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1、第八章沥青及沥青混凝土,1 概述沥青材料的定义 沥青是一种有机胶凝材料，常温下呈黑色或黑褐色的固体、半固体或粘稠性液体。有良好的憎水性、粘结性和可塑性，能抗冲击荷载的作用，对酸碱盐等化学物质有较强的抗侵蚀能力。在交通、建筑、水利等工程中，广泛用作路面、防潮、防水和防潮材料。,分类：1、地沥青：天然沥青(自然形成)石油沥青2、焦油沥青：页岩沥青 木沥青 煤沥青,沥青建筑材料 沥青材料一般情况下却很少单独使用；在工程上使用的沥青必需具有一定的物理性质，如在低温条件下应有弹性和塑性，在高温条件下要有足够的强度和稳定性，在加工和使用时具有抗“老化”能力，与各种骨料和结构表面有较强的粘附力，以及对构件变
2、形的适应性和抗疲劳性等。因此在工程上使用的沥青材料通常都是改性沥青和沥青混合料。,（一）改性沥青改性沥青是指按工程需要的物理特性，对沥青材料进行人工改造，使其满足工程要求的沥青材料。改性方法通常有掺配法、填充、乳化。,（二）沥青混合料 沥青混合料是沥青与级配合适的矿物质材料拌和均匀配制成建筑沥青材料。常见的沥青混合料有沥青混凝土、沥青砂浆、沥青胶（又称玛碲脂）及沥青嵌缝油膏等，主要用于铺路、水工防渗及建筑防水。,7.石油沥青,一、石油沥青 石油沥青是石油原油经蒸馏等方法提炼出各种轻质油（如汽油、煤油和柴油等）及润滑油以后的残留物，或再经加工而得的产品。,一 石油沥青的组成和结构1、石油沥青的组
3、分,石油沥青是由许多高分子碳氢化合物及其非金属（主要为氧、硫、氮等）衍生物组成的复杂混合物。它是石油中分子量最大、组成和结构是为复杂的部分。,化学组分分析就是将沥青分离为物理化学性质相近，而且与沥青性质又有一定联系的几个组。石油沥青的化学组分有三组分和四组分两种分析法。石油沥青三组分分析法：油分、树脂（沥青胶质）、沥青质。四组分分析法：饱和分，芳香分，胶质和沥青质。,（1）油分：淡黄色至红褐色的油状液体，是沥青中分子量最小和密度最小的组分，在170较长时间加热时会挥发，能溶于多种有机溶剂，但不溶于酒精。赋予沥青以流动性,但含量多时,降低温度稳定性。,（2）树脂：黄色至黑褐色稠状半固体物质，树脂
4、中绝大部分属于中性树脂。中性树脂能溶于三氯甲烷、汽油和苯等有机溶剂，难溶于酒精和丙酮。中性树脂含量越多，石油沥青的延度和粘结力等性能越好。赋予沥青以粘接性、塑性、流动性。,（3）沥青质：深褐色至黑色固体，不溶于酒精、正戊烷，溶于三氯甲烷、二硫化碳。染色力强，对光的敏感性强，感光后就不能溶解。决定石油沥青的温度敏感性和粘性，其含量越多，则软化点越高，粘性越大，越硬脆。,、石油沥青的胶体结构,油分和树脂可互溶，树脂能浸润沥青质颗粒，而在其表面形成薄膜，从而构成以沥青质为核心，周围吸附部分树脂和油分分子，构成胶团，而无数胶团分散在油分中形成胶体结构。,1沥青质 2胶质 3油分 溶 胶 型 沥 青 胶
5、 体,根据沥青的组分含量和化学结构，胶体结构可分为：（）溶胶型结构：油分、树脂较多，沥青质含量较少，是高度分散的胶体结构，流动性、塑性较好，愈合力较强，但温度敏感性高，如液体沥青。,（）凝胶型结构：油分、树脂较少，沥青质含量很多、形成立体网状结构，弹性、粘性高，温度敏感性低、愈合力差，流动性和塑性低，如氧化沥青。,1沥青质 2胶质 3油分,（）溶凝胶型结构：沥青质和树脂含量适量，形成一种介于溶胶与凝胶形质之间的溶凝胶结构，性质介于溶胶型结构和凝胶型结构之间，如道路沥青。,1沥青质 2胶质 3油分,三 石油沥青的技术性质,1、粘滞性2、耐热性3、温度稳定性4、塑性5、大气稳定性 6、其它技术指标
6、,1、粘滞性,沥青材料抵抗外力作用下发生粘性变形的能力。粘滞性可用动力粘度或运动粘度来表征。表示沥青的粘滞性的指标：（1）针入度（2）标准粘度,（）针入度：以标准针在一定的荷载、时间及温度及规定的时间下，垂直插入沥青的深度（0.1mm）来表示。针入度测定条件 P（25，100g，5s）表示实验温度为25，标准针重100g，贯入时间5s。,（）标准粘度：温度在20、25、30 的沥青试件经过直径（3、5、10mm）小孔流出50ml沥青所经历的时间（秒数）为标准粘度。标准粘度可表示为，d 表示小孔直径，t为试样温度，T为标准粘度值，如。,2、耐热性,耐热性是粘稠沥青在高温下不软化、不流淌的性能，用
7、软化点软表示。沥青注入标准铜环内制成试件，并在中央放一钢球，置于水中，以5min的速度加热，沥青软化下垂至规定距离时的水温（）为软化点。,3、温度稳定性,温度稳定性是沥青的粘滞性和塑性随温度变化影响的程度，反映石油沥青对温度的敏感程度。温度稳定性差的沥青对温度变化反应敏感。玻璃态 高弹态 粘流态,当温度很低时，沥青分子及其所组成的大分子团均不能自由运动，似被冻结一样，有外力作用下变形很小，沥青呈硬脆状，称为“玻璃态”。,随温度的升高，沥青分子获得了一定的能量，大分子团虽不能自由运动，但组成分子团的沥青分子已具有活动能力，在外力作用下，沥青材料会产生明显的可逆变形，具有很高的弹性变形能力。称为“
8、高弹态”。当温度继续升高时，更高的能量使沥青分子及其大分子团均可自由运动，使沥青如液体一样呈粘性流动状态，称为“粘流态”。,温度稳定性可用针入度温度感应系数 A 或针入度指数 P I 表示。,P.I越大，沥青温度稳定性越好。溶胶型沥青 PI+2,4、塑性,沥青在外力作用下产生变形而不破坏，除去外力后仍能保持变形后形状的性质。用延伸度（延度）表示。温度为标准试件以一定拉伸速度延伸，试件拉断时延伸的长度为延度（计）。,5、大气稳定性（耐久性）,沥青在热、阳光、氧气和潮湿等大气因素的长期综合作用下抵抗老化的性能，也是沥青材料的耐久性。沥青的大气稳定性以蒸发损失和针入度比来评定。,将沥青试样灌于平底金
9、属皿内，把试样放入烘箱内，在163温度下加热5小时，测定加热前后沥青试样质量和针入度的变化：,四 石油沥青的技术标准,技术指标包括：针入度、延度、软化点、溶解度、蒸发损失、闪点等。石油沥青的技术标准对石油沥青产品：道路沥青、建筑沥青、普通沥青等分别规定。,1、道路石油沥青,道路石油沥青有七个标号：A200、A180、A140、A100甲、A100乙、A60甲、A60乙。标号越高，粘性越小，塑性越好，温度敏感性越大（软化点越低）。道路石油沥青主要用于道路路面或车间地面等工程，一般拌制成沥青混凝土或沥青砂浆。还可作密封材料和粘结剂以及沥青涂料等。,2、建筑石油沥青,建筑石油沥青针入度较小，软化点较
10、高，但延伸度较小，主要用于制造油纸、油毡、防水涂料和沥青嵌缝油膏等。,3、普通石油沥青,普通石油沥青中有害成分蜡较多，一般含量大于5%，有的高达20%以上，又称为多蜡石油沥青。温度敏感性较大，达到液态时的温度与其软化点相差较小，针入度较大，塑性较差，不宜直接使用。,4、专用沥青专用沥青是用于特殊工业的沥青，如油漆沥青、绝缘沥青、电缆沥青等。,三、沥青改性方法,为了改善沥青材料的使用性能，提高沥青在低温条件下的弹性和塑性，在高温条件下的强度和热稳定性，在加工和使用时的抗老化能力，提高沥青的粘附力，以适应构件的变形等，常对沥青进行改性。,一 沥青材料的掺配,同产源，不同标号的沥青易掺配成均匀的沥青
11、胶体结构。两种沥青掺配时，掺配量与软化点呈线性比例关系。,0,T1,T,T2,T1,Q1,100,100,0,Q2,掺配量,软化点,二 乳化法,乳化法是指将沥青微粒（16m）分散在含有表面活性物质（如乳化剂、稳定剂）的水溶液中，形成稳定乳状液的新型沥青材料。,乳化沥青,乳化沥青是将热熔沥青，经强力机械作用使其分散成沥青微滴，并分散在含有表面活性物质的水溶液中，所构成的稳定乳状液。,乳化沥青的应用,乳化沥青的一般组分含量为：沥青50%60%，含有乳化剂、稳定剂的水溶液40%50%；其中乳化剂等的掺量约为1%3%。1、在0以上任意温度下可流动，宜于涂刷和喷涂2、采用乳化沥青粘结防水卷材做防水层。3
12、、乳化沥青可以与湿骨料混合，用于铺筑坝面、渠道、路面等,（三）填充法,1 矿物填充料改性沥青为了提高沥青的粘性和温度稳定性，常在沥青中加入一定数量的矿物填充料。,矿物填充料的种类1）滑石粉。由滑石经粉碎、筛选而制得的。亲油性好，易被沥青润湿，可提高沥青的机械强度和抗老化性能。2）石灰石粉。由天然石灰石粉碎、筛选而制成。亲水性较弱，与沥青有较强的物理吸附和化学吸附力。3）云母粉。由天然云母矿粉碎、筛选而成。多覆于沥青材料表面。用于屋面防护层时有反射作用，可降低表面温度，防止老化，延长沥青使用寿命。,4）石棉粉。由低级石棉经加工而成。内部有很多微孔，吸油量大，掺入沥青后可提高抗拉强度和温度稳定性。
13、此外，可用作沥青矿物掺和料的还有白云石粉、磨细砂、粉煤灰、水泥、硅藻土等。,（）矿物填充料的作用机理,由于沥青对矿物填充料表面的润湿和吸附作用，在填充料颗粒表面形成了沥青质含量较多的结合力牢固沥青薄膜，称为结构沥青膜结构沥青具有较高的粘性和大气稳定性当矿物填充料的掺量适当时，沥青混合料的粘结力及耐老化性能得到改善 矿物填充料越细，物理吸附和化学吸附作用越强，形成结构沥青越多。,以沥青为胶凝材料与级配合适的矿物质材料拌和均匀配制成沥青混合料，经铺筑、成型后则成为沥青混凝土。主要用于铺路、水工防渗及建筑防水。,7.4 沥青混凝土,沥青混凝土可按不同的用途，不同的施工方法和孔隙率的大小分类。（1）按
14、用途可划分为道路沥青混凝土和水工沥青混凝土等。（2）按孔隙率的大小可分为密级配沥青混凝土、开级配沥青混凝土和沥青碎石。（3）按施工方法可分为碾压式沥青混凝土和浇筑式沥青混凝土。,沥青混凝土的应用,沥青混凝土是高级公路最主要的路面材料，路面不需设置施工缝和伸缩，施工方便，速度快，路面平整。它也是水利工程一种主要的防渗和防护材料，抗渗性好，变形能力大，工程量小，并能机械化作业。,（二）水工沥青砼的技术要求,水工沥青砼技术要求项目包括：1、抗渗性 2、稳定性 3、柔 性 4、耐久性 5、和易性,1、抗渗性,沥青砼的抗渗性用渗透系数来评定。（1）面层防渗用密级配沥青砼，渗透系数 K=10-610-9m
15、m/s（2）排水层开级配沥青砼，渗透系数 K=1.00.1mm/s,抗渗性的影响因素：矿料级配、沥青用量、沥青砼压实程度。可用孔隙率P来评判其抗渗性，PK关系如图713：当孔隙率，K10-6mm/s。抗渗性还随所受压力的增大而增大，一般实际抗渗性较测定的抗渗性大,2、稳定性,稳定性是指沥青砼在高温条件下及外荷长期作用下不发生严重变形或流淌的性质，又称高温稳定性。沥青砼的稳定性可用热稳定性系数、斜坡流淌值、马歇尔试验来评判。,（1）热稳定系数,热稳定系数越小，稳定性越好。,（2）斜坡流淌值将100mm63mm的试件置于与坝面坡度相同的斜坡上（一般取1:1.7），在可能达到的最大温度下（一般为70
16、）保持48，测出距试件底部高度为50mm处的位移值（110mm）即为斜坡流淌值。,（3）马歇尔试验沥青混凝土稳定性还可用马歇尔试验的稳定度和流值作为评定指标。将101.6mm63.5mm的圆柱试件侧放在加荷压头内，试验机以505 mm/min的速率加荷，试件破坏时达到的最大荷载为稳定度（KN），试件达到最大荷载时所产生的变形为流值（1/10 mm）。,高稳定性沥青砼的选料：沥青：软化点较高，温度稳定性较好的沥青，用量适当；骨料：级配良好的碱性碎石；填充料适量，保证沥青混凝土有一定的孔隙率。当孔隙率，可使砼具有较好的稳定性,3、柔性（抗裂性）,沥青砼在自重或外力作用下抵抗开裂或断裂破坏的能力，称
17、为柔性。沥青砼的柔性一般用不同温度下梁的弯曲破坏试验来反映，用挠跨比和极限拉伸变形评定。,影响柔性的因素：1、沥青材料的性质：选用针入度较大、低温延伸度较大的沥青，软化点必须保证耐热性的要求。2、沥青用量：可在满足耐热性的前提下多用沥青，增加柔性。但是过多的沥青会使沥青混合料的温度变形随之增大，受温度影响而产生裂缝的可能性也要增加。,3、矿物质混合料的级配。连续级配细粒式沥青混合料的均匀性好，柔性也好4、填充料与沥青用量比值。一般应控制在1.5左右,4、耐久性,沥青砼在各种自然条件和使用条件下经久耐用的性质，称为耐久性。耐久性的影响因素：沥青材料的抗老化性；矿料与沥青材料的粘结力；沥青砼的孔隙
18、率。,水稳定性系数、残留稳定度越大耐久性越好，一般要求两者均0.85。,耐久性的评定指标：,5、和易性,沥青混合料的和易性是指其在拌和、运输、摊铺及压实过程中，与施工条件适应，既保证质量又便于施工的性能。沥青混合料的和易性的判断，大多在施工前进行现场铺筑试验来决定。,（三）水工沥青砼配合比设计,沥青砼配合比设计采用两参数法：（1）矿料级配（2）沥青最佳用量使之既满足技术要求又符合经济要求的原则。,2、矿料,矿料应质地坚硬、密实、清洁、不含过量的有害杂质，级配良好，与沥青材料有良好的粘结性。粘结力根据三方面评定：（1）粗骨料的粘结力（2）细骨料的水稳定性等级（3）填料的亲水系数,（）粗骨料的粘结
19、力将粗骨料表面用热熔沥青裹包，再悬挂于烧杯中煮沸3min，按图712及表78，将骨料粘结力分为5级。水工沥青粗骨料的粘结力要求不低于级。,（）细骨料的水稳定性等级 将裹覆沥青膜的细骨料放入不同浓度的碳酸钠溶液中煮沸1min，当剥落量不超过总量50时的溶液浓度，即为细骨料水稳定性等级。水工沥青砼细骨料的水稳定性不低于级。,（）填料的亲水系数将等量的填料分别放入水和煤油中，充分搅拌后让其沉淀，分别测出在水和油中填料的沉淀体积水、油。得亲水系数=水/油。水工沥青砼填料要求其亲水系数1。,1、骨料级配的确定,（1）骨料设计级配的选定按表选择一级配范围作为设计依据，在推荐的范围内选择几条设计级配曲线或通
20、过试验对比找出适宜的矿料级配。,（2）矿料合成级配的确定沥青混凝土的矿料，由粗、细骨料及矿物粉等几级按一定比例合成。矿料合成级配的确定，就是用图解法、解析法、试算法等方法，求得各种矿料的合成比例。使合成级配曲线与设计级配曲线尽量相近。试算法简便实用。,2、配合比初选试验,（1）沥青用量的初步选择 沥青混凝土的配合比，通常以矿料总量为100，沥青用量按其占矿料总量的百分率计。矿料的级配确定之后，沥青用量成为唯一的配比参数。为了确定沥青用量，对每一种级配的矿料选定个沥青用量。,（2）对选定34个沥青用量分别进行马歇尔试验，并测定沥青砼的表观密度和孔隙率，然后按设计技术要求指标确定一个或几个沥青用量作为初选配合比。,（3）配合比验证试验对初步选定的沥青用量，进行试验验证，各项技术指标如水稳定系数、热稳定系数或斜坡流淌值、渗透系数、柔性、强度、柔性等均能满足设计要求，则该用量即可确定为试验室配合比，否则须另选沥青用量进行验证。,（4）配合比现场铺筑试验沥青用量的最后确定，须进行现场铺筑试验进行检验，必要时作适当的调整，最终确定出施工配合比。,
