第九章 沥青与沥青混合料特性

1、第九章 沥青与沥青混合料特性 v第一节 概述 v第二节 沥青材料性能及试验 v第三节 沥青混合料性能试验 v第四节 沥青混合料配合比设计 v第五节 沥青与沥青混合料新技术 第一节 概述 v沥青混凝土是由沥青结料和集料胶结在一起组成的路面材料， 胶结料可以是普通沥青，也可以是改性沥青。 v一 沥青胶结料的性能 v温度敏感性；黏弹特性；老化特性。 v二 矿料的性能 v分类：天然集料和加工集料 v黏聚力和内摩擦角；抗剪强度；体积受力膨胀特性； 压碎面比例。 v三 沥青混合料的性能 v永久变形； v原因：一是作用在土基、底基层、基层和沥青表层的重复应 力较大，二是路面面层在重复荷载的作用下的累计变形。

2、 v疲劳开裂； v低温开裂。 v低温开裂主要是因为低温时路面的收缩变形引起。由于路面 收缩，路面内出现拉应力，在路面的特点位置，路面的拉应 力超过了材料的抗拉强度，路面就出现了开裂。一般路面的 低温开裂出现在温度的单一循环中，也有人认为是路面的温 度疲劳引起的。 第二节 沥青材料性能及试验 v沥青的化学组成方法 v三组分法：沥青质；树脂；油分（该方法特点是各组分界 限明确） v四组分法：饱和分；芳香分；胶质；沥青质（该方法特点 是试验速度快、组分与沥青结构关系密切，但试验操作要求 高） v五组分法：沥青质；氮基；第一酸性分；第二酸性分；链 烷分。 v沥青的胶体组成：溶胶、溶-凝胶、凝胶。 v优

3、质路用沥青应该是化学组分比例适当，含蜡量少，化学结 构环数多，胶体结构是溶-凝胶结构。 v沥青的技术性能 v1.黏性 v沥青分子黏聚性的表达式为： v2.黏附性 v测定方法：真空饱水马歇尔残留稳定度试验；静态浸水法； 水煮法；光电分光度。 v3.耐久性 v测定方法：室内加速老化试验；自然老化试验；薄膜烘箱试 验。 = 式中：剪应力 剪切变形速度 黏聚性 v4.感温性 v5.延性 v6.脆性 v一般用弗拉斯脆点仪量测。 v石油沥青基本试验 v1.针入度试验 v针入度试验用以测定沥青的稠度。试验是将一根已知荷重为 100g的规定尺寸的针，在固定温度25摄氏度及贯入时间为 5S的情况下，垂直地插入试

4、样。试针插入的深度以 dmm(0.1mm)为单位，即称针入度。 v2.软化点试验 v试验将沥青试样放在黄铜环内，上面放置3.5g的钢球；然后 浸悬于水或甘油中，试样软化点不超过80摄氏度可用水，试 v样软化点高于80摄氏度则用甘油。以每分钟5摄氏度的速度 加热，试样受热软化逐渐变形和钢球一起通过铜环往下沉。 当沥青和钢球接触到距离环以下25.4mm的底板时，记录水 的温度。本实验要重复做两次，把平均值作为记录。如果两 次测定值的差值超过1摄氏度，试验必须重做。所记录的温 度称为沥青的软化点。 v3.弗拉斯脆点试验 v弗拉斯脆点试验是把一块41mm20mm的钢片涂上一层 0.5mm厚的沥青薄膜，

5、使其缓慢地反复弯曲。钢片的温度按 每分钟1摄氏度的速度下降直到沥青达到出现裂纹的临界硬 度，试样开裂时的温度称为脆点。 v4.黏度 v黏度是沥青性能的基本特征，可用于鉴定它在已知温度和一 定温度范围内的性能。 动力黏度：动力粘度也被称为动态粘度、绝对粘度或简单粘度， 定义为应力与应变速率之比，其数值上等于面积为1相距 1m的两平板，以1m/s的速度作相对运动时，因之间存在的 流体互相作用所产生的内摩擦力。 运动粘度：运动黏度即流体的动力粘度与同温度下该流体密度 之比。单位为(m2)/s。用小写字母v表示。 沥青运动黏度与动力黏度可由下列公式转换： 5.温度敏感性-针入度指数 = 动 力 黏 度

6、 运 动 黏 度 质 量 密 度 1 1 lg lglg80020- 50 10 R B PAT K PPI AA T TPI 其中： v国外沥青指标体系 v1.SHPR沥青性能规范 v1987年美国国会的“地面运输和城市再布置援助法案 (STURAA)”正式通过并启动了美国公路战略研究计划 (SHRP)，这是一项5年产品为导向的重点在沥青、路面性能、 混凝土与结构和公路运输4个领域的研究计划。项目的目标 是为21世纪准备更好的公路技术，使公路更安全、更耐久。 因为在20世纪80年代末期公路的科研投入已跌入低谷，需要 有一个强有力的科研计划来促进产生重大的技术突破。 vSHRP计划于1993年

7、结束，沥青和路面性能两个领域取得了 丰硕的成果，作为沥青的主要研究成果，Superpave技术的 沥青性能规范和混合料设计均已被AASHTO采纳，已成为美 国沥青路面的常规实践。经过20年的长期观测，路面长期性 能数据库已为全世界公路工作者可以共同享用。 vSHRP沥青混合料设计方法分为级设计(混合料体积设计)、 级设计(中级路面性能的混合料设计)、级设计(高级路面 性能的混合料设计)。 v v2.加拿大沥青新标准 v加拿大著名学者Mcleod长期以来对沥青的性能做了深入的研 究，在以针入度指数PI作为温度敏感性的指标的基础上，又 提出了针入度黏度指数PVN指标。1990年8月终于形成了国 际

8、上第一个以温度敏感性为主要指标的沥青新标准。 v3.欧洲CEN沥青新标准 v继美国SHRP之后，欧洲也开始了他们的公路战略研究计划。 他们认为Superpave建立在路用性能基础的规范提出了一个 很好的方法，特别是对改性沥青。CEN技术委员会经过多次 修改，提出了一个仍然属于经验性的沥青结合料标准建议的 最终稿CEN12591，各项指标仍采用常规指标，并按稠度将 道路沥青分为3个类型。其中第一类为常用的道路沥青，以 25摄氏度针入度为分级指标，其2000年最终建议稿如下表 所示。 v接上表： v4.澳大利亚沥青标准 v澳大利亚自1970年起采用稠度作为沥青的分级指标，之后经 过多次修改，修改的

9、主要内容是结合工程提出主要的沥青指 v标，并进行深入研究，而不是照顾到全面，所以沥青分级很 简单，主要考察指标是60摄氏度和135摄氏度稠度、针入度、 闪点和老化。 v我国沥青指标 v我国道路石油沥青目前仍采用针入度指标对沥青进行等级划 分，沥青等级划分除了根据针入度的大小以外，还要以沥青 路面使用的气候条件为依据，在同一气候分区内根据道路等 级和交通特点，并根据我国的沥青使用和生产水平将沥青划 分为A、B、C三个不同的等级。道路石油沥青适用范围如下 表。 v在沥青性能评价指标中仍以传统的三大指标为主，同时加入 了针入度指数、60摄氏度黏度及10摄氏度延度等指标；在沥 青的选用上，提出了以公路

10、所在气候分区为标准的沥青选用 原则。 v v沥青的黏弹性分析 v1.黏性 v在交通荷载的作用下，随着车辆速度的增加，沥青黏结料 将提供更高的抵抗变形能力。相反，随着速度的降低，黏结 v料提供的抗变形能力将随之降低。静止荷载将使沥青黏结料 抵抗变形的能力处于最小状态。 v在抵抗变形期间，黏度的增加将有助于提高沥青黏结料抗 变形的能力。 v在较小的剪切位移内，位移将基本不影响稠度的数值。 v2.弹性 v在交通荷载的作用下，只要不是长时间的作用，则抵抗力会 使这些聚合物材料仍然恢复至初始状态，即材料不发生松弛 的情况。但在实际情况下，弹性对永久变形产生的作用远远 小于黏性，因此，一般情况下应不予考虑

11、。 v3.黏弹性 v改性沥青在体现沥青黏弹性特点中具有更好的代表性，随着 剪切位移的增加，稠度有继续增加的趋势，这说明改性沥青 的稠度是由黏性和弹性两个部分组成的，两者的叠加才是完 全的稠度。 第三节 沥青混合料性能及试验 v一 沥青混合料的应力-应变特性 v1.应力-应变关系 v通过沥青混合料三轴试验，在固定应力作用下，可得到应变 和应力作用时间的曲线。由曲线可知，沥青混合料在受力较 小时，特别是受荷时间短促时，基本处于弹性状态并兼有黏 弹性的性质。在应力足够大时，除有瞬时弹性应变和滞后弹 性应变而成为塑性应变。这说明沥青混合料受荷达到一定值， 特别是受荷时间又较长时，不仅出现弹性应变，而且

12、有随时 间而发展的塑性应变。 v2.劲度 v反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力 -应变关系的参数，称为劲度S，也即： v温度和加载时间对劲度影响的这一互换性，是沥青材料的一 个重要性质。利用这一性质，可以通过采用变换试验温度的 方法，把在有限时间范围内得到的试验结果扩大到很长的时 段。 , () , t T S t T 式中：加荷时间和温度 vVander Poel对47种不同流变类型的沥青材料在较宽的加载 时间和温度范围内做了大量试验，得出了能预估不同加荷时 间和温度下沥青劲度的诺模图（见书图9-24） v此图根据影响沥青劲度的三项参数查用： v1.加荷时间； v2.温度T

13、同沥青材料软化点SP的差值； v3.针入度指数，并由下式确定。 v注意：大部分道路用沥青的PI值变化在-1+1之间。PI越小， 沥青材料的温度敏感性越高。煤沥青的PI值可低至-3，比绝 大部分沥青更容易受到温度变化的影响。 1951.4500 lg20 50 lg120.14 p p PS PI PS v3.泊松比 v当温度低时，泊松比低；当温度高时，泊松比高，平均处于 0.250.50范围内，可根据面层的温度条件取用。 v二 沥青混凝土的疲劳特性 v试验方法和疲劳方程 v控制应力试验是在试验过程中保持荷载或应力值始终不变。 这时，由于试件内的微裂隙逐步扩展，材料的劲度也在不断 下降，因而荷载

14、或应力虽然未变，但应变量的增长速率还在 不断增大。控制应变是在试验过程中不断调节所施加的荷载 或应力，使应变量始终保持不变，由于在试验中材料的劲度 不断下降，维持相同应变量所需要的应力值也不断减小，因 而，在前一种试验中材料的疲劳破坏往往以试件出现断裂为 标志，而后一种试验并不出现明显的疲劳破坏现象，只有主 观地以劲度下降到初始劲度的某一百分率作为疲劳破坏的统 一标准。 v采用控制应力试验得到一回归方程来估计材料的疲劳寿命： v将控制应力值通过劲度转换成初始应变，以此代替应力坐标， 则不同试验温度下得到的疲劳曲线可以重合在一起，由此得： v采用控制应变的试验方法，也可以得到上述方程相似的疲劳

15、方程，但从几个不同试验温度下的疲劳曲线可以看出，它们 具有同控制应力试验相反的规律，即随着温度的升高，材料 的疲劳寿命反而增加。 v三 变形累计特性 1 f1 1 () C NK 2 f2 1 1 C NK v当沥青稠度较低、加载时间长或温度较高时，沥青混合料表 现为黏-弹-塑性体，应力重复作用下将会出现较大数量的累 计变形。 v试验方法：静态蠕变试验、三轴压缩试验。 v密实型沥青碎石混合料经受三轴试验的结果表面，塑性应变 量随重复作用次数而增加，温度越高，塑性应变累积量越大。 许多试验结果表面，在同一温度条件下，控制累计应变量是 总加荷时间，而不是重复作用次数，加荷频率以及应力循环 间的停歇

16、时间对累计应变-时间关系的影响都不大。 v影响因素：温度、作用应力大小、加荷时间、集料、压实方 法、侧限应力等。 四 强度特性 一、沥青混合料强度特性 表征沥青混合料的力学强度参数有：抗压强度、抗剪强度和 抗拉（包括弯拉）强度。 沥青路面破坏：1)拉裂，2)滑移开始而逐渐扩展 1.抗剪强度 摩尔强度理论，材料的抗剪强度包括摩擦阻力和粘结力两部 分组成 材料在外力作用下不产生剪切破坏条件为： c和 是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过直接剪 切试验，三轴试验或拉、压试验确定。 tgc tgc max 沥青混合料的抗剪强度不仅同矿料的级配组成、形状和表 面特性有关，也同沥青的粘度和用量有关，还与

17、试验温度、 加荷速率等因素有关。 粘结力取决于： (1)沥青的粘度：粘度越高（针入度越小）混合料受剪时的粘 滞阻力就越大，粘结力也越大 (2)沥青用量：用量过少时，不足以裹敷矿质颗粒；过多时， 沥青会将矿料挤开；都会使粘结力降低。存在最佳沥青用量， 使粘结力达到最大。 (3)温度和剪切速率：沥青的粘度受温度和应力作用时间影响 大。随温度升高和剪切速率的下降，混合料的粘结力下降 (4)细料：细料（特别是矿粉）含量增多，有棱角的集料增多， 矿粉同沥青的吸附性好等因素，有助于提高粘结力。 混合料中的矿质粒料因有沥青涂敷，其摩阻力比纯粒料 有所下降。沥青含量越多，摩擦角下降越甚。集料级配良好、 富有棱

18、角时，有助于增加摩擦角。 2.抗拉强度 抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供 直接拉伸试验：是将混合料制成圆柱形试件，试件两端粘结在 有球形铰结的金属盖帽上，通过安装在试件上的变形传感器， 测定试件在各级拉应力下的应变值。 间接拉伸试验即劈裂试验，是将混合料制成圆柱形试件， 直径为D，高度为h，试验时通过压条，沿直径方向按一定的速 率施加荷载，直至试件开裂破坏。 抗拉强度由下式计算确定： 沥青混合料在常温下，抗拉强度随沥青含量和加荷速率的 增加而增加，随针入度和温度的增加而下降 沥青混合料在负温下，抗拉强度随沥青针入度和温度的降低会 略有下降。 hD P t 2 3.抗弯拉强度 路面材料的

19、抗弯拉强度，大多通过简支梁试验进行评定。 梁截面边长的尺寸应不低于混合料中集料最大粒径的4倍。 通常采用三分点加载。材料的抗弯拉强度按下式计算： 沥青混合料的抗弯拉强度取决于所用材料的性质（沥青 性质、沥青用量、矿料性质、混合料的均匀性）及结构 破坏过程的加荷状况（重复次数、应力增长速度等）。 另外，计算时期的温度状况对抗弯拉强度有很大的影响。 2 bh Pl t 第四节 沥青混合料配合比设计 v与传统的配合比设计方法相比，我国现行的密集配沥青混凝 土配合比设计方法，明显加大了级配设计所占的比重，提出 了规范规定的级配范围、工程设计级配范围和施工质量检验 时允许波动的级配范围等一系列新概念而首

20、次在我国的沥青 混凝土配合比设计方法中引入了级配选择的概念。 v1.规范规定级配范围 v现行沥青路面施工技术规范中列举了密集配沥青混合料的级 配范围。这些级配范围适用于全国，适用于不同道路等级、 不同气候条件、不同交通条件、不同层次等情况，所以这个 范围必然只能规定得很宽。这样，可以给设计单位和工程建 v设单位有充分选择级配的自由。相比原规范直接为工程规定 一个级配范围，配合比设计时应尽可能接近中值的做法，现 行的级配选择方法是很大的改进。 v在对密集配沥青混凝土的规范规定级配范围进行选择时，除 了应确定混合料的公称最大粒径外，还应确定混合料粗细类 型如下表规范所示： v2.工程设计级配范围

21、v工程设计级配范围的选择，首先是确定采用粗型或细型的 混合料。 v为确保高温抗车辙能力，同时兼顾低温抗裂性的需要，配 合比设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量。 v确定各层的工程设计级配范围时应考虑不同层位的功能需 要，经组合设计的沥青路面应能满足耐久、稳定、密水、抗 滑等要求。还应充分考虑施工性能，使沥青混合料容易摊铺 和压实，避免造成严重的离析。 v为了便于施工控制，使施工现场的混合料性能尽可能地接 近室内设计结果，应根据公路等级和施工设备的控制水平， 规定工程设计级配的范围。 v3.试验设计级配曲线和设计目标级配 v在工程设计级配曲线范围内选择试验设计级配曲线时，通常 是在级配范

22、围内的上方、中值和下方选择，也即分别选择粗、 中、细不同的级配曲线；根据已有的经验，在选择试验 v在针对实际工程进行沥青混合料的配合比设计时，应根据环 境交通特点、原材料特点、结构及层位的特点以及设计理念 的总体要求等，有针对性地在工程设计级配范围内选择13 条级配曲线作为试验设计级配曲线。 v设计级配曲线时，可重点对9.5mm、4.75mm、2.36mm的通 过率进行控制，通过控制上述筛孔的通过率可有效调节混合 料的骨架特性和孔隙特性，从而配置出具有不同性能的混合 料。 v4.允许波动的级配范围和标准级配曲线 v由实验室内确定的设计目标级配，通常是一条级配曲线，在 实际施工过程中，由于原材料

23、的变化、施工设计的控制精度 及施工工艺的限制，实际铺筑到路面上的沥青混合料的级配 不可能严格遵从设计级配曲线，而是存在一定的波动。只要 级配的波动幅度能控制在一定范围之内，通常不会明显影响 路面质量。因此在施工后的质量检验和竣工验收中，只要检 v验其现场级配是否超出了允许波动的级配范围即可。 v应当指出，施工质量检验时允许波动的级配范围，并不是在 设计目标级配曲线的简单波动。设计目标级配曲线仅是室内 试验的结果，在实际生产时，还要有进行生产配合比设计和 生产配合比验证等重要阶段，各阶段均可对设计目标级配曲 线提出修正，经过修正的设计目标级配曲线可称为标准级配 曲线。只有经过试验路试拌、试铺验证

24、的标准级配曲线才能 被用于实体工程。 v综上所述，施工质量检验时允许波动的级配范围，应是在标 准级配曲线基础上的波动。 v二 最佳油石比的确定 v我国现象沥青混合料设计方法仍主要采用马歇尔设计方法， 即利用成型的马歇尔试件，测试其体积参数和马歇尔稳定度 及流值，确定适宜采用的级配和最佳油石比。 马歇尔试验马歇尔试验 1马歇尔试验技术标准马歇尔试验技术标准 2沥青混合料试件的制作温度（普通沥青混合沥青混合料试件的制作温度（普通沥青混合 料如缺乏粘温曲线时可参照规范执行，改性沥料如缺乏粘温曲线时可参照规范执行，改性沥 青混合料的成型温度在此基础上再提高青混合料的成型温度在此基础上再提高10-20）

25、 3确定矿料混合料体积参数确定矿料混合料体积参数 4取不同的油石比分别成型马歇尔试件取不同的油石比分别成型马歇尔试件 5测定沥青混合料试件的毛体积相对密度和吸测定沥青混合料试件的毛体积相对密度和吸 水率水率 6确定沥青混合料的最大理论相对密度确定沥青混合料的最大理论相对密度 7计算沥青混合料试件的体积指标计算沥青混合料试件的体积指标 8进行马歇尔试验，测定马歇尔稳定度及流值。进行马歇尔试验，测定马歇尔稳定度及流值。 热拌普通沥青混合料试件的制作温度（） 施工工序 石油沥青的标号 50号70号90号110号130号 沥青加热温 度 16017015516515016014515514015 0

26、矿料加热温 度 集料加热温度比沥青温度高1030(填料不加热) 沥青混合料 拌和温度 15017014516514016013515513015 0 试件击实成 型温度 14016013515513015012514512014 0 v沥青混合料的体积参数 1沥青混合料密度 沥青混合料的密度是指压实沥青混合料试件单位体积的质 量。 2沥青混合料的空隙率VV 式中： 沥青混合料试件的表观密度或毛体积密 度， ； v t沥青混合料试件理论最大密度， 。 100)1 ( t s VV s 3 g cm 3 g cm 3沥青混合料的沥青体积百分率VA 采用油石比计算： v采用沥青含量计算： v以上式中

27、： 沥青的相对密度； v 常温水的密度， 。 v 沥青混合料试件的表观密度, ； 4沥青混合料的矿料间隙率VMA 5沥青混合料的沥青饱和度VFA 或 100 )100( waa aa P P VA 100 wa ab P VA VVVAVMA 100 VMA VA VFA 100 VVVA VA VFA 3 g cm 3 g cm v v最佳油石比各类计算公式，如下表所示： v以油石比或沥青用量为横坐标，以马歇尔试验的各项指标为 纵坐标，将试验结果点入图中，连成圆滑的曲线，如下图所 示。 v配合比设计的不同阶段 v1.目标配合比设计阶段； v2.生产配合比设计阶段； v3.生产配合比验证阶段。 v密集配沥青混合料的路用性能要求 1高温稳定性：通过马歇尔稳定度试验方法和车辙试验法 进行测定和评价,（1）马歇尔试验稳定度指标 （2） 车辙试验动稳定度指标。 2低温抗裂性:沥青混合料应具备一定的低温抗裂性能，即 要求沥青混合料具有较高的低温强度或较大的低温变形能力。 3耐久性及水稳性 v4抗滑性:抗滑性是保障道路交通安全的一个很重要因素， 特别是行驶速度很高的高速公路及城市快速路，确保沥青路 面的抗滑性要求显得尤为重要。 5防渗能力