《土木工程材料 第2版》 课件 第6章 沥青与沥青混合料

（第六章沥青与沥青混合料）教学目标掌握：石油沥青的组成与结构；石油沥青的技术性质；沥青混合料的组成结构；沥青混合料的配合比设计。熟悉：石油沥青的技术标准与选用；沥青混合料的技术性质与技术标准。了解：煤沥青的组成与应用；乳化沥青的特点及其种类；沥青防水材料的种类，性能与用途。教学重点石油沥青的技术性质沥青混合料的技术性质与技术标准沥青混合料配合比设计本章主要教学内容与要求沥青与沥青混合料沥青材料沥青基防水材料沥青混合料本章知识归纳一、沥青材料沥青材料是由高分子碳氢化合物及其衍生物组成的、黑色或深褐色、不溶于水而几乎全溶于二硫化碳，且符合规定标准的非晶态有机材料。常温时，沥青呈褐色至黑色的固体、半固体或液体。按沥青的产源可将沥青分为地沥青和焦油沥青，其进一步分类如下表所示。沥青地沥青天然沥青原油渗流到地球表面，经过自然条件下的蒸发、老化过程而形成的沥青石油沥青由提炼石油的残留物制得的沥青焦油沥青煤沥青由烟煤、褐煤等物质，在隔绝空气和高温下进行干馏，冷凝其挥发物而获得的煤焦油，经再提取轻组份馏分之后的残余物页岩沥青由页岩经低温干馏而得石油沥青石油沥青主要是由原油经过加工炼制而得到的，其生产工艺流程图如下图所示。石油沥青加工方法蒸馏法氧化法溶剂法调配法1.石油沥青的结成与结构

1）石油沥青的组分

石油沥青是由多种碳氢化合物及其非金属衍生物组成的混合物，主要成分为碳和氢，其余成分为氧、硫、氮等非金属元素，此外还含有极少量的金属元素。

通常采用三组分分析法和四组分分析法来反映石油沥青的组成成分与其性能之间的关系。

（1）三组分分析法

石油沥青的三组分分析法采用选择性溶解和吸附的方法将石油沥青分离为：油分、树脂和沥青质三个组分，各组分性状见下表。

性状组分外观特性平均分子量碳氢比质量分数（%）物化特征油分淡黄色透明液体200～7000.5～0.745～60几乎可溶于大部分有机溶剂，具有光学活性，相对密度为0.7～1.0树脂红褐色粘稠半固体800～30000.7～0.815～30温敏感性高，溶点低于，相对密度为1.0～1.1沥青质深褐色固体微粒1000～50000.8～1.05～30加热不熔化，分解为硬焦炭，使沥青呈黑色，相对密度为1.1～1.5表6-1石油沥青三组分分析法的各组分性状（2）四组组分分析法

石油沥青的四组分分析法是将石油沥青分离为：饱和分、芳香分、胶质和沥青质。各组分性状见下表。性状组分外观特性平均相对密度平均分子量主要化学结构饱和分无色液体0.89625烷烃、环烷烃芳香分黄色至红色液体0.99730芳香烃、含S衍生物胶质棕色粘稠液体1.09970多环结构，含S、O、N衍生物沥青质深棕色至黑色固体1.153400缩合环结构，含S、O、N衍生物表6-2石油沥青四组分分析法的各组分性状2）石油沥青的胶体结构

在沥青胶体结构中，因各组分相对含量不同可形成不同的胶体结构：溶胶型结构、溶-凝胶型结构和凝胶型结构，如下图所示。（a）溶胶型结构（b）溶-凝型胶结构（c）凝胶型结构2.石油沥青的技术性质

1）物理特性常数密度(15℃、25℃)、热胀系数、溶解度2）防水性

石油沥青是憎水性材料，几乎完全不溶于水，而且本身构造致密，加之它与矿物材料表面有很好的粘结力，能紧密粘附于矿物材料表面。3）粘滞性

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，以绝对粘度表示。沥青的绝对粘度有动力粘度和运动粘度两种表达方式。

而工程中常用针入度和标准粘度等条件粘度来反映沥青粘度

粘滞性——（1）针入度

针入度是在规定温度条件下，以规定质量100g的标准针经过规定时间5s贯入沥青的深度，以0.1mm为单位，沥青的针入度值越大，表示其粘度越小。其实验示意图如下图所示。

粘滞性——（2）标准粘度

石油沥青的标准粘度计可用于测定液体石油沥青或较稀的石油沥青的标准粘度。标准粘度是在规定温度、规定直径的孔口流出50cm3沥青所需的时间，以s为单位。以

表示，其中t为测试温度，d为流孔直径。4）塑性

塑性是指石油沥青在外力作用下产生变形而不破坏（即不产生裂缝或断开），并在除去外力后仍保持变形后形状不变的性质。5）温度敏感性

温度敏感性是指石油沥青的粘滞性、塑性等物理性能随温度升降而变化的性能。

石油沥青的温度敏感性常用软化点指标或针入度指数表示。

环球法软化点仪

（1）软化点

软化点是反映沥青达到某种物理状态时的条件温度，由于沥青材料从固态至液态有一定的变态间隔，故规定其中某一状态作为从固态转到粘流态的起点，相应的温度转为沥青软化点。沥青的软化点越高，表示沥青的耐热性越好，即高温稳定性好。

（2）针入度指数

大量的试验结果显示，针入度值（P)与温度(T)存在下图所示的关系。(a)(b)由图（b）可知，针入度值的对数（lgP）与温度（T）呈线性关系，斜率

A可以用来表征沥青的温度敏感性，称为针入度-温度感应性系数。针入度指数（PI）可以通过下式求出：由该式计算出的针入度指数的变化范围为-10～15，针入度指数（PI）越大，表示沥青的温度敏感性越低。

用PI值来评价沥青的感温性时，要求沥青的针入度指数为PI=-1～+1。针入度指数不仅可以用来评价沥青的温度敏感性，还可以用来判断石油沥青的胶体结构类型。PI<-2时，石油沥青属于溶胶结构，温度敏感性较强；

PI=-2～+2时，属于溶—凝胶结构；PI>+2时，石油沥青属于凝胶结构，温度稳定性较好。针入度-温度感应性系数针入度指数

6）抗老化性

抗老化性是指石油沥青在使用过程中受到温度、太阳光、氧气和水分的影响而能保持性能基本不变的能力。(1)短期老化沥青在加热拌和、储运及铺筑过程中的老化,主要表现为热氧老化。现在用薄膜加热试验(TFOT)和旋转薄膜加热试验(RTFOT)来模拟。

（2）长期老化沥青在路面服役期间的老化,是一个比较缓慢的长期过程。现主要通过压力老化容器（PAV)老化和紫外线（UV）老化，分别模拟其在长期使用期间的热氧老化和光氧老化过程。

沥青老化后的化学组成与结构会发生变化，这个结果必然会造成沥青性能的变化，从而加速沥青路面的破坏，所以通过研究以提高沥青的抗老化能力是非常重要的。7）安全性由于沥青是一种有机物，容易燃烧，为了保证其实验或施工中的安全性，还需要了解其闪点和燃点。我国规范规定采用克利夫兰开口杯法测定沥青的闪点和燃点。

闪点是指加热沥青至挥发出的可燃气体和空气的混合物，在规定条件下与火焰接触，初次闪火时的沥青温度，单位为℃。

燃点是指加热沥青产生的气体和空气的混合物，与火焰接触能持续燃烧5s以上时的温度，单位为℃。3.石油沥青的技术标准与选用

石油沥青按用途分为道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青。在土木工程中主要用到的是道路石油沥青和建筑石油沥青。

1）石油沥青的技术标准

目前我国石油沥青标号主要是依据沥青的针入度或针入度指数来划分的。由于我国国土面积较广，南北向和东西向气候差异大，因此在选用沥青时要充分考虑到各地的气候条件。

美国战略性公路研究计划（SHRP）的研究成果superpaveTM提出了一个按照路用性能对沥青进行分级的沥青混合料规范，PG分级采用设计使用温度表示其适用范围。

2）石油沥青的选用

（1）道路石油沥青

道路石油沥青可用于铺筑各种等级的道路路面。在选用沥青时，需要根据所修筑公路的等级、气候条件、交通条件、路面类型及在结构层中的位置及受力特点和施工方法，结合实践经验，经技术论证后确定。

我国现行规范规定，道路石油沥青分为160号、130号、110号、90号、70号、50号和30号七个标号，各标号的技术标准见《公路沥青路面施工技术规范》中表4.2.1-2道路石油沥青技术要求。

当缺乏所需标号的沥青时，可采用不同标号沥青掺配的调和沥青，但掺配后的沥青质量应符合规范要求。

若要掺配得到软化点为T的沥青，两种沥青掺配比例可由下式进行估算：

式中，P1为较软沥青用量，%；P2为较硬沥青用量，%；T1为较软沥青的软化点，℃；T2为较硬沥青的软化点，℃。

（2）建筑石油沥青

建筑石油沥青粘度较大，高温稳定性较好，但塑性较小，可用于制造建筑防水卷材、防水材料、冷底子油和沥青嵌缝膏等防水材料，其产品主要用于屋面和地下防水、沟槽防水、防腐蚀及管道防腐等工程。

我国现行规范规定，建筑石油沥青分为10号、30号和40号三种标号，各标号的技术标准见《建筑石油沥青》国家标准。煤沥青煤沥青是焦油沥青的一种。在炼油过程中，从干馏所挥发的物质中冷凝出煤焦油，煤焦油加工后得到煤沥青。

根据煤干馏的温度不同煤焦油可以分为高温煤焦油和低温煤焦油。1.煤沥青的化学组成与组分

煤沥青的组成主要是芳香族碳氢化合物及其氧、硫、氮衍生物的混合物。

根据目前最常采用的分析方法可将煤沥青分为：

油分、树脂A、树脂B、游离碳C1和游离碳C22.煤沥青的技术特性

1）芳香分含量多，成分较石油沥青更为复杂；2）易结晶的成分较多，胶体体系中分散相的粒子较粗，所以当温度变化时煤沥青的粘度变化大，温度稳定性差；3）耐老化性比石油沥青差；4）粘附性能好5）防腐性能好。3.煤沥青的应用1）作电极粘结剂2）型煤粘结剂3）生产沥青焦4）制造沥青清漆5）路用煤沥青6）其它用途

改性沥青改性沥青是指在基质沥青或基质沥青混合料中，加入一种或数种改性材料，通过适当的加工工艺，使改性材料熔融或分散在基质沥青或基质沥青混合料中，形成均质混合物，从而改善或提高沥青的路用性能。1.改性沥青的分类改性沥青及混合料技术掺加改性剂沥青工艺调和沥青物理改性改善力学性能改善粘附性耐老化性高温稳定性耐疲劳性低温抗裂性橡胶类热塑性橡胶类热塑性树脂类抗剥离剂：金属皂、有机胺、消石灰等抗老化剂矿物填料：炭黑、硫磺、石棉、木质素纤维等玻璃纤维格栅、塑料格栅、土工布等废橡胶粉掺加天然沥青（湖沥青、岩沥青、海底沥青）半氧化沥青、泡沫沥青等聚合物

从广义上划分，根据不同目的所采取的改性沥青及改性沥青混合料技术汇总如上图所示。

从狭义上划分，道路改性沥青一般是指聚合物改性沥青，简称PMA。按照改性剂的不同，一般将其分为三类：1)热塑性橡胶类：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等其具有良好的变性自恢复性、裂缝自愈性和赋予沥青良好的高低温性能2)橡胶类：丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等

其主要特性是高温稳定性、高弹性、高机械强度和高粘附性。3)树脂类：乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯等

其可改善沥青高温稳定性，又可改善低温脆性。二、沥青基防水卷材1.沥青防水卷材

沥青防水卷材由于卷材质量轻、防水性能良好、施工方便、能适应一定的温度变化和基层伸缩变形。主要包括以织物、纤维毡、金属箔等为胎基，两面浸涂沥青材料而制成的各种卷材和以橡胶或其他聚合物为改性材料制成的各种卷材。1）改性防水卷材（1）沥青玻璃布卷材

（2）沥青玻纤胎卷材

（3）弹性沥青单层油毡

（4）自粘结改性沥青防水卷材

（5）金属箔改性沥青防水卷材2）沥青油毡瓦

沥青油毡瓦是以玻纤维为胎基，以氧化沥青为浸涂材料，上撒彩色矿物粒料，下覆石英砂（或滑石粉）与塑料薄膜而成。沥青油毡瓦结构轻，有色彩，能装饰美化屋顶，油毡瓦正面有一自行粘结的粘结点，在阳光照射下能自行粘结为一体，故施工和维修都极为方便。油毡沥青瓦屋面在结冰、积雪时有较好的排水性。3）卷材胶粘剂

利用卷材作防水层，可以通过热熔、热粘、冷粘等方式将卷材固定在所需部位，当用作粘结时，则应选用胶粘剂。改性沥青胶粘剂是改性沥青类防水卷材的粘结材料，一般有冷沥青胶和热沥青胶两种，卷材胶粘剂主要用于卷材与卷材、卷材与基层的粘结。2.沥青防水涂料

沥青防水涂料在常温下能形成有一定弹性的涂膜防水层，不仅无接缝，而且涂膜防水性好，能适应屋面、地面、地下防水的要求。施工操作简便，可喷、可涂，施工速度快。采用冷施工，避免了现场热熬时对环境的污染。屋面采用防水材料，不仅能减轻屋面荷重，降低成本，而且改善了劳动条件，便于操作与维修。

沥青防水涂料主要分类如下：1）沥青基防水涂料2）高聚物改性沥青防水涂料

（1）氯丁胶乳沥青防水涂料

（2）SBS改性沥青防水涂料

（3）SBR改性沥青防水涂料3.建筑密封材料

建筑密封材料按材质分：

改性沥青密封材料和合成高分子密封材料

常见建筑密封材料有：1）SBS改性沥青弹性密封膏2）橡胶沥青嵌缝油膏3）橡胶桐油改性沥青嵌缝油膏三、沥青混合料沥青混合料是指矿物集料与沥青结合料拌制而成的混合物的总称，沥青混合料经摊铺、压实成型后成为沥青路面。其具有以下特点：

1）具有良好的力学性质和路用性能，铺筑的路面平整无接缝，减振吸声，行车舒适。路表具有一定的粗糙度，且无强烈反光，有利于行车安全；2）采用机械化施工，有利于施工质量控制，施工后即可开放交通；3）便于分期修建和再生利用。沥青混合料的分类1）按结合料的不同分：

石油沥青和煤沥青混合料

2）按集料的最大粒径分：

特粗式、粗粒式、中粒式、细粒式和砂粒式沥青混合料3）按矿料级配分：

连续密级配、半开级配、开级配和间断级配沥青混合料4）按施工条件分：

热拌热铺、热拌冷铺、冷拌冷铺和温拌沥青混合料

沥青混合料的组成结构通常按其矿质混合料的组成分为悬浮密实型、骨架空隙型和骨架密实型三种结构类型，如下图所示。

（1）悬浮密实型

（2）骨架空隙型

（3）骨架密实型悬浮密实型结构

当沥青混合料采用连续型密级配矿质混合料时，由于混合料中各级配都有且细集料较多粗集料较少，矿质材料会形成由大到小相互嵌固的连续密实混合料。在这种混合料中，因为各级集料均为次级集料所隔开，不能直接靠拢而形成骨架，以悬浮状态处于较小颗粒之中。

这种结构虽然密实度很高，有较高的粘聚力，但内摩擦角很小，高温稳定性很差。按照连续型密级配原理设计的沥青混凝土属于典型的悬浮密实型结构。骨架空隙型结构

当采用连续型开级配矿质混合料时，较大粒径石料彼此紧密相接，而较小粒径石料的数量较少，不足以充分填充大颗粒间的空隙，而形成骨架空隙结构，沥青碎石混合料多属于这类型。这种结构的沥青混合料，粗骨料能充分形成骨架，骨料之间的嵌挤力和内摩擦力起重要作用。

这种沥青混合料受沥青材料性质的变化影响较小，因而热稳定性较好，但沥青与矿料的粘结力较小、空隙率大，耐久性较差。骨架密实型结构

当采用间断型密级配矿质混合料时，矿质混合料既有足够数量的粗集料形成骨架，粗集料间空隙中又有适量的细集料填充，并形成较为密实的结构。

此结构类型的沥青混合料的密实度、强度和稳定性都较好，是一种较理想的结构类型。2.沥青混合料的强度理论

沥青混合料强度和稳定性理论主要是要求沥青混合料在高温时必须有一定的抗剪强度和抵抗变形的能力。1）沥青混合料的强度理论

利用库仑理论来分析沥青混合料的强度和稳定性。由下式可知，沥青混合料的抗剪强度主要取决于粘聚力和内摩擦角两个参数。式中，τ为沥青混合料的抗剪强度；C为沥青混合料的粘聚力；φ为沥青混合料的内摩擦角；σ为沥青混合料所承受的压应力。

2）影响沥青混合料抗剪强度的主要因素影响沥青混合料抗剪强度的因素有内因和外因两种。

内因：沥青粘度、集料级配粒径与颗粒状态、沥青用量、矿料比表面积等

外因：温度和变形速率3.沥青混合料的技术性质与技术标准

沥青混合料在使用过程中，应当具有较好的抗高温变形、抗低温脆裂、抗滑性、耐久性和施工和易性等技术性质，以保证沥青路面优良的服务性能，经久耐用。

1）高温稳定性沥青混合料的高温稳定性是指在高温条件下，沥青混合料承受多次重复荷载作用而不发生过大的累积塑性变形的能力。

我国现行规范要求采用马歇尔稳定度试验和车辙试验方法评价沥青混合料高温稳定性。

（1）马歇尔试验

马歇尔试验测得三项指标：

稳定度（MS）、流值（FL）、马歇尔模数（T）

马歇尔稳定度是指在规定温度与加荷速度下，标准尺寸试件可承受的最大荷载；流值是最大荷载时试件的垂直变形（以0.1mm计）；马歇尔模数则是稳定度与其流值之比，见下式：

(2)车辙试验

通过车辙试验计算得动稳定度（DS）来检验沥青混合料的抗车辙能力，DS越大表示抗车辙能力越大。影响沥青混合料高温稳定性的主要因素有沥青的用量，粘度和矿料的级配、尺寸、形状等。2）低温抗裂性沥青混合料的低温抗裂性是指在低温下沥青混合料抵抗低温开裂的能力。沥青混合料路面的低温收缩开裂主要有两种形式：一种是由于气温骤降造成材料低温收缩，在有约束的沥青混合料面层内产生温度应力超过沥青混合料在相应温度下的抗拉强度时就会造成开裂；另一种形式是低温收缩疲劳裂缝，这是由于在沥青混合料经受长期多次的温度循环后，沥青混合料的极限拉伸应变变小，应力松弛性能降低，这样会导致在降温过程了沥青混合料路面更容易开裂，这种裂缝主要发