青海省高等级公路沥青面层集料加工工艺的研究

1、 项目编号： 江苏省交通科学研究股份有限公司 计划项目申 请 书项 目 名 称： 青海省高等级公路沥青面层集料加工工艺研 究 申 请 单 位 ： 江苏省交通科学研究院股份有限公司 项目负责人 ： 申 报 日 期 ： 二八年二月二十七日 归口管理部门： 江苏省交通科学研究院股份有限公司 二 O 一一年十一月一 立项的背景及目的（一）项目研究目的（一）项目研究目的近年来，随着“西部大开发”的部署和实施，青海省基础设施建设的投入越来越大，尤其是公路建设迎来了难得的发展机遇。“十一五”期间，青海省新增公路通车里程 1.7 万多公里，到 2010 年底，全省公路通车总里程达到 6.2 万公里以上，其中，高速和一级公路由“十五”末期的 315 公里增加到 443 公里，二级公路更是增加了 1720 公里，总里程达到 5351 公里。国家“十二五”规划表明，青海将进一步加大公路建设的力度，提高公路等级，打通青海与四川、新疆、西藏的高速公路通道，力争使公路通车里程突破 7 万公里，高等级公路突破 9000 公里。随着青海省公路建设力度的加大，公路等级的提高，公路行业对沥青面层所用集料的需求量不断加大，

2、对集料质量要求也越来越高。在今后五年大规模的公路建设中，仅高等级公路沥青面层使用集料的年需求量 500 万吨以上。如此大规模的集料需求量，青海省现有的集料加工规模和集料加工质量，能否满足高速发展的公路建设的需求，值得我们关注。在沥青路面中，集料占混合料质量的 95%左右，集料在混合料中起到一个整体作用来抵抗路面的变形，这一点已取得国内外道路界的一致认同。自从沥青路面问世以来，人们就高度重视材料的质量，对集料建立了质量标准以及相应的测试方法和规程。近年来，国内道路行业对集料的品质及其重视，许多省份如江苏、重庆、浙江等省都制定了详细的集料准入制度，规定只有取得集料加工资质的供应商才能进行集料的加工和销售。另外，新材料、新结构的出现，必将带来施工工艺的发展和变化，这些变化也会对集料加工设备和质量要求提出新的挑战，为提高集料的加工质量，国内一些省份对集料加工场的设备和加工工艺及后场管理都提出了较高的要求，且还在不断地改进和完善。青海省深居内陆腹地，集料资源丰富，石灰岩、砂岩、花岗岩以及片麻岩储量非常大，分布也极其广泛。面层集料生产虽然总量基本能够满足日益增长的公路建设的需求，但是也存在本地优质

3、集料产量少，分布不均，如外地供应则增大了经济成本，导致青海省一些地区出现了优质集料供应紧张、集料质量控制不严的问题；同时，由于地域广阔、运距较远的原因，一些公路建设项目不得不使用强度较低、粘附性较差的集料；且随着公路建设高峰的持续推进，集料的供求此消彼涨的趋势愈演愈烈，一方面，这种现状造成了集料供应不足，供应商顺势抬升集料的价格，增加了公路工程的造价；另一方面造成局部地区公路建设供料困难，影响公路建设的质量与进度。因此，研究集料的品质，优化集料的加工工艺，选择性能优良的集料已成目前青海省高等级公路建设的当务之急。本课题在对国内外沥青面层所用集料加工现状调研的基础上，将对青海省各地区尤其是海西、玉树地区的集料资源进行大量调研，借助室内试验，引进国内外先进技术，分析石灰岩、玄武岩、砂岩、花岗岩、白云岩、片麻岩等材料的适用性，且在室内试验和调研数据的基础上，从集料的化学物理特性、生产工艺、加工设备、振动筛的筛网设置、以及集料加工场的管理控制等方面试图找出解决路面集料针片状含量较大、与沥青粘附性较差、规格不稳定、细集料水洗法0.075mm 含量超标、砂当量不合格等问题的办法，另外，通过引进高温

4、压碎值、棱角性、安定性、有害物质含量等技术指标，加强集料的控制力度，提高集料品质，从而选择适合青海省的实际情况的沥青路面施工材料，缓解青海省公路建设中的集料供应紧张、质量控制不严、价格波动较大的压力。二 研究方案及技术路线青海省公路建设近年来取得了丰硕的成果，为了选择优质集料，提高沥青路面施工质量，本课题将研究产于青海当地的石灰岩、玄武岩、砂岩、花岗岩、白云岩、片麻岩等集料在青海省沥青路面建设中的适用性、并拟在现行部颁公路沥青路面施工技术规范 （JTG F40-2004）的基础上，总结青海省公路建设的成功经验，充分借鉴国内外沥青路面集料加工上的成功经验，结合青海省独特的地域特色，对部颁规范中沥青路面使用集料的技术指标进行适当补充和细化，并将研究成果用于指导青海公路沥青路面集料加工行业。另外，通过对集料加工设备及加工工艺的研究，提出适合青海本地的集料加工要求及集料加工场的管理制度。沥青路面质量的好坏及使用耐久性与集料的化学成分、强度、棱角性、吸水率等性能有着密切的联系。例如，试验研究与工程实践表明，棱角性强的近似立方体的高强度集料在生产、运输过程中不易被压碎和磨损；在沥青路面的生产和施工

5、中，集料的级配比较稳定，易于控制，有利于路面的使用性和耐久性。同时，集料的形状及与沥青的粘附性等性质影响沥青混合料的抗水稳定性及高温稳定性、低温抗裂性。然而，部颁国家规范对集料指标的要求是针对全国范围的，有些指标定的要求过低。青海省一些经验和实体工程也出现了某些指标满足国家规范但铺到路上仍然出现问题，某些指标不满足国家规范，但因集料匮乏而不得不用。如某些集料满足了部颁规范压碎值、磨光值、洛杉矶磨耗（C 类） 、软石含量的要求，但铺到路面上仍然出现了集料压碎、铺面有较多“白头”的问题；而有些集料的粘附性不满足部颁国家规范的要求，但是项目所在地无法找到性能更优的集料而不得不降低要求使用。针对这类问题，本课题将分析目前我国规范要求的指标对青海省沥青面层用集料的适用性，拟通过系统的理论分析和试验研究，对现行部颁规范的部分集料指标要求结合青海独特的地域特征进行适当调整和优化，即通过采取必要的措施或提高某些控制指标，使某些原本认为可使用的集料得以控制和改善，对于一些优质集料匮乏的地区，使某些原本认为不可使用的集料充分利用， “变废为宝” 。2.1 研究内容2.1.1 青海省干线公路集料加工现状调研

6、为了掌握青海省沥青面层使用集料的分布状况及加工现状，课题组将调研青海省各地区面层集料的分布和近几年重点建设项目的料场情况，对高等级公路沥青面层料场供应商的生产、经营状况进行调查，分析得出适合各地区的集料类型。主要调研内容包括：集料的岩性、规格、所产集料的技术指标、料场的生产流程和工艺等。（1）集料岩性的调研由于集料的化学物理性质对沥青混合料的性能有着极其复杂的影响，集料的几何特性和力学特性也是工程中关注最多的一个方面，但集料的化学特性对保证沥青与集料相互良好结合非常重要。集料的岩性作为集料的料源特性，影响集料的化学和物理性质，决定着集料的密度、吸水率和强度；路面抗滑耐磨的性能；以及集料与沥青的粘附性等等。华南理工大学道路工程研究所曾采用密度、吸水率具有较大差异的玄武岩、凝灰岩、花岗岩、辉长岩集料设计 AC-13 沥青混合料，并进行马歇尔试验。试验采用的集料的颗粒形态、表面纹理、强度差异不是很大，结果表明：集料种类不同，沥青混合料采用相同的沥青用量，混合料的体积指标差异很大。根据这些体积指标以及混合料空隙率、密度、马歇尔稳定度、VMA、流值等指标，得出凝灰岩 AC-13沥青混合料的最佳沥

7、青用量为 5.3 %，花岗岩 AC-13 沥青混合料的最佳沥青用量为4.8 % ,而辉长岩 AC-13 沥青混合料的最佳沥青用量只有 4.5 % 。出现这种结果的主要原因除了集料的表面形态特性不同以外，主要是集料的密度、吸水率不同，辉长岩非常致密，在三种岩石中密度最大、吸水率最小，因此采用该集料设计的混合料的最佳沥青用量最小。集料的密度越大，混合料的最佳沥青用量越小，而集料吸水率大，则集料吸油率也相应较大，沥青混合料的有效沥青用量相应减少。按我国公路行业标准公路工程集料试验规程 ，公路建设使用的集料及其技术性质分为 4 个等级，对不同矿物组成的岩石技术性质要求不同。而按路用集料要求的不同可分为 4 个岩类，具体如下：岩浆岩类：花岗岩 正长岩 玄武岩 安山岩、辉绿岩等；石灰岩类：石灰岩 白云岩 泥灰岩 凝灰岩等；砂岩和片岩类；石英岩 砂岩 片麻岩 石英片麻岩等。青海省分布有大量的石灰岩、砂岩、花岗岩、白云岩、片麻岩、石英岩、 闪长岩，而玄武岩、辉绿岩和凝灰岩相对较少，玄武岩在海东地区有一定的储量，但储量不大，辉绿岩和凝灰岩则在青海很少见到。如果能针对不同地区选择适合本地区的集料，而不是采

8、用“百家料” ，则可以使公路建设在不增加经济成本的基础上提高路面质量。课题组将通过对各地区集料岩性分布的调研，分析得出各种岩性的集料的适用性。（2）集料规格的调研相关研究表明，沥青混合料的高温抗车辙性能中，60依赖于矿料级配的嵌挤作用。美国 SHRP 研究也表明，沥青性能对路面抵抗车辙的贡献率仅为 29 %，对疲劳抵抗能力的贡献率为 52%。可见，集料的级配对沥青混合料性能影响有着极其重要的贡献。传统的沥青混合料级配设计理论有两个基本假设：一是假定基本颗粒为规则的球体；二是假定各分级颗粒粒径都相等。在该假设的基础上，常用的连续级配设计理论（AC 类就是采用连续级配设计理论） ，即堆积理论，是以混合料的最大密度为目的。另一种理论是间断级配理论，以魏矛斯的干涉理论为基础，前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒所填充，但应避免大小颗粒粒子之间的干涉。美国的 Robert DBailey 提出了另一种级配理论，由粗集料颗粒形成嵌锁，细颗粒填充空隙，细集料的捣实体积等于粗集料所构成的空隙体积。中国张肖宁等人在 20 世纪 90 年代初期提出了体积法设计理论，其设计思路是实测主骨架矿料的空隙率，计算其

9、空隙体积，使细集料体积、沥青体积和混合料设计空隙体积的总和等于主骨架的空隙体积，既要保证骨料的充分嵌挤，又要使沥青胶浆充分填充主骨架间隙。可见，不论哪一种级配理论，本质上都是体积关系的设计，而非质量关系。但是附加另外一个假设条件，即采用同一种岩石破碎的各档集料(即集料密度相同)的前提下，确定的各档集料占有的体积百分率等于质量百分率。这两个基本假设告诉我们，所谓的级配设计理论都是建立在集料颗粒规则、确定的各档集料占有的体积百分率等于质量百分率这两个基础上。这就要求我们在沥青路面施工时，注重沥青混合料的级配必须建立在集料必须是规格的、接近于立方体形状；同一批用于生产沥青混合料的集料密度应基本相同，即料源相同。由以上分析可知，集料的规格直接影响着沥青混合料的级配，如果集料的规格不好，则沥青混合料的级配设计理论就无从谈起，所设计的沥青混合料的性能也是没有保证的。我们通常所说集料的规格是指集料的级配，其实集料的规格可以扩展为：集料料源的统一性和集料级配的稳定性两点。针对青海省一些料场还存在“百家料”和集料单粒径级配变异较大的问题。课题组将对青海省近几年重点建设的公路工程的面层集料加工场进行考察，检测其加工集料的规格，分析这些集料能否保证集料规格的稳定性，也为青海省公路建设行业提供数据参考。（3）集料技术指标的调研随着青海省公路建设的迅速发展，集料加工场的数量也在不断增加。而规范集料加工场的管理，提高集料的品质已成为目前青海省公路建设的当务之急。集料的品质是由集料的所有技术指标综合反映的，提高集料的技术指标就是提高集料的质量，也就是在一定程度提高公路建设的质量。课题组将对青海省近几年重点建设的公路工程的面层集料的各项技术指标进行调研，通过统计分析，得出青海省当前沥青面层集料的总体情况，为下一步集料技术指标的分析及研究提供数据支持。所调研的面层集料的技术指标包括：压碎值、洛杉

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