第十三章-沥青路面课件

路基路面工程第十三章沥青路面第一节概述一、沥青路面的基本特性沥青路面是用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建等优点。沥青路面属柔性路面，强度与稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性。（一）沥青混合料：由矿料与理清拌合而成的混合料总称。分类：(1)按结合料分类

①石油沥青混合料以石油沥青为结合料的沥青混合料（包括：粘稠石油沥青、乳化石油沥青及液体石油沥青）。

②煤沥青混合料以煤沥青为结合料的沥青混合料。(2)按施工温度分类

①热拌热铺沥青混合料简称热拌沥青混合料。沥青与矿料在热态拌和、热态铺筑的混合料。

②常温沥青混合料以乳化沥青或稀释沥青与矿料在常温状态下拌制、铺筑的混合料。二、沥青混合料及沥青路面的分类(3)按矿质集料级配类型分类

①连续级配沥青混合料：矿料是按级配原则，从大到小各级粒径都有，按比例相互搭配组成的混合料。

②间断级配沥青混合料：矿料中缺少一个或两个档次粒径的沥青混合料。(4)按混合料密实度分类

①密级配沥青混凝土混合料：各种粒径的颗粒级配连续、相互嵌挤密实的矿料与沥青拌合而成，粒径递减系数较小，压实后剩余空隙率小于10％。I型沥青混凝土混合料：剩余空隙率3％～6％；

II型沥青混凝土混合料：剩余空隙率4％～10％。

②开级配沥青混凝土混合料：矿料级配主要有粗集料组成，细集料较少，矿料相互拨开，粒径递减系数较大，压实后剩余空隙率大于18％。③半开级配沥青混合料：将剩余空隙率介于密级配和开级配之间的（即剩余空隙率6％～12％）混合料。(5)按最大粒径分类

①粗粒式沥青混合料集料最大粒径等于或大于26．5mm（圆孔筛30mm）的沥青混合料。

②中粒式沥青混合料集料最大粒径为16mm或19mm（圆孔筛20mm或25mm）的沥青混合料。

③细粒式沥青混合料集料最大粒径为9.5mm或13.2mm（圆孔筛10mm或15mm）的沥青混合料。

④砂粒式沥青混合料集料最大粒径等于或小于4.75mm（圆孔筛5mm）的沥青混合料，也称为沥青石屑或沥青砂。

⑤特粗式沥青碎石混合料集料最大粒径37.5mm（圆孔筛40mm）以上。（二）沥青路面的分类1.按强度构成原理1）密实类沥青路面：要求矿料的级配按最大密实原则设计，其强度和稳定性主要取决于混合料的粘聚力和内摩阻力。密实类沥青路面按其空隙率的大小可分为闭式和开式两种：闭式混合料中含有较多的小于0.6mm和0.075mm的矿料颗粒，空隙率小于6%，混合料致密而耐久，但热稳定性较差；开式混合料中小于0.6mm的矿料颗粒含量较少，空隙率大于6%，其热稳定性较好。2）嵌挤类沥青路面：要求采用颗粒尺寸较为均一的矿料，路面的强度和稳定性主要依靠骨料颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力，而粘聚力则起着次要的作用。按嵌挤原则修筑的沥青路面，其热稳定性较好，但因空隙率较大、易渗水，因而耐久性较差。2.按施工工艺不同，分为层铺法、路拌法和厂拌法三类层铺法:分层洒布沥青，分层铺撒矿料和碾压的方法修筑路拌法:在路上用机械将矿料和沥青材料就地拌和摊铺和碾压密实而成的沥青面层厂拌法:一定级配的矿料和沥青材料在工厂用专用设备加热拌和，然后送到工地摊铺碾压而成的沥青路面3.根据沥青路面的技术特性，沥青面层可分为沥青混凝土、热拌沥青碎石、乳化沥青碎石混合料、沥青贯人式、沥青表面处治、沥青玛蹄脂碎石等类型。1）沥青表面处治路面是指用沥青和集料按层铺法或拌和法铺筑而成的厚度不超过3cm的沥青路面。沥青表面处治的厚度一般为1.5～3.0cm。沥青表面处治适用于三级、四级公路的面层、旧沥青面层上加铺罩面或抗滑层、磨耗层等。2）沥青贯入式路面是指用沥青贯人碎(砾)石作面层的路面，使用时必须加铺封层处理。沥青贯入式路面的厚度一般为4～8cm。当沥青贯人式的上部加铺拌和的沥青混合料时，也称为上拌下贯，此时拌和层的厚度宜为3～4cm，其总厚度为7～l0cm。沥青贯人式碎石路面适用于作二级及二级以下公路的沥青面层。3）沥青碎石路面是指用沥青碎石作面层的路面。使用时必须在其表面加铺沥青表面处治或沥青砂等封层，沥青碎石有时也用作联结层。4）沥青混凝土路面是指用沥青混凝土作面层的路面，其面层可由单层或双层或三层沥青混合料组成。5）乳化沥青碎石混合料适用于做三级、四级公路的沥青面层、二级公路养护罩面以及各级公路的调平层。国外也用作为柔性基层。6）沥青玛蹄脂碎石路面是指用沥青玛蹄脂碎石混合料作面层或抗滑层的路面。沥青玛蹄脂碎石混合料(简称SMA)是以间断级配为骨架，用改性沥青、矿粉及木质纤维素组成的沥青玛蹄脂为结合料，经拌和、摊铺、压实而形成的一种构造深度较大的抗滑面层。它具有抗滑耐磨、孔隙率小、抗疲劳、高温抗车辙、低温抗开裂的优点，是一种全面提高密级配沥青混凝土使用质量新材料，适用于高速公路、一级公路和其他重要公路的表面层。沥青混合料的强度特性随温度变化巨大，高温时，混合料的强度特性接近粒料，低温时接近整体性材料。常温下，沥青与矿料之间粘结力（自由沥青和结构沥青）、矿料之间的内摩阻角决定混合料的强度。1、沥青混合料组成结构的现代理论1）表面理论2）胶浆理论第二节沥青路面材料的力学特性与温度稳定性一、沥青混合料的强度特性沥青混合料（粗分散系）分散相—粗集料分散介质—砂浆（细分散系）分散介质—沥青胶结物（微分散系）分散相—细集料分散相—填料分散介质—沥青1）沥青混合料结构组成的表面理论2）沥青混合料结构组成的胶浆理论沥青混合料矿质骨架结合料粗集料细集料填料沥青2、沥青混合料的组成结构类型1）悬浮-密实结构2）骨架-空隙结构3）密实-骨架结构3、沥青混合料的力学强度参数1）抗压强度2）抗剪强度3）抗拉(包括抗弯拉)强度一般沥青混合料均具有较高的抗压强度，而抗剪和抗拉强度则较低。因此，沥青路面的损坏，往往是由拉裂或滑移开始而逐渐扩展。1．抗剪强度1）分析确定方法：沥青混合料的剪切破坏可按摩尔—库仑原理进行分析。材料在外力作用下如不产生剪切破坏，则应具备下列条件：

c和φ值可通过三轴剪切试验取得。2）影响因素：沥青混合料的抗剪强度主要取决于沥青与矿料相互作用而产生的粘结力，以及矿料在沥青混合料中相互嵌挤而产生的内摩阻角。沥青混合料的粘结力取决于许多因素，其中最主要的是沥青粘滞度、沥青含量与矿粉含量的比值、以及沥青与矿料相互作用的特性；矿料的级配、颗粒的形状和表面特性，都对沥青混合料的内摩阻力产生影响。2．抗拉强度1）在气候较寒冷地区，冬季气温下降，特别是急骤降温时，沥青混合料发生收缩，如果收缩受阻，就会产生拉应力，该应力超过沥青混合料的抗拉强度，路面就会产生开裂。2）沥青混合料的抗拉强度，可用直接拉伸试验或间接拉伸试验—劈裂试验测定。见图3）沥青混合料在低温下的抗拉强度同沥青的性质、沥青含量、矿质混合料的级配、测试时的温度等因素有关。3.抗弯拉强度1）沥青路面在行车重复荷载作用下，往往因路面弯曲而产生开裂破坏，因此，必须验算沥青混合料的抗弯拉强度。2）沥青混合料的抗弯拉强度在室内用粱式试件在简支受力情况下测定。试验时用三分点法加荷，梁中间部分处于纯弯拉状态。3）沥青混合料的抗弯拉强度，取决于所用材料的性质(沥青的性质、沥青的用量、矿料的性质、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)。此外，计算时期的温度状况对抗弯拉强度也有很大的影响。二、沥青混合料的应力—应变特性沥青混合料是一种粘、弹、塑性材料，在应力一应变关系中呈现出不同的性质。（一）粘弹性材料的基本模型（二）两个重要概念为了研究沥青混合料的工作性质，须考虑材料的蠕变和应力松弛现象。1、蠕变是材料在固定的应力作用下，变形随时间而发展的过程。1）沥青混合料的蠕变试验表明，在作用应力恒定的情况下，弹性—粘塑性材料的变形随时间的发展，取决于作用应力的大小。①当作用应力相当小，即低于弹性极限或屈服点时，应力作用后，一部分变形瞬即在该材料中产生，并在应力撤除之后，仍以同样的速度消失，这是沥青混合料的纯弹性变形(或称瞬时弹性变形)，在这个范围内应力和应变呈直线关系。另一部分变形随力的作用时间而缓慢增大，应力撤除后，变形也随时间增加而缓慢地消失，这是沥青混合料的粘弹性变形(或称滞后弹性变形)。②当作用力相当大时，在相当长的时间内(超过弹性变形发展的时间)，材料的变形除有瞬时弹性变形和滞后弹性变形外，还存在粘滞性塑性流动变形。应力撤除后，这部分变形不再消失，即塑性变形。2、应力松弛：变形物体在恒定应变下应力随时间衰减的过程。粘弹性材料在总应变不变的条件下，由于试样内部的粘性应变（或粘塑性应变）分量随时间不断增长，使回弹应变分量随时间逐渐降低，从而导致变形恢复力（回弹应力）随时间逐渐降低的现象。

沥青混合料呈现为弹性还是粘塑性质，只决定于荷载作用时间与应力松弛时间的比值。1）若荷载作用时间比应力松弛时间短得多，材料就呈现为理想的弹性体。反之，若荷载作用的时间比应力松弛时间长得多，则呈现为粘塑性体。2）荷载作用时间与应力松弛时间相同，则材料是弹—粘—塑性的，同时呈现弹性和流动。沥青混合料的应力—应变特性，不仅同荷载大小和作用时间有关，而且与材料的温度有关。用劲度模量(简称劲度)作为表征弹—粘塑材料的性质指标。所谓劲度模量就是材料在给定的荷载作用时间和温度条件下应力与总应变的比值。即：下图所示为荷载作用时间和温度对沥青劲度的影响。三、沥青混合料的疲劳特性路面材料在低于极限抗拉强度下经受重复拉应力或拉应变而最终导致破坏，称为疲劳破坏。导致路面材料最终破坏(即开始疲劳开裂)的荷载作用次数，称为疲劳寿命。影响沥青混合料疲劳特性的因素很多，除了与材料的性质(种类、组成等)、环境因素(温度、湿度等)、加荷方式等因素有关外，还取决于沥青混合料的劲度。沥青混合料的疲劳特性通常采用在简支的小梁上作重复加荷弯曲试验，也可采用重复加荷间接拉伸试验(劈裂试验)测定。四、沥青路面的高温稳定性沥青混合料的特点是强度和抗变形能力随温度的升降而产生变化。沥青路面年变温和日变温曲线温度（℃）平均抗压强度（MPa）501.0～2.0202.5～5.008.0～13.0－1010.0～17.0－3518.0～30.0沥青混凝土抗压强度随温度的变化车辙是路面结构及土基在行车荷载作用下的补充压实，以及结构层中材料的侧向位移产生的累积永久变形。沥青混凝土路面车辙分类及成因：

①磨耗型车辙产生原因：在交通车辆轮胎磨耗和环境条件的综合作用下，路面磨损，面层内集料颗粒逐渐脱落；在冬季路面铺撒防滑料(如：砂)时，磨损型车辙会加速发展。

②结构型车辙产生原因：这类车辙主要是基层等路面结构层或路基强度不足，在交通荷载反复作用下产生向下的永久变形，作用或反射于路面。

③失稳型车辙产生原因：绝大多数车辙是由于在交通荷载的作用下，路面内部材料流动，发生横向位移形成的。车辙的形成过程初始阶段的压密过程沥青混合料的侧向流动矿质集料的重新排列及矿质骨架的破坏沥青混合料高温稳定性评价方法单轴压缩试验马歇尔试验蠕变试验轮辙试验简单剪切试验沥青路面在高温下产生的剪切变形，大体上有下列两种情况：一种是面层很薄，或者面层与基层之间的粘结力很差时，面层将沿着基层顶面滑动，如图a)所示；另一种是面层很厚，或者面层与基层之间的粘结力很大时，则整个面层内部发生推挤移动，如图b)所示。影响因素因素变化车辙深度集料表面纹理光滑→粗糙减小形状圆角→砾减小尺寸最大粒径增加减小结合料劲度增加减小用量增加增加粘度增加减小混合料空隙率增加增加VMA增加增加荷载大小增加增加作用次数增加增加环境条件温度增加增加湿度增加一般增加影响高温稳定性的因素影响沥青混合料高温稳定性的因素，主要是：沥青和矿料的性质及其相互作用的特性、矿料的级配组成等。为了提高沥青混合料的高温稳定性，可采用提高粘结力和内摩阻力的方法。在混合料中增加粗矿料含量，或限制剩余空隙率，就能提高混合料的内摩阻力。适当地提高沥青材料的粘稠度，控制沥青与矿粉的比值，严格控制沥青用量，采用具有活性的矿粉，以改善沥青与矿粉的相互作用，就能提高混合料的粘结力。此外，在沥青混合料中使用掺入聚合物改性的沥青，也能取得比较满意的效果。

五、沥青路面的低温抗裂性沥青路面在低温时强度虽然增大，但其变形能力却因刚性增大而降低。1、沥青路面开裂原因

1）由于行车荷载的作用而产生的结构性破坏裂缝，一般称之为荷载型裂缝。2）由于沥青面层温度变化而产生的温度裂缝，包括低温收缩裂缝和疲劳裂缝，一般称之为非荷载型裂缝。

结构性破坏裂缝：主要是由于行车荷载引起的。在车轮荷载作用下，大于半刚性基层材料的抗拉强度时，半刚性基层的底部就会很快开裂。在行车荷载的反复作用下，底部的裂缝会逐渐扩展到上部，并使沥青面层也产生开裂破坏。在半刚性基层下采用半刚性材料做底基层，可使基层底面由行车荷载产生的拉应力明显减小，甚至还小于半刚性底基层底面产生的拉应力，这对半刚性基层承受行车荷载的反复作用是十分有利的。沥青面层上的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。温度裂缝有两种，一种是低温收缩裂缝或低温裂缝，另一种是温度疲劳裂缝。低温裂缝：由于沥青面层在路面中是受到约束的，面层中产生的收缩拉应力或拉应变一旦超过沥青混合料的抗拉强度，沥青面层就会开裂。在沥青面层与基层的附着力不够好、允许有一定的自由收缩时，裂缝更容易发生。由于沥青路面宽度有限，收缩受路面结构的相互约束小，所以低温裂缝主要是横向的。温度疲劳裂缝：主要发生在日温差大的地区。由于温度反复升降导致沥青面层温度应力疲劳，使沥青混合料的极限拉伸应变(或劲度模量)变小，加上沥青的老化使沥青劲度增高，应力松驰性能降低，最终在温度应力小于抗拉强度的情况下使路面产生裂缝。影响裂缝产生的主要因素

1）沥青及沥青混合料的性质

沥青和沥青结合料的性质是影响沥青路面温度开裂的最主要原因，沥青混合料的低温劲度是决定沥青路面是否开裂的最根本因素，沥青劲度又是决定沥青混合料劲度的关键。在沥青性能指标中，影响更大的是温度敏感性，温度敏感性大的沥青更容易开裂。2）基层材料的性质

基层材料的收缩性愈小，面层裂缝愈少。基层上有透层油以加强与面层的粘结对抗开裂是有好处的。3）气候条件

极端最低温度、降温速率、低温持续时间、升降温循环数次数是气候条件影响沥青路面温缩裂缝的四大要素。4）交通量和车辆类型

半刚性基层中的最大拉应力，通常是由最重的车轮荷载产生的，即使是通过次数较少的重荷载也对路面破坏起着决定性的作用。5）施工因素

主要指半刚性基层材料的碾压含水量，半刚性基层完成后的暴晒时间等因素。六、沥青路面的水稳性基层翻浆混合料松散坑槽沥青路面水稳性作用机理1）水浸入沥青中使沥青粘附性减小，导致混合料强度和劲度减小2）水进入沥青薄膜和集料之间，阻断沥青与集料相互粘结，使沥青从集料表面剥落。影响沥青与集料之间粘结力的因素包括：界面张力、化学组成、沥青粘性、集料的表面构造、集料的孔隙率、集料的清洁度及含水率、二者的板和温度等。提高水稳定性措施1、完善路面结构排水系统；2、沥青材料选择应考虑粘度大的沥青和表面活性成分含量高的沥青；3、集料选择。尽量选择二氧化硅含量低的碱性集料；4、施工时保持集料干燥，无杂质，拌合充分，保证压实要求等。第三节热拌沥青混合料的设计一、材料要求1.沥青1）道路石油沥青道路石油沥青的性能主要取决于油源气候沥青沥青路面类型分区种类沥青表面处治沥青贯入式及上拌下贯式沥青碎石沥青混凝土寒区石油沥青A—140A—180A—140A—180AH—90AH—110AH—130A—100AH—90AH—110A—100温区石油沥青A—100A—140A—180A—140A—180AH—90AH—110A—100AH—70AH—90A—60A—100热区石油沥青A—60A—100A—140A—60A—100A—140AH—50AH—70AH—90A—100A—60AH—50AH—70A—60A—100寒冷地区：年度内最低月平均气温（℃）低于－10°；年内月平均气温25℃的日数（天）少于215；温和地区：年度内最低月平均气温（℃）0～－10°；年内月平均气温25℃的日数（天）215～270；较热地区：年度内最低月平均气温（℃）高于0°；年内月平均气温25℃的日数（天）多于270。2）煤沥青酸性、潮湿的石料，以及低温季节施工宜选用阳离子乳化沥青；碱性石料或与掺入的水泥、石灰、粉煤灰共同使用时，宜选用阴离子乳化沥青。不宜作沥青面层用，一般仅作为透层沥青使用3）乳化沥青4）改性沥青①热塑性橡胶类：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯（SIS)等②橡胶类：天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、丁二烯橡胶(BR)等③树脂类:乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚乙烯(PE}、无规聚丙烯(APP),聚氧乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS）等。2.粗集料（大于2.36mm粒径）1）沥青路面可用的粗集料有碎石、筛选砾石、破碎砾石、矿渣等指标高速公路、一级公