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2016年道路材料發展現狀及趨勢全文

時間:2016-12-19

材料是科學與工業技術發展的基礎,一種新材料的出現,能為社會物質文明帶來巨大的變化。材料科學已當之無愧地成為當代科學技術的三大支柱之一,是當今世界的帶頭學科之一。道路路面材料也是一樣,隨著科學技術的發展以及為適應社會的需要,新的路面材料層出不窮。回顧其發展過程,尋求其發展的歷史足跡,立足當代,展望未來,為我國交通事業的快速發展作好“材料”上的準備。

1 道路路面材料發展現狀近年來,公路交通特別是高等級公路建設蓬勃發展,公路的發展對路面的使用品質和功能提出了更高的要求。路面材料的適用性、品質、組成設計以及施工工藝等對路面的使用性能起著決定性的作用。對路面材料的正確認識及了解是合理有效使用路面材料的基本前提。根據所使用路面材料的不同可將路面劃分為:土、石路面,瀝青路面,水泥路面以及新型路面。

1.1 土、石路面土是遠古人類最早用于筑路的材料,至今仍有不少的土路。這種路面常見于工程施工臨時便道或是一些偏遠落后的山區。石料路面分碎石路面和砌石路面,其使用材料主要是砂和石料。砂石材料有的是由地殼上層的巖石經風化得到的,如天然砂礫,有的是經人工開采或再經軋制而得到的,如各種不同尺寸的碎石和石屑。砂石材料可以直接用于鋪筑路面。在上世紀五六十年代,我國的公路主要是泥結碎石路面。由于生產設備、施工機械的落后,再加上沒有發現更好的用于道路的材料,石料就是當時最基本的材料。其中泥結碎石路面主要用于行車道路,而砌石路面則常用在城鎮街道等。

1.2 瀝青路面人們使用瀝青的歷史由來已久。近十幾年來,隨著公路等級的不斷提高,交通量的不斷增加,對瀝青材料提出了更高的要求,于是出現了各種改性瀝青,如材料中摻入了橡膠、樹脂、硫磺及其它高聚物等。

1.2.1 瀝青路面的發展瀝青路面經過長期的發展,其種類、鋪筑工藝、使用性能不斷被拓展和改善,已成為目前世界高等級公路中的主要路面結構。瀝青路面能占有主導地位的原因在于這類路面具有很多優點,如:表面平整,行車舒適,噪音小,有很好的減振性,舊瀝青混合料可再生利用等。雖然瀝青路面具有上述的優點,但如果材料組成、施工工藝不當,以及受各種因素的作用,瀝青路面面層就會出現高溫軟化、低溫開裂、耐久性差等不良現象。

1.2.2 瀝青路面材料

(1)乳化瀝青將粘稠瀝青加熱至流動態,經機械作用使之分散成為微小液滴,懸浮于溶有乳化劑、穩定劑的水溶液中,形成穩定的瀝青乳液,稱為乳化瀝青。目前,高速公路瀝青路面的維修養護對乳化瀝青的應用提出了更高的要求。國際上許多國家已開始研究開發了高分子聚合物改性乳化瀝青。用于改性的聚合物主要有SBR膠乳、氯丁膠乳、EVA、SBS等。乳化瀝青在道路建筑使用過程中具有節約能源、節省瀝青用量、延長施工季節、改善施工條件,減少環境污染等優點。

(2)改性瀝青由于普通瀝青已不能適應現代化路面的要求,性能良好的改性瀝青必將在高等級路面中起到越來越重要的作用。目前,國內外取得成效并形成規模的主要是各種聚合物改性瀝青。受到普遍使用的道路改性瀝青主要是SBS彈性體改性瀝青、SBR(丁苯橡膠)改性瀝青以及PE、EVA塑料類改性瀝青。 SBS是一種熱塑性彈性體,它是由苯乙烯和丁二烯組成的雙嵌段共聚物。它具有彈性較高、高溫不軟化、低溫不發脆等特性,這些都決定了它用途的廣泛性。根據苯乙烯和丁二烯所含比例的不同和分子結構的差異,可以分為線型和星型2種。丁苯橡膠(SBR)是道路實際工程中另外一種使用較為普遍的改性劑,它能顯著提高瀝青的低溫變形能力,改善瀝青的溫度敏感性和粘彈性。 PE是聚乙烯的縮寫,它對瀝青的選擇性較大, 與瀝青不能很好地相容,極易發生離析,所以PE類改性瀝青必須在現場隨制隨用。 EVA是乙烯-醋酸乙烯脂共聚物的縮寫。它在常溫下呈透明顆粒狀,有輕微醋酸味,是一種無定形結構的熱塑性樹脂。EVA有助于改善瀝青混合料的低溫施工性能。EVA改性瀝青在較冷氣候條件下施工時,應特別注意施工過程中的混合料溫度。混合料溫度下降太低則壓實很難進行,路面質量得不到保證。

(3)瀝青瑪蹄脂碎石混合料瀝青瑪蹄脂碎石(StoneMatrixAsphalt,簡稱SMA),是一種由瀝青結合料、礦粉、纖維與細集料組成的瀝青瑪蹄脂結合物填充間斷級配的粗集料骨架間隙所形成的瀝青混合料。它由大比例粗骨料構成堅固的骨架結構,并由豐富的瀝青瑪蹄脂填充骨架進行穩定。 SMA路面具有優異的面層功能特性,穩定性好。由于具有高度的抗滑性、平整度和抗車轍能力,降低交通噪音,改善雨天的能見度,所以為車輛行駛提供了優良的安全性舒適性。同時,由于SMA路面耐久性好,故養護工作少,使用壽命長,綜合經濟效益和環境效益好。

1.3 水泥混凝土路面公路路面中最常用的無機結合料主要是石灰和水泥。以水泥和水組成的水泥漿體為粘結料的水泥混凝土路面已成為高等級公路的主要路面類型之一。 1.3.1 水泥混凝土路面的發展上世紀90年代末期,隨著我國改革開放的不斷深入,公路建設事業日新月異,處于前所未有的大發展時期。由于修筑黑色路面需要的高質量瀝青材料的缺乏,其價格也較高,因此當時水泥混凝土高等級公路發展非常迅猛。加之我國生產水泥的資源豐富,水泥混凝土路面又具有承載力大、養護費用少、壽命長、行車節油等優點,故水泥混凝土路面成為我國主要路面類型之一。

1.3.2 水泥混凝土路面材料

(1)普通水泥混凝土普通水泥混凝土由水泥、粗細集料、水和外加劑按需要的比例混合組成,是水泥路面最常用的一種普通材料。

(2)聚合物改性水泥混凝土聚合物應用于水泥混凝土主要有3種方式:

一是聚合物浸漬混凝土,二是聚合物混凝土,三是聚合物水泥混凝土。其中后2種適用于道路路面。聚合物混凝土是以聚合物為結合料與砂石等骨料形成混凝土。由于其有良好的力學性能、耐久性及普通混凝土無法比擬的某些特殊性質,如迅速凝結硬化等,因此是一種良好的路面修補材料。聚合物水泥混凝土是在水泥混凝土成型過程中摻加一定量的聚合物,從而改善混凝土的性能。它具有較好的黏結性、耐久性、耐磨性及較高的抗彎性能。

(3)纖維增強水泥混凝土纖維增強水泥混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材,以金屬纖維、無機纖維或有機纖維為增強材料組成的一種復合材料。水泥混凝土的主要缺點是抗拉強度低、性脆,摻加抗拉強度高、抗堿性好的纖維可以克服上述缺點。

1.4 新型路面

1.4.1 復合式路面縱觀目前國內外道路工程的發展狀況,復合式路面大致有以下5種類型:

(1)上柔下剛復合式混凝土路面;

(2)上低塑下碾壓復合式混凝土路面;

(3)碾壓鋼絲網水泥混凝土路面;

(4)素混凝土與鋼纖維混凝土雙層復合式路面;

(5)鋼纖維混凝土與素混凝土三分層復合結構。在眾多復合式路面系列結構中,碾壓混凝土(RCC)與瀝青混凝土(AC)組成的RCC-AC復合式路面結構發展最為迅速。

1.4.2 特殊環境下使用的路面近年來,隨著綠色節能型環保材料的問世,彩色水泥、彩色混凝土等新型建材在各類建筑、廣場、道路以及市政建設等工程中被廣泛采用,為人們的生活增添了一道亮麗的風景線。在混凝土道路材料應用領域出現了幾種特殊用途的混凝土材料,如透水混凝土、綠化混凝土、環保混凝土等。

彩色瀝青材料彩色瀝青路面

2 未來道路路面材料的發展趨勢未來道路路面材料應向高性能、多品種和綜合利用方向發展,并做到材料與環境的協調,走可持續發展的道路。

2.1 乳化瀝青未來發展趨勢

(1)使用量將越來越大。隨著路網的逐漸形成與完善,低等級道路的升級要求,乳化瀝青使用量將越來越大;隨著環保意識的增強和能源的逐漸緊張,乳化瀝青占瀝青的比例也將越來越高。 (2)使用范圍越來越廣。乳化瀝青的使用,除了新建道路外,更重要的應用領域是預防性養護和矯正性養護。

(3)質量越來越高。隨著乳化技術、膠體磨技術的不斷發展,乳化瀝青更趨于專業化,這有利于施工工藝和路面質量的提高。

2.2 改性瀝青的發展趨勢

2.2.1 SBS改性瀝青將獲得更廣泛的應用研究表明,SBS改性的優越性突出表現在具有雙向改性作用,也就是使瀝青軟化點大幅度提高的同時,又使低溫延度明顯增加,感溫性得到很大改善,而且彈性恢復率特別大,所以理論上能極大地提高瀝青混合料的整體性能。并且,根據改性瀝青混合料的試驗、車轍試驗的動穩定度、凍融劈裂試驗等指標也得出了SBS能大幅度提高瀝青混合料性能的結果。由于SBS改性瀝青表現出其它改性劑無可比擬的優點,在將來較長的一段時間內國內改性瀝青的發展方向應該以SBS作為主要方向。現在,SBS的價格比以前有了大幅度降低,技術也已經成熟,非常有利于在國內廣泛推廣應用。

2.2.2 發展新型的改性劑 SBS雖然與已有的改性劑相比具有較大的優勢,但隨著研究的深入,必將會發現性能更好的改性劑。SEAM就是一種新型的改性劑,其主要成分為硫磺,可制成半球狀的顆粒。以其作為改性劑的瀝青混合料具有很好的高溫穩定性和抗車轍、抗水剝離能力,具有很高的抗酸性和耐久性。在國外一些地區得到了應用。特別是一些溫差較大的地區,應用SEAM之后路用性能的改善較為顯著,而且實際應用也非常方便。有物理改性作用的廢橡膠粉的應用將有更大的發展空間。經濟、環保、可持續發展是任何事物發展的必要條件,改性瀝青的發展也不例外。廢橡膠粉是廢舊輪胎加工而成的細顆粒,它的使用是減少這類污染,變廢為寶的有效方法。雖然廢橡膠粉的改性作用至今還不是很明顯,但對其進行長期的研究將有重大的戰略意義。

2.3 道路修補材料的發展趨勢近年來,發現道路、橋面等土木工程中混凝土發生破壞的現象不斷增多,造成直接和間接的經濟損失巨大。為了恢復這些混凝土結構的使用功能和保證使用安全性,必須及時對它們進行修復。不同的路面結構形式應采用不同的措施及材料。現將水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面所使用的修補材料分述如下。 2.3.1 水泥路面修補材料可以用于水泥混凝土路面修補的材料很多,按材料性能可分為有機類修補材料、無機類修補材料及有機材料和無機材料的復合物。

(1)有機類修補材料有機類修補材料是以有機化合物為基體,通過有機合成或聚合反應加工成的鏈狀或網狀有機材料。其特點是在常溫或高溫下具有一定的塑性、彈性和機械強度,在熱、光、化學添加劑等影響下能起分解、交聯和老化等變化,其物理性質和機械性能隨分子結構的不同而異。用于水泥混凝土路面修補的有機材料大多為合成膠粘劑,如用于裂縫灌漿修補的環氧樹脂類膠粘劑、酚醛樹脂類膠粘劑、聚氨酯類膠粘劑、烯類高分子膠粘劑、有機硅膠粘劑、橡膠類膠粘劑和瀝青類膠粘劑等。

(2)無機類修補材料無機類修補材料不含有機化合物。這類修補材料主要是在物理、化學作用下,從漿體變成堅硬的結石體,并膠結其它物料,產生一定的機械強度;如各種水泥,快硬早強劑等。

(3)有機-無機復合物有機-無機復合物采用有機材料和無機材料進行復合而成。根據不同的用途,這類材料包括以有機材料為主、無機材料為輔的;以無機材料為主、有機材料為輔的。前者多用于水泥混凝土路面裂縫修補,后者則多用于水泥混凝土路面整板或局部修補。從實際中發現,采用有機-無機復合物進行水泥混凝土路面修補常能獲得比單一無機材料或有機材料修補更好的效果,如纖維增強水泥混凝土、聚合物水泥砂漿等。

(4)發展趨勢基于以上3類修補材料的特點,可總結出其未來的發展趨勢:

①在短時間內要能發展到較高的強度以及要有較高的粘結強度;

②凝結時間要能在所需的時間范圍調控;

③與水泥混凝土物性如熱膨脹系數、彈性模量等要相匹配;

④能快速恢復結構的使用;

⑤體積穩定性要好、干縮要小;

⑥要具有優異的抗凍性和抗鹽凍剝蝕性能,抗磨損性和保護鋼筋不銹蝕的性能要好;

⑦在低溫下能進行修補施工,在高溫下仍能保持很高強度和穩定的性能。

2.3.2 瀝青路面修補材料根據瀝青路面的破壞類型,其維修方式可分為:局部填充或維修;表面處治或加鋪層;舊路再生。

(1)局部填充或維修冷拌冷鋪瀝青混合料是局部填充、修補坑槽的主要材料。另一類修補材料是裂縫填充料,如改性瀝青、石油樹脂、環氧樹脂等。近年流行淺灌料填縫料填縫。其中一類為高黏附性改性瀝青稀釋液,摻有一定比例的SIS(苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯三嵌段共聚物);另一類為預制改性瀝青膠條。

(2)表面處治或加鋪層當舊路面裂縫較多時,在加鋪層與舊路面之間多設有應力吸收層以防止反射裂縫,其中所使用的結合料多為乳化橡膠瀝青,還可以用玻璃纖維束來防止反射裂縫。對于局部開裂嚴重的舊瀝青路面,可使用改性瀝青卷材。 (3)舊路再生當瀝青路面損壞嚴重且瀝青嚴重老化,或城市道路受標高限制不宜再作加鋪層時,將舊有瀝青路面挖除遺棄,不僅是石油資源的浪費,而且舊有材料堆放占地、污染環境。舊瀝青路面再生利用成為保護環境和有效利用資源的重要環節。再生工藝均需在再生瀝青混合料中加入各類添加劑,這些添加劑按照用途可分為軟化劑和硬化劑2大類。其中應用最多的是軟化劑。它主要是用來恢復老化變硬瀝青的路用性能。目前軟化劑主要有石油基油脂和植物油2類。當舊瀝青路面中瀝青含量過高,或者采用低粘度瀝青作為軟化劑導致再生混合料瀝青用量過多時,為防止再生后的路面產生車轍變形,則使用硬化劑提高再生混合料的高溫穩定性。硬化劑主要采用吸油性材料,如石棉纖維、巖棉纖維、多孔礦料磨制的礦粉等。

2.4 道路材料總的發展趨勢不管是何種材料,用于何種目的,其發展趨勢都可以歸納為以下幾個方面:

(1)傳統材料既要改善其性能,又要改善其品種。這里所說的傳統材料主要是砂石、石灰、水泥和瀝青等。其未來發展趨勢是如何更好地發揮各自優勢的同時改善其性能相對薄弱的方面,從而擴大其應用范圍,在現有的材料品種上開發創新出新的路面材料品種。

(2)大力開發組合材料。加大組合材料的開發是今后路面材料發展的又一趨勢。在目前科技發展越發成熟的年代,一種完全新興材料的出現是一件非常困難的事情。然而,將現有的材料進行組合,揚長避短,這不失是一種快捷有效的方法。

(3)把生態環境作為引導建筑材料發展的一個重要因素。須注意以下幾點:

①材料的綠色制備和生產目前尚有一些材料的制備和生產是以污染環境為代價的,隨著時代的進步,其終究是要被淘汰的。材料的綠色制備和生產完全符合時代的要求,是順應社會發展的體現。

②環境協調材料在我國建設初期,資金、技術完全跟不上的情況下,公路建設中很少考慮與環境協調的問題。然而經過幾十年的發展,我國的經濟得到了突飛猛進的發展,科學技術也有了長足的進步。在這種情況下,工程建設與環境的協調問題必將作為一個不可缺少的因素進行考慮,開發研究環境協調材料就迫在眉睫了。

③可降解材料它是一種在自然環境下隨著時間的推移能夠分解為被大自然所能吸收的,并且對環境不會造成任何污染的材料。這種材料的使用對我們的子孫后代無疑是一種福音。 ④固體廢物利用充分利用工業廢渣代替自然資源,利用這些廢渣可以解決筑路材料源的困難,降低材料的費用,同時也是對自然資源和環境的一種保護。

3 結語路面發展的核心是路面材料的發展。隨著我國人們生活水平的提高,人們對交通條件的要求也隨之有了更高的要求,如要求行車更舒適、更安全、更環保,這就給從事于交通戰線上的工程技術人員寄予了更高的期望。有理由相信,在不久的將來,我們會看到各種各樣、形形色色、服務于不同要求的路面材料的誕生。

道路材料主要包括哪幾種？

你問的道路材料應該是道路工程材料吧？如果是道路工程材料，那么重慶大學出版社出版的，楊青主編的教材《道路工程材料》明確說：道路施工材料泛指用于道路和橋梁工程及其附屬構造物所用的各類建筑材料，主要包括土、砂石、瀝青、水泥、石灰、工業廢料、鋼鐵、工程聚合物、木材等材料及它們組成的混合料。道路工程材料是道路工程建設于養護的物質基礎