s 丘l l e f h i g h - c a l c i 眦n y a s h su s e i n d i c a t ed i 岱珊tr e g u l 盯，l l l l d 盯d i 丘e 啪tw o l l 【i 】n gc d i d o n sf e p 肥s e n td i 伍；r e n t a p p l i a n e 丘t 。 a c c o i d i n gt oa 叩h a l tm i x t l l m ss t r 吼g t hl h e o f y 姐a l y 辩t h em i c o p i c m h 姐i 鞠吐o fn y a 出i n 血ea 平h a l tm i x m 砖。i k 聊p eo fa s p h a l tm i x 眦、b i n i m 吼 a n d l l y a s h 撒t h c k e y 缸c t o r so f n y a s hm a l 【c i n n 眦n t o a 叩h a l t m i x t i l 砖 k e yw o r d s ：p h a l tp 0 础m i x t i l m ，啦c a s h ，n y a s h ，d i a l o m i t e ，r o a dp 柏肋a n c e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：昊爻学 日期：2 p 亓年4 月如日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：昊文萼 指导教师签名： 糁彦与少l 日期：z 呐年上卜月2 口日日期：力年中月二上日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 近二十年来是我国公路史上交通发展速度最快、规模最大以及最具活力的时 期，我国高速公路建设事业也迎来了历史上最好的发展机遇，以前所未有的速度 向前发展。我国的公路已初步形成一个干支衔接、布局合理、四通八达的全国公 路网，同时我国的高速公路的质量管理也逐步规范化、制度化，交通基础建设质 量有了大幅度的提高，其中部分公路的建设质量已达到或接近国际先进水平。现 在，我国的公路建设又进入了一个新的时期，在公路建设领域，不但要求施工技 术有相应的提高，也要求建筑材料的供应适应这种新形势，对沥青和集料都提出 了更高的要求。但基本建设的热潮使得建筑原材料供应吃紧，在沥青路面施工中 砂石材料的供应明显不能满足要求，尤其在工期紧、施工线长的时候更突出。其 具体表现在：砂石材料自然级配状况差、级配变异范围较大，颗粒组成均匀度不 好。广大道路工作者已经普遍认识到材料质量对于路面质量、使用寿命的重要性。 可以这么说，现在大家对沥青的质量已经比较重视了，认识到高等级公路的沥青 路面一定要采用“重交通道路沥青质量技术要求”的沥青。认识到没有国产的适 合沥青也要使用进口沥青，购买进口沥青从从长远看经济上是合算的。但是，对 集料和填料的认识远没有象沥青那么的重视，很多专家在谈到这个问题时都感到 困惑，而且一针见血的指出，我们已经进口了大量的施工机械，也使用了进口的 沥青，我们的施工水平也未必比别人差，但从整体上看，我国的沥青路面的建设 水平与国外先进国家还有相当的差距，至少落后1 0 2 0 年。这个落后主要体现在 沥青路面的使用寿命上，规范规定的设计寿命是2 0 年，可实际上没有几年，就要 开始大规模的维修，相当于国外六七十年代的水平，更进一步的分析可以发现， 与国外先进国家所差的除了管理工作之外，就在于粗细集料和填料的生产和使用 上明确我国在集料方面与国外的差距对发展我国的沥青路面建设具有重要意义。 由沥青和填料形成的沥青胶浆在沥青混合料中发挥着举足轻重的作用“1 。沥青 胶浆是沥青混合料的粘结剂，从复合材料角度看，它是由“沥青+ 矿粉”构成的一 种复合材料，而沥青混合料又是由沥青胶泥和集料构成的复合材料。显然，沥青 胶泥是沥青混合料这一复合材料的基体材料，沥青则是沥青胶浆的基体材料。因 此，提高沥青胶浆的路用性能对提高沥青混合料的路用性能具有重要意义。本次 试验通过用粉煤灰替代矿粉，来提高高沥青胶浆的路用性能。试验表明，加入低 钙粉煤灰以后，沥青混合料的各项指标都得到了一定程度的提高。 第一章绪论 2 1 2 粉煤灰应用的发展 填料在沥青混合料中的作用至关重要0 1 ，只有沥青吸附在填料表面形成薄膜， 才能对其他粗、细集料产生粘附作用。此膜以内的沥青，称结构沥青；此膜以外 的沥青，称自由沥青。结构沥青粘聚力大，自由沥青粘聚力小优质填料，结构 沥青大于自由沥青，所以粘聚力大。混合料中的沥青，结构沥青越多，粘附性能 越好。它与沥青组成胶结料，在沥青混凝土中既起粘结作用，又填充粗细集料的 空隙。通过采用适宜的填料与最佳配比，可以提高沥青混合料的稳定性。 在公路沥青路面施工技术规范j t gf 4 0 2 0 0 4 中指出啪：“粉煤灰作为填料 使用时，用量不得超过填料总量的5 0 ，粉煤灰的烧失量应小于1 2 ，与矿粉混 合后的塑性指数应小于4 ，其余质量要求与矿粉相同。高速公路、一级公路的沥 青面层不宜采用粉煤灰做填料。”条文说明4 1 0 3 中提到：“不少国家的规范( 如 日本，美国) 规定可以使用粉煤灰做填料。考虑到我国的粉煤灰的质量有很大差 异，工程上很难控制，故只允许在二级及二级以下的其它等级公路中使用。” 从上述的说明可以看出，国内将粉煤灰应用于沥青混合料还是持谨慎的态度。 规范也没有对粉煤灰的种类及适应范围作进一步说明。但事实说明将粉煤灰 应用于沥青混合料是可行的，粉煤灰的应用对不同原材料，不同类型的混合料发 挥不同的作用，这正是本次论文的主要研究内容。 正因为填料对沥青混合料强度的形成有重要作用和影响，因此规范要求 填料必须具有良好的物化特性。首先是无团粒，不结块，粒度小于0 0 7 5 衄的要 占7 5 1 0 0 ；其次含水量应 1 亲水系数丰l ，烧失量 3 。下面是国内 外将粉煤灰应用于沥青混合料的情况。 1 2 1 国内研究现状 中国的粉煤灰综合利用工作”1 ，起步于2 0 世纪5 0 年代。2 0 世纪5 0 年代开始 在建筑工程中用作混凝土、砂浆的掺和料，在建材中用来生产砖、在道路工程中 做路面基层材料等。但是粉煤灰的利用的进展缓慢，利用量、利用率一直很低。 随着我国电力工业的发展，粉煤灰问题日趋严重，国家对粉煤灰的综合利用也日 益重视，提出粉煤灰综合利用必须坚持“以用为主”的原则。8 0 年代改革开放后， 国家进一步加大对粉煤灰的综合利用。但是粉煤灰的利用层次还较低，整体的社 会效益和经济效益还不是很高，而且粉煤灰的排放量还在增加，要想解决这些问 题，就必须依靠科技的力量，尽力拓宽粉煤灰的应用领域，提高粉煤灰的利用量 及利用方式的技术含量。粉煤灰是一种“弃之有害、用之为宝”的二次资源“1 。粉 第一章绪论 3 煤灰作为道路建筑材料已经有很长的历史，在沥青混合料的应用则比较的少，主 要有： 河北工业大学的尹力军认为嘲，粉煤灰的主要成分属于硅酸盐矿物，它能吸附 可溶碱性盐。用粉煤灰做填料可以降低沥青的蜡含量，显著提高沥青黏度，增加 石料与沥青的粘结性，因此认为粉煤灰作填充料要优于石灰石矿粉。随着粉煤灰 掺量的增加，沥青混凝土的密度增大，空隙率减小，流值增大。主要是由于粉煤 灰的球形细小颗粒，是的沥青混凝土更加的密实，密度增加，流值增大。可以看 出，尹力军研究的是高钙粉煤灰。长安大学的田林祥认为”1 ，粉煤灰品质好坏对沥 青混凝土的技术指标有所影响，品质好的粉煤灰各项指标要优于品质较差的粉煤 灰，但效果不十分显著。燕山大学的张金安，李青山等人认为”：各品种的沥青混 合料，在不增加沥青用量，掺粉煤灰的不仅常规马歇尔指标达到规定要求，而有 许多优越性，利于提高沥青路面的高温和低温稳定性。 1 2 2 国外研究现状 美国是粉煤灰资源开发和综合利用比较先进的国家”1 ，他们重视国家立法的作 用。1 9 7 9 年美国国家环保局组织起草的 对于水泥和混凝土中掺加粉煤灰的联邦 政府的指导原则于1 9 8 3 年颁布执行，这有利的推动了粉煤灰的利用。在各种利 用途径中，将粉煤灰用于水泥、混凝土是一个重要的方面。此外，还将粉煤灰大 量用于道路和工程建筑中。 美国是最早将粉煤灰运用于沥青混合料的国家之一嘲。早在1 9 3 1 年，美国的 d e t r o i te d i s o n 公司在比较粉煤灰和石灰石的物理性质时发现粉煤灰和石灰石具 有相似的物理组成。试验表明，粉煤灰具有良好的密实功能和排水功能，也就是 说由于粉煤灰的空隙可以轻易的将水排出沥青混合料的，从而降低了由于水的存 在而导致沥青混合料剥离的危险。1 9 9 4 年，美国5 0 个州中9 个使用了粉煤灰沥青 混合料，调查发现，粉煤灰作填料替代石粉的沥青混合料的使用性能基本上达到 或超过了普通的沥青混合料，只有2 个州的使用效果不理想。 国外已经将粉煤灰应用于s m a 、h m a 等路面中，取得了良好的使用效果”3 。研 究结果表明，运用粉煤灰可以提高沥青混合料的路用性能，特别是低温地区的冻 融循环导致的沥青路面开裂。加入粉煤灰以后，使沥青混合料更加的稳定、密实， 变形减小，渗透性降低。国外对粉煤灰路用性能的要求是稳定，自然级配良好。 同时，国外的资料认为，加入粉煤灰以后，不影响沥青混合料的结构设计。粉煤 灰不增加施工工艺和流程，直接在沥青混合料拌和的过程中加入即可。 第一章绪论 4 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 目前大多数高速公路路面的上表面层广泛采用密级配的a c 1 6 型沥青混凝 土，中面层采用密级配的a c - 2 0 型沥青混凝土。但是沥青面层常常发生早期破坏， 或随着路面使用时间延长，沥青面层出现温度裂缝、车辙等病害。为了防止或减 少其破坏，在a c - 1 6 型和a c - 2 0 型中加入常规的石粉及替代物粉煤灰、硅藻土等。 为了更好掌握粉煤灰沥青混合料a c 1 6 型和a c - 2 0 型的路用性能，在单因素条件 下对a c - 1 6 型和a c - 2 0 型的沥青混合料进行各项试验。 1 粉煤灰沥青混合料物理和力学性能试验研究 ( 1 ) 原材料物理、力学性能试验： ( 2 ) 矿料级配选择： ( 3 ) 马歇尔试验； 按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程( 以下简称规程) ( t 0 7 0 9 _ _ 2 0 0 0 ) ， 进行标准马歇尔试验。根据沥青混合料马歇尔试验结果物理和力学指标，得出 对应粉煤灰沥青混合料a c 1 6 型和a c _ 2 0 型的最佳沥青用量。结合试验结果分析 粉煤灰种类、剂量对沥青混合料的物理和力学指标影响。 2 粉煤灰沥青混合料的高温稳定性试验研究 根据普通沥青混合料最佳沥青用量和对应的混合料马歇尔试验密度，拌和、 成型车辙试件，并按照规程仃0 7 1 9 一1 9 9 3 ) 进行车辙试验。根据车辙试验结果， 分析粉煤灰种类、掺量、矿料级配等因素对沥青混合料高温稳定性的影响。 3 粉煤灰沥青混合料的低温抗裂性能试验研究 根据普通沥青混合料最佳沥青用量，拌和、成型标准马歇尔试件，并按照 规 程( t 0 7 1 6 一1 9 9 3 ) 进行低温间接抗拉试验。根据劈裂强度，分析粉煤灰种类、掺 量等因素对混合料低温抗裂性能的影响。 4 粉煤灰沥青混合料的水稳定性试验研究 根据普通沥青混合料最佳沥青用量，拌和、按照规程盯0 7 2 9 _ 之o o o ) 成型 圆柱形试件，再按照( t 0 7 2 9 _ - 2 0 0 0 ) 进行冻融劈裂试验，得到粉煤灰沥青混合料的 冻融劈裂强度比一z 豫，分析粉煤灰种类、掺量、级配类型等因素对沥青混合料水 稳定性的影响。 5 粉煤灰沥青混合科微观机理研究 总结以上试验结果和有关文献资料，提出粉煤灰沥青混合料中粉煤灰的作用 第一章绪论 5 机理，提出了胶体平衡理论，以及使用时的有关建议性技术指标。 1 3 2 技术路线 1 在混合料性能研究中，考虑用石粉，云南高钙粉煤灰，重庆低钙粉煤灰和 硅藻土四种填料，a c 1 6 型和a c - 2 0 型两种级配，不同粉煤灰掺量，粉煤灰沥青 混合料具体组成见各混合料性能试验研究项目。 2 先用标准马歇尔法，确定在各矿料级配、粉煤灰种类和粉煤灰掺量下沥青 混合料的最佳油石比。 3 以普通沥青混合料的最佳油石比，制作试验混合料各路用性能的试件，其 中路用性能包括：高温定性抗车辙变形能力，低温抗裂性能，水稳定性。 4 试验数据，采用单因素分析方法。也就是，在分析粉煤灰沥青混合料试验 数据时，考虑各因素相互独立地对混合料性能施加影响，逐次分析每个因素。 5 试验采用的仪器有马歇尔仪、马歇尔击实仪、混合料拌和锅、温度计、真 空饱和仪、电子称、冰箱、劈裂仪、秒表等。 6 试验方法：马歇尔试验、浸水马歇尔试验、车辙动稳定度试验、低温劈裂 试验、冻融劈裂试验。 7 在试验中用到的试验规范、规程： ( 1 ) 中华人民共和国行业标准，公路工程沥青及沥青混合料试验现程 ( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) ，人民交：通出版社，2 0 0 0 年。 ( 2 ) 中华人民共和国行业标准，公路沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 - 9 7 ) 人民交通出 版社，1 9 9 7 年。 ( 3 ) 中华人民共和国行业标准，公路沥青路面施工技术规范略f 4 0 - 2 0 0 4 ) ， 人民交通出版社，2 0 0 4 年。 ( 4 ) 中华人民共和国行业标准，公路工程集料试验规程( j ”0 5 8 - 2 0 0 0 ) ，人民交 通出版社，2 0 0 0 年。 第二章粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能试验 6 第二章粉煤灰沥青混合料物理和力学性能试验 2 1 引言 现行的沥青混合料组成设计主要是依据马歇尔法，是目前世界各国普遍采用 的方法，该方法十分简单，便于一般的技术员掌握；同时由于长期使用，人们已 经积累了丰富的实践经验和资料，可以依据这一方法获得基本的数据和判断。 马歇尔法是通过室内试验嗍，根据稳定度流值和密度空隙率的分析，提出适 合的沥青混合料配合比。该方法的优点是它考虑了沥青混合料的密实度与空隙的 特性，通过分析以确保获得沥青混合料适当的空隙率。同时由于马歇尔试验方法 所用设备价格低廉，便于携带，不仅可以为研究单位所拥有，而且广大的施工单 位可以作为施工质量控制的常备仪器。同时由于长期以来，人们已经积累了丰富 的实践经验和资料，人们可以凭借这一方法获得基本的数据和判断。因此在本次 试验中，采用马歇尔法研究粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能。 目前关于粉煤灰沥青混合料研究有： 1 长安大学的田祥林，甘肃高等级公路的粉煤灰应用研究”1 。 2 哈尔滨工业大学的张松榆，粉煤灰改性沥青胶浆的研究“”。 3 河北工业大学的尹利军，粉煤灰、增钙渣、机制砂在沥青混合料中研究”。 4 焦作工学院的焦宝祥，粉煤灰对沥青砼的影响1 。 5 包头钢铁学院的张金山，成品粉煤灰对沥青混凝土特性的影响“”。 6 蚌埠路桥公司的林建国，粉煤灰改善沥青混合料水稳性后疲劳试验研究“3 】 7 龙建路桥公司的王长春，将粉煤灰运运用到沥青混合料中的试验研究“”。 8 z i m m e r 胁i l 】【v ”f l ya s h 勰ab “咖1 i n 帆s 砌”p 1 1 0 0 e e d i n g so f t h es d a s h 础z a l i s 卿o s i 岫u s b u 哟uo fm j s ，础咖l a t i c i 枷l a r 8 4 8 8 ， p i t t s b u r g h ，p c 曲s y l v 粗氓1 9 7 0 m 1 9 b r a h m ，s e u o f l i g n i t c f l y a s h 铋a m h r a lf i l k r i n b i t 叫l i n 伽s c c r c t e r i hd a k o 组s t 如u n i v 哪咄e n g 蕊e 血ge 印e l i m e n ts t a t i s e r i e s 3 ，f a l g o ， n o r t hd a l 【o t a 1 9 6 8 蝴 1 0 r o m c r j o h n c ，j a j m s gc h e h o 诎s ，锄d 渤c r m o i t i s ”凡y a s h 粕am i n 锄l 砌e ra n da n n s t r i pa g e mf o ra s p h a l tc o 北r e t e ，。p i d c e e d i n g so fn ”s i x 血 b t e i n a t i a la s h 珊l i z a t i 吼s y m p o s i 岫u s d 印a i l m e n to fe n e 日甄r e p o n d m 弧压即陀，8 2 5 2 ，1 1 u m el ，w | a s h i n g t o n d c1 9 8 2 n 力 从国外的资料可以看出，粉煤灰沥青混合料的利用比国内要早的多，而且也要 第二章粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能试验 7 系统全面，对粉煤灰利用的后续研究比较的全面，通过工程实体来验证了粉煤灰 的路用性能，这是我们值得学习的地方。 2 2 粉煤灰沥青混合料的原材料性能试验 为对比分析粉煤灰对沥青混合料的物理和力学性能影响，了解粉煤灰沥青混 合料的物理和力学特点，进行了马歇尔原材料试验，进一步确定各种粉煤灰和粉 煤灰掺量下的最佳油石比。 基质沥青为茂名a h - 7 0 和茂名a h 9 0 沥青；试验采用的填料为：石粉，云南 高钙粉煤灰、重庆低钙粉煤灰和硅藻土；矿料级配有a c - 2 0 型和a c 1 6 型两种。 其性质如下 2 2 1 沥青 基质沥青为茂名a h _ 7 0 和茂名a i 一9 0 沥青，性能如表2 1 所示。为了证明粉 煤灰作用是对沥青胶结料的改善还是对沥青混合料的改善，对7 0 # 基质沥青掺加 5 、1 0 、1 5 和2 0 的重庆粉煤灰进行了沥青的技术指标的试验，试验结果如 表2 2 所示； 表2 1 沥青技术指标试验结果 t a b 2 1 缸n 懈u i to f i n d e xa b o u tm t l i m 蚰 试验项目9 0 # 沥青7 0 # 沥青试验方法 针入度( 2 5 ，1 0 0 9 ，5 s ) 0 1 9 4 47 1 5t 0 6 0 4 延度( 5 c _ i i n ，2 5 ) c - 1 6 2 o1 5 1 0t 0 6 0 5 软化点 4 9 65 0 3t 0 6 0 6 囊2 2 不同低钙粉煤灰掺量的7 0 # 沥青试验结果 t a b 2 2 僦t 嘲i to f i n d “f o r7 僻a s p h a nh 酗d i 侬咖tf i y a 妯腿6 0 荔矿丝竺 5 l o 1 5 2 嘴 试验项目 针入度( 2 5 ，1 0 0 9 ，5 s ) 0 1 7 1 27 0 06 8 86 7 o 延度( 5 c - m i n ，2 5 ) c _ 9 4 75 7 74 9 34 7 3 软化点 5 0 54 8 54 7 54 5 5 ( 1 ) 从表2 1 可以看出，沥青各项指标满足了施工规范的重交通沥青要求。 第二章粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能试验 8 ( 2 ) 从表2 2 可以看出，加入粉煤灰后沥青的针入度、延度降低，软化点等三 大指标均随着粉煤灰掺量的增加而降低，可以得到：粉煤灰的性质比较稳定，加 入到沥青里面以后，并没有发生明显化学反应而产生质的变化，反而在沥青受力 拉伸的过程中，填料微小颗粒在沥青中形成“楔形效应”，所以沥青的延度降低， 软化点有所下降。 2 2 2 矿料 试验选用的集料为重庆歌乐山的机制石灰岩，集料坚硬，无风化现象。集料 颗粒多里棱柱体和正方体，一般都有几个破碎面。集料中细长扁平状颗粒含量较 少。集料试验采用的公路工程集料试验规程0 5 8 2 0 0 0 。试验结果列于表2 3 。 表2 3 集料的密度试验测试结果 t 妯2 3血璐i t y 蛔tr 曙u nd a 鹳他弘t e 矿料粒径 1 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 60 30 1 50 0 7 5 ( m m ) 重庆集料 ( g c m3 ) 2 7 1 52 7 2 52 7 2 22 7 2 02 7 0 52 7 3 42 6 4 7互7 幺7 0 72 7 2 2 3 矿料级配 1 级配选择考虑的因素 高速公路的交通量日益剧增、车速上升、超载及不利气候等因素对高速公路 路面表层的路用性能提出了更高要求，其关键的路用性能要求【1 9 1 如下： ( 1 ) 抗滑性。沥青路面的抗滑性与矿质材料、矿料级配、沥青混合料类型等因 素有关。一般来说，在矿料集料级配上粗集料比例越大，形成了的宏观构造越大 越良好。因此，选用粗集料偏多的矿料级配类型成为提高抗滑性的主要手段。 ( 2 ) 高温稳定性。为了提高表层沥青混合料的高温稳定性，常采用偏粗、嵌挤 型的矿料级配类型、较低的用油量、改性沥青等方法。采取必要的措施后，沥青 混合料的高温稳定性确实有明显的改善，但某些方法在提高高温稳定性的同时， 其他关键的路用性能被削弱，如路面表层的防水、抗疲劳等性能降低。 ( 3 ) 防水性。对于多雨或寒冷地区的沥青路面，沥青混合料的抗水损害能力显 得尤为重要，其中路面残留空隙率的大小和空隙类型对于路面防止水损害起到至 关重要的作用。国外大量的研究表明，路面残留空隙率控制在8 以下时，路面才 第二章粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能试验 9 具备较好的抗水损害能力。 ( 4 ) 抗疲劳性能。国内有些高速公路的车流量较大，超载现象十分普遍，以致 许多地方出现了阴阳路现象( 双向车载不一致造成) 。对于直接与车辆轮胎接触的路 面表层来讲，必须具备较好的耐疲劳性能，以缓解车载对路面的破坏作用。 ( 5 ) 施工性能。好的配合比只是修筑优质路面的前提，施工工艺能不能保证将 好的配合比转化为生产配合比，就显得尤为重要。在诸多沥青面层的级配中，在 室内试验时混合料的各项性能均很好，但用于工程就出现了一些问题。施工质量 控制固然是修好路面的关键，但有些工程的施工控制做得较好，仍无法修出好的 路面，这就应从混合料的自身找差距。沥青混合料的施工性能主要指混合料的离 析及压实性。因此，在混合料的级配设计时应考虑施工性能。 2 级配的确定 良好的矿料级配组成，应该使其孔隙率在热稳定性容许的条件下，保证矿料 之间及矿料与沥青之间的相互作用良好，使得结构沥青充分裹覆在矿料表面，从 而最大限度的发挥混合料的结构强度效应，以获得最佳路用品质。 试验根据现场提供的集料筛分试验结果和现行公路沥青路面施工技术规范 ( j t gf 4 0 删) 中a c 2 0 型和a c 1 6 型沥青混合料的级配要求，以及以粗集料 在混合料中形成骨架，细集料填充骨架中的空隙，形成嵌挤骨架一密实型沥青混 合料的原则来选取级配，并结合动稳定度，经多次对比筛选确定最终级配。 本次试验研究的两种矿料级配采用a c - 2 0 型和a c 1 6 型。a c 珈型和a c 1 6 型生产配合比合成级配，合成级配组成曲线如表2 4 、表2 5 和图2 1 所示。 裹2 4 o _ 2 0 型沥青混合料矿料级配组成 t 丑bz 4 山e 嵋f e 弘t e 西a c - 加p h m tc c r e k 沥青混合 通过下列筛空尺寸( ) 的矿料质量百分率( ) 料类型 2 6 51 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 60 30 1 50 0 7 5 试验级配 l 好78 5 s7 5 55 4 84 1 12 9 _ 42 0 81 3 88 27 o5 7 规范取值 9 0 7 8 6 2 5 0 2 6 1 6 1 2 8 5 4 范围 l 3 7 1 0 09 28 07 25 64 43 32 41 71 3 襄25 o - 1 6 型沥青混合料矿料级配组成 孔山z 5m e 晖f e 弘k d a d l 6 职p h a n c o 眦n 把 沥青混合通过下列筛空尺寸( ) 的矿料质量百分率( ) 料类型2 6 51 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 60 30 1 5o 0 7 5 试验级配 l o蛄56 8 o 4 7 1 3 3 42 3 j1 5 28 77 35 8 规范取值 1 9 0 7 6 6 0 3 4 2 0 1 3 9 7 5 4 吨 范围 l 9 2 8 0 6 2 船 3 6 2 61 81 4 第二章粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能试验 1 0 ( 1 ) 从图中可以看出，a c - 2 0 型级配的曲线中4 7 5 衄以上的粗粒径走的是规 范的上限值，4 7 5 m m 以下集料走的是下限值，说明选用的级配是粗型级配，能满 足级配要求的骨架一密实型结构，租集料形成骨架作用，细集料在里面起到填充 作用。这对提高级配的抗车辙能力是有利的。 圈2 1 o _ 和 o _ 8 塑密级配沥青混凝土矿料级配组成圈 l 艳盘1 伍e a 翻f e g 眦e o f a c - 2 0 a n d a c 1 6 越p 】蛐c o n c r 蛐e ( 2 ) a c 一1 6 型级配的粗集料选用的也是上限值，但是1 3 2 m m 粒径的集料超出 了级配的范围，这是由于集料的自然级配较差，导致配合比合成时不能满足要求 的情况，但是出于高温稳定性的考虑，选用这个级配。 第二章粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能试验 1 l ( 3 ) 两种级配的矿粉通过率较大，这主要是为增加矿料中的沥青胶浆量，进而 增加粗集料表面上的沥青胶浆膜厚度，并且有利于不同种类填料发挥作用。 2 3 粉煤灰沥青混合料的马歇尔试验 2 3 1 马歇尔对比试验设计 为对比分析相同级配和不同粉煤灰种类沥青混合料的物理、力学性能，得出 各种粉煤灰与之匹配的矿料级配，进行了马歇尔试验设计。试验采用重庆低钙粉 煤灰、云南高钙粉煤灰、石粉、一半石粉一半重庆低钙粉煤灰和硅藻土( 掺量2 0 ) ，矿料级配采用a c 一2 0 型和a c 1 6 型，集料采用重庆歌乐山料场破碎砾石。沥 青选用茂名a 卜7 0 和茂名a h _ 9 0 沥青。粉煤灰沥青混合料对比试验方案见表2 6 。 表2 b 粉煤灰沥青混合料试验方案 t 曲2 6恤ec 咖p 删廿蚰西n y 邶h 疆呻脚tm 胁婶 填料名称替代石粉比例矿料级配类型沥青混合料名称 c 2 0 型 c - 2 0 石灰石矿粉 c 1 6 型 a c 一1 6 c 一2 0 型6 c 一2 0 云南高钙粉煤灰 1 0 0 c - 1 6 型g c 1 6 c _ 2 0 型 d c 一2 0 1 0 0 c - 1 6 型d a c 1 6 重庆低钙粉煤灰 c 一2 0 型 5 0 c - 1 6 型b c 1 6 c - 2 0 型z c 一2 0 硅藻土 2 0 c - 1 6 型z c 一1 6 在表2 6 中，试验方案的设计以普通的a c 一2 0 型和a c 一1 6 型沥青混合料为基 准，采用了两种不同的且具有代表性的粉煤灰进行对比，并对规范规定的粉 煤灰使用量不超过填料用量的5 0 ，进行了试验验证。同时对比了硅藻土作填料的 沥青混合料的性能，以对粉煤灰沥青混合料性能及影响因素进行对比分析。 第二章粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能试验研究 1 2 2 3 2 马歇尔试验方法与步骤 1 试件成型 标准马歇尔试件的规格是巾1 0 1 6 m m 6 3 5 m m 圆柱体试件，一组试件的数量 为5 个。并符合试件规格要求。对a c 也o 型级配和a c 1 6 型级配都是两面各击实 7 5 次。 1 ) 标准击实仪：由击实锤、由9 8 5 衄平圆形压实头及带手柄的导向棒组成。 用机械将压实锤举起，从4 5 7 2 m m 1 j m m 高度沿导向棒自由落下击实，标准击 实锤质量4 5 3 6 9 9 9 。 2 ) 标准击实台：用以固定试模，在2 0 0 m m 2 0 0 m m 4 5 7 衄的硬木墩上面有 一块3 0 5 m m 3 0 5 衄2 5 衄的钢板，木墩用4 根型刚固定在下面的水泥混凝士板 上。木墩采用青冈栎的硬木制成。 自动击实仪是将标准击实锤及标准击实台安装一体并用电力驱动使击实锤连 续击实试件且可自动记录的设备，击实速度为6 0 次，脚- i l l 5 蛐。 3 ) 试验室用沥青混合料拌和机：能保证拌和温度并充分拌和均匀，可控制拌 和时间，容量不小于1 0 l 。搅拌叶自转速度7 0 m n i n 8 0 凼血，公转速度4 0 妇i n 5 0 d m i n 。 4 ) 试模：由高碳钢制成，每组包括内径1 0 1 6 衄o 2 衄，高8 7 眦的圆柱形 金属筒、底座( 直径约1 2 0 6 n 皿) 和套筒( 内径1 0 1 6 m 、高7 0 m m ) 各1 个。 5 ) 电子称：用于称量矿料的，感量不大于0 5 9 ；用于称量沥青的感量不大于 o 1 9 6 ) 温度计：分度为1 。量程o 3 0 0 。 2 准备工作 1 ) 粉煤灰沥青混合料试件的拌和与压实温度 粉煤灰沥青混合料的拌和温度和普通沥青混合料一样，拌和温度在1 4 5 1 6 5 0 ；c ，压实温度为1 2 5 0 c 1 3 5 。 2 ) 将各种规格的矿料置1 0 5 士5 的烘箱中烘干至恒重( 一般不少于4 h 6 h ) 。 3 ) 将烘干分级的粗细集料，按每个试件设计级配要求称其质量，在一金属盘 中混合均匀，矿粉单独加热，置烘箱中预热1 6 0 备用。 4 ) 将用恒温烘箱熔化加热至规定的粉煤灰沥青混合料拌和温度备用，但不得 超过1 6 5 0 c 。 5 ) 用沾有少许黄油的面纱擦净试模、套简及击实等置1 0 0 左右烘箱中加热 第二章粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能试验研究1 3 1 h 备用。 3 粉煤灰沥青混合料拌制 1 ) 将沥青混合料拌和机预热至拌和温度以上l o 左右备用。 2 ) 将每个试件预热的粗细集料置于拌和机中，用小铲子适当混合，然后再加 入粉煤灰，开动拌和机一边搅拌一边将拌和叶片插入混合料中拌和1 m i n ；然后暂 停拌和，加入需要数量的已加热至拌和温度的沥青，开动拌和机一边搅拌一边将 拌和叶片插入混合料中拌和1 5 m i n ；然后暂停拌和，加入单独加热的矿粉，继续 拌和至均匀为止，并使沥青混合料保持在要求的拌和温度范围内。总拌和时问为 4 m i n 。 4 粉煤灰沥青混合料试件成型方法、步骤： 1 ) 将拌好的沥青混合料，均匀称取一个试件所需的用量。 2 ) 从烘箱中取出预热的试模及套筒，用沾有少许黄油的面纱擦拭套筒、底座 及击实锤底面，将试模装在底座上，垫一张圆形的吸油性小的纸，按四分法从四 个方向用小铲将混合料铲入试模中，用插刀沿周边插捣1 5 次，中间1 0 次。插捣 后将沥青混合料表面整平成凸圆弧面。 3 ) 插入温度计，至混合料中心附近，检查混合料温度。 4 ) 待混合料温度符合要求的压实温度后，将试模连同底座一起放在击实台上 固定，在装好的混合料上面垫一张吸油性小的圆纸，再将装有击实锤及导向棒的 压实头插入试模中，然后开启电动机将击实锤从4 5 7 m 的高度自由落下击实规定 的次数( a c - 2 0 和 c - 1 6 均为双面7 5 次) 。 5 ) 试件击实一面后，取下套筒，将试模掉头，装上套筒，然后以同样的方法 和次数击实另一面。 6 ) 试件击实结束后，立即用镊子取掉上下面的纸，用卡尺量取试件离试模上 口的高度并由此计算试件高度，如高度不符合要求时，试件应作废，并按下式调 整试件的混合料质量，以保证高度符合6 3 5 m 1 3 m 的要求。 调整后混合料质量= 墨茎望丐蒜粪磊鬈景：； 圭坚 g m 7 ) 卸去套筒和底座，将装有试件的试模横向放置冷却至室温后( 不少于12 h ) ， 置脱模机上脱出试件。 5 测定粉煤灰沥青混合料试件的密度表干法 表干法适用于测定吸水率不大于2 的各种沥青混合料试件。测定的毛体积密 度适用于计算沥青混合料试件的空隙率、矿料间隙率等各项体积指标。 1 ) 仪具与材料 第二章粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能试验研究 a 电子称：感量为o 1 9 带有测量水中重的挂钩。 b 网篮。 c 溢流水箱：适用洁净水，有水位溢流装置，保持试件和网篮浸入水中后的水 位一定。 d 试件悬吊装置：天平下方悬吊网篮及试件的装置，吊线应采用不吸水的细尼 龙线，并有足够的长度。 c 秒表。 f 毛巾 2 ) 方法与步骤 a 电子称，最大称量应不小于试件质量的1 巧倍，且不大于试件质量的5 倍。 b 除去试件表面的浮粒，称取干燥试件的空中质量( m 。) ，根据选择的天平的感 量读数，准确至o 1 9 。 c 挂上网篮，浸入溢流水箱中，调节水位，将天平调平、复零，把试件置于网 篮中( 注意不要晃动水) 浸水中约3 m i n 5 m i n ，称取水中质量( m 0 。 d 从水中取出试件，用洁净柔软的拧干湿毛巾轻轻擦去试件的表面水( 不得吸 走空隙内的水) ，称取试件的表干质量( m f ) 。 3 ) 计算 a 试件的毛体积相对密度和毛体积密度，取3 位小数，式( 2 2 ) 和( 2 3 ) ： ，：坠一 ( 2 2 ) m ，一m - p ，= 竺l “ g 3 ) m f m ” 式中：，一用表干法测定的试件毛体积相对密度，无量纲； 办用表干法测定的试件毛体积密度，； 几一常温水的密度，4 l ， b 试件的空隙率计算，取1 位小数，式如下： 。： 一生 。1 0 0 ( 2 4 ) l 式中：w 试件的空隙率，； ，一计算试件的理论最大相对密度，取3 位小数； 一用表干法测定的试件毛体积相对密度，取3 位小数。 c 计算试件的理论最大相对密度，取3 位小数。 ( d 已知试件的油石比，试件的理论最大相对密度按下式计算。 第二章粉煤灰沥青混合料的物理和力学性能试验研究 以：丁毒坠 ( 2 5 ) “墨+ 墨+ + 墨+ 墨 7 ly | y 7 式中：以一计算理论相对密度，无量纲； p 卜油石比，； ，沥青的相对密度( 2 5 ，2 5 ) ； p l p 厂各种矿料占矿料总质量的百分率，； 九一各种矿料对水的相对密度。对粗集料，宜采用与沥青混合料同一 种相对密度，即混合料采用表干法测定的毛体积相对密度时，粗集料也采用毛体 积相对密度；对细集料( 砂、石屑) 和矿粉均采用表观相对密度。 当掺加粉煤灰时，已知试件的油石比，试件的理论最大相对密度可按下式计 算。 以= 曩墨等鳖盎 6 ) “量+ 曼+ + 曼+ 坚塑墨! 塑+ 墨 y ty |y y i y 式中：一一计算理论相对密度，无量纲； p i | 一油石比，； 九一沥青的相对密度( 2 5 ，2 5 ) ； p l p 0 一各种矿料占矿料总质量的百分率，； q 一粉煤灰掺量，； 以一粉煤灰的相对密度； 以一各种矿料对水的相对密度。对粗集料，宜采用与沥青混合料同一 种相对密度，即混合料采用表干法测定的毛体积相对密度时，粗集料也采用毛体 积相对密度；对细集料( 眇、石屑) 和矿粉均采用表观相对