高强页岩陶粒在沥青混凝土路面中的研究与应用QC成果报告

1、高强页岩陶粒在沥青混凝土路面中的研究与应用 小组名称：湖北益通志远QC小组课题类型：创新型编 写：张安玲 陈 洁发 布：陈 洁湖北益通建设工程有限责任公司二一二年二月十四日高强页岩陶粒在沥青混凝土路面中的研究与应用湖北益通建设工程有限责任公司【摘 要】本QC课题针对陶粒与普通粗集料不同的特点、结合现有公路沥青路面施工技术规范，系统引入并论证了体积-质量转化法，成功制备并大规模应用了陶粒沥青混合料，其各项性能指标满足设计要求。通过对路用性能的对比检测和分析，与普通沥青混合料相比，陶粒沥青混合料具有优良的持续抗滑性能、吸音降噪、低温抗裂性、抗剥落性和经济性。研究和确定了适合陶粒的生产工艺和施工方法

2、，科技成果达到国内先进水平，对开发页岩资源和陶粒代替普通粗集料在沥青混合料中大规模应用具有指导意义。【关键词】页岩陶粒 普通粗集料 沥青混合料 路用性能 经济性一、QC课题背景1、选题背景普通沥青混合料中粗集料一般采用石灰岩、辉绿岩和玄武岩等天然集料。页岩陶粒是由页岩烧胀而成的轻集料，其内部为蜂窝状微孔结构，外表为坚硬的釉质层，密度小，强度高。内部大量微孔外露，形成粗糙纹理；使路面具有优良的耐磨和持续抗滑性能。封闭、独立微孔多，使吸音能力强、模量低。可起到降低噪音、抗冻融的作用。细小微孔多，增大了陶粒的比表面积，使陶粒与沥青的粘附性强，沥青混合料的抗剥落性更好。另外页岩陶粒相对洁净，在拌合中扬

3、尘少，能减轻对环境的污染。页岩陶粒沥青混合料在城市高速公路、隧道、桥面铺设中具有很好的推广应用价值，这种面层材料不仅具有持续抗滑、降低噪音等性能，而且能大大减轻桥梁自重，有效降低工程成本。2、工程简介宜昌市北门外正街综合改造工程，位于宜昌市老城区北门，起点为东湖一路，终点为西陵一路，道路全长1.9km。该工程中首次大规模应用高强页岩陶粒沥青混凝土摊铺技术。全段上面层1.9km铺设高强页岩陶粒沥青混凝土，下面层铺设400m高强页岩陶粒沥青混凝土。道路结构层为新建砼基层+6cm厚AC-20沥青混凝土下面层+4cm厚AC-13沥青混凝土上面层。该工程是国内首次在1.9km长的完整道路上铺设高强页岩陶

4、粒沥青混合料，也是国内首次在道路下面层采用高强陶粒沥青混合料。很多学者和专家前来考察这条用陶粒铺设的道路。产生了一定经济效益和社会效益。二、QC课题成果1、陶粒沥青混合料中页岩陶粒与沥青最优匹配方式的研究在中国城市经济（国内统一刊号：CN 114085/F、国际标准刊号：ISSN10089721）2011年第2期发表。2、页岩陶粒在沥青混凝土路面中的研究与应用2010年宜昌市科技研究与开发指导性项目，经专家鉴定评审，达到国内先进水平。湖北省成果登记号：EK110802.3、高强页岩陶粒沥青混凝土路面施工工法被批准为企业级工法，并已完成省级工法的初审工作。三、主要内容1、分析比较陶粒与普通集料的

5、毛体积相对密度、压碎值、洛杉矶磨耗值等性能指标的差异，提出适于陶粒沥青混合料的矿料配合比设计方法。2、针对陶粒表面的釉质层结构和不同的制作工艺，通过不同等级、不同烧成工艺的陶粒与普通沥青、改性沥青的粘附性试验，抗车辙能力及水稳性试验初步确定陶粒与沥青的最佳匹配方式。3、制备满足现行公路规范要求的连续级配陶粒沥青混合料、间断级配陶粒沥青混合料，通过试验段的铺设，提出适用于陶粒沥青混合料的生产及施工工艺。4、对陶粒沥青混合料与普通沥青混合料的路用性能进行对比检测和分析，挖掘陶粒沥青混合料具有的优良性能，并对上述两种沥青混合料的性价比进行分析，论证陶粒沥青混合料替代普通沥青混合料大规模应用的可行性。

6、四、主要创新点1、提出并验证了适用于陶粒的沥青混合料配合比设计方法-体积质量转化法。由于陶粒的毛体积密度只有普通集料密度的60%左右，采用现有施工技术规范和设计方法设计的陶粒沥青混合料矿料间隙率偏大，导致油石比提高，高温稳定性降低，因此提出了体积-质量转化法，采用该方法设计并制备的沥青混合料能很好的达到施工技术规范的要求。2、提出适合陶粒沥青混合料的原材料最优搭配。针对陶粒表面釉质层结构、强度和密度等级的不同，通过对不同类型陶粒与普通沥青、改性沥青的粘附性试验，并结合连续级配陶粒沥青混合料的马歇尔试验、水稳定性试验结果，确定陶粒与沥青的最佳匹配方式。3、提出适用于陶粒的沥青混合料的生产工艺和施

7、工方法。针对陶粒及陶粒沥青混合料的特点，并根据试验段铺设陶粒沥青混合料的经验，提出了原材料贮藏、拌合、运输、摊铺及碾压方法，形成了路面施工工法。五、QC课题实施过程从2010年初开始，本QC小组分析了课题的重点、难点和关键点，制定了每个阶段的实施计划，组织公司各单位的技术骨干和管理专家分3个阶段进行研究和攻关。在实施课题过程中，QC小组重点关注课题本身的适应性，坚持课题必须为生产和应用服务，必须与现场需求相吻合，反复修改阶段性的目标，把握课题运行的方向。深入到相关工地，现场验证课题的可行性，有效的实施了课题实施的过程管理，使项目成果按照计划顺利完成。先后解决了配合比设计计算、油石比增大成本提高

8、、陶粒含水率高、摊铺碾压过程中陶粒易碾压破碎等难题，特别关注了课题实施过程中陶粒沥青混合料路面浸水残留稳定度、冻融劈裂强度、高温稳定性等道路设计标准的要求。按照创新和改进的要求不断深化课题的内容，坚持理论配合比试验和施工现场摊铺相结合，大大提高了课题的层次和水平。该课题成果经专家鉴定达到了国内先进水平，为陶粒沥青混合料新材料在市政道路的推广和应用提供了技术保障，并取得了一定经济效益和社会效益。得到了相关领导领导、专家和学者的高度评价。六、QC管理措施及效果1、目标值的实现本QC小组邀请了武汉理工大学王发洲教授等专家学者进行了技术指导，能在自己实验室进行大量的研究和检测工作，同时我们具有全国最早

9、在白沙路试铺陶粒沥青混凝土路面的施工经验、检验参数；公司领导对小组活动大力支持，提供了必要的活动经费；QC小组成员具有丰富的知识和经验，有很强的科研能力、创新能力。确保QC课题目标值得以实现。2、目标值的设定通过QC小组成员对课题进行分析，确定本次QC课题的目标为：提高沥青混凝土路面的路用性能。设定目标值为：（1）降低沥青混凝土路面噪音2dB；（2）抗冻融破坏能力提高5%；（3）抗剥落能力增加10%；（4）一年内道路摩擦系数无下降。3、提出课题方案邀请知名专家召开了研讨会，对陶粒在沥青混合料中的应用方案进行讨论。根据陶粒的不同结构类型，提出了如下方案：分别以圆球型800级、圆球型900级、破碎

10、型800级和破碎型900级这四种不同类型的陶粒研究和生产沥青混合料。通过对原材料和马歇尔试件的检测，选定综合性能优异的某种陶粒沥青混合料再对其进行优化和应用。图1 圆球型、破碎型陶粒表观图4、方案对比分析对以上四种方案分别进行材料性能及配合比试验，各试验检测指标对比如下。表1陶粒与沥青粘附性试验粘附性等级圆球型800级破碎型800级圆球型900级破碎型900级SBS I-D改性沥青4545表2陶粒沥青混合料性能指标方案陶粒沥青混凝土浸水残留稳定度%冻融劈裂强度%高温稳定性N一C80091.484.13530二C90093.885.53822三S80085.579.73361四S90087.88

11、1.43526表3最佳方案确定表方案陶粒类型技术可行性目标可行性施工合理性结论一C800不选二C900选用三S800不选四S900不选方案可行 方案不可行5、确定最佳方案通过对以上四种方案的对比分析，小组认为方案二，即破碎型C900高强页岩陶粒在技术可行性、目标可行性、施工合理性等方面更具有优势，因此把破碎型C900级高强页岩陶粒沥青混凝土作为最佳选择方案及研究对象。6、制定对策（一）问题假想预测 本QC小组经查阅相关资料，分析讨论，根据实际情况预测在方案实施过程中可能出现以下3个问题。（1）陶粒含水率高。因陶粒多孔结构，吸水性较强，导致骨料含水率偏高，拌制的沥青混合料性能较差。（2）陶粒容易

12、被碾压破碎。陶粒比普通石料强度小，陶粒沥青混合料在碾压成型过程中容易破裂，影响路用性能。（3）油石比增大，成本提高。与普通粗集料相比，陶粒占据了混合料中更多的体积，细集料在混合料中占有的体积更小，使混合料的矿料间隙率增大，这就需要更多的沥青来填充矿料间隙，导致用油量增加，成本提高。（二）对策制定表4 对策制订实施表序号预测问题对策目标措施地点负责人1陶粒含水率高搭建防雨棚、降低充盈率陶粒干燥1.采用防雨布覆盖等措施，减少陶粒与水份的接触；2.降低烘干机的充盈率，使陶粒充分干燥。生产现场戴金淼2陶料容易被碾压破碎缩短初压区长度，尽快碾压成型使其整体受力避免陶粒破碎 采用高温紧跟、高频低幅的原则，

13、初压紧跟摊铺机后碾压，并保持较短的初压区长度，尽快使表面压实成型，使骨料整体受力，减小陶粒荷载，避免破碎发生。施工现场曹明亮3油石比增大，成本提高调整配合比、综合成本分析油石比稍有增加，控制成本相差不大1.采用体积-质量转换法对配合比进行调整，得到最佳油石比。2.进行综合成本分析，成本相差不大。试验室陈洁7、对策实施对策实施一：对策实施二：对策实施三：表5 综合经济成本分析表相关指标AC-13C型陶粒沥青路面AC-13C型辉绿岩沥青路面粗集料单价（元/吨）240128油石比/%6.30%5.20%质量百分比/%沥青5.93%4.94%陶粒/辉绿岩粗集料31.66%51.29%辉绿岩细集料56.

14、39%39.01%石灰岩矿粉6.02%4.76%压实后单价(元/吨)沥青58005.93%=343.9458004.94%=286.52陶粒/辉绿岩粗集料24031.66%=75.9812851.29%=65.65辉绿岩细集料12856.39%=72.1712839.01%=49.93石灰岩矿粉1406.02%=8.431404.76%=6.66毛体积相对密度（t/m3）1.9902.465材料成本(元/吨)500.52408.76材料成本(元/立方米)500.521.990=996.03408.762.465=1007.59成本(4cm厚)元/平方米39.8440.30陶粒沥青混合料比辉绿岩

15、沥青混合料（厚度4cm）低0.46元/m2（注：矿粉140元/吨、改性沥青5800元/吨、辉绿岩128元/吨、陶粒240元/吨。）8、实施效果检查宜昌市北门外正街陶粒沥青混凝土路面施工完成后,对现场陶粒沥青混凝土路面的进行试验检测，检查结果如下：表6 路面检测结果表检测指标设计值检测值合格率厚度4cm+6cm4.1cm+6.2cm100%压实度98%平均值99.6%100%平整度2.51.1100%抗滑性45 65100%渗水性 300ml/min113ml/min100%符合设计规范要求、质量等级达到优良标准（1）噪声指标 委托宜昌市环境保护监测站进行道路噪声监测。监测依据：城市区域环境振动

16、测量方法(GB10071-88)。在同侧路边离车行道的路沿20cm处设3个监测点，监测时3台噪声统计分析仪同时进行监测，测量时封闭3段路段，为同一组试验车匀速通过。检测结果如下。表7 噪声指数检测结果路面噪声检测指标上层单层陶粒沥青混合料路面上下双层陶粒沥青混合料路面辉绿岩沥青混合料路面检测结果/dB76.875.178.2从表中分析得出，上下双层陶粒沥青路面与普通辉绿岩沥青路面相比，前者降噪3.1dB。（2）低温抗裂性能 依据T0716-1993进行沥青混合料劈裂试验。试验温度-100.5，加载速率50mm/min，检测结果见如下。表8 低温抗裂性能检测结果破坏应力陶粒沥青混合料辉绿岩沥青混

17、合料技术指标/N2500检测结果/N35003100从上表可以看出陶粒沥青混合料抵抗劈裂破坏的最大应力为3500N，而辉绿岩沥青混合料为3100N，比普通沥青混合料抗冻融破坏能力提高12.9%。（3）抗剥落性 依据T0709进行沥青混合料浸水马歇尔稳定度试验。一组试件的数量为4个, 检测结果见下表。表9 抗剥落性能检测结果浸水残留稳定度（%）陶粒沥青混合料辉绿岩沥青混合料规范要求80%检测结果（%）94.3%85.6%从表中可以看出，陶粒沥青混合料的浸水残留稳定度比普通辉绿岩沥青混合料大10.2%，陶粒沥青混合料受水损坏时抵抗剥落的能力更强。因此，陶粒沥青混凝土路面的抗剥落性更强。（4）抗滑性

18、能依据JTG F80/1-2004进行沥青混合料路面抗滑性能检测，检测结果见下表。表10 抗滑性能检测结果摩擦系数高强页岩陶粒沥青路面2010年11月2011年10月技术要求/BPN45检测结果/BPN6567从表中可以看出，经过一年时间的运行，页岩陶粒沥青混凝土路面的摩擦系数，不但没下降，反而增加了2BPN。这与普通沥青混凝土路面越磨越光滑的缺点截然相反，体现了陶粒沥青混合料独特的优点。为验证其持续抗滑性能，我们对2006年成型，通车四年半的白沙路 进行抗滑性能对比检测。依据JTG F80/1-2004进行沥青混合料路面抗滑性能检测。 检测指标：摩擦系数；检验频率：每200m测1处。表11 白沙路玄武岩沥青混合料路面抗滑性能检测结果路面抗滑性能2006年12月玄武岩沥青路面2011年5月玄武岩沥青路面技术要求/BPN45检测结果/BPN6348表12 白沙路陶粒沥青混合料路面抗滑性能检测结果路面抗滑性能2006年12月陶粒沥青路面2011年5月陶粒沥青路面技术要求/BPN45检测结果/BPN6266从上表对比可以看出，历经