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学习资料

常用道路工程材料简介
摘要： 道路施工材料泛指用于道路和桥梁工程及其附属造物所用的各类建筑材料，主要包括土、砂石、沥青、水泥、石灰、工业废料、钢铁、工程聚合物、木材等材料及它们组成的混合料。道路工程材料是道路工程建设于养护的 物质基础，其性能直接决定了道路工程质量和服务寿命。
关键词：道路，水泥，岩石，沥青混合料，SMA混合料， OGFC混合料， EPS骨料，橡胶，钢纤维混泥土
1.砂石材料
砂石材料是石料和集料的统称，石料和集料是道路与桥梁工程结构及其附属物中用量最大的一类才材料，石料制品课直接用于砌筑结构物或用于道路铺面，集料也可直接用于铺筑道路路面基层或垫层，但更多的是制备成沥青混合料、水泥混凝土和基层混合料，用于铺筑沥青路面面层或路面基层。
岩石质量主要取决于其造岩矿物和成岩条件，在道路工程中常用岩石品种为石灰岩、花岗岩，玄武岩，辉绿岩等；岩石的主要理学指标为单轴无侧限抗压强度，物理常数为密度，含水率和吸水率，在季节性冰冻地区应考虑所用岩石的抗冻性。
2.水泥和石灰
水泥和石灰石是道路工程建筑中使用较为广泛的无机胶凝材料。该类材料经物理化学过程能产生强度和胶凝能力，将砂石等散装材料胶凝成整体，或将构件结合成整体。石灰石一种气硬性胶凝材料，基本成分为活性氧化钙。石灰硬化后的强度主要依靠氢氧化钙的结晶炭化作用。
3.水泥混凝土与砂浆
水泥混凝土是由水泥、水和粗细集料按适当比例混合，必要时掺加适量外加剂、掺和料或其他改性材料配制而成的混合物，是道路路面及其附属物的重要建筑材料。
水泥混凝土铺筑的路面结构具有强度高、刚度大、使用寿命长的特点，能够承受较繁重车轴的作用，其主要缺点是自重大，抗拉强度低韧性低，抗冲击性差，可以通过配制钢筋、掺加纤维材料等方式加以改善，水泥混凝土的强度有抗压强度、抗拉强度及抗折强度等。影响混凝土强度的主要因素有水灰比和水泥强度，这种关系称为“水灰比定则”。
粉煤灰混凝土和路用水泥混凝土（包括普通路用混凝土、钢纤维混泥土和碾压混泥土）等式在普通混泥土的基上发展的。在粉煤灰混泥土中，以粉煤灰取代部分水泥（或细集料），即可降低混泥土造价，又能改善混泥土的某些性能，诸如提高混凝土流动性、降低水化热、提高混凝土耐久性等。钢纤维混凝土中由于钢纤维的增强增韧作用，是混凝土的抗裂性及人性大大的提高，对于延长混凝土路面的使用寿命极为有利。碾压混凝土具有水泥用量少、用水量低、施工速度快的特点，广泛应用于大面积结构及路面工程结构。
砂浆是一种细集料混凝土，在建筑结构中起黏结、传递应力、衬垫、防护和装饰的作用。对砂浆的技术要求主要有施工和易性和抗压强度。在道路和桥隧工程中，砂浆主要用来砌筑跨拱桥涵、挡土墙、隧道砌衬、涵洞及排水沟等。
4.沥青材料
沥青石黑色或暗黑色的固体、半固体或黏稠状物，有天然或人工制造而得，主要分为天人沥青、焦油沥青和石油沥青，二狭义的沥青主要是指石油沥青。用于铺筑道路路面的沥青为道路沥青。石油沥青是建设柔性路面的良好材料，道路建设和养护需要消耗大量的沥青，几乎占整个沥青产量的50%～60%。
沥青的路用性能：1黏滞性：指沥青在外力作用下沥青粒子产生相互位移的抵抗剪切变形的能力。在现代交通条件下，为防止路面出现车辙，沥青黏度选择是首要考虑的参数。2.延性：指沥青材料在外力拉伸作用下发生塑性变形的能力，统称是用延度作为条件延性指标来表征。沥青的延度用延度仪来测定。3.感温性：沥青石复杂的胶体结构，黏度随着温度的不同二产生明显的变化，这种黏度随温度变化的感应性称为感温性。对于路用沥青，温度和黏度的关系式及其重要的性能。首先，正式沥青存在感温性才使在高温下黏度显著降低，这样才有可能实现沥青与石料均匀拌合以及沥青混合料碾压成型。其次，沥青路面运营过程中，有要求沥青在使用温度范围内褒词小的感温性，以保障沥青路面高温布软化、低温不断裂。4.黏附性：沥青与集料的黏附性直接影响沥青路面的使用质量和耐久性，所以黏附性事评价沥青技术性能的一个重要指标。5.耐久性：路用沥青在使用过程中受到储晕、加热、拌合、摊铺、碾压、交通荷载以及自然因素的作用，而是沥青发生一系列的物理化学变化，逐渐改变了其原有的性能（黏性、低温性能）而变硬变脆，这种变化称为沥青的老化。沥青路面应有较长的使用年限，因此要求沥青材料有较好的耐抵抗老化的性能，即耐久性。6.黏弹性：路用沥青多为溶—凝胶型沥青，在低温时表现为弹性，高温时表现为黏性，在相当宽的形变滞后于作用力，作用力去除后形变并不完全消除，经过一段时间才逐渐恢复，表现为负责的弹性性质，蠕变和松弛现象就是这种特性的表现。7.施工安全性：8.溶解度：指石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳或苯中溶解的百分率（及有效物质含量）那些不溶解的物质为有害物质，会减低沥青的性能，应加以限制，9.含蜡量。
5.沥青混合料
沥青混合料是矿质混合料与沥青结合料经拌制而成的混合料的总称，沥青混合料经摊铺、压实成型后成为沥青路面。具有良好的路用性能，广泛应用于高速公路、城市快速路、主干道和其他公路的路面结构，是现代道路路面的主要材料之一。
沥青混合料按其矿料级配组成的特点，可形成“密实—悬浮”结构、“骨架—空隙”结构和“密实—骨架”结构，分别具有不同强度特征和稳定性。沥青混合料应具备一定的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗老化性、抗滑性、和施工和易性等技术性质，以适应车辆载荷及环境因素的作用。
沥青混合料组成设计包括选择原材料和配合比设计。沥青混合料组成材料质量规格应满足设计要求，并根据道路等级，交通特性，气候条件，施工方法等因素进行选择。
SMA混合料是一种间断级配的沥青混合料，具有较好的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗滑性。应选用高强度矿料拌制，矿料级配组成应保证集料颗粒能形成：“石—石”股价结构，沥青玛碲脂应密实地填充集料股价结构空隙。OGFC混合料是开级配混合料，压实后空隙在18%以上，具有良好的排水性 。为了保证混合料的高强度和耐久性，应采用高粘度沥青配制，对粗集料的要求同SMA混合料。
为了适应道路工程对铺面材料的特殊要求，环氧树脂混合料，浇注式混合料等有特殊性能的混合料在道路工程和桥梁铺面中得以使用。废旧橡胶沥青混合料技术、温拌力气混合料技术等也开始应用于道路工程。
6.建筑钢材
建筑钢材是指在建筑钢材结构中使用的各种钢材，如钢材有角钢、槽钢、工字钢等；板材有厚板、中板、薄板等；钢筋有光圆钢筋和带助钢筋等。建筑钢材具有强度高，塑性及韧性好，耐冲击，性能可靠，可加工性能好等优点，因而在建筑工程机构中被广泛应用。建筑钢材的技术性质有抗拉性能，冲击性能，乃疲劳性以及冷弯性能等。
道路工程建设中废物再生利用技术
（1）废旧沥青混凝土再生利用技术
    废旧沥青混凝土产生于旧沥青路面的维修、翻修或道路改建过程中，它含有3-4%的旧沥青和高质量的粗、细骨料。废旧沥青混凝土所含沥青大多是碳氢化合物，其化学性能短时间难于降解，如果废料处理不当，极容易引起周边环境恶化和土质的改变。沥青路面的再生利用，是将旧沥青混凝土路面经过翻挖、回收、破碎和筛分后，与再生剂、新沥青材料或新结合料、新集料等按一定比例重新拌和成混合料，满足一定的路用性能并重新铺筑于路面的一整套工艺。旧沥青混合料再生方式主要分4大类：即厂拌热再生、厂拌冷再生、现场热再生和现场冷再生。而根据施工的技术要求和我国的现有状况考虑，比较适合推广的就是厂拌热再生技术，其优点是：可以减轻路面对高温的敏感性，利于减少路面车辙和变形；回收潜力大，对材料的再利用率较高；与传统的施工方法接近，易于推广。厂拌热再生技术是先将旧沥青混凝土路面铣刨后运回工厂，通过破碎、筛分，并根据旧料中沥青含量、沥青老化程度、碎石级配等指标，掺入一定数量的新集料、沥青和再生剂进行拌和，使混合料达到规定的指标，按照铺筑新路面的方法进行铺筑。国内外的经验证明，此方法可以用于各种条件下的旧沥青路面的再生利用。目前，这种再生方法正在推广中，在北京市西二环和海淀区羊坊店路试行铺筑了再生沥青混凝土路面，收到了不错的效果。在广佛高速公路大修工程中旧沥青混凝土再生技术也得到了实际应用，照片-1和照片-2为广佛高速公路大修工程中生产再生沥青混凝土的再生沥青混凝土骨料和拌和设备。
（2）废旧水泥混凝土再生利用
废旧水泥混凝土是一种土木和建筑业废物，它产生于水泥混凝土道路路面的维修改造﹑混凝土桥梁的翻修﹑城市建筑物的改建以及其它水泥混凝土设施的维修和翻建过程中。废旧水泥混凝土主要含有优质的粗、细砂石骨料和硬化的水泥水化物，它并非是完全的废物，是具有极大再生利用价值的材料。废旧水泥混凝土再生利用视废物的发生源和品质不同而选择不同的方法，通常采用的再生利用方法有：利用予填骨料技术（Pre-packed concrete）或后填骨料技术（Post-packed concrete）生产大型混凝土构件、利用再生骨料生产再生混凝土、生产再生路基材料等，下面分别予以简单介绍。
    利用予填骨料技术（Pre-packed concrete）或后填骨料技术（Post-packed concrete）生产大型混凝土构件是先把废旧混凝土块简单破碎成20-150mm（视使用目的不同而变化）的块状材料，利用予填骨料技术（先填好骨料再注入砂浆）或后填骨料技术（先注入砂浆再填入骨料）生产混凝土构件。该种技术可生产混凝土挡土墙﹑建筑物基础﹑重力式混凝土坝﹑混凝土缘石﹑混凝土隔离墩﹑混凝土路面板等，特别适合于废旧混凝土就地再生利用的情况，例如混凝土路面板的就地再生利用等。
利用再生骨料生产再生混凝土是对品质较好的废旧混凝土，使用合适的破碎机和筛分机，对废旧水泥混凝土进行破碎和筛分处理，生产出符合不同要求的再生混凝土骨料，并用之生产满足要求的再生混凝土。再生混凝土的性能受多种因素的影响，必须进行必要的实验研究确定合适的配合比，并确定混凝土的性能满足要求才能在工程中使用。
利用废旧混凝土生产再生路基材料是对于品质较差的废旧混凝土或生产再生骨料后剩余的废物，应用破碎机简单破碎成粒状材料，这些材料可以作为半刚性基层材料（石灰或水泥稳定）、粒料路基材料或建筑物基础回填料得到再生利用。该处方法技术简单﹑简便易行，很多施工企业拥有完成这些工作的场地条件和设备，可以进行这样的废物处理。上述三种方法综合使用，可以使废旧混凝土得到100%的再生利用。
（3）水泥混凝土厂发生废物的再生利用
现在我国大中城市的建筑施工中，商品混凝土的使用率已基本达到100%。商品混凝土是在水泥混凝土拌和厂生产的，在生产和运营过程中每天发生大量的废物，包括废水﹑废混凝土﹑淤泥﹑废骨料等等。根据调查资料，一个中型混凝土拌和厂每年产生上述废物2000m3左右。部分拌和厂经过技术改进，对部分废水进行了重复利用，但其他废物无法再利用，一般是运到野外或其它固定场所排放掉。现在，利用水泥混凝土厂发生废物生产再生道路基层材料和路基稳定材料的技术使这些废物得到了有效利用。
    第一种方法相对简单，即将一定数量混凝土淤泥倒入刚从工地回来的滚筒式搅拌车里，由于搅拌车里有从建筑工地回收的混凝土，混凝土淤泥和回收的混凝土通过滚筒的转动而混合，经过充分混合后，将混合物运到贮藏地排出。硬化后的混合物通过合适的设备破碎后成为完全满足铺筑道路基层要求的再生基层材料。该再生基层材料具有较高的耐水性、耐冻胀性和抗冻融性，可以用于任何地区。
    另一种方法相对复杂一些，但再利用的社会和环保效益更高。众所周知，水泥主要含钙和硅元素，所以产自于混凝土的淤泥也自然以这两种元素为主。淤泥中含有大量的氢氧化钙，而熟石灰的主要成分也是氢氧化钙，因此可以考虑将淤泥用来稳定软土路基。研究结果表明，用淤泥粉末来稳定湿软的路基，能大大改变混合土的含水量状态，降低土体的自身重量，可以取得良好的效果。此外，淤泥粉本身具有在养护中发生固化反应的特点，从而提高了承载力。而且相对于石灰，淤泥粉末的化学性质更加稳定，对周围环境的影响也更小，更加环保。
（4）废旧橡胶的再生利用
    随着人民生活水平的提高，越来越多的汽车逐渐走进寻常百姓家，随之而产生的汽车废料也相应大量增加，其中之一是橡胶类废物，例如废旧轮胎和车门橡胶密封条等，这两种橡胶类废物在道路工程中都可以得到有效再生利用。
    废旧轮胎破碎后掺入到沥青中生产改性沥青，可以使沥青高温和低温稳定性得到极大改善，使沥青路面具有更大的弹性和更大的缓解车辆荷载冲击的作用，乘车人更加舒适，道路具有更好的耐久性。照片-3是生产废旧橡胶（轮胎）改性沥青的设备。
    橡胶密封条经过切碎等工艺处理后成为2-3mm大小的颗粒状物质（以下简称废橡胶），它具有较小的强度和良好的弹性。针对它具有的这一特点，我们发现这种废橡胶可以作为弹性沥青混凝土路面材料。实验结果表明，混有废橡胶的沥青混凝土的沥青用量减小，弹性增加，耐水性、抗飞散剥离和抗滑等性能均得到改善。而且，废橡胶质量混入率达到10%左右时，沥青混凝土具有明显的防路面冻结性能，并预计在实际工程中，混入2～3%左右的废橡胶也可显著提高沥青混凝土的弹性和防路面冻结性能。
    上述再生利用技术不仅再生利用了汽车产业产生的废物，而且使道路路面性能得到改善，真正做到了“变废为宝”。
（5）废旧发泡塑料的再生利用
    发泡塑料被应用在很多的领域，例如食品包装盒、快餐盒以及其它各类包装盒，这些包装盒基本上为一次性产品不能重复利用，被随意抛弃而发生环境污染的现象普遍存在。这些废物的处理比较困难，有些地方简单的付之一炬，有些地方作为燃料用于热力发电，但利用效果较差。现在这些废物经过处理后也可在道路工程中得到有效利用。
    将废旧发泡塑料减容化处理，将其融化后制成硬度较高的板状废塑料。废塑料板破碎后制成具有一定粒度的骨料，称为EPS骨料。EPS骨料密度小﹑强度较高，其最大特点是导热系数非常小，远小于石料或土质。将EPS骨料掺入路基或道路基层，可以起到隔温层的作用，降低道路冻结深度，减少道路冻胀破坏。照片-4为生产的EPS骨料，使用该EPS骨料修筑的道路防冻胀实验路取得了良好的效果。我国的青藏公路曾经研究在道路基层使用泡沫塑料板做隔温层以保护冰冻的路基不受损坏，可想而知造价是非常昂贵的。如果采用本技术，即可以为废物的再生利用提供途径，又可以取得更好的技术效果，还可以降低工程造价。
经济和技术效益
    废旧道路工程材料的再生利用和废物在道路工程建设中的有效再生利用可以对发生的废物进行再生利用，减少环境污染，同时可以减少对自然资源的依赖和过度使用，有利于保护自然环境，因而有“事半功倍”的效果。如果再生利用方法得当，还可以改善道路工程材料的性能，提高道路工程设施的使用性能和耐久性。所以，其社会效益是显而易见的。
    废物再生利用的经济效益受多方面因素的影响。国外发达国家重视环境保护和再生资源的利用，严格控制废物的排出。废物排放企业要支付大量费用请废物处理厂家对废物进行回收和处理，这已成为厂家的重大经济负担。采用新技术对废物进行再生利用时，一般情况下排出企业无偿或支付少量费用把废物提供给再生材料生产厂家，再生材料生产厂家生产再生材料后出售给应用企业，取得经济效益。再生材料应用企业使用再生材料的费用一般也低于天然材料，从而可以降低建设成本并取得一定的经济效益。因此，废物排放企业、再生材料生产企业和再生材料使用企业均可以从废物再生利用事业中取得实际的经济收入。上述分析的前提是，国家要制定相关的法规和政策鼓励再生材料的应用，相关部门也要制定关于再生材料生产和应用的技术规范和标准，社会上废物的排放、收集、处理、再资源化和应用要形成合理的运作机制。具备了上述三个基础条件，废物的再生利用事业将具有重大的经济效益。
    我国经济处于高速发展时期，所带来的环境污染和对自然资源的过度使用已成为我们面临的重大社会问题。我国通过政府制定相关的法律法规﹑有关部门制定相应的技术规范推进废物的有效再生利用，对于保护环境﹑促进循环经济的发展﹑走可持续发展道路具有重大的现实和历史意义。但是我国在这方面的研究还不够深入，怎样在现有研究成果的基础上有组织地、系统地对废物再生利用技术进行全面的研究和实验，使再生利用技术达到规范化和标准化，用以指导全国的废物再生利用，是摆在我们面前的一项重要任务。
参考文献
世界商业报道《道路工程建设中可再生资源的应用》作者 张金喜2007—03—08
《道路工程材料》主编杨青 重庆大学出版社 第一版16—23 37—55
苏达根，土木工程材料，高等教育出版社，2008，80—160 165—215

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