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1、第八章 沥青及沥青混合料,土木工程材 料,第一节沥青第二节沥青混合料,第一节 石油沥青,一、石油沥青,1、石油沥青的定义2、石油沥青的组成与结构3、石油沥青的技术性质4、石油沥青的牌号与应用5、石油沥青的调配与改性,1、石油沥青的定义：,石油原油经蒸馏等提炼出各种轻质油（如汽油、柴油等）及润滑油以后的残余物，或再经加工而得到的产品。是由多种极其复杂的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属衍生物所组成的混合物。分为建筑石油沥青、道路石油沥青和普通石油沥青三种。,2、石油沥青的组成与结构,（1）石油沥青的组分（2）石油沥青的结构,（1）石油沥青的组分,饱和分（油分）：是沥青中分子量最小和密度最小的组分
2、，呈淡黄色至红褐色的油状液体。赋予石油沥青以流动性。可溶于石油醚、二硫化碳、三氯甲烷、苯、四氯化碳和丙酮等有机溶剂，但不溶于酒精。胶质（树脂）：分子量比油分大，呈黄色至黑褐色的油状液体。大部分属于中性树脂，赋予沥青以粘结性、塑性和可流动性。可溶于三氯甲烷、苯、汽油等有机溶剂。地沥青质（沥青质）：分子量比树脂更大，呈深褐色至黑色固态无定形体（固体粉末）。决定石油沥青温度敏感性、粘性。可溶于三氯甲烷、二硫化碳等有机溶剂，染色力强，对光的敏感性强，感光后不溶。,（2）石油沥青的结构,溶胶结构：饱和分和胶质数量较多。沥青质较少流动性、塑性较好，温度敏感性大。凝胶结构：沥青质含量适当，并有较多的胶质分作
3、为保护物质时。弹性、粘性较好，温度敏感性小。溶-凝胶结构：介于两者之间。,溶胶结构,凝胶结构,粘性：粘性是指沥青材料在外力的作用下，沥青粒子产生相互位移时抵抗变形的能力。一般采用针入度表示。,3、石油沥青的技术性质,（1）防水性（2）粘滞性（3）塑性（4）温度敏感性（5）大气稳定性,针入度是在温度为25摄氏度时，以负重100克的标准真，经5秒沉入试样中的深度，每深1/10毫米，定为1度。,针入度的测定,针入度,粘滞度的测定,3、石油沥青的技术性质,（1）防水性（2）粘性（3）塑性（4）温度敏感性（5）大气稳定性,塑性：是指石油沥青在外力作用下，产生变形而不破坏，除去外力后，仍保持变形后的形状的
4、性质。用延度表示。,延度是将沥青试样制成8字形标准试件，在规定温度的水中，以5cm/min的速度拉伸至试件断裂时的伸长值，以cm为单位,延度的测定,延伸度,断裂,3、石油沥青的技术性质,（1）防水性（2）粘性（3）塑性（4）温度敏感性（5）大气稳定性,温度敏感性：是指石油沥青的粘性和塑性随温度升降而变化的性能。用温度软化点表示。,软化点的测定,3、石油沥青的技术性质,（1）防水性（2）粘性（3）塑性（4）温度敏感性（5）大气稳定性,大气稳定性：是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素的长期综合作用下抵抗老化的性能。老化：石油沥青随着时间的进展，而流动性和塑性逐渐减少，硬脆性逐渐增大，直至脆裂。
5、用蒸发损失、蒸发针入度表示。,4、石油沥青的牌号与应用,三大指标：针入度、延度、软化点，其中针入度是划分牌号的主要依据。牌号越高，针入度越大(越软），延度越大（塑性越好），软化点越低（耐热性越差）。（参见书本表11-2）选用的原则：在满足设计要求的条件下，牌号越大越好。,5、沥青的调配与改性,（1）、沥青的调配,式中1较软石油沥青用量（）；2较硬石油沥青用量（）；掺配后的石油沥青软化点（）；1较软石油沥青软化点（）；2较硬石油沥青软化点（）。,5、沥青的调配与改性,（2）、沥青的改性 随着科学技术的发展，石油沥青的性能已不能完全满足社会发展要求。为此要对其进行改性，以满足工程对沥青基材料更高的
6、性能要求。,改性沥青应具有以下的特性：1、在低温条件下有一定的弹性和塑性。2、在高温条件下要有足够的强度和稳定性。3、在加工和使用条件下具有抗“老化”能力。4、与各种矿物和结构表面有较强的粘附力。5、对构件变形的适应性和耐疲劳性。通常以橡胶、树脂等作为石油沥青的改性材料。,我国目前使用的聚合物改性剂主要有SBS(属热塑性橡胶类)、SBR(属橡胶类)、EVA及PE(热塑性树脂类)三类。I类(SBS热塑性橡胶类)聚合物改性沥青中IA型及I 一B型适用于寒冷地区，IC型适用于较热地区，ID型适用于炎热地区及重交通量路段。类(SBR橡胶类)聚合物改性沥青中一A适用于寒冷地区，一B和一C适用于较热地区。
7、类聚合物改性沥青，如乙烯一醋酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯(PE)改性沥青，适用于较热和炎热地区。通常要求软化点温度比最高月使用温度的最大空气温度高20左右。,8.2 沥青混合料一、概述(一)定义沥青混合料是由矿料（如碎石、石屑、砂等）与沥青拌和而成的混合料的总称。1、沥青混凝土混合料：由适当比例的粗集料、细集料及填料组成的符合规定级配的矿料，与沥青结合料拌和而制成的符合技术标准的沥青混合料，简称AC。2、沥青碎石混合料：由适当比例的粗集料、细集料及填料（或不加填料）与沥青拌和的沥青混合料（压实后剩余空隙率大于10的沥青混合料），简称AM。,(二)沥青混合料的特点优点 1.沥青混合料是弹塑性粘性材
8、料，具有一定的高温稳定性和低温抗裂性。2.沥青混合料路面有一定的粗糙度，行车比较安全。3.施工方便，速度快，养护期短。4.沥青混合料路面可分期改造和再生利用。缺点 易老化引起路面破坏；温度稳定性差，夏季高温时易软化；冬季低温时易脆裂。,(三)沥青混合料的分类1、按胶凝材料分：石油沥青混合料、煤沥青改性沥青和乳化沥青混合料。2、按矿料最大粒径可分为以下几种：(1)特粗式粒径37.5mm。(2)粗粒式最大粒径为26.5mm或31.5mm。一般用于高级路面的基层，双层式沥青面层的下层。(3)中粒式最大粒径为16mm或19mm，一般用于路面的面层或双层式沥青面层的下层。,(4)细粒式最大粒径为9.5m
9、m或13.2mm。一般用于双层式沥青路面面层。(5)砂粒式最大粒径等于或小于4.75mm，也称为沥青石屑或沥青砂。一般用于高级路面上的磨耗层。3、按矿质材料的级配类型分：连续级配沥青混合料和间断级配沥青混合料。,连续级配的沥青混合料按其密实度分为：密级配、半开级配、开级配。密级配各种粒径的颗粒级配连续、相互嵌挤密实的矿料与沥青结合料拌和而成，压实后剩余空隙率小于10的沥青混合料。剩余空隙率在36（行人道路为26）的为I型密实式沥青混凝土混合料；剩余空隙率在410的为II型半密实式沥青混凝土混合科。,(2)半开级配沥青混合料由适当比例的粗集料、细集料及少量填料（或不加填料）与沥青结合料拌和而成，
10、压实后剩余空隙率在 10以上的半开式沥青混合料，也称沥青碎石混合料（以AM表示，采用圆孔筛时用LS表示）。(3)开级配沥青混合料矿料级配主要由粗集料组成，细集料较少，矿料相互拨开，压实后空隙率大于15的开式沥青混合料。4、按沥青混合料施工温度分：热拌热铺沥青混合料、热拌冷铺和冷拌冷铺沥青混合料。,二、热拌沥青混合料是经人工组配的矿质混合料与粘稠沥青在专门设备中加热拌和而成，保温运输至施工现场，并在热态下进行摊铺和压实的混合料。(一)沥青混合料的组成结构和影响强度因素1、沥青混合料的组成结构级配良好的矿质骨料（粗集料、细集料、矿粉）、最佳用量的沥青胶结物、外掺材料所构成的具有空间网络结构的一种多
11、相分散体系,(1)悬浮一密实结构是指矿质集料由大到小组成连续型密级配的混合料结构，混合料中粗集料数量较少，细集料的数量较多。特点：粘聚力较大，内摩阻角较小，密实度较高，但高温稳定性较差。应用：双层或三层结构的沥青路面，其中至少必须有一层1型密级配沥青混合料。对干燥地区的高等级公路，也可采用这种结构的沥青混合料做表层。,(2)骨架一间隙结构是指矿质集料属于连续型开级配的混合料结构，矿质集料中粗集科较多，粗集料互相靠拢可形成矿质骨架，细集料较少。特点：空隙率大，耐久性差，沥青与矿料的粘聚力差，热稳定性较好，其强度主要取决于内摩阻角。当沥青路面采用这种形 式的沥青混合料时，沥青面层下必须作下封层。,
12、(3)骨架一密实结构间断型密级配的沥青混合料既有一定数量的粗集料形成骨架结构，又有足够的细集料填充到粗骨料之间的空隙中去。特点：较高的粘聚力和内摩阻角，结构的密实度、强度、稳定性都比较好。理想型。,2、影响沥青混合料强度的因素路面破坏的主要原因：高温时抗剪强度不足或塑性变形过剩而产生推及低温时抗拉强度不足或变形能力较差而产生裂缝。沥青混合料的三轴试验表明：沥青混合料的抗剪强度主要取决于粘聚力c和内摩擦角（）。,(1)影响沥青混合料内摩擦角的因素 表面粗糙、有一定棱角的非针片状大粒径骨料有较大的内摩擦角；在连续型开级配中，粗集料的数量较多，形成一定的骨架结构，内摩擦角也较大；沥青含量越少，矿料表
13、面形成的沥青膜越薄，内摩擦角越大。(2)影响沥青混合料粘聚力的因素沥青的粘度越大，抵抗剪切变形能力越强，混合料的粘聚力就越大。同时，沥青的粘度随温度升高而降低，混合料的粘聚力也明显降低。,(二)沥青混合料的技术性质1、高温稳定性定义：是指混合料在高温（通常为60t）条件下，经车辆荷载长期重复作用后，不产生车撤和波浪等病害的性能。规定：采用马歇尔稳定度试验（包括稳定度、流值、马歇尔模数）来评价沥青混合料高温稳定性，对于高速公路、一级；路、城市快速路、主干路用沥青混合料，还应通过动稳定度试验检验其抗车辙能力。,马歇尔稳定度的试验方法，目前普遍是测定马歇尔稳定度（MS）、流值（FL）和马歇尔模数（T
14、）三项指标。马歇尔稳定度是指标准尺寸试件在规定温度和加荷速度下，在马歇尔仪中所能承受的最大破坏荷载（kN）；流值是达到最大破坏荷重时试件的垂直变形（以0.lmm计）；而马歇尔模数为稳定度除以流值的商，即,式中：T马歇尔模数(kNmm）；MS稳定度(kN）；FL流值（0.lmm）。马歇尔模数愈大，车辙深度愈小，高温稳定性好。(2)车辙试验动稳定度：按标准成型方法，制成 300mm 300mm 50mm的沥青混合料试件，在60的温度条件下，以一定荷载的轮子在同一轨迹上作一定时间的反复行走，形成一定的车辙深度，然后计算变形进入稳定期后每产生lmm轮辙试验轮行车的次数，即为动稳定度。,我国现行国标沥青
15、路面施工及验收（GB5009296）规定：用于上面层、中面层沥青混凝土混合料60、轮压0.7MPa条件下进行车辙试验时的动稳定度，高速公路和城市快速路不应小于800次mm；对一级公路、城市主干路不应小于600次mm。影响沥青混合料高温稳定性的主要因素有沥青的用量、沥青的粘度、矿料的级配、矿料的尺寸、形状等。,2、低温抗裂性 沥青混合料不仅应具备高温稳定性，还要具有低温抗裂性，以保证在冬季低温时不产生裂缝。沥青混合料的低温裂缝是由混合料的低温脆化、低温缩裂和温度疲劳引起的。在混合料组成设计中，应选用稠度较低、温度敏感性低、抗老化能力强的沥青。,3、耐久性定义：在外界各种因素的长期作用下，能基本保
16、持原有性能而不出现剥落和松散等损坏的的性质。沥青路面的使用寿命与沥青含量有很大关系。当沥青用量较最终使用量少0.5的混合料能使路面使用寿命减少一半以上。我国现行规范来用空隙率、饱和度（即沥青填隙率）和残留稳定度等指标来表征沥青混合料的耐久性。,4、抗滑性沥青混合料路面的抗滑性与矿质集料的微表面性质、混合料的级配组成以及沥青用量等因素有关。抗滑措施：选择硬质有棱角的矿料，骨料的颗粒适当大些，沥青用量少些，严格控制沥青中含蜡量。,沥青用量超过最佳用量的0.5，即可使抗滑系数明显降低。，含蜡量应不大于3，在沥青来源确有困难时对下面层路面可放宽至45。表示路面抗滑性的指标有路面摩擦系数和构造深度。摩擦
17、系数和构造深度越大，路面的抗滑性就 越好。,5、施工和易性影响混合料施工和易性的主要因素是矿料级配和沥青用量。例如：粗细粒料的颗粒大小不宜相距过大，；细料不宜太少，沥青层就不容易均匀的留在粗颗粒表面；细颗粒材料不宜过多，则使拌和困难。沥青用量不宜过少，矿粉用量不宜过多，否则混合料容易产生疏松，不易压实；反之，则容易使混合料粘结成块，不易摊铺。另外，气候、机械性能、施工能力等外部条件也会不同程度地影响施工和易性。,(四)沥青混合料的组成材料1、沥青在选择沥青材料时，要考虑交通量、气候条件、沥青混合料的类型及施工条件等因素。一般路面的上层宜用较稠的沥青，下层或联结层宜用较稀的沥青。,2、粗集料沥青
18、混合料的粗集料要求洁净、干燥、无风化、无杂质，并且具有足够的强度和耐磨性。沥青混合料用粗集料有碎石、破碎砾石、筛选砾石和钢渣等。对用于沥青表层的粗集料，应选用坚硬、耐磨、韧性好的碎石或破碎砾石。筛选砾石和钢渣只能用于三级或三级以下的公路，而且筛选砾石一般只适用于沥青路面的下层。钢渣应有6个月以上的存放期，并应经过试验合格后方可使用。,3、细集料拌制沥青混合料的细集料，可以用天然砂、人工砂或石屑。细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并且与沥青有良好的粘结力。4、矿粉矿粉是由石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石(憎水性石料)经磨制而成的，也可以由石灰、水泥、粉煤灰代替。矿粉要求洁净，干燥，与沥青有较好的粘
19、结性。矿粉的质量应符合表109的要求。,试验室配合比设计分为矿质混合料配合组成设计和沥青最佳用量确定。1.矿质混合料的配合组成设计 目的：选配一个具有足够密实度、并且有较高内摩阻力的矿质混合料。1)确定沥青混合料类型 沥青混合料的类型，根据道路等级、路面类型、所处的结构层位，按表选定。2)确定矿质混合料的级配范围 根据已确定的沥青混合料类型，查阅规范推荐的矿质混合料级配范围表，可确定所需的级配范围。,8.3 沥青混合料配合比设计,3)矿质混合料配合比例计算(1)组成材料的原始数据测定 根据现场取样，对粗集料、细集料和矿粉进行筛析试验，按筛析结果分别绘出各组成材料的筛分曲线。同时测出各组成材料的
20、相对密度。(2)计算组成材料的配合比 根据各组成材料的筛析试验资料，采用图解法或试算(电算)法，计算符合要求级配范围的各组成材料用量比例。(3)调整配合比 计算得的合成级配应根据下列要求作必要的配合比调整。一般情况，合成级配曲线尽量接近设计级配中限，尤其应使0.075mm、2.36mm和4.75mm筛孔的通过量尽量接近设计级配范围的中限；,对高速公路、一级公路、城市快速路、主干路等交通量大、轴载重的道路，宜偏向级配范围的下(粗)限。对一般道路、中小交通量或人行道路等宜偏向级配范围的上(细)限；合成级配曲线应接近连续的或合理的间断级配，但不应过多的犬牙交错。当经过再三调整，仍有两个以上的筛孔超出
21、级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新试验。2确定沥青混合料的最佳沥青用量OAC 1)制备试样101.6mm 63.5mm圆柱体试件的成型。(1)按确定的矿质混合料配合比，计算各种矿质材料的用量。(2)根据表推荐的沥青用量范围，按每0.5%变化制备,56组不同沥青用量马歇尔试件(或经验的沥青用量范围)，估计适宜的沥青用量(或油石比)。2)测定物理指标 为确定沥青混合料的沥青最佳用量，需测定沥青混合料的物理指标。视密度 可用水中重法、表干法、体积法或封蜡法等方法测定。ma-mw s=-w ma s试件的视密度(gcm3)；ma干燥试件的空中质量(g)；,mw试件的水中质量(g)；w常温
22、水的密度，约等于1g/cm3。A、水中重法：仅适用于密实的I型沥青混凝土试件使用，但不适用于使用了吸水性大的集料的沥青混合料试件。-视密度B、表干法：适用于表面较粗但较密实的I型或型沥青混凝土试件使用，但不适用于吸水率大于2%的沥青混凝土试件。-毛体积密度C、蜡封法：凡吸水率大于2%的I型或型沥青混凝土试件及沥青碎石混合料试件，不能用水中重法或表干法测定时，应用蜡封法测定。-蜡封毛体积密度D、体积法：仅适用于空隙率沥青碎石混合料及大空隙透水性开级配沥青混合料试件。,理论密度 指压实沥青混合料试件全部为矿料(包括矿料内部孔隙)和沥青所组成(空隙率为零)的最大密度。A当试件的油石比(即沥青与矿料的
23、质量比)为Pa时，试件的理论密度按式下计算：100+Pa t=-B当试件的沥青含量(沥青质量占沥青混合料总质量的百分率)为Pb时，试件的理论密度t按下式计算：,t=t理论密度(gcm3)P1Pn各种矿料的配合比(矿料总和为=100)；P1Pn一各种矿料的配合比(矿料与沥青之和为+Pb=100)；r1rn各种矿料与水的相对密度 Pa油石比(沥青与矿料的质量比)()；,Pb沥青含量(沥青质量占沥青混合料总质量 的百分率)()；rb一沥青的相对密度(2525)试件的空隙率VV。取1位小数。指压实沥青混合料内矿料及沥青以外的空隙(不包括矿料自身内部的孔隙)的体积占试件总体积的百分率。VV试件的空隙率(
24、)；,试件的沥青体积百分率(VA)：指压实沥青混合料试件内沥青部分的体积占试件总体积的百分率。VA沥青混合料试件的沥青体积百分率()试件中的矿料间隙率VMA，取1位小数。指压实沥青混合料试件内矿料部分以外体积占试件总体积的百分率，即试件空隙率与沥青体积百分率之和。,VMA=VA+VVVMA沥青混合料试件的矿料间隙率()。试件的沥青饱和度VFA，取1位小数。VA+VV VFA=-VAVFA沥青混合料试件的沥青饱和度()。3)测定力学指标-马歇尔(1)马歇尔试件在恒温水槽中保温3040min，放入加载设备加载，由荷载测定装置读取的最大值为稳定度(MS)kN。,(2)流值：由流值计及位移传感器测定装
25、置读取的试件垂直变形(FL)0.1mm。(3)马歇尔模数 稳定度/流值4)马歇尔试验结果分析(1)绘制沥青用量与物理一力学指标关系图 以沥青用量为横坐标，以视密度、空隙率、饱和度、稳定度和流值为纵坐标，将试验结果绘制成沥青用量与各项指标的关系曲线(2)根据稳定度、密度和空隙率确定最佳沥青用量初始值(OAC1)从图中取相应于稳定度最大值的沥青用量a1，相应于密度最大值的沥青用量a2，和相应于规定空隙率范围的中值的沥青用量a3，求取三者的平均值作为,最佳沥青用量的初始值OAC1。OACl(a1+a2+a3)3(3)根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定沥青最佳用量初始值(OAC2)求出各指标符合沥
26、青混合料技术标准的沥青用量范围OACminOACmax，其中值为OAC2。OAC2(OACmin+OACmax)2(4)根据OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量(OAC)按最佳沥青用量的初始值OAC1在图中求取相应的各项指标值，检查其是否符合马歇尔设计配合比技术标准。检验VMA是否符合要求，如能符合时，由OAC1及OAC2综合决定最佳沥青用量OAC。如不能符合，应调整级配，,重新进行配合比设计马歇尔试验，直至各项指标均能符合要求为止。(5)根据气候条件和交通特性调整最佳沥青用量。对热区道路以及车辆渠化交通的高速公路、一级公路、城市快速路、主干路，预计有可能造成较大车辙的情况时，可以在中限值O
27、AC2与下限OACmin范围内决定，但一般不宜小于中限值OAC2的0.5。对寒区道路以及一般道路，最佳沥青用量可以在中限值OAC2与上限值OACmax范围内决定，但一般不宜大于中限值OAC2的0.3。5)水稳定性检验 按最佳沥青用量OAC制作马歇尔试件进行浸水马歇尔试验(或真空饱水马歇尔试验)。,(1)残留稳定度试验 标准试件在规定温度下浸水48h(或经真空饱水后，再浸水48h)，测定浸水残留稳定度。(2)水稳定性一残留稳定度指标校核 规范(GBJ9293)规定，I型沥青混凝土不低于75型沥青混凝土不低于70。6)抗车辙能力检验-动稳定度 规范(GBJ9293)规定，用于上面层、中面层的沥青混合料，在60时车辙试验的动稳定度，对高速公路、城市快速路宜不小于800次mm；对一级公路及城市干路宜不小于600次mm。,
