（材料学专业论文）砂岩在沥青路面表层中的应用评价.pdf

摘要 目前，在沥青路面表层材料的选择上有一种过分迷信玄武岩的倾向，认为表 面层非玄武岩不能使用，当地没有就去外地买，这样就会造成优质集料的减少， 并且把当地好质量的集料仅用于路面的中、下层而造成好质量集料的浪费。 论文以重庆一长沙高速公路沥青路面表层材料研究为依托，对渝沙路沿线岩 石分布种类和数量、岩石形成的时期、所处地质层和岩石的主要矿物组成和化学 成分的调查和分析，最后选择了砂岩作为主要的实验材料。选择了石灰岩、花岗 岩和玄武岩与砂岩的物理力学性质进行对比分析，采用s u p e r p a v e 体积设计方法对 进行级配设计和混合料设计，最后研究添加固体抗剥落剂、液体抗剥落剂、消石 灰和不加抗剥落剂的砂岩沥青混合料的短期和长期的路用性能及在重庆地区选择 砂岩作为沥青路面表层材料带来的经济效益。 通过试验研究表明，砂岩的物理力学性质符合沥青路面施工规范对集料性能 的要求。比较加抗剥落剂和不加抗剥落剂的砂岩沥青混合料的短期和长期的路用 性能，加消石灰的沥青混合料的短期路用性能较好，而加固体抗剥落剂的沥青混 合料的长期路用性能较好。比较使用砂岩和玄武岩作为沥青路面表层材料的经济 费用可知，使用砂岩的费用仅为使用玄武岩的2 5 。 关键词：砂岩物理力学性质抗剥落剂 路用性能经济效益 a b s i r a c r a tp l 姗t 1 1 e r e1 l a v eai n c l i n et o 韶幽o n eo n l e c m 删a l 勰a s p h a l tp a v e m e m 锄r f h m a l e r i a i m o 吼p p l et h i i l i 【t h a t 伽d yb 勰a l t 啪船唧h a hp a v 锄e m 锄响c e m a t e r i a l ，t h e y 啪u 即m u c hm o r l e yb u y 鲫n d s t o n ef h m n0 t h 盯p i a ，i nt h i sw a y ，l l i g h q u a l 时m a t 耐a l i s m o 他柚d m o i 斌a i l d u n 砒i v e g o o d m a t e r i a l 私m i d d l e 1 e v e ia n d u n d e r l a y b r i n gw 勰t eo f 霉d o dm 砒e r i a l 1 1 i i s 州c l eu 舱i e t mo f c h o n g q i n g c h a i l g s l l ah i g l l w a y 船肌p p o n ，r e s 铭r c ht h e 唧h a l tp a v e m e l i t 乱吨m 砒甜a l 他s e a f c hd i s t 曲u t i l l gl 【i n d 、q u a n t 时、f o n nt i m e 孤dl o c a l i t yg e o l0 _ g i co f r o 出锄母s i st h em a i l l l ym i n e r a l m p o 锄d c h y m i 毗f ) ， e l e m e m ，砒l a s t ，l e c ts 锄d 砒o i 璩勰姗i 1 1 砒i m a t 甜a 1 a t 姗e6 m e c o m m s t 锄d a l l a l y s i s 鲫咀s t 咄、g 聊m e 、l i m e s t o a n db 硒a l t sp h y s i c s 觚dm h a i i i c sc h 撇c t e f u s u p e 叩a v ev o l u m ed e s 咖w a y ，d e s i g nm a t 舒“c o n s t i h l t e 肌db l e n d i n g c o i l s t 劬e f i 舱“y r e s 黜hs h o n - t e 加a n di o n g - t 锄p e r f o i m 锄c eo f 印p e n d i i d 、 l i q u i d 嘲i s t n a k e a w a y 、l i m e a n d 化s i s t n a l 【e a 啪y ss 柚d 懿。舱a c ，a n d u 辩 s a n d s t o n ec 柚b r i i l ge c o n o i n yb 蚰e 丘t t l l em 姒l ti n d i c a t e s 锄d s t o 鹏sp h y s i a i l dm e c l i a n i c sc h m c t 盯a l l c o r dc 血c f i r e q u 沁c o m p a 他s h o 吨t 黜孤dl o n g - t 锄p 晌咖a n o f h a v ea n d s i s tn a l 【e a w a ya c ，l i m ea c l l a v eg ds l l o r t t 咖p e r f o 加诅n c e ，a n ds o l i dr e s i s tn a l 【ea w a ya c l l a v eg o o dl o n g t e 咖p 硎b m a n c e u 鼢n d s t o 勰a c 鲫髓m a t e i 词c 觚鼢v i n g3 ，5 c o m r ；l s ta sb a s a l t k e y w o r 由：啪d s t o 舱p h y s i c s 锄dm e c l l a m c sc l i a 船c 嘲s i 髓n a l a w a y p 曲m 锄c e i np a v e m e m o 玎呵b e m 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：& 呷毒乏 日期：岬年￥月哆日 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 人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。 指导教师签名：，虱连竹1 日期：n 铲牛月f1 日 敏 日 6 q ， 翎 肌 名 己 戳 v 作f = ， 姗 叩 论 q 位 期 挚 臣 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的提出及研究意义 高速公路的发展水平是一个国家经济实力和经济发展水平的重要标志之一， 也是一个国家经济发展活力的重要标志。随着社会经济的发展我国高速公路也得 到了蓬勃发展，近二十年来，我国的公路建设发展迅猛，为加快地区问客货运和 信息交流作出了巨大的贡献。同时，作为关系国家经济和国防建设的重要基础设 施之一，高速公路的发展打破了传统的运输格局，使得道路运输在综合运输中的 地位和作用发生了转折性的变化。 世界各国的道路已经过数百年乃至上千年的建设，特别是高速公路的建设， 受到世界各国的高度重视。但随着高速公路里程的增加，高速公路路面表层的材 料数量需求越来越大，可以用于高速公路路面表层的优质材料也就越来越少。1 9 8 3 年1 0 月在澳大利亚悉尼召开的的第1 7 届世界道路会议上【1 1 ，柔性道路技术委员会 的报告指出：鉴于全面的经济衰退及高质量集料料源的逐渐减少，特别强调可用 集料的最佳利用问题。因此在合理利用好现有优质集料的同时还应尽可能的开发 和寻找新的集料产品来补充现有材料的逐渐短缺。 重庆地区缺乏类似于玄武岩这样的硬质石料，但盛产砂岩和石灰岩，此外还 有少部分的花岗岩。重庆的花岗岩集料多是长江里面的卵石破碎而成的，主要成 分是花岗岩的混合石料。在重庆已建的高速公路上，有运用花岗岩作为沥青路面 表层材料的工程案例，但是还没有一条高速公路应用砂岩和石灰岩作为沥青路面 表层材料，一般都用于底面层和中面层。面层材料主要用玄武岩和花岗岩，而玄 武岩要从外地购买，运费成本较高，花岗岩虽可取自长江，但是随着三峡大坝蓄 水水位的提高，分布有卵石的大部分河滩将会被水淹没而无法取出，那么现在常 用的沥青路面表层的石料就越来越少了。因此在重庆范围内寻找新的石料来替代 玄武岩和花岗岩作为高速公路沥青路面表层材料也就成了高速公路沥青路面表层 集料研究的一个方向。 论文以重庆市交委项目：。渝沙路沥青路面抗滑表层材料研究”为依托，通过 对渝沙路沿线岩石分布、岩石形成的时期、所处地质层和岩石的主要矿物组成和 化学成分的调查和分析，最后选择了武隆产的砂岩作为主要的实验材料，通过对 砂岩集料的性质和砂岩沥青混合料的路用性能研究，评价重庆地区的砂岩是否可 以用于沥青路面表层 在己建的高速公路中【2 】，丹东一北京一拉萨高速公路在宁夏境内的一段石一中 高速公路的抗滑表层就是使用宁夏当地的砂岩作为表层材料，经过对集料力学性 能和砂岩沥青混合料路用性能的研究，满足各方面的性能要求。 第一章绪论 2 1 2 集料的物理力学性质与要求 集料在沥青混合料的总质量中占了约9 5 比例，因此，粗集料和细集料的性 能的好坏对沥青混合料路面的性能相当重要，对沥青路面的强度、耐久性、抗滑 性、抗变形和整体性等使用性能有重要影响，特别是沥青路面表面层需要直接承 受汽车荷载，环境条件也更为严酷，因此需要使用比中、下面层更好的集料。作 为路面表层的材料必须具有足够的强度、韧性，要耐磨、抗滑、耐腐蚀( 风化) ，f 具有足够的强度是指集料能够承受较大的荷载而不被破坏。作为路面表层材料还 必须要有较好的耐磨性能，才能保证路面具有好的抗滑性能，保证行车的安全性。 因此，集料的力学性质对沥青路面的使用性能有举足轻重的作用。 在国内外的相关技术规范中，对沥青路面面层所采用的集料，均未对其岩性 ( 石灰岩、花岗岩、玄武岩等等) 进行规定，仅要求采用的材料必须达到规定的 各项要求。也就是说，只要材料的各项要求能达到规定的技术指标，那么该材料 即可用于沥青路面的表层。调查结果发现，在国外有把石灰岩用于沥青路面表层 的，国外则对集料进行选择时，首先不是看集料属于那种岩性，而是看这种集料 的各项指标是否达到规定指标，符合指标规定就可以用作沥青路面表层材料。另 外，有的国家在实际应用过程中根据实际情况来要求集料所应该达到的技术指标， 比如澳大利亚就根据不同的交通量对不同的岩石规定不同的洛杉矶磨耗值。而在 国内对集料对选择时，在研究集料的力学性能之前首先看集料的岩性，如果是石 灰岩、砂岩这种在大家经验中力学性能稍差的集料，则根本就不会去考虑对它对 使用( 尽管我们在对石灰岩和砂岩进行试验后得知，其力学性能都符合规范规定闭 要求，而且石灰岩与沥青的粘附性比玄武岩与沥青的粘附性好) ，在修筑沥青路面 表层时首先选择的就是玄武岩，其次是花岗岩，这样从集料的选择上来说，更能 保证路面表层的路用性能。 在对集料试验方法上，每个国家的侧重点又有不同，在我国公路沥青路面 施工技术规范【4 】中关于对集料的技术要求包括：集料的压碎值、磨光值、磨耗值、 坚固性、吸水率、针片状含量和与沥青的粘附性等，而这些标准都是针对每个集 料而言的，选用的集料必须首先符合这些要求。美国s u p e r p a v e 规范对集料的认同 特性包括【5 l ：粗集料棱角性、细集料的棱角性、扁平与细长颗粒以及粘土含量。 这些集料认同特性的标准建立在交通量水平和路面结构层位置的基础上。靠近路 面受荷载作用较大的层位需要具有更严格的认同特性的集料，这些标准不是针对 单个集料组成成分，而是对于整个混合料物而言，如果针对单一集料，就可能引 起混合料不合要求。此外，美国s u p e r p a v e 规范把与力学性质有关集料特性列为料 源性指标，认为不同地方的产品有不同的性质。 第一章绪论 3 1 3 国内外研究现状 1 ) 国外关于集料物理力学性质的研究与使用现状 近年来，国外不太注重集料技术特性的研究，在规范规定的技术指标中，加 工性指标具有双重作用。首先它是针对采石场生产的每一个集料规格的产品的， 用以检验集料是否合格，达不到要求的就是不合格品。但对工程单位来说可理解 是对工程所使用的集料混合料而言的。美国s u p e f p a v e 也规定“集料标准不是针对 个别集料而是针对集料混合料的”。只要综合的指标合格，也容许在工程上使用。 因为对针片状颗粒含量、砂当量等指标，有的集料规格难以达到要求，有的则容 易符合要求，工程上允许采用按实际比例配制的集料混合料评价这些指标是否合 格。 在1 9 7 9 年的维也纳第十七届道路会议【6 1 上，专家们发表并提出了新的关于集 料试验的建议，发表的集料试验建议包括：通过筛分的粒径分析、洛杉矶试验、 砂当量试验、加速磨光试验、通过o 0 7 5 m m 筛孔的细粒含量的测定、比重的测定、 集料形状测定( 形状因素和扁平系数) 和冰冻敏感性。提出的集料试验新建议包 括：集料鉴定参数、砂流动系数的确定、集料抗磨耗、亚甲基兰试验、压实的填 料空隙的确定、填料对结合料的环一球法软化点的影响预测、水对结合料一集料 混合料的影响和临界集料。同时对用于道路材料的集料的岩石性质的鉴定包括： 矿物的成分、风化程度、结构、比重、空隙率和安定性，说明国外对集料物理力 学性质的研究不再注重于集料的力学性能，而是注重于集料的体积特性，这些体 积特性都与混合料的使用性能有密切的关系。 近年来的研究主要着重于混合料的体积特性。美国在1 9 8 7 年1 9 9 3 年开展了 著名的“公路战略研究计划( s 加心) ”【7 】，开展研究之初建立了一个集料基准实验 室，收集了最常用于沥青的，代表了不同地区、不同岩性的1 1 种集料，包括2 种 石灰岩、2 种花岗岩、1 种钙质砂岩、1 种杂砂岩和4 种砾石。其中的沥青研究项 目在集料本身技术特性方面也没有进行全面的研究，只是在总结已有研究成果的 基础上，对集料的吸油性、粘附性等方面进行了有限的研究。最终给出的技术规 范把要求的技术指标分为了“统一性”和“料源性”两种指标，其中统一性指标 只有四项：粗集料棱角性、细集料棱角性，扁平细长颗粒、粘土含量，实际上这 几项指标都只与集料的体积特性有关，并未涉及集料的矿物与力学特性。洛杉矶 磨耗、安定性、有害物质等与矿物、力学性质有关的重要指标则仅作为料源性指 标采用。而在我国规范中处于重要地位的磨耗值、压碎值，特别是广受关注的磨 光值指标并未纳入规范体系，这符合目前关于集料使用的大趋势。 第一章绪论 4 在1 9 9 1 年的s 理5 0 9 报告p 】中对集料的化学的，矿物的和吸附作用的研究。 在i c a r 2 0 3 f 9 】报告中研究了集料的特性对沥青混合料性能的影响，包括集料的外形 特性与热拌混合料敏感性的关系并建立了一个混合料永久变性的塑性模型，采用 了集料成像系统( a d 订s ) 方法对集料的菱角性、形状和表面纹理进行了详细的测 量分析；另外，美国还在n c 加强中对集料的性质作了很多的研究，在n c 玎理4 0 5 报告【1 0 l 中研究了沥青混凝土的路用性能与集料的关系，报告中提出了一个综合的 研究方法，介绍了一系列试验方法来选择集料，保证沥青混合料路面具有好的路 用性能，同时，报告介绍了比较好是集料试验方法。报告中的试验方法等很快就 会引起材料工程师、研究者和其它关注沥青混合料路面性能和结构的人员的关注。 试验方法的选择对集料的性能研究是很重要的。现行的试验方法只是经验性的测 定集料的特性，不适当的集料选择方式会降低路面性能的设计期望值。在n c 冲4 1 9 报告中指出“集料测试关系至4 沥青混合科路面性能”，a u b u m 大学推荐了一 系列与江a 路面结构性能关于的集料试验方法。为了完成计划目标，研究者查阅 了重要的国内外文献，证明了集料的性能直接影响雌混合料的路面性能i l l ”】。 通过实验室调查表明，美国和其它国家的现用的试验方法中又有新的集料试验方 法来测定 m 从性能和集料性能的关系，并提出了一系列性能基础的集料试验方 法。试验证明，新提出的试验方法可以为热拌沥青混合料的集料进行评价和选择， 由此可以说明，集料的性质对沥青混合料的性能有至关重要的影响。 影响 m 认路面的永久变形、疲劳破坏和松散、坑槽有关的集料性能包括：粗 集料颗粒外形棱角性和表面纹理、细集料颗粒外形棱角性和表面纹理、细集料的 塑性指数、刚度和抗风化性、耐久性和坚固性及矿粉特性。 在德国应用最多的是辉绿岩，很少使用玄武岩，认为玄武岩长期处在高温阳 光照射下，表面会出现斑点和裂纹，最终导致与沥青剥离。欧洲的集料标准中有 一个专门针对玄武岩的衄e n b 姗n d 试验饵n1 3 6 7 3 ，e n1 0 9 7 2 ) ，它是反映玄武岩自 身风化变质的试验方法，要求水煮后的质量损失l ，水煮后的冲击值损失增加 5 ，水煮后的洛杉矶磨耗损失增加8 。日本应用最多的是砂岩，美国有许 多地区只产花岗岩( 与我国南方一样) ，都在使用着( 掺消石灰) ，美国有的高速公路 的表面层也用石灰岩铺筑。 世界各国对集料级配给予了特别的关注，近年来发展较快的密实一骨架型结 构级配，就是当采用间断型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，由于 这种矿质混合料断去了中间尺寸粒径的集料，既有较多数量的粗集料可形成空间 骨架，同时又有相当数量的细集料可填充骨架的空隙，因此形成密实一骨架结构。 2 ) 国内关于集料物理力学性质的研究与使用现状 第一章绪论 5 现在还有一种倾向是过分迷信玄武岩，认为表面层非玄武岩不能使用，当地 没有就去外地买，对当地的石料如辉绿岩、安山岩、闪长岩、石灰岩等质量很好 的石料视而不见。更不必说花岗岩、砂岩等酸性岩石了，其实只要采取掺加消石 灰等技术措施，即使酸性石料在国外也是普遍应用的。而且玄武岩也未必都好， 有的吸水率很大，有许多孔隙，受热稳定性不好。近年来，磨光值符合要求的石 灰岩已经开始在我国用作高速公路的表面层，辉绿岩等使用就更多，这对充分利 用当地材料，降低造价是很重要的。因此在国内提倡对砂岩和玄武岩集料的研究 是很有必要的，特别是在缺乏玄武岩的地区( 比如重庆地区) 。 国内在对集料的技术性质【1 3 】进行研究时主要从物理性质、力学性质和化学性 质三个方面来进行评价。物理性质包括：物理常数( 表观密度、毛体积密度和有 效密度等) 、吸水性( 吸水率、饱水率等) 和耐候性( 耐冻性、坚固性等) ；力学 性质包括：集料的抗压强度、磨耗值、磨光值、冲击值和压碎值：化学性质主要 是集料与沥青的粘附性。在粗集料的质量指标中，我国特别重视压碎值，其实世 界上使用最多的是洛杉矶磨耗值，压碎值是以前英国标准b s8 1 2 中的老方法，在 欧洲新标准e n1 3 0 4 3 ：2 0 0 2 及英国b se n1 0 9 7 2 ：1 9 8 8 方法中，都已经取消了压 碎值，改为洛杉矶磨耗值及冲击值指标是值得注意的变化。冲击值的试验方法与 我国的有所不同。而集料的棱角性、细长颗粒、安定性和有害物质含量等指标也 逐渐受到重视，特别棱角性指标，因为关系到沥青混合料的抗高温变形能力已受 到特别关注。 集料和沥青的粘附性指标是我国特有的，在国外一般没有，只要求沥青混合 料满足水稳定性指标即可。所以粘附性仅仅是初选集料品种的参考性指标，不能 看得太重，更不要迷信，而且它很可能提供一种假象。例如只要一掺加抗剥落剂 就能使粘附性提高到5 级，但并不能说明使用中的水稳定性就好。 从国内对集料的使用现状来看，在选择高速公路表层材料时几乎都要求使用 质地较硬，力学性能较好的玄武岩和花岗岩，在路面表层的集料级配设计方面多 采用高性能沥青路面( s u p e r p a v e ) 、多碎石沥青混凝土( s a c ) 和沥青玛碲脂碎石混 合料( s m a ) 级配。密实一骨架型结构路面的空隙较小，可以减少水渗入中、下 面层，对于重庆这种高温多雨的气候环境来说，选择密实一骨架型结构是合理的， 这样更能保证作为路面表层的混合料的路用性能。 1 4 论文主要研究内容及预期目标 1 4 1 论文主要研究内容 l 、材料选择 第一章绪论 6 本课题选择的集料包括重庆市武隆县生产的砂岩和石灰岩，长江河滩卵石破 碎的花岗石以及四川峨嵋的玄武岩，沥青为s b s 改性沥青，另外采用了固体、液 体两种抗剥落剂和消石灰作为抗剥落剂。 2 、岩石的矿物组成分析 不同地质层、不同形成时期的砂岩有不同的矿物组成和化学成分，也就决定 了砂岩的不同力学性质。由于岩石的力学性质的不相同，其用途也不一样。论文 从砂岩的形成过程、矿物组成和化学成分来分析砂岩的性质，然后对本次试验的 砂岩进行矿物组成和化学成分分析。 3 、岩石的物理力学特性试验研究 选用砂岩作为路面表层材料，必须先对砂岩的集料特性进行研究，包括技术 指标分为了“统一性”和“料源性”两种指标，其中“料源性”是可以通过调整 集料生产工艺及外界条件可以改变的，而“统一性”主要包括：磨耗值、压碎值、 冲击值、磨光值、坚固性和砂岩与沥青的粘附性，因此本次试验主要对集料的“统 一性”指标进行研究，并把砂岩与玄武岩、花岗岩和石灰岩的力学性质作比较， 分析砂岩相对于玄武岩、花岗岩和石灰岩力学特性的优缺点。 4 、沥青混合料组成设计 考虑到今年来国内外对沥青路面表面层综合路用性能，特别是抗高温变形性 能的重视，本研究通过比较沥青混合料马歇尔设计方法和s 叩e r p a v e 配合比设计 方法的优缺点，最后选择了s u p e r p a v e 配合比设计方法设计砂岩沥青混合料，按 照s u p e r p a v e 方法，先根据经验确定3 个集料级配，然后对这3 个级配采用旋转 压实法进行体积特性评价，从中选择一个最好的级配进行下一步确定最佳沥青用 量的工作。最后通过体积特性评价最大压实次数下的压实度验证以及水稳定性评 价。最终得到一个较好的级配来进行混合料试验研究。 5 、沥青混合料路用性能试验研究 沥青混合料路用性能研究；包括集料与沥青的粘附性、混合料的抗水损害性 能、高温稳定性、耐磨耗性低温性能及混合料的抗松散性等；采用s u p e r p a v e 配合 比设计方法确定的最佳级配和油石比，用改性沥青及加抗剥落剂的沥青拌制混合 料，沥青混合料的水稳定性试验包括集料与沥青的粘附性和沥青混合料的水稳定 性。沥青混合料的水稳定性是对混合料进行短期老化和长期老化，用来模拟路面 的长期使用性能。 研究表明【1 4 j ：8 5 、8 天的长期老化的室内试验条件可以表征9 年路龄的沥青 混合料的老化程度。s 理成果m 0 0 7 拟定了8 5 、5 天的长期老化试验条件， 以评价6 9 年野外沥青路面沥青混合料的老化程度，目前国内的高速公路设计年 限为1 5 年，在室内对混合料在8 5 条件下老化i o 天可以评价野外沥青路面沥青 第一章绪论 7 混合料1 2 一1 8 年的老化程度，符合设计年限1 5 年的期限，能更好的评价用于沥 青路面的沥青混合料的长期性能。短期老化是在1 5 5 的高温下老化2 小时，其中 老化温度是按沥青的粘温曲线确定的压实温度，长期老化的老化时间分别为5 天 和1 0 天，温度为8 5 ，最后进行马歇尔常规稳定度试验、浸水马歇尔试验和冻融 劈裂试验。高温稳定性采用在6 0 条件下的车辙试验来评价，低温性能用低温弯 曲试验来评价，路面抗滑性能用构造深度和摩擦系数来评价。 6 、经济技术分析 根据试验研究结果，分析砂岩用于沥青路面表面层的技术优势和不足，并进 行成本费用分析比较。论文通过计算用砂岩和玄武岩铺1 平方米的高速公路沥青 路面表层的费用，分析用砂岩作为高速公路沥青路面表层材料的经济意义。 1 4 2 研究技术路线 在试验前根据试验需要完成的内容制定一个研究技术路线，这样就更清楚对 砂岩试验采用的试验方法及试验步骤，有利于试验的顺利进行。 第一章绪论 8 l 一集料主要是砂岩i l 材料选择l ls b s 改性沥青l 叫 抗剥落剂 l ，i 砂岩、玄武岩、石灰岩和花岗岩 集料力学性能试验l- l 的磨耗值、磨光值、冲击值、压 l碎值和坚固性试验 采用s 叩e f p a v e 方法对 砂岩进行级配设计 否 合规范要求一一 _ l 沥青混合料水稳定性l 是 l 沥青混合料的高温稳定性l 混合料路j丑性能试验i 6 6 的岩浆岩称为酸性岩；s i 0 2 的含量为5 3 6 6 的，为中性岩；s i 0 2 的含量为4 5 5 3 的，为基性岩；s i 0 2 4 5 的，为超基性岩。习惯上对s i 0 2 含量高者，称之为酸性程度高或酸度大也叫基性程度低；反之，对s i 0 2 含量低的 称为酸度小，亦可称基性程度高。 组成岩浆岩的矿物，常见的不过二十多种，这些构成岩石的矿物通称为造岩 矿物。常见岩浆岩中造岩矿物平均含量如下表所示。 第二章岩石的矿物组成1 4 表2 3 某些常见岩浆岩的矿物成分( 体积) 酽万花一者正长者花一冈长看月鼍者算长暑奠曩并 广， 石羹 箱一1 2l 一一 看 - 一 一 一 置长石q讫嵋l 一一 蔓长石 n 一一一一 中鼍看 _ _ 一 秘 “ 一 一 控长石 一 一 _ 云母5 20 5l 一 门右 i71 3l z ，一 石 - - - l 一 辩方算石 - 一i一 3 t 石一一一 75 t 羹，l0i22i t 繁rl l 一2 一 衣石t舷tt t量一一 栩石 量膏量 t 量tt 。 一 色车 1 6 l e撕3 5l o o 纯净的花岗石多呈肉红色、灰色和灰白色花岗岩一般为浅色，多为灰、灰白、 浅灰、红、肉红等。化学成分体积含量：s i 0 2 为2 5 ，正长石为4 0 ，f e 2 0 3 、f e o 、 m g o 一般 花岗岩，花岗岩和玄武岩几乎相等，随着 磨耗转数的增加，每种集料的磨光值与磨耗次数几乎是成线性增长的，当磨耗转 数达到l l o o 转时，石灰岩的磨耗值为4 7 5 ，砂岩的磨耗值为2 8 9 ，花岗岩的 磨耗值为1 9 2 6 ，玄武岩的磨耗值为2 0 3 7 。 图3 一l 中石灰岩的磨耗曲线斜率最大，显示出石灰岩耐磨耗性比较差，且磨 耗损失速率快。砂岩的磨耗曲线斜率显然比玄武岩和花岗岩都大，但是差异不显 著，表明砂岩也是一种较耐磨的集料。 第三章集料的物理力学性质试验研究l 矗 3 2 集料的抗冲击性能 粗集料冲击值试验用以测定路面用粗集料抗冲击的性能，以击碎后小于 2 3 6 m m 部分的质量百分率表示。车辆在行驶过程中，除了与路面有磨耗之外，还 对路面有冲击力的作用，车辆给路面的力直接与道路面层接触，然后通过面层向 中面层、下面层及基层传递，而面层所受的力主要由面层中的粗集料来承受，因 此，集料的抗冲击能力的强弱可以决定路面的服务能力和使用年限。冲击值按照 公路工程集料试验规程中的t 0 3 2 2 2 0 0 0 试验方法测定，本试验在规程规定的 冲击次数的基础上，增加试验冲击次数，试验次数分别为1 5 次、2 0 次、2 5 次和 3 0 次，通过增加对材料的冲击次数来评价材料抵抗外界冲击的能力。 通过试验得出集料的冲击值随冲击次数增加的变化和数据拟合曲线规律见表 3 - 2 和图3 - 2 。 表3 - 2 四种集料冲击值数据结果 玄武岩冲击花岗岩冲击砂岩冲击值石灰岩冲击规范规定冲 次数( 次) 值( )值( ) ( ) 值( )击值( ) 1 55 47 5 1 0 o 1 3 22 8 2 07 61 0 31 3 6 1 7 8 | 2 51 0 51 2 71 6 52 0 8| 3 01 2 31 5 31 9 3 2 43 | 图3 2 冲击值变化曲线 第三章集料的物理力学性质试验研究1 9 从1 5 次冲击次数到3 0 次冲击次数的冲击值来看，冲击值增长大小为石灰岩 砂岩 花岗岩 玄武岩。四种岩石在经过1 5 次的冲击后，冲击值都符合规范要求 不大于2 8 ，在经过3 0 次冲击后，石灰岩的冲击值2 4 2 7 ，砂岩的冲击值为1 9 j 3 ，花岗岩的冲击值为1 5 3 2 ，玄武岩的冲击值为1 2 3 l ，都也没有超过2 8 。 从曲线趋势来看，几条曲线几乎平行，表明四种集料耐冲击的规律接近。几条曲 线也基本星线性，集料的抗冲击能力将主要取决于初始抗冲击值。从试验数据看， 砂岩的冲击值虽然比玄武岩和花岗岩大，但是作为路面表层材料，砂岩也是一种 不错的集料。 3 3 集料的抗压碎性能 集料压碎值用于衡量石料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力，是衡量石料 力学性质的指标，以评定其在公路工程总的适用性。粗集料的抵抗破碎能力是石 料力学性质的一项指标，由于习惯的原因，尤其在我国特别重视。但是据调查几 乎所有的国家都采用洛杉矶磨耗值表示粗集料的抵抗破碎能力。压碎值指标源自 1 9 6 7 年英国b s 一8 1 2 的材料试验规程，原英联邦国家多采用压碎值和道瑞磨耗值 评价粗集料性质，美国、日本及欧洲其它国家大部分不用压碎值。在最近查到的 欧洲共同体及英国标准b se v 一1 0 9 7 2 ；1 9 9 8 石料的抗破碎指标中，已经没有了 压碎值指标，但是增加了洛杉矶磨耗试验中冲击值试验，冲击值试验方法与以前 的反映也有了不少改变。如果集料的压碎值太大，在外力的作用下容易被压碎而 产生车辙、表面集料飞散等路面破坏，特别是在超载的情况下最容易使集料颗粒 破碎，使路面结构发生变化，产生破坏。按照公路工程集料试验规程中 t 0 3 1 6 2 0 0 5 的试验要求在l o 分钟内荷载匀速加到4 0 0 k n ，为了更好的了解材料抵 抗外界荷载的能力，本试验进行了4 0 0 k n ，4 5 0 k n 、5 0 0 k n 、5 5 0 k n 和6 0 0 k n 共 5 个荷载的试验，按照每分钟增加4 0 k n 的速度匀速加载达到设定荷载。 按照工程试验方法得到的四种集料压碎值和压碎值数据分析结果见表3 3 和 图3 3 。 表3 - 3 四种集料压碎值数据结果 玄武岩压碎花岗岩压碎砂岩压碎值石灰岩压碎规范规定压 荷载0 0 n ) 值( )值( ) ( ) 值( )碎值( ) 4 0 0 1 1 11 2 91 6 8 1 9 22 6 o 4 5 0 1 3 1 1 3 9 1 8l 2 1 9， 5 0 01 4 31 6 41 8 92 4 2l 5 5 01 5 21 7 91 982 5 6， 6 0 0 1 7 2 1 9 3 2 0 5 2 6 4 | 第三章集料的物理力学性质试验研究 从表3 3 中可以看出，在荷载为4 0 0 k n 时四种集料的压碎值都小于2 6 ， 石灰岩的压碎值最大，在承受荷载达到6 0 时，石灰岩的压碎值达到了2 6 4 5 ，砂岩、花岗岩和玄武岩在荷载为6 0 口n 时都没有超过规范要求在4 0 0 k n 时的 压碎值2 6 。 图3 3 荷载与压碎值的关系 从几种集料随荷载增加压碎值及曲线变化趋势来看，花岗岩和玄武岩的压碎 值小但随荷载的增加曲线斜率增长得比较快，说明花岗岩和玄武岩强度高，但性 脆，在试验后期的压碎值变化也并未变缓。而石灰岩和砂岩的压碎值大但曲线变 化趋势越来越缓慢，表明石灰岩和花岗岩虽然强度低一些，但韧性大，抗压碎能 力强，试验后期压碎值曲线渐趋平缓。由此看出砂岩的抗压碎能力较强。 3 4 集料的坚固性 岩石在太阳辐射、大气、水和生物作用下会出现破碎、疏松及矿物成分发生 变化的现象。导致上述现象的作用称风化作用。风化作用包括：物理风化作用。 主要包括温度变化引起的岩石胀缩、岩石裂隙中水的冻结和盐类结晶引起的撑胀、 岩石因荷载解除引起的膨胀等。化学风化作用。主要包括水对岩石的溶解作用； 矿物吸收水分形成新的含水矿物，从而引起岩石膨胀崩解的水化作用；矿物与水 第三章集料的物理力学性质试验研究 2 l 反应分解为新矿物的水解作用；岩石因受空气或水中游离氧作用而致破坏的氧化 作用，可以用软化系数和冻融系数来表示集料抗风化能力的强弱。 坚固性试验方法是确定碎石或砾石经饱和硫酸钠溶液多次浸泡与烘干循环， 承受硫酸钠结晶压而不发生显著破坏或强度降低的性能，是测定石料坚固性能的 方法。由于路面石料长时间裸露在外，经受风、雪、雨、温度等对石料的反复作 用，而产生物理和化学反应，使得岩石产生风化，强度降低，减少了路面的使用 年限，因此坚固性试验也是模拟石料在自然风化和其它外界物理化学因素作用下 抵抗破裂的能力，集料坚固性的好坏直接决定集料的耐久。公路工程集料试验规 程中t 0 3 1 4 2 0 0 0 的试验方法对集料只进行5 次冻融循环，按照本试验的试验目 的再对集料进行了1 5 次反复冻融循环，每5 次测定一个坚固性质量损失率，由此 来评价集料抵抗外界环境作用的强弱。 按照试验规程中t d 3 1 4 - 2 0 0 0 的试验方法可以得出花岗岩、石灰岩、砂岩和玄 武岩在经过反复的2 0 次冻融循环后集料的质量损失率和数据拟合见表3 - 4 和图 3 4 。 表3 _ 4 四种集料坚固性试验数据结果 玄武岩质量花岗岩质量砂岩质量损石灰岩质量规范规定质量 循环次数 损失率( )损失率( )失率( )损失率( ) 损失率( ) 50 3 61 “1 7 71 1 61 2 l o2 7 33 9 28 _ 38 1 7| 1 53 1 25 “1 2 2 29 7 7| 2 03 7 47 6 9 1 4 2 9 1 2 7 9| 图3 4 坚固性试验数据拟合 第三章集料的物理力学性质试验研究 根据图3 4 利用一元线性回归得到的相关系数的平方都在o 9 2 以上。根据公 路沥青路面施工技术规范中对沥青混合料用粗集料质量技术要求可知，集料在 经过5 次反复冻融循环后集料损失率不得大于1 2 ，从图4 得知：石灰岩、砂岩 和花岗岩在经过5 次方法冻融混合后的损失率都小于2 ，在经过2 0 次冻融循环 后，花岗岩的质量损失率仅为7 6 9 ，石灰岩为1 2 7 9 ，砂岩在1 5 次冻融循环 后的质量损失率为1 2 2 2 。 岩石的抗风化能力可以用岩石的软化系数和冻融系数的好坏来表示，岩石的 软化性是指岩石在水的作用下，强度及稳定性降低的种性质。岩石的软化性主 要决定于岩石的矿物成分结构和构造特征。岩石的抗冻性试验是指在浸水条件 下，经过多次冻结与融化交替作用后测定试件的质量损失率以及单轴饱水抗压强 度的变化。岩石的抗冻性用两个直接指标表示，一个是冻融系数，另一个是质量 损失率。 软化系数用公式表示为：局= 芸芋 ( 3 - 1 ) a u 式中：k d 一岩石在风干状态下极限抗压强度； r w 一岩石在饱水状态下的极限抗压强度； r _ d 一软化系数，岩石软化性的指标，其值越小，表示岩石在水作用下的强度 和稳定性越差。 r 冻融系数的公式表达式为：k f = ； ( 3 - 2 ) t 岱 式中：k 广冻融系数； r f 一经若干次冻融试验后的试件饱水抗压强度( m p a ) ； l l s 一未经冻融试验的试件饱水抗压强度( m p a ) 。 m 一埘， 冻融后的质量损失率表达式： l = 三一上1 0 0 ( 3 3 ) 肼， 式中：l 一冻融后的质量损失率( ) ； m i 一试验前烘干试件的质量( g ) ； n i 广试验后烘干试件的质量。 在公路工程岩石试验规程中对岩石对抗冻性能好坏用三个指标来衡量1 8 1 ： ( 1 ) 冻融后强度变化；( 2 ) 质量损失；( 3 ) 外形变化。一般认为，抗冻系数大于 7 5 ，质量损失率小于2 时，为抗冻性好的岩石。未受风化作用的岩浆岩和某些 变质岩，软化系数大都接近于1 ，是弱软化的岩石，其抗水、抗风化和抗冻性强； 软化系数小于0 7 5 的岩石，认为是强软化的岩石。工作性质比较差。通过对岩石 第三章集料的物理力学性质试验研究 冻融系数及冻融后的质量损失，可以衡量岩石的抗分化能力，判断岩石是否可以 用于沥青路面表层 通过测定砂岩在干燥状态、饱水状态、1 5 次和2 5 次冻融循环后的抗压强度和 质量损失率见表3 5 和表3 - 6 。 衰3 - 5 砂岩各状态下的抗压强度 烘干状态压强饱和状态压强冻融循环1 5 次后冻融循环2 5 次后 ( m p )( 呼)压强( m p )压强( m p ) 1 1 7 21 1 0 41 0 3 61 0 1 3 表h 砂岩各状态下的软化、冻融系数及质量损失率 软化1 5 次的冻2 5 次的冻1 5 次冻融质量1 5 次冻融质量 系数融系数融系数损失率( )损失率( ) 砂岩 o 9 49 49 20 20 3 6 规范规定 0 7 5 7 5电 从以上数据可以看出，砂岩在坚固性试验中的质量损失及在干燥、饱和及冻 融循环后的抗压强度都比较高，软化系数、冻融系数及质量损失率都符合坚硬岩 石的要求，因此，砂岩的抗风化能力是很强的，可以作为沥青路面表层材料。 3 5 集料的耐磨光性能 集料磨光值是利用加速磨光机磨光集料，用摆式摩擦系数仪测定的集料经磨 光后的摩擦系数值，用p s v 表示。集料磨光值是关系到一种集料能否用于沥青路 面抗滑磨耗层的重要决定性指标，所以在工程上选取集料品种时应对此特别重视， 为此，交通部又列了专题。高速公路沥青路面抗滑技术标准”，对原磨光值试验方 法及摆式摩擦系数试验仪使用中反映的一些问题进行了深入的研究，使磨光的试 验条件与实际环境更加接近，因此对集料进行磨光值试验是非常必要的。作为沥 青路面面层的集料长期受到车轮的碾压和磨耗，时间长了就会把集料表面裹附的 沥青层磨掉而露出集料来，这时路面的抗滑性能就靠集料提供的摩擦力来维持， 集料的耐摩擦性好坏可以用集料的磨光值来表征，集料的磨光值越大说明集料越 不容易被磨光，其抗滑性能就越好。本实验方法采用公路工程集料试验规程 中t 0 3 2 1 2 0 0 5 的试验方法用粗砂和细砂对集料进行3 次循环反复磨光，并测定每 次循环磨光后的磨光值。 四种集料经过3 次循环磨光后的磨光值和磨光值数据拟合见表3 7 和图3 - 5 。 第三章集料的物理力学性质试验研究 2 4 表3 7 四种集料磨光值数据结果 循环次数砂岩玄武岩石灰岩花岗岩规范规定 l5 1 3 6 8 75 0 85 2 94 2 2 4 9 1“34 7 55 0 2| 34 7 16 1 84 5 1 4 8 7 | 图3 - 5 转数与磨光值的关系 试验按照试验规程的试验方法对集料进行3 次反复磨光后的磨光值分别为， 砂岩4 7 1 ，石灰岩4 5 1 ，花岗岩4 8 7 ，玄武岩6 1 8 。从曲线下降的趋势看，玄武 岩 石灰岩 花岗岩= 砂岩，说明随着磨光转数的增加，玄武岩的磨光值减小得最 快，砂岩和花岗岩的磨光值减小得最慢，长期耐磨光性能更好。 现行的规范中对用于高等级公路的集料在分别用粗砂和细砂经约3 个小时的 磨光后的磨光值在潮湿地区要求不小于4 2 ，在其他地区对集料磨光值要求更小， 而试验所选集料在进行了3 次粗砂和细砂循环的加强磨光后的磨光值都大于4 5 ， 说明四种集料都可用于沥青路面抗滑表层。 用以上的一元线形回归方程可以计算出每种岩石在磨耗值为2 8 ，磨光值为 4 2 ，冲击值2 8 ，压碎值2 6 和坚同性1 2 时所经过的试验次数、荷载及循环次 数：见表3 8 衰3 8 达到规范要求值时规定试验次数与实际需要试验次数比较 石料磨光值( 循环)磨耗值( 转)冲击值( 次)压碎值( k n )坚固性( 循环) 玄武岩 8 6 51 3 0 0 5 69 l o5 8 花岗岩 6 11 6 0 05 57 9 63 l 砂岩 5 4l l o o“8 9 31 8 石灰岩 47 0 03 55 7 01 8 规范规定l 5 0 01 54 0 05 第三章集料的物理力学性质试验研究 从表3 8 可知，砂岩的磨光值在经过5 4 个循环后磨光值为最小值4 2 ，磨耗次 数为1 1 0 0 转时磨耗值为2 8 ，冲击次数为4 4 次时的冲击值为2 8 ，荷载为8 9 3 k n 时的压碎值为2 6 ，在经过1 8 个循环后的坚固性为1 2 。综合以上试验结果可 以得出结论：就集料的力学性能而言，所选用的花岗岩、砂岩、石灰岩和砂岩的 力学性能都符合高速公路路面表层沥青混合料用粗集料质量技术要求，其中砂岩 的各项力学特性与花岗岩接近，是一种优良的沥青路面表层用集料。 本章通过对玄武岩、砂岩、花岗岩和石灰岩的力学性能进行分析，试验表明 砂岩的耐磨耗性能好，抗冲击和压碎能力强，具有良好的抗风化能力和耐磨光性 能，属于质地坚硬的岩石，强度高，力学性能好的集料。砂岩的沥青混合料可以 用与沥青路面表层。 第四章沥青混合料组成设计 第4 章沥青混合料组成设计 路面在荷载与自然因素长期作用下，结构的使用性能在不断的变化，就总体 而言是个衰减过程。为了保证路面的使用年限和高速公路在高速、安全、经济和 舒适四个方面的功能要求，在路面结构设计时就要考虑到设计路面的高温稳定性、 低温抗裂性、抗滑性能、抗水损害能力、有足够的强度、刚度及气候稳定性。沥 青混合料配合比设计包括：实验室配合比设计、生成配合比设计和试拌试铺配合 比设计丧阶段。实验室配合比设计主要根据设计要求按照规范提供的级配范围确 定集料级配组成，通过沥青用量和各体积参数间的关系和气候、交通特性等因素 综合确定最佳沥青用量。论文通过分析对比马歇尔设计方法和s u p e r p a v e 设计方 法的优缺点，为了获得较好的路用性能，最后选择s u p 唧a v e 混合料配合比设计 方法确定一个最佳级配来进行混