dA土工程材料教案

1、6.沥青和沥青混合料v6.1 沥青材料v6.2 沥青混合料学习目标：v掌握沥青材料的基本组成、工程性质及测定方法；了解主要沥青制品及其用途。v掌握沥青混合料配合比，包括矿质材料配合比的设计和配制；了解沥青混合料使用要点。6.1 沥青材料v6.1.1沥青的分类与基本组成结构v1.沥青的分类v沥青材料是由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属（氧、硫，氮）的衍生物所组成的混合物。v沥青材料按其在自然界中的获得方式可分为二大类：v（1）地沥青：天然沥青；石油沥青。v（2）焦油沥青：煤沥青；页岩沥青。v沥青主要用于道路工程以及防潮、防水、防腐蚀材料。 v2.沥青的基本组成结构v（1）

2、石油沥青的基本组成v石油沥青是由石油经蒸馏、吹氧、调和等工艺加工得到的残留物。公路工程沥青及混合料试验规程jtj052-2000规定有三组分和四组分两种分析法。v化学组分分析就是将沥青分离为几个化学性质相近，而且与路用性质有一定联系的组，这些组就称为“组分”。v1）三组分分析法v是将沥青分离为油分、树脂和沥青质等三组分。v油分赋予沥青以流动性，其含量直接影响沥青的柔软性、抗裂性及施工难度；树脂主要使沥青具塑性和粘性；沥青质决定沥青的粘结力、粘度和温度稳定性，以及沥青的硬度、软化点等。组分状态染色比密度分子量含量，%油分油状液体淡黄-红褐色小脂粘稠状物体黄-黑色略大于1

3、60010001530地沥青质无定形固体粉末深褐-黑色大于110001030v2）四组分分析法v是将沥青分离为饱和分、芳香分、胶质和沥青质等三组分。v沥青质和胶质分的含量高，其针人度值较小（稠度较高），软化点较高；饱和分含量高，其针人度值较大（稠度较低），软化点较低；芳香分含量，对针人度、软化点无影响，但极性芳香分含量高，对其粘附性有利；胶质分对其延度贡献较大。v3）石油沥青的胶体结构v胶体结构的形成：沥青的胶体结构是以沥青质为胶核，胶质分被吸附其表面，并逐渐向外扩散形成胶团，胶团再分散于芳香分和饱和分中。 v胶体结构类型：va.溶胶结构在路用性质上具有较好的自愈性和低温变形能力，但温度感应性

4、较差。vb.溶一凝胶结构在路用性能，在高温时具有较低的感温性，低温时又有较好的形变能力。vc.凝胶结构在路用性能上，具有较低的温度感应性，但低温变形能力较差。v（2）煤沥青的基本组成（略）v6.1.2沥青的主要性质及其测试方法v1.沥青的主要性质及测试方法v（1）粘滞性v石油沥青的粘滞性是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性。也可以说，它反映了沥青软硬、稀稠的程度。是划分沥青牌号的主要技术指标。 v液体石油沥青的粘滞性用粘滞度（也称标准粘度）指标表示，它表征了液体沥青在流动时的内部阻力；对于半固体或固体的石油沥青则用针入度指标表示，它反映了石油沥青抵抗剪切变形的能力。 v粘滞度是在规定温度

5、t（通常为20、25、30或60），规定直径d（为3mm、5mm或者10mm）的孔流出50沥青所需的时间秒数t。常用符号“ ”表示。粘滞度测定示意图见下图。v针入度是在规定温度25条件下，以规定100 g的标准针，在规定时间5s 内贯入试样中的深度（1/10mm为1度）表示。针入度测定示意图见下图。显然，针入度越大，表示沥青越软，粘度越小。v一般，地沥青质含量高，有适量的树脂和较少的油分时，石油沥青粘滞性大。温度升高，其粘性降低。 tcdtv（2）塑性v塑性是指石油沥青在外力作用时产生变形而不破坏，除去外力后仍保持变形后的形状不变的性质。v石油沥青的塑性用延度指标表示。沥青延度是把沥青试样制成

6、 字形标准试模（中间最小截面积为1）在规定的拉伸速度（5cm/min）和规定温度（25）下拉断时的伸长长度，以cm为单位。延度指标测定的示意图见下图。延度值愈大，表示沥青塑性愈好。v一般，沥青中油分和地沥青质适量，树脂含量越多，延度越大，塑性越好。温度升高，沥青的塑性随之增大。 v（3）温度敏感性v温度敏感性是指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能。v1）软化点v软化点是指沥青由固态转变为具有一定流动性膏体的温度，可采用环球法测定（见上图）。v沥青软化点不能太低，不然夏季易融化发软；但也不能太高，否则不易施工，并且品质太硬，冬季易发生脆裂现象。石油沥青温度敏感性与地沥青质含量和蜡含量密

7、切相关。地沥青质增多，温度敏感性降低。工程上往往用加入滑石粉、石灰石粉或其它矿物填料的方法来减小沥青的温度敏感性。沥青中含蜡量多时，其温度敏感性大。 v2）针入度指数v沥青针入度值的对数与温度具有线性关系：v则沥青的针入度指数pi可按下式计算：v按针人度指数可将沥青划分为三种胶体结构，即v针人度指数者为溶胶结构；v针入度指数者为凝胶结构；v针人度指数一十者为溶凝胶结构。takpplglgpppaapilglglg50150020v（4）大气稳定性v大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能。 v在大气因素的综合作用下，沥青中的低分子量组分会向高分子量组分转化

8、递变，即油分一树脂地沥青质。由于树脂向地沥青质转化的速度要比油分变为树脂的速度快得多，因此石油沥青会随时间进展而变硬变脆，亦即“老化”。v石油沥青的大气稳定性以沥青试样在加热蒸发前后的“蒸发损失百分率”和“蒸发后针入度比”来评定。其测定方法是：先测定沥青试样的质量及其针入度，然后将试样置于烘箱中，在160下加热蒸发5h，待冷却后再测定其质量和针入度，则 v蒸发损失百分率愈小，蒸发后针入度比愈大，则表示沥青大气稳定性愈好，亦即“老化“愈慢。v（5）其他性质v溶解度；闪点；燃点；防水性等。 v2.石油沥青的技术要求v（1）建筑石油沥青的标准与选用（表6-4）v（2）道路石油沥青的技术要求v1）中、

9、轻交通量道路石油沥青技术要求（表6-5） 按针入度划分为：a-200、a-180、a-140、a-100甲、a-100乙、a-60甲、a-60乙六个标号。v2）重交通量道路石油沥青技术要求（表6-6） 按针入度划分为：ah-130、ah-110、ah-90、ah-70、ah-50五个标号。v3）液体石油沥青技术要求v沥青路面施工及验收规范gb50092-96规定，依据凝结速度分为快凝al(r)、中凝al(m)和慢凝al(s)三个等级。v6.1.3沥青的掺配、改性及主要沥青制品v1.沥青的掺配v施工中，若采用一种沥青不能满足配制沥青胶所要求的软化点时，可用两种或三种沥青进行掺配。掺配要注意遵循同

10、源原则，即同属石油沥青或同属煤沥青（或煤焦油）的才可掺配。v两种沥青掺配的比例可用下式估算： v2.改性沥青 橡胶改性沥青；树脂改性沥青。v3.乳化沥青v4.沥青基制品v（1）冷底子油v冷底子油是用有机溶剂（汽油、柴油、煤油、苯等）与沥青溶合后制得的一种沥青溶液。它粘度小，具有良好的流动性。冷底子油涂刷在混凝土、砂浆或木材等基面上，能很快渗入基层也隙中，待溶剂挥发后，便与基面牢固。这一方面使基面呈憎水性，另一方面为粘结同类防水材料创造了有利条件。它在常温下使用，作为防水工程的底层,故称为冷底子油。v冷底子油应涂刷于干燥的基面上，通常要求水泥砂浆找平层的含水率 10%。 6.2沥青混合料v6.2

11、.1沥青混合料的分类及组成结构v（3）按沥青混合料级配分类v1）沥青混凝土混合料（ac；圆孔筛lh）v2）密级配沥青混凝土混合料vi型压实后剩余空隙率3%6%；vii型压实后剩余空隙率4%10%。v3）半开级配沥青混合料（am；圆孔筛ls）v压实后剩余空隙率10%。v4）开级配沥青混合料v压实后剩余空隙率15%。v5）间断级配沥青混合料t tgc r r r wwaasmmmsamamwwwfasmmmfmwwasmm,wpapcpasmmmmm/ )(pmcmpwasm,wbannatppppp 2211100tnpp 1n 1apbwwbbnntpppp 22111001npp bpnwb

12、t 1,100)1 (tsvvvvts100vmavavfavvvavmavfavmavavvwbasapva)100(100wbsapva,wbsbpvawbsbpva,6.2.3矿质混合料的配合比设计1.矿质混合料的级配理论v各种不同粒径的集料，按一定比例搭配，可达到较小的空隙率或较大的摩擦力。集料的级配有连续级配和间断级配两类。v级配理论主要有最大堆积密度理论和粒子干涉理论，常用的是最大堆积密度理论。（1）（富勒）.uller理论v富勒根据实验提出一种理想级配，认为：“级配曲线愈接近抛物线时，则其密度愈大”，因此，当级配曲线为抛物线时为最大密度曲线。 v 当粒径等于最大粒径时，矿质混合料

13、的通过率等于，则： kdp2ddp100t（）（泰波）.albal理论v 泰波认为富勒曲线是一种理想曲线，实际矿料的级配应允许有一定的波动范围，故将富勒最大密度曲线改为n次幂的通式，即 v从泰波公式可看出，当时为抛物线，即富勒曲线。根据试验认为.之间时，矿质混合料具有较好的密实度。v泰波理论可用来解决连续级配的级配范围问题，故具有很大的实用意义。 nddp 100（3）我国简化公式 v这种方法计算简单，从最大粒径d为100%开始，不断乘以 i 值即可得出后一级通过百分率。v直接应用计算所得数据可绘制级配曲线。1)(100 xip2.矿质混合料配合比设计方法v矿料配合比计算是让各种矿料以最佳比例

14、混合，从而加入沥青后，使沥青混凝土即密实，又有一定的空隙，供夏季沥青的膨胀。矿料配合比计算步骤如下： 1）根据道路等级、路面类型及所处的结构层等选择适用的沥青混合料类型；按表6-11确定矿料级配范围。 2）由各种矿料的筛分曲线计算配合比例，合成的矿料级配应符合表6-11规定。 （1）通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近设）通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近设计级配中限，尤其应使计级配中限，尤其应使0.075mm、2.36mm和和4.75mm筛孔的通过量尽量接近设计级配范围中筛孔的通过量尽量接近设计级配范围中限；限；（2）对交通量大、轴载重的公路，宜偏向级）对交通量大、轴载重的公路，宜偏向级配范围

15、的下（粗）限，对中小交通或人行道路等配范围的下（粗）限，对中小交通或人行道路等宜偏向级配范围的上（细）限；宜偏向级配范围的上（细）限；（3）合成级配曲线应接近连续或有合理的间）合成级配曲线应接近连续或有合理的间断级配，不得有过多的犬牙交错；当经过再三调断级配，不得有过多的犬牙交错；当经过再三调整，仍有两个以上的筛孔超出级配范围时，必须整，仍有两个以上的筛孔超出级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新设计。对原材料进行调整或更换原材料重新设计。例题矿料配合比图解法1.目标配合比设计（1）矿料配合比计算 矿料配合比计算是让各种矿料以最佳比例混合，从而加入沥青后，使沥青混凝土即密实，又有一定

16、的空隙，供夏季沥青的膨胀。 矿料配合比计算按上节步骤进行。6.2.4沥青混合料配合比设计 *沥青混合料配合比设计的任务就是通过确定粗集料、沥青混合料配合比设计的任务就是通过确定粗集料、细集料、矿粉和沥青之间的比例关系，使沥青混合料的各细集料、矿粉和沥青之间的比例关系，使沥青混合料的各项指标达到工程要求，让沥青混合料的强度、稳定性、耐项指标达到工程要求，让沥青混合料的强度、稳定性、耐久性、平整度等各项要求，在联系与矛盾中达到统一。久性、平整度等各项要求，在联系与矛盾中达到统一。 *沥青混合料配合比设计包括：目标配合比设计、生产沥青混合料配合比设计包括：目标配合比设计、生产配合比设计和生产配合比验

17、证等三个阶段。本节主要着重配合比设计和生产配合比验证等三个阶段。本节主要着重介绍试验室配合比设计。介绍试验室配合比设计。 *试验室配合比设计分为矿质混合料配合组成和沥青最试验室配合比设计分为矿质混合料配合组成和沥青最佳用量确定两部分。佳用量确定两部分。 （2）沥青最佳用量的确定 沥青最佳用量的确定可以通过理论计算得到，但误差沥青最佳用量的确定可以通过理论计算得到，但误差较大，故一般采用实验的方法求得。目前，我国采用马歇较大，故一般采用实验的方法求得。目前，我国采用马歇尔试验法来确定沥青最佳用量。其方法是：尔试验法来确定沥青最佳用量。其方法是：1）按所设计的矿料配合比配制五组矿质混合料，每组）按

18、所设计的矿料配合比配制五组矿质混合料，每组按规范推荐的沥青用量（或油石比）范围加入适量沥青，按规范推荐的沥青用量（或油石比）范围加入适量沥青，沥青用量按沥青用量按0.5间隔递增，拌和均匀，制成马歇尔试件。间隔递增，拌和均匀，制成马歇尔试件。2）根据集料吸水率大小和沥青混合料的类型采用合适）根据集料吸水率大小和沥青混合料的类型采用合适的方法，测出试件的实测密度，并计算理论密度、空隙率、的方法，测出试件的实测密度，并计算理论密度、空隙率、沥青饱和度等物理指标。沥青饱和度等物理指标。3）进行马歇尔试验，测定稳定度和流值这二个力学指）进行马歇尔试验，测定稳定度和流值这二个力学指标标 4）以沥青用量为横

19、坐标，以实测密度、空隙率、以沥青用量为横坐标，以实测密度、空隙率、饱和度、稳定度、流值为纵坐标，分别将试验结果点饱和度、稳定度、流值为纵坐标，分别将试验结果点入坐标中，沥青用量与这些指标之间连成关系曲线。入坐标中，沥青用量与这些指标之间连成关系曲线。 从图中取相应于密度最大值的沥青用量从图中取相应于密度最大值的沥青用量 ，相应，相应于稳定度最大值的沥青用量于稳定度最大值的沥青用量 ，相应于规定空隙率，相应于规定空隙率范围的中值的沥青用量范围的中值的沥青用量 。以三者平均值作为最佳。以三者平均值作为最佳沥青用量的初始值。沥青用量的初始值。 1a2a3a3/ )(3211aaaoac根据沥青混合料

20、马歇尔试验技术标准，确定各关系根据沥青混合料马歇尔试验技术标准，确定各关系曲线上沥青用量范围曲线上沥青用量范围 ，取各沥青用量范，取各沥青用量范围的共同部分，即为沥青最佳用量范围，求其中围的共同部分，即为沥青最佳用量范围，求其中值值 。maxminoacoac2oac2/)(maxmin2oacoacoac根据沥青混合料马歇尔试验技术标准，确定各关系根据沥青混合料马歇尔试验技术标准，确定各关系曲线上沥青用量范围曲线上沥青用量范围 ，取各沥青用量范，取各沥青用量范围的共同部分，即为沥青最佳用量范围，求其中围的共同部分，即为沥青最佳用量范围，求其中值值 。maxminoacoac2oac2/)(m

21、axmin2oacoacoac按最佳沥青用量初始值按最佳沥青用量初始值 ，在上述关系曲线中，在上述关系曲线中取相应的各项指标值，当各项指标值均符合马歇尔取相应的各项指标值，当各项指标值均符合马歇尔试验技术标准时，由试验技术标准时，由 和和 确定最佳沥确定最佳沥青用量，如不能符合规定时，应重新进行级配调整青用量，如不能符合规定时，应重新进行级配调整和计算，直至各项指标均符合要求。和计算，直至各项指标均符合要求。 1oac1oac2oac根据气候条件和实践经验，最佳沥青用量根据气候条件和实践经验，最佳沥青用量 的确的确定有下列三种情况。定有下列三种情况。（1）一般情况下，取）一般情况下，取 和和

22、的中值作为的中值作为最佳沥青用量。最佳沥青用量。（2）对热区公路以及车辆渠化交通的高速公路、一）对热区公路以及车辆渠化交通的高速公路、一级公路，预计有可能造成较大车辙的情况下，可在级公路，预计有可能造成较大车辙的情况下，可在 与与 范围内决定，但不宜小于范围内决定，但不宜小于 的的0.5。（3）对寒区公路及其它等级公路，可在）对寒区公路及其它等级公路，可在 与与 范围内决定，但不宜大于范围内决定，但不宜大于 的的0.3。 1oacoac2oacminoac2oacmaxoac2oac2oac2oac 5）按最佳沥青用量制作马歇尔试件，进行）按最佳沥青用量制作马歇尔试件，进行浸水马歇尔试验。当残留