沥青与沥青混合料

第二章沥青材料沥青：由高分子碳氢化合物及其非金属的衍生物组成的固体或半固体混合物，呈暗褐色至黑色，可溶于苯或二硫化碳等溶剂，是自然界种天然存在或从原油经蒸馏得到的残渣。天然沥青：地壳中的石油在各种自然因素作用下，经过轻质油分蒸发、氧化和缩聚等作用而形成的天然产物。石油沥青：石油经过各种炼制工艺加工而得到的产品。石油沥青的元素组成：碳、氢、氧、硫、氮。石油沥青化学成分的分析方法三组分分析法：将石油沥青分离为油分、树脂和沥青质三个组分。原理：将沥青在某一溶剂中沉淀出沥青质，再将可溶物用吸附剂吸附，最后再用不同溶剂抽提，分离出不同组分。方法：先用正庚烷沉淀沥青质，然后将溶于正庚烷中的可溶组分用硅胶吸附，装于抽提仪中，用正庚烷抽提油腊，苯乙醇抽提树脂。优点：组分界限较明确，组分含量能在一定程度上反映路用性能缺点：分析流程复杂，分析时间较长。四组分分析法：将沥青分离为饱和酚、芳香酚、胶质和沥青质四个组分。方法：用正庚烷沉淀沥青质，用氧化铝谱柱吸附可溶组分，正庚烷冲洗得饱和酚，用甲苯冲洗得芳香酚，甲苯乙醇冲洗得胶质。优点：按沥青中各化合物的化学组成结构分组，更能反映沥青的路用性能。石油沥青的胶体结构溶胶型结构：沥青质含量少，有一定数量芳香酚，胶团完全胶溶在由芳香酚和饱和酚组成的介质中，胶团可在分散介质许可范围内自由运动；完全服从牛顿流体，弹性效应可以忽略；路用性能：良好的自愈性和低温变形能力，温度敏感性较强。溶-凝胶型结构：沥青质含量适当，有较多的芳香度较高的胶质作为保护物质，胶团数量多，有一定吸引力；特点：处在变形初期，弹性效应明显，变形至某一数值后表现出一定程度的粘性流动；路用性能：高温时有较低的感温性，低温时有较好的变形能力。凝胶型结构：沥青质含量很高，有相当数量的芳香度高的胶质来形成胶团，浓度大，有很强的吸引力，形成空间网络结构。特点：施加荷载很小或者时间很短时，具有明显的弹性时效。沥青材料的性能粘滞性；延性和脆性；感温性；耐久性；安全性沥青粘度的表达方式：牛顿流型沥青粘度（溶胶型沥青或沥青在高温条件（施工温度）下，可视为牛顿流体。）设在两金属板中夹一层沥青：η（粘度）=τ(剪应力)/γ(剪变率)动力粘度：γ=“1”时，每单位面积所受的内摩擦力称为“动力粘度”。绝对粘度：采用长度，质量和时间等绝对单位表示的粘度称为“绝对粘度”运动粘度：沥青在某一温度下的动力粘度与同温度下沥青密度之比，称为“运动粘度”。νT=η/ρ(2)非牛顿流型沥青的粘度。当其处于路面的使用温度时，沥青均表现为粘弹性体，在不同的剪变率时表现不同的粘度，剪应力与剪变率呈非线性关系ηa（视粘度）=τ/γc（C为复合流动度系数）c=1.0为牛顿流型沥青，c<1.0表示非牛顿流型沥青，c值越小表示非牛顿性越强。沥青粘度测定方法绝对粘度测定方法沥青运动粘度采用毛细管法；沥青动力粘度采用减压毛细管法。真空减压毛细管法（通常为60。C，）（采用60。C的原因，夏天,地面是黑色的容易吸热,路表温度高达60摄氏度以上，直接关联沥青路面的抗车辙能力。）绝对粘度测定方法标准粘度计法：（测定液体石油沥青，煤沥青，乳化沥青）取液体状态下沥青在标准黏度计中，于规定的温度下，通过规定的流孔直径流出50ml体积所需的时间。（流孔3mm，4mm，5mm和10mm四种。）针入度法：（测定粘稠（固体，半固体）沥青稠度）沥青材料在规定温度条件下，以规定质量的标准针经过规定时间贯入沥青试样的深度。常用试验条件25度，100g，5s。针入度是测定稠度的指标，以0.1mm为单位计。反映了石油沥青抗剪切变形的能力。软化点：（沥青由固态溶化为液态时，没有敏锐的固化点或液化点，通常采用硬化点和滴落点来表示，称为软化点。）环球法测定。沥青达到规定条件粘度的温度18.9mm铜环、3.5g钢球、5度/min、25.4mm挠度的温度，称为软化点。反映沥青温度敏感性和条件粘度。延度：（延性是当其受到外力的拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力，通常以延度作为条件延性来表征。）8字形标准沥青试样（最小断面1cm2）,在规定拉伸速度和温度时的长度。反映沥青的延性。采用延度仪来测定。延度的影响因素：沥青的复合流动系数c值的减小，胶体结构发育成熟度的提高，含蜡量的增加以及饱和蜡和芳香蜡比例的提高，都会是延度值相对降低。旋转粘度计法：美国战略公路计划所提出，转子，旋转，保温层。三大指标：（针入度，延度，软化点）评价粘稠石油沥青路用性能的常用经验指标。脆性：沥青材料在低温时受到瞬间荷载的作用，通常表现为脆性破坏，一般采用弗拉斯脆点（0.4g,1。C/min）作为条件脆性的指标。延度为长度，脆点为温度沥青的感温性：针入度指数法，针入度指数（PI）值越大，表示沥青的感温性越低以前为-1—1之间，现在要求更高。针入度，软化点和沥青标号间的关系：针入度越大，沥青标号越高，比如70号沥青针入度是70,90号沥青针入度是90，气候不同选择的标号不同，南方标号低点，北方标号高点针入度越大，表示沥青越软，软化点低（二者呈非线性关系），高温性能随针入度增加而降低，低温性能反之沥青的耐久性：评价方法：（1）加热稳定性（热致老化）：对中轻交通量道路用石油沥青进行蒸发损失实验（采用163。C烘箱的原因。163。C为施工拌合温度，缺点：与空气接触面积太小，试样太厚，试验效果较差）。重交通量道路用石油沥青进行薄膜加热试验（TFOT）（采用“薄膜加热试验”的原因：模拟沥青和骨料拌合，路面的铺设）。/旋转薄膜烘箱试验（接触面积广，试验时间短，精度较高）。对液体沥青采用“蒸馏试验”。（2）耐久性（3）长期老化沥青劲度模量：反映沥青混合料在某一温度和某一加载时间条件下盈利和应变关系的模量第三章石料与集料天然砂石材料：天然岩石不经机械加工或经机械加工而得的材料统称为天然砂石材料。道路中常用的成岩矿物：石英，长石，云母，角闪石，方解石，白云石或黄铁矿。石料化学成分：氧化硅、氧化钙、氧化铁、三氧化二铝、氧化镁及少量氧化锰、三氧化硫。石灰岩中CaO较多而SiO2较少，花岗岩相反。石料的酸碱性：根据SiO2的含量划分，酸性石料（SiO2>65%特点：与沥青的粘性不好，强度高。)碱性石料（特点强度不高，分布很广SiO2<52%）中性石料（SiO2在52%~65%，强度比碱性石料高，粘附性比酸性石料好。）砂石材料物理性质：（1）真实密度：磨成粉，消去空隙（2）毛体积密度：采用空中质量Ma，水中质量Mw，饱和面干质量Mf：ρ=Ma/(Mf-Mw)(水的密度取1的时候)（3）孔隙率吸水率：标准大气压下分层逐渐加水。饱水率：真空抽气法。抗冻性：（1）直接冻融法（石头进行25次循环）（2）硫酸钠坚固性法（3）无条件的时候采用坚固性简易快速测定法抗冻性的评价；（1）外观：无剥落，裂缝，分层即掉角（2）质量损失率不大于5%（3）耐冻系数大于0.75砂石材料力学性质：1.单轴抗压强度（单轴受压，正方体，吸水饱和后加载）2.磨耗性（洛杉矶磨耗试验，适情况采用钢球数量）（狄法尔式磨耗试验，费时，费工）沥青与集料粘附性（沥青裹石料的抗水性即抗剥性）评价方法：水煮法（注意保持微沸，但不能有气泡上升，使得沥青剥离）集料包括：岩石、自然风化的砾石、砂及岩石经过人工轧制的各种尺寸的碎石，在混合料中起骨架和填充作用。集料的含税四态：含水湿润，饱和面干（湿毛巾轻擦后快速测量），气干（风干），完全干燥（105。C烘箱）集料的密度:（1）表观密度（静水天平法）（2）毛体积密度（3）饱和面干密度（4）堆积密度（5）沥青混凝土用粗集料捣实状态间隙率（6）含水率三种堆积密度：自然堆积密度，振实堆积密度（水泥混凝土振动成型中采用），捣实堆积密度（沥青混合料配合比设计中使用）矿料：为满足要求，将两种或者两种以上的集料配合使用，构成所谓的矿质混合料，简称矿料。集料的分类：规范上，一般粒径小于2.36mm的称为细集料，大于的称为粗集料。集料的力学性质压碎值（分三层，用标准的方法夯实，每层棒夯25次，碎石压碎值测定仪器，稳压5s后，通过2.36mm方筛孔）；磨光值（利用加速磨光机磨光集料，用摆式摩擦系数测定仪测定，磨光的时候适情况加入金刚砂，磨光值越高，抗滑性越好。）；冲击值（捣实杆，捣实25次，连续锤击15次，在2.5mm筛上筛分并称量）；道瑞磨耗值（道瑞试验）（采用道瑞磨耗实验机，该值以AAV表示，AAV越大，集料耐磨性越差，高速公路，一级公路抗滑层所用集料的AAV应不大于14。）集料级配：集料中不同尺寸粒径的比例，反映了集料中不同粒径颗粒的搭配情况集料的公称最大粒径：全部通过或允许少量不通过（一般允许筛余不超过10%）的最小标准筛孔尺寸。最大粒径：指的是粗集料公称粒级的上限—允许最大值。级配理论最大密度曲线理论：固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大、空隙最小的混合料。粒子干涉理论：为达到最大密度，前一级颗粒之间的空隙，应由次一级颗粒所填充；所余空隙又由再次一级小颗粒所填充。问题一：为什么粗集料质量要求中要控制针片状颗粒含量？针片状颗粒的承载能力比较差。第四章沥青混合料技术性质1、沥青混合料定义具有一定粘度和适当用量的沥青结合料与一定级配的矿质结合料经充分拌合而形成的混合料的总称。2、沥青混合料的分类按级配类型：连续级配和间断级配按矿料级配组成及空隙率大小：密级配（3%~5%）、半开级配（6%~12%）、开级配（不小于18%）沥青混合料按公称最大粒径：特粗式、粗粒式、中粒式、细粒式、砂砾式按制造工艺：热拌、冷拌、再生沥青混合料3、沥青混合料的组成结构表面理论：沥青混合料是由粗集料、细集料和填料经人工组配成密实的级配矿质骨架，稠度较稀的结合料分布在骨架表面，胶结成一个具有强度的整体。胶浆理论：多级空间网状结构分散系4、沥青混合料组成结构类型：悬浮密实结构：连续密级配，粘聚力高，内摩阻力小耐久性好，稳定性差骨架空隙结构：连续开级配，粘较低，内较大，稳定性较好，耐久性较差骨架密实结构：间断密级配，粘内均较高，稳定性和耐久性好，施工和易性差强度理论：沥青性质；矿质混合料级配、颗粒形状和表面特性；矿质与沥青的交互作用能力；矿料比表面积；沥青用量；温度和变形速率6、沥青混合料的技术性质高温稳定性；低温抗裂性；抗滑性；施工和易性高温稳定性沥青混合料在高温条件下能够抵抗车辆荷载的反复作用，不发生显著永久变形，保证路面平整度的特性。评价方法：无侧限抗压强度法；马歇尔试验（稳定度和流值）；车辙试验（动稳定度）以车辙试验的动稳定度指标进行评价：失稳型车辙（最为严重，内部材料流动，产生横向位移）结构型车辙（路基变形）磨耗型车辙高温稳定性的影响因素①矿料性质的影响：采用粗糙、多棱角接近正方体的碎石集料，有利于增强高温稳定性；某些矿质材料能和沥青发生吸附反映，提高混合料的抗变形能力。②矿料级配的影响：良好的沥青碎石比一般的沥青砂产生塑性变形小，因此抗剪强度较高。③矿粉的影响：矿粉具有最大的比表面积，能显著影响沥青混合料的耐热性能。④沥青粘度的影响：高温粘度越大，与集料粘附行就越好，相应沥青混合料抗高温变形能力就越强。⑤沥青用量的影响：用量的影响可能超过沥青本身特性的影响。⑥沥青混合料剩余空隙率和矿料间隙率的影响：过大多小都会对路用性能产生不良影响。⑦荷载大小、作用次数⑧环境条件⑨压实方法8、低温开裂的三种形式面层低温缩裂；温度疲劳裂缝；反射裂缝9、低温抗裂性影响因素沥青性质；沥青混合料组成；环境影响；路面结构几何尺寸第五章矿质混合料组成设计一、组成材料的技术要求沥青：随条件、交通性质、沥青混合料类型和施工条件而异粗集料：洁净、干燥，表面粗糙，无风化，不含杂质细集料：洁净、干燥，无风化，无杂质填料：石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉，除掉原石料中的泥土杂质，矿粉应干燥、洁净，能自由从矿粉仓流出二、矿质混合料的组成设计确定沥青混合料类型确定矿质混合料级配范围矿质混合料配合比例计算三、图解法设计矿质混合料级配的步骤绘制级配曲线坐标图确定各种集料用量校核四、如何测定沥青最佳用量制备试样测定物理指标测定力学指标（马歇尔稳定度、流值、马歇尔模数）马歇尔试验结果分析沥青混合料性能检验（高温稳定性、水稳定性、残留稳定度）第六章流变学蠕变：当应力为固定值时，应变随时间逐渐增加的现象松弛：当应变为固定值时，应力随时间逐渐衰减的现象第七章聚合物改性沥青改性沥青：为改善普通沥青物理、力学性能，在其中添加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂。特点：优良的高温稳定性、较好的低温抗裂和抗反射裂缝的能力、粘结力及抗水损害能力强、使用寿命长分类（改性剂品种）：无机填料类、橡胶类、热塑性树脂类、热塑性弹性体相容性：聚合物改性剂以微细的颗粒与基质沥青发生反应或均匀稳定的分散在基质沥青中而不发生分层、凝聚或离析等现象。改性剂条件：与沥青相容；沥青混合温度下能抵抗分解；易加工和批量生产；使用时保持原有优良性能；经济合理，不显著增加造价选择沥青的原则：相容性；高标号改性沥青的生产方法：预混法、直接投入法母体法（二次掺配法）先加工制备成高剂量聚合物改性沥青母体，再在现场把改性沥青母体和基质沥青掺配调成要求剂量的改性沥青制备改性沥青母体：溶剂法、混炼法溶剂法：固体丁苯橡胶切成薄片，用溶剂使其变成微粒，液态与熟沥青共混，回收溶剂，制成高浓度SBR改性沥青母体；人工切碎母体，投入热态沥青，搅拌混合均匀第八章配合比设计方法材料选择沥青胶结料等级的确定：①设计温度确定：地理区域、路面温度、气温②根据路面温度选择胶结料等级③根据交通速率和荷载调整集料的选择：①粗集料棱角②细集料棱角③粗集料的扁平和细长颗粒④粘土含量⑤坚固性⑥安定性⑦有害物质级配：0.45次方级配图、纵坐标通过百分率、横坐标筛孔尺寸0.45次方最大尺寸：大于公称最大尺寸的筛孔尺寸公称最大尺寸：大于第一级筛，筛余多余10%的筛孔尺寸最大密实级配：集料颗粒以最密实的可能排列配合在一起的级配采用控制点和一个限制区规定集料级配控制点：公称最大筛、一个中等筛2.36和最小筛0.075=级配通过的主要区域限制区：在最大密度级配线中等筛和0.3mm之间，又称驼峰级配设计集料的结构试件体积特性计算试件的制备与压实：superpave旋转压实机150*115试件压实：设计旋转压实次数N d（空隙率4%），最大旋转压实次数Nm（混合料密度小于最大理论密度98%或空隙率大于2%的最大旋转压实次数）Ni（<89%）确定设计沥青用量评价基础：Pb、Pb-0.5%、Pb+0.5%、Pb+1%成型4种试件选择相应于空隙率为4%的沥青用量水敏感性评价体积设计法级配设计理论的基本假设：基本颗粒为规则的球体；各分级颗粒粒径相等堆积理论和间断级配理论体积法设计理论思路：实测主骨架矿料的空隙率，计算其空隙体积，使细集料体积、沥青体积和混合料设计空隙体积的总和等于主骨架的空隙体积，从而确定细集料用量和沥青用量。贝雷法：依据平面圆模型设计原理：细集料体积数量等于粗集料空隙体积第九章沥青混合料的其他性能疲劳性：路面试用期间长期经受车轮荷载的反复作用，长期处以应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。疲劳性能评价方法：①实际路面在真实汽车荷载下的疲劳破坏试验②路面结构在模拟汽车荷载作用下③试板试验法④试验室小型试件疲劳性能影响因素荷载条件：荷载历史、加载频率、施加应力或应变波普形式、荷载间歇时间、试验方法和时间形状材料性质：混合料劲度、沥青用量、沥青种类稠度、空隙率、集料表面形状环境条件：温度、湿度耐老化性：沥青混合料抵抗由于各种因素作用逐渐丧失变形能力、柔韧性等各种良好品质的能力。影响因素：沥青性质、沥青用量、沥青混合料的残留空隙率、施工工艺。自然因素的强烈程度评价方法短期老化：烘箱加热、延时拌合、微波加热长期老化：加压氧化法、延时烘箱加热、红外线紫外线处理法提高耐老化性的措施在保证正常拌合条件下采用较低的拌合温度；缩短沥青高温保存时间；缩短运输时间，减少混合料和空气接触第十一章新型沥青材料定义：沥青玛蹄脂碎石混合料是由沥青结合料与少量纤维稳定剂、细集料以及较多的填料（矿粉）组成的沥青玛蹄脂，填充于间断级配的粗集料骨架的间隙中，组成一体形成的沥青混合料。SMA混合料的结构组成特点：三多一少粗集料用量多，细集料用量少，间断级配；2、矿粉用量多（8%~13%0.075筛通过率高达10%，粉胶比远远大于1.2）；3、使用纤维作为增强剂（木0.3%~0.4%矿0.4%~0.6%）；沥青结合料用量多（比普通高1%）SMA混合料的路用性能优良的高温稳定性：粗集料碎石间相互嵌挤形成骨架结构，提高混合料抵抗荷载变形能力，路面能承受较大荷载不易变形，平整度，高温抗车辙；良好的低温抗裂性：沥青