西部地区地方性材料在公路路面中的应用研究.docx
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西部地区地方性材料在公路路面中的应用研究
西部交通建设科技项目
合同号：
200131822341
西部地区地方性材料在公路路面中的应用研究
研究报告简本
交通部公路科学研究所
同济大学
新疆交通科学研究院
2004年7月
目录
1前言………………………….……..…….…………….…...…..1
2项目研究目标………………….….…………………….…..….1
3项目研究技术路线……..……………..……..…………..……2
4关键技术与技术难点…………….……..….……………..…...9
5项目研究主要成果…………………..….….…….…..…..……9
6项目的社会经济效益及推广应用前景………….….……..…11
7结语…………….……..…………………….………………....11
1前言
“西部地区地方性材料在公路路面中的应用研究”是2001年立项的西部交通建设科技项目，由交通部公路科学研究所承担，参加单位有：
同济大学、新疆交通科学研究院、中非地质工程勘查研究院、华南理工大学道路工程研究所和冶金部建筑研究总院。
根据合同要求和专家建议，课题组在系统研究国内外研究成果的基础上，提出了可行的研究方法和实施方案，并在2年多的时间内，进行了大量的野外调查、室内试验和系统的资料分析处理工作，完成了合同规定的各项研究内容，并于2004年7月27~28日通过了验收鉴定，研究成果达到国际先进水平，部分成果达到国际领先水平。
2项目研究目标
根据合同和可行性研究报告的要求，本课题的最终目标是针对西部地区特殊交通状况和地理气候特点，通过对西部地区地方性材料的分布调研，确定有代表性的地方性材料，研究开发地方性材料在公路路面中的应用技术，使西部地区公路建设达到因地制宜、就地取材和确保工程质量、节省工程造价，保护自然环境的目的。
根据可行性研究报告和研究大纲要求，课题内容分解为普遍性和特殊性两个部分。
普遍性部分以就地取材和降低工程造价为核心，结合环境保护要求，形成西部地区地方性材料应用开发指南，在已有应用技术的基础上重点就路用材料的分布、储量、路面利用形式、方法等内容；特殊部分则在普遍性的基础上选择典型重点突破，通过深入研究提出利用砂砾和工业废渣修筑路面结构层的具体措施。
基于以上情况，本课题的具体研究分为以下几个方面：
（1）研究西部地区地方性材料的资源分布及路用特征，公路工程用岩石分类标准及性能，开发具有图文查询、辅助决策的，以GIS系统平台，以VC++为工具的“路用材料资源分布及开发应用管理信息系统”。
（2）国内外地方性材料应用技术研究，包括应用层次、技术要求和设计参数等。
（3）就西部地区地方性材料在路面工程中的应用以及使用性能进行调查和分析，归纳形成相应的指导意见。
（4）开展西部地区地方性材料路用性能和岩石特征之间的内在机理分析，尤其是优质抗滑集料的岩石矿物特征研究。
（5）天然砂砾和风积沙等西部地区典型地方性材料的应用技术研究以及西部地区工业渣在公路工程中的应用。
3项目研究技术路线
3.1西部地区路用资源调查
本项工作涉及到西部12个省区总面积达680多万平方公里的广大区域，地质构造和地理类型十分复杂，资源种类多样化，仅出现的天然岩石类型就达近百种，因此，科学合理划分资源类型就成了是本次工作的重点和难点。
课题组深入分析了国外集料分类的有关技术资料，并征求了国内一些公路设计部门专家和地质资源部门的专家的意见，最终提出了兼顾地质逻辑性和公路工程实用性的岩石分类标准，见表1。
表1公路用天然集料类型划分
编号
集料类型
1
超基性岩
2
基性侵入岩
3
玄武岩
4
闪长岩
5
安山岩
6
粗面岩
7
花岗岩
8
流纹岩
9
石灰岩
10
白云岩
11
砂（砾）岩
12
页岩
13
片麻岩
14
片岩
15
板岩
16
石英岩
17
第四系砂、砾石
根据岩石分类标准以及野外调查取样方案，本次野外工作共有108人，23辆汽车参加了样品采集和集料矿山考察工作，为了保证采样工作的质量，野外工作组配备了工程师以上的技术人员作为技术负责人，60%以上的野外工作组配有GPS卫星定位系统。
野外工作组走访了大量的料场、拍照了大量的野外照片，收集了大量集料采场的第一手地质资料。
整个采样和野外考察工作历时半年，行程4.8万公里，共采集样品540件，总重23吨。
根据采样设计中要求，合格率达到99%以上。
具体取样情况见表2。
表2西部公路各省集料采样汇总表
类型
代号
岩石名称
甘肃
广西
贵州
内蒙
宁夏
青海
陕西
四川
西藏
新疆
云南
合计
天
然
岩
石
集
料
岩浆岩
1
超基性岩
1
1
1
2
5
2
基性侵入岩
1
4
5
3
玄武岩
4
7
3
1
1
3
19
4
闪长岩
12
3
5
1
1
1
6
29
5
安山岩
2
2
6
3
5
18
7
花岗岩
6
4
13
7
16
4
1
8
2
61
8
流纹岩
1
2
2
5
沉积岩
9
石灰岩
4
18
16
7
13
6
11
15
1
9
16
116
10
白云岩
2
3
6
2
1
2
1
17
11
砂（砾）岩
18
8
1
9
13
15
7
12
2
17
6
105
12
页岩
1
1
2
变质岩
13
片麻岩
4
1
1
3
6
1
1
1
18
14
片岩
3
1
1
3
8
15
板岩
4
3
7
16
石英岩
1
1
2
1
8
17
第四系砂、砾石
11
6
5
24
27
12
19
1
9
3
117
合计
66
44
25
55
54
73
62
53
6
64
38
540
3.2西部地区地方性材料路用性能分析
通过对西部地区集料资源的调研，确定了有开采价值的料场，并进行了集料路用性能的试验研究。
本次共考查了料场近600个，采集样品16类。
经过再次筛选，最后确定实验室试验样品357件，包含16个岩种，代表资源储量4009040万吨，覆盖西部地区660万平方公里。
根据集料本身基本的材性指标和重要的路用性能指标，同时兼顾沥青路面和水泥路面对粗集料的技术要求，确定最终试验项目为：
集料岩相分析、石料单轴抗压强度、粗集料视密度、吸水率、沥青路面用粗集料压碎值、混凝土路面用粗集料压碎值、粗集料洛杉矶磨耗值、集料对沥青的粘附性和粗集料磨光值，共九类室内试验。
根据集料路用性能试验结果，分析其应用的可行性，提出使用意见，最终达到因地制宜、就地取材、降低造价和服务西部的目的。
3.3路用材料资源分布及开发应用管理信息系统
在西部地区路用材料资源分布调研和材料试验的基础上，基于MAPGIS系统平台开发了“路用材料资源分布及开发应用管理信息系统（HM-MIS）”。
本系统旨在为咨询、设计和施工三方面提供信息管理和决策支持系统，该系统不仅包含西部地区筑路材料资源的分布特征、目前正在开发使用中的料场、备选的水泥厂、工业废渣等路用材料的基础信息资料和路用性能信息，同时还可以为新建公路的工可阶段提供翔实的沿线筑路材料信息、为新建公路的方案比选提供技术经济依据以及为建设期选择合理料场和路用材料资源的开发应用提供决策支持。
图1为青海省路用材料资源分布图。
图1青海省路用材料资源分布图
3.4西部地区典型省份公路路面结构与应用状况调查分析
通过对西部地区典型省份（自治区）新疆、四川（包括重庆）、云南和西藏等地二级及二级以下公路路面结构及其应用状况的调查，可得出如下结论：
（1）不同的地方性材料产生了不同的路面结构组合。
（2）路面结构的主要损坏模式是裂缝（包括纵向、横向和网状裂缝）、车辙、剥落、松散、坑槽和沉陷等。
其原因包括：
路面整体强度不足，强度不均匀，弯沉偏大，沥青层本身较薄，表处层受环境影响大，再加上集料级配不良，沥青用量偏高，高温稳定性差等因素。
（3）关于地方性材料的技术要求，仅对新疆和四川的二级及二级以下公路提出了具体要求，可供西部地区相关省份参考。
此外还提出了石灰粉煤灰碎（砾）石、水泥稳定碎（砾）石的级配组成，以减少这类半刚性基层的收缩裂缝；提出了级配碎（砾）石的级配组成，使这类材料具有更大的密实度，承载力更高。
（4）关于材料设计参数：
对于级配砂砾，在施工质量较好的情况下，回弹模量可取200MPa，一般情况，干燥路段为90-190MPa，潮湿和中湿路段则取70-100MPa；对于砂砾路基，宜现场测试后分析确定，一般在40-90MPa，个别地方可达120-140MPa。
关于半刚性基层材料的设计参数，在计算弯沉时，可采用现行规范规定的数值，而在计算弯拉应力时，建议采用本报告提出的数值。
3.5西部地区典型地方性材料的应用
由于研究经费以及人力资源等条件的限制，多年来我国公路工程的研究重点主要是围绕公路建设速度较快的东部地区，许多标准、规范的技术指标与要求也主要考虑了应用经验较多的地区，而对地质气候条件更复杂、传统筑路材料更缺乏的广大西部地区各种可用于筑路的地方性材料在路面中的应用技术研究不够深入，从而影响了一些地方性材料在公路路面中的应用。
因此，针对西部地区的交通状况和地理气候特点，研究开发天然砂砾、风积沙等地方性材料在公路路面工程中的应用技术，可使西部地区公路建设达到因地制宜、就地取材和节省工程造价的目的。
项目针对风积沙、工业渣和天然砂砾等西部地区典型地方性材料的应用技术进行了研究，提出的应用建议和方案。
尤其针对西北广泛分布天然砂砾的特点，系统开展了应用砂砾石铺筑路面基层和沥青混凝土面层的研究。
在改善砾石沥青混凝土高温稳定性方面方面，提出了从集料级配改善、胶浆改善以及沥青混合料配合比设计等多方面改善的应用相应措施。
使今后在路面结构组合设计、材料组成设计以及施工工艺优化等方面节省工程投资，从而有效缓解了西部地区资金缺乏和公路建设规模庞大的矛盾。
通过对工业废渣和风积砂的充分利用，不但解决了沙漠地区筑路材料短缺的问题，同时还对环境保护、推进企业“清洁生产”、“文明工厂”、降低成本，增加经济效益都具有重要作用。
这些对我国西部地区具有实用价值。
3.6国外地方性材料应用综述
⑴从多个国家的典型路面结构形式可以看出，地方性材料被广泛地用于柔性道路、刚性道路和城乡道路。
地方性材料不仅用于基层和底基层，还用于对道路要求不高的低等级道路或乡村道路的面层。
⑵级配类型十分广泛，连续级配和间断级配都有，这是基层和底基层广泛采用地方性材料的必然结果。
就不同轴载作用下的典型路面结构而言，南非与英国的经验较适用于我国西部地区；对于基层级配碎石或级配砾石的粒径范围而言，各国的级配范围大同小异，我国的级配范围是合适的。
对于未筛分碎石底基层，日本、美国的试验可借鉴；对于砂砾底基层，我国的级配范围是合适的。
⑶鉴于目前国内外路面结构设计方法大多以理论为基础，因此材料的评价指标基本相同，但在取值范围方面却有较大差别。
国外基本上通过动态试验决定取值范围（即设计参数），而我国的设计参数属于静态的。
考虑到我国今后有可能转而采用动态参数，所以本报告对这方面的内容也予以介绍。
值得关注的是美国2003年8月发表的设计指南中，对设计参数采用了分级法，对设计的重要性、投资费用、资源情况、不同的道路采用不同层次的参数，这一思路值得借鉴，尤其是我国西部地区的道路设计。
⑷关于水泥稳定土和石灰土的抗压强度指标，我国的标准若用于西部地区，似乎偏高，宜参考国外标准适当调整。
⑸评价材料性能的试验方法种类繁多，美国NCHRP报告453对40多种材料试验方法从性能预测、准确性、实用性、复杂度、精度、费用以及综合性等多方面进行了研究，报告所推荐的评价集料性能的试验方法和试验参数值得参考，但是针对我国的地方性材料，这些试验参数是否合适还需作进一步的研究。
⑹大多数国家采用美国AASHTO和ASTM的标准进行材料试验，某些特殊指标则采用本国或本州标准。
⑺由于试验条件、设备、试件成型方式、尺寸、材料类型、级配等的不同，国内外的研究工作者给出的级配碎石动态弹性模量依赖应力变化的非线模型差异很大。
考虑到我国的实际情况，结合我国规范指标进行级配碎石力学性能研究，建立一套适合我国情况的用于上基层优质级配碎石的动弹性模量试验方法和动模量模型十分必要。
⑻美国Indiana州按照统一的材料标准将集料进行分类，并且建立对各种级配进行编号，便于不同的路面结构类型以及各种层位选用相应的集料和适合的级配。
这种方法似乎更易于管理和操作，值得我们借鉴。
⑼对于半刚性沥青路面反射裂缝的形成和扩展以及级配碎石基层减少反射裂缝机理的深入研究仍是目前国内外尚待进一步探讨的问题。
⑽国外还比较重视回收材料的应用，例如美国加利福尼亚州，集料中回收材料的比例最多可达到50%，对回收材料的再利用作了大量的研究，并制定了相应的设计指南。
4关键技术与技术难点
围绕项目的主要研究内容，本项目重点突破的技术关键和技术难点主要有：
（1）大范围内材料资源普查方案的制定与实施；
（2）兼顾地质逻辑性和公路工程实用性的岩石分类标准；
（3）地质体的路用性能归属处理与赋值；
（4）西部地区路用资源调查与管理信息系统的开发；
（5）岩石矿物组成与集料路用性能的相关性；
（6）砾石沥青混凝土的性能改善技术。
5项目研究主要成果
本课题取得的主要成果有：
1.对西部地区12个省市、自治区的路用集料、结合料（固化材料、水泥、石灰、石膏）以及其他路用材料资源进行了普查，并重点对国家公路主干线区域的地方性路用材料进行了详细勘查，采集了540个总重23吨的样品，在室内对岩石岩性、化学成份和矿物组成进行分析，并对其中357个样品的路用性能指标进行了试验研究，具体试验数据和分析见《2004道路工程学术交流会论文集》中相应文章。
2.基于地质构造和地层分析以及岩石路用性能，对不同地质体进行归属化处理和路用性能赋值。
并在此基础上基于GIS系统平台开发完成了“路用材料资源分布及开发应用管理信息系统（HM-MIS）”，为西部地区路用材料的开发利用提供了技术支撑。
3.以省为单位，完成了西部地区集料分布图及国道主干线沿线集料资源分布，可供公路规划、设计、施工和管理部门使用。
4.对国外常见的路面结构形式、地方性材料混合料的技术要求、设计参数、各种指标的试验方法及一些国家使用当地材料修建道路的经验进行了系统分析和总结，对国内近十年来在地方性材料应用研究的成果进行了分析，并以四川、新疆两省为重点对公路路用性能与材料之间的相关关系进行重点调查，总结提出了一些地区应用地方性材料铺筑路面的结构组合、技术要求和设计参数建议。
5.对357组集料样品和10种工业渣的路用性能进行了试验检测，并基于岩石的路用性能和路面结构、材料性能的要求，深入研究分析了岩石物理、化学以及矿物组成与路用性能之间的相关关系，尤其是对石料的抗滑性能和物理、化学之间的关系进行分析，提出了优质抗滑集料的资源分布和岩相特征，为在西部地区就近选用优质抗滑集料、降低路面工程造价提供了技术支撑。
6.通过本课题的实践，研究提出公路工程使用的岩石分类标准、路用材料资源普查和料场选址技术规范，为其他地区开展类似工作或西部地区进一步开展更细致的研究提供了开发与环保并重的思路和参考依据，这对我国西部地区通过改善提高，充分利用当地资源，提高使用价值具有实用意义。
。
7.对风积沙、工业渣和天然砂砾等西部地区典型地方性材料的应用技术进行了研究，提出了应用建议和方案。
尤其针对西北广泛分布天然砂砾的特点，系统开展了应用砂砾石铺筑路面基层和沥青混凝土面层的研究。
在改善砾石沥青混凝土高温稳定性方面，提出了从集料级配改善、胶浆改善以及沥青混合料配合比设计等多方面改善相应措施。
8.研究提出了《西部地区地方性材料应用开发指南》，可以指导西部地区进行路用材料的开发和地方性材料的应用，对有效开发西部地区的地方性材料资源、降低路面工程造价、促进环境保护具有重要意义。
6项目的社会经济效益及推广应用前景
本项目成果涉及西部地区的12个省区，对公路的路线方案选择、路面结构设计、工程施工、养护以及材料开发和应用等方面均有重要的参考价值，特别是研究提出的《西部地区地方性材料应用开发指南》，可以指导西部地区进行路用材料的开发和地方性材料的应用，具有良好的推广应用前景，并可产生经济和社会效益。
7结语
经过项目组两年多的艰苦工作，圆满完成了预定的试验研究工作，研究最终提出的《西部地区地方性材料应用开发指南》，可以指导西部地区进行路用材料的开发和地方性材料的应用，对有效开发西部地区的地方性材料资源、确保工程质量、降低路面工程造价、促进环境保护具有重要意义。
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