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《土木工程材料》教案

第六章

土木工程系

杨勇第1页6.沥青和沥青混合料6.1沥青材料6.2沥青混合料第2页学习目标：掌握沥青材料基本组成、工程性质及测定方法；了解主要沥青制品及其用途。掌握沥青混合料配合比，包含矿质材料配合比设计和配制；了解沥青混合料使用关键点。第3页6.1沥青材料6.1.1沥青分类与基本组成结构1.沥青分类沥青材料是由一些极其复杂高分子碳氢化合物和这些碳氢化合物非金属（氧、硫，氮）衍生物所组成混合物。沥青材料按其在自然界中取得方式可分为二大类：（1）地沥青：天然沥青；石油沥青。（2）焦油沥青：煤沥青；页岩沥青。沥青主要用于道路工程以及防潮、防水、防腐蚀材料。第4页第5页2.沥青基本组成结构（1）石油沥青基本组成石油沥青是由石油经蒸馏、吹氧、调和等工艺加工得到残留物。《公路工程沥青及混合料试验规程》JTJ052-要求有三组分和四组分两种分析法。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络组，这些组就称为“组分”。1）三组分分析法是将沥青分离为油分、树脂和沥青质等三组分。油分赋予沥青以流动性，其含量直接影响沥青柔软性、抗裂性及施工难度；树脂主要使沥青具塑性和粘性；沥青质决定沥青粘结力、粘度和温度稳定性，以及沥青硬度、软化点等。第6页组分状态染色比密度分子量含量，%油分油状液体淡黄-红褐色小于1300~50040~60树脂粘稠状物体黄-黑色略大于1600~100015~30地沥青质无定形固体粉末深褐-黑色大于1＞100010~30第7页2）四组分分析法是将沥青分离为饱和分、芳香分、胶质和沥青质等三组分。沥青质和胶质分含量高，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。3）石油沥青胶体结构胶体结构形成：沥青胶体结构是以沥青质为胶核，胶质分被吸附其表面，并逐步向外扩散形成胶团，胶团再分散于芳香分和饱和分中。

第8页胶体结构类型：A.溶胶结构——在路用性质上含有很好自愈性和低温变形能力，但温度感应性较差。B.溶一凝胶结构——在路用性能，在高温时含有较低感温性，低温时又有很好形变能力。C.凝胶结构——在路用性能上，含有较低温度感应性，但低温变形能力较差。（2）煤沥青基本组成（略）第9页第10页6.1.2沥青主要性质及其测试方法1.沥青主要性质及测试方法（1）粘滞性石油沥青粘滞性是反应沥青材料内部妨碍其相对流动一个特征。也能够说，它反应了沥青软硬、稀稠程度。是划分沥青牌号主要技术指标。液体石油沥青粘滞性用粘滞度（也称标准粘度）指标表示，它表征了液体沥青在流动时内部阻力；对于半固体或固体石油沥青则用针入度指标表示，它反应了石油沥青抵抗剪切变形能力。第11页粘滞度是在要求温度t（通常为20℃、25℃、30℃或60℃），要求直径d（为3mm、5mm或者10mm）孔流出50㎝３沥青所需时间秒数T。惯用符号“”表示。粘滞度测定示意图见下列图。针入度是在要求温度25℃条件下，以要求100g标准针，在要求时间5s内贯入试样中深度（1/10mm为1度）表示。针入度测定示意图见下列图。显然，针入度越大，表示沥青越软，粘度越小。普通，地沥青质含量高，有适量树脂和较少油分时，石油沥青粘滞性大。温度升高，其粘性降低。第12页第13页（2）塑性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形状不变性质。石油沥青塑性用延度指标表示。沥青延度是把沥青试样制成∞字形标准试模（中间最小截面积为1㎝２）在要求拉伸速度（5cm/min）和要求温度（25℃）下拉断时伸长长度，以cm为单位。延度指标测定示意图见下列图。延度值愈大，表示沥青塑性愈好。普通，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，沥青塑性随之增大。第14页第15页（3）温度敏感性温度敏感性是指石油沥青粘滞性和塑性随温度升降而改变性能。1）软化点软化点是指沥青由固态转变为含有一定流动性膏体温度，可采取环球法测定（见上图）。沥青软化点不能太低，不然夏季易融化发软；但也不能太高，不然不易施工，而且品质太硬，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亲密相关。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方法来减小沥青温度敏感性。沥青中含蜡量多时，其温度敏感性大。第16页2）针入度指数沥青针入度值对数与温度含有线性关系：则沥青针入度指数PI可按下式计算：按针人度指数可将沥青划分为三种胶体结构，即针人度指数Ｐ．Ｉ．＜－２者为溶胶结构；针入度指数Ｐ．Ｉ．＞＋２者为凝胶结构；针人度指数Ｐ．Ｉ．＝一２～十２者为溶凝胶结构。第17页（4）大气稳定性大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等原因长久综合作用下抵抗老化性能。在大气原因综合作用下，沥青中低分子量组分会向高分子量组分转化递变，即油分一树脂—地沥青质。因为树脂向地沥青质转化速度要比油分变为树脂速度快得多，所以石油沥青会随时间进展而变硬变脆，亦即“老化”。石油沥青大气稳定性以沥青试样在加热蒸发前后“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，则第18页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。（5）其它性质溶解度；闪点；燃点；防水性等。第19页2.石油沥青技术要求（1）建筑石油沥青标准与选取（表6-4）（2）道路石油沥青技术要求1）中、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。2）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。3）液体石油沥青技术要求《沥青路面施工及验收规范》GB50092-96要求，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。第20页6.1.3沥青掺配、改性及主要沥青制品1.沥青掺配施工中，若采取一个沥青不能满足配制沥青胶所要求软化点时，可用两种或三种沥青进行掺配。掺配要注意遵照同源标准，即同属石油沥青或同属煤沥青（或煤焦油）才可掺配。两种沥青掺配百分比可用下式估算：第21页2.改性沥青橡胶改性沥青；树脂改性沥青。3.乳化沥青4.沥青基制品（1）冷底子油冷底子油是用有机溶剂（汽油、柴油、煤油、苯等）与沥青溶合后制得一种沥青溶液。它粘度小，具有良好流动性。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，便与基面牢靠。这一方面使基面呈憎水性，其次为粘结同类防水材料创造了有利条件。它在常温下使用，作为防水工程底层,故称为冷底子油。冷底子油应涂刷于干燥基面上，通常要求水泥砂浆找平层含水率≤10%。第22页6.2沥青混合料6.2.1沥青混合料分类及组成结构沥青混合料是沥青混凝土混合料和沥青碎石混合料总称。沥青混凝土混合料（简称AC）：由适当百分比粗集料、细集料及填料与沥青在严格控制条件下拌和沥青混合料。沥青碎石混合料（简称AM）：由适当百分比粗集料、细集料、及填料（或不加填料）与沥青拌和沥青混合料。第23页1.沥青混合料分类（1）按施工温度分类（拌制和摊铺温度）1）热拌热铺沥青混合料2）常温沥青混合料（2）按最大粒径分类1）特粗粒式沥青混合料D=37.5或45mm2）粗粒式沥青混合料D=26.5或31.5mm3）中粒式沥青混合料D=16或19mm4）细粒式沥青混合料D=9.5或13.2mm5）砂粒式沥青混合料D≤4.75mm

第24页（3）按沥青混合料级配分类1）沥青混凝土混合料（AC；圆孔筛LH）2）密级配沥青混凝土混合料I型压实后剩下空隙率3%~6%；II型压实后剩下空隙率4%~10%。3）半开级配沥青混合料（AM；圆孔筛LS）压实后剩下空隙率＞10%。4）开级配沥青混合料压实后剩下空隙率＞15%。5）间断级配沥青混合料第25页2.沥青混合料组成结构和强度理论沥青混合科组成结构沥青混合料强度理论第26页（1）沥青混合科组成结构a.悬浮密实结构连续密级配沥青混合料力学特点粗集料少，不能形成骨架粘聚力C大，内摩擦角φ小；b.骨架空隙结构

连续开级配沥青混合料细集料少，不能填充集料间空隙C小，φ大c.骨架密实结构

间断密级配沥青混合料，

中间集料少，现有足够粗集料形成骨架，又有细集料填充其间空隙C大，φ大T第27页第28页（2）沥青混合料强度理论用沥青混合料铺筑路面产生破坏主要原因:夏季高温时抗剪强度不足和塑性变形过剩冬季低温时抗拉强度不好和抵抗变形能力过差引发试验表明：沥青混合料抗剪强度τ决定于沥青混合料内摩擦角φ和粘聚力C。

第29页影响沥青混合料内摩擦角原因:a.沥青粘度对沥青混合料抗剪强度影响通常情况下，沥青粘度越大，沥青混合料抗剪强度越高b.沥青与矿料化学性质对沥青混合料抗剪强度影响结构沥青：沥青与矿粉交互作用后，沥青在矿粉表面产生化学组分重新排列，沥青在矿粉表面形成一层扩散溶剂化膜，此膜以内沥青为结构沥青。自由沥青沥青在沥青混合料中以两种形式存在，一个为结构沥青，一个为自由沥青。c.矿料比表面对沥青混合料抗剪强度影响比表面越大，一定沥青用量条件下，沥青在矿料表面膜层薄，矿料间以结构沥青联结机会就大，沥青混合料抗剪强度高。第30页d.沥青用量对沥青混合料抗剪强度影响沥青用量过少，沥青不足以包裹矿粉表面，矿粉间不能完全地靠沥青薄膜联结，因而沥青混合料粘聚力很差。伴随沥青用量增加，结构沥青数量不停增多，混合料粘聚力也不停提升，当沥青用量到达一定程度时，形成结构沥青数量最多，混合料粘聚力到达最大。此时沥青用量为最正确用量。伴随沥青用量继续增加，多出沥青，将矿粉颗粒推开，在颗粒间形成未与矿粉作用自由沥青，混合料粘聚力开始逐步降低。当然，少许自由沥青存在也是必要，它能够增加沥青混合料塑性，降低沥青路面开裂。e.矿料级配、表面性质、粒度等对沥青混合料抗剪强度影响表面粗糙有棱角且靠近正立方体时，沥青混合料抗剪强度高。第31页注：（1）沥青在沥青混合料中以两种形式存在：自由沥青结构沥青（2）碱性矿粉更轻易形成结构沥青第32页结构沥青形成R第33页沥青与矿料性质对沥青混合料抗剪强度影响R第34页沥青用量对沥青混合料抗剪强度影响R第35页3.沥青混合料组成材料*沥青材料不一样型号沥青材料，含有不一样技术指标，适合用于不一样等级，不一样类型路面。在选择沥青材料时候，要考虑到交通量（重）、气候条件（热）、施工方法、沥青面层类型、材料起源筹各种情况，选择较稠沥青，这么才能使拌制沥青混合料含有较高力学强度和很好耐久性。第36页*矿质材料沥青混合料矿质材料必须含有良好级配，这么，沥青混合料颗粒之间既能够比较紧密地排列起来，以到达足够压实度，又能让颗粒之间含有一定空隙，使沥青混合料保持良好稳定性沥青混合料矿质材料包含粗集料、细集料和矿粉，这几个材料除了混合后能到达要求级配外，对于它们本身还有不一样技术要求。第37页a.粗集料沥青混合料粗集料要求洁净、干燥、无风化、无杂质，而且含有足够强度和耐磨性。对路面抗滑表层粗集料应选取坚硬、耐磨、抗冲击性好碎石或破碎砾石，不可使用筛选砾石、矿渣及软质集料。用于高速公路、一级公路、城市快速道路、主干路沥青路面表面层及各类道路抗滑层用粗集料，应符合磨光值、道瑞磨耗值和冲击值要求，对于坚硬石料起源缺乏情况下，允许掺加一定百分比普通集料作为中等或小颗粒粗集料，但掺加百分比不应超出粗集料总质量40％。第38页b.细集料热拌沥看混合料细集料普通采取天然砂或人工砂，在缺乏砂地域，也能够用石屑代替。但对于高等级公路面层或抗滑表层，石屑用量不宜超出砂用量。c.填料沥青混合料填料宜采取石灰岩或岩浆岩中强基性（憎水性）岩石磨制而成，也能够由石灰、水泥、粉煤灰代替，但用这些物质作填料时，其用量不宜超出矿料总量2％。其中粉煤灰用量不宜超出填料总量50％。粉煤灰烧失量应小于12％，塑性指数应小于4％。在工程中，还能够利用拌和机中粉尘回收来作矿粉使用，其量不得超出填料总量50％，而且要求粉尘干燥，掺有粉尘填料塑性指数不得大于4％。

第39页6.2.2沥青混合料技术性质1.高温稳定性沥青混合料高温稳定性是指混合料在高温情况下，承受外力不停作用，抵抗永久变形能力。评定指标：马歇尔试验：稳定度，流值车辙试验：动稳定度影响沥青混合料高温稳定性主要原因：沥青用量，沥青粘度，矿料级配，矿料尺寸、形状等。第40页提升办法：（1）提升粘聚力：采取高稠度沥青；控制沥青最正确用量采取碱性矿粉；掺外掺剂（2）提升内摩擦角：增加粗集料用量采取表面粗糙有棱角集料等第41页2.低温抗裂性沥青混合料伴随温度降低，变形能力下降，路面因为低温而收缩以及行车荷载作用，在微弱部位产生裂缝，从而影响道路正常使用，所以，要求沥青混合料含有一定低温抗裂性。沥青混合料低温裂缝是由混合料低温脆化、低温缩裂和温度疲劳引发。混合料低温脆化是指其在低温条件下，变形能力降低。普通经过不一样温度下小梁弯拉破坏试验来反应。低温缩裂通常是因为材料本身抗拉强度不足而造成。当前，比较科学方法是采取能量法来评定。对于温度疲劳，能够模拟温度循环进行疲劳破坏，但因为其试验条件要求较高，故改用低频疲劳试验代替。第42页3.耐久性沥青混合科耐久性是指其在外界各种原因（如阳光、空气、水、车辆荷载等）长久作用下，仍能基本保持原有性能。影响沥青混合料耐久性主要原因有：沥青与骨料性质、沥青用量、沥青混合料压实度与空隙率等。当前，普通采取马歇尔试验来评价沥青混合料耐久性。测定沥青混合料试件空隙率、饱和度、残留稳定度等，这些指标均应到达规范要求，才能说明沥青混合料耐久性合格。第43页4.抗滑性伴随车辆行驶速度增加，路面抗滑性显得尤为主要，为了提升路面抗滑性，必须增加路面粗糙度，因而对于面层集料应选取质地坚硬，含有棱角碎石。骨料颗粒适当大些，沥青用量少些，并对沥青中含蜡量进行严格控制，都能够提升路面抗滑性。测定路面抗滑性指标有路面摩擦系数和结构深度。摩擦系数和结构深度越大，说明路面抗滑性越好。第44页5.施工和易性沥青混合料除了具备上述技术性质外，还应具备施工和易性才能顺利地进行施工作业。影响混合料施工和易性主要原因是矿料级配和沥青用量。合理矿料级配，使沥青混合料之间拌和均匀，不致产生离析现象，适量沥青用量，能够防止混合料疏松或结团现象，另外，气候情况，机械性能，施工能力等外部条件也会不一样程度地影响施工和易性。当前，评价施工和易性还没有一个定量指标，只能凭经验来目估。第45页

*稳定度马歇尔稳定度是评价沥青混合料高温稳定性指标。将沥青混合料按一定百分比混合并拌匀，采取人工或机械击实方法制成圆柱形试件（直径101.6±0.25mm，高63.5±1.3mm），再将试件置于60±1℃恒温水槽中保温30～40min（对粘稠石油沥青），然后，把试件置于马歇尔试验仪上，以50±5mm／min速度加荷，至试验荷载到达最大值，此时最大荷载即为稳定度（MS），以ＫN计。残留稳定度是反应沥青混合料受水损害时抵抗剥落能力。浸水马歇尔稳定度试验方法与马歇尔试验基本相同，只是将试件在60±1℃恒温水槽中保温48h，然后，再测定其稳定度，浸水后稳定度与标准马歇尔稳定度百分比即为残留稳定度。第46页*流值流值是评价沥青混合料抗塑性变形能力指标。在马歇尔稳定度试验时，当试件到达最大荷载时，其压缩变形值，也就是此时流值表上读数，即为流值（FL），以0.1mm计。第47页*空隙率空隙率是评价沥青混合料压实程度指标。空隙率大小，直接影响沥青混合料技术性质，空隙率大沥青混合料，其抗滑性和高温稳定性都比很好，但其抗渗性和耐久性显著降低，而且对强度也有影响。沥青混合料空隙率是指空隙体积占沥青混合料总体积百分率，它是由理论密度和实测密度求得。第48页*沥青混合料试件实测密度对于密实沥青混凝土试件，其集料吸水率不大时，采取水中重法测定。

式中：——试件实测密度，g/cm3;——干燥试件空气中质量；g；——试件水中质量，g；——常温水密度（≈1g/cm3）。第49页对于表面较粗但较密实沥青混凝土试件，其吸水率小于2％时，采取表干法测定。式中：——试件表干质量，g；——意义同前。第50页对于吸水率大于2％沥青混凝土试件，采取蜡封法测定。

式中：——蜡封试件空气中质量，g；——蜡封试件水中质量，g；——常温下石蜡与水相对密度；——意义同前。第51页*沥青混合料试件理论密度假定沥青混合料压至绝对密实，而不考虑其内部空隙时试件密度为理论密度。（1）油石比（沥青与矿料质量比）计算时，试件理论密度为

式中：——理论密度，g/cm3;——各种矿料配合比（％）（矿料总和为）；——各种矿料相对密度；——油石比，％；——沥青相对密度；——常温水密度，g/cm3。第52页*采取沥青含量（沥青质量占沥青混合料总质量百分率）计算时，试件理论密度为：

式中：——各种矿料配合比（％）（矿料与沥青之和为）；——沥青含量，％；——意义同前。第53页沥青混合料试件空隙率

式中：——试件空隙率，％；——试件理论密度，g/cm3;——试件实测密度，g/cm3。第54页*沥青混合料试件饱和度沥青混合料试件饱和度也称沥青填隙率，即沥青体积与矿料空隙体积百分率。饱和度过小，沥青难以充分裹覆矿料，影响沥青混合料粘聚性，降低沥青混凝土耐久性；饱和度过大，降低了沥青混凝土空隙率，防碍夏季沥青体积膨胀，引发路面泛油，降低沥青混凝土高温稳定性，所以，沥青混合料要有适当饱和度。

式中：——试件沥青饱和度，％；——矿料间隙率，％；——试件沥青体积百分率，％；——试件空隙率，％。第55页*沥青体积百分率是指沥青体积占试件体积百分率（1）当试件采取油石比计算时，沥青体积百分率

式中：——意义同前。（2）当试件采取沥青含量计算时，沥青体积百分率

式中：——意义同前。

第56页6.2.3矿质混合料配合比设计1.矿质混合料级配理论第57页各种不一样粒径集料，按一定百分比搭配，可到达较小空隙率或较大摩擦力。集料级配有连续级配和间断级配两类。级配理论主要有最大堆积密度理论和粒子干涉理论，惯用是最大堆积密度理论。第58页（1）（富勒）Ｗ.Ｂ.Ｆuller理论富勒依据试验提出一个理想级配，认为：“级配曲线愈靠近抛物线时，则其密度愈大”，所以，当级配曲线为抛物线时为最大密度曲线。

当粒径ｄ等于最大粒径Ｄ时，矿质混合料经过率等于１００％，则：

T第59页（２）（泰波）Ａ.Ｎ.Ｔalbal理论泰波认为富勒曲线是一个理想曲线，实际矿料级配应允许有一定波动范围，故将富勒最大密度曲线改为n次幂通式，即

从泰波公式可看出，当ｎ＝１／２时为抛物线，即富勒曲线。依据试验认为ｎ＝０.３～０.６之间时，矿质混合料含有很好密实度。泰波理论可用来处理连续级配级配范围问题，故含有很大实用意义。第60页（3）我国简化公式

这种方法计算简单，从最大粒径D为100%开始，不停乘以i值即可得出后一级经过百分率。直接应用计算所得数据可绘制级配曲线。第61页2.矿质混合料配合比设计方法矿料配合比计算是让各种矿料以最正确百分比混合，从而加入沥青后，使沥青混凝土即密实，又有一定空隙，供夏季沥青膨胀。矿料配合比计算步骤以下：1）依据道路等级、路面类型及所处结构层等选择适用沥青混合料类型；按表6-11确定矿料级配范围。2）由各种矿料筛分曲线计算配合百分比，合成矿料级配应符合表6-11要求。第62页（1）通常情况下，合成级配曲线宜尽可能靠近设计级配中限，尤其应使0.075mm、2.36mm和4.75mm筛孔经过量尽可能靠近设计级配范围中限；（2）对交通量大、轴载重公路，宜偏向级配范围下（粗）限，对中小交通或人行道路等宜偏向级配范围上（细）限；（3）合成级配曲线应靠近连续或有合理间断级配，不得有过多犬牙交织；当经过再三调整，仍有两个以上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。第63页[例题]矿料配合比图解法第64页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正确百分比混合，从而加入沥青后，使沥青混凝土即密实，又有一定空隙，供夏季沥青膨胀。矿料配合比计算按上节步骤进行。第65页6.2.4沥青混合料配合比设计*沥青混合料配合比设计任务就是经过确定粗集料、细集料、矿粉和沥青之间百分比关系，使沥青混合料各项指标到达工程要求，让沥青混合料强度、稳定性、耐久性、平整度等各项要求，在联络与矛盾中到达统一。*沥青混合料配合比设计包含：目标配合比设计、生产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。*试验室配合比设计分为矿质混合料配合组成和沥青最正确用量确定两部分。第66页（2）沥青最正确用量确实定沥青最正确用量确实定能够经过理论计算得到，但误差较大，故普通采取试验方法求得。当前，我国采取马歇尔试验法来确定沥青最正确用量。其方法是：1）按所设计矿料配合比配制五组矿质混合料，每组按规范推荐沥青用量（或油石比）范围加入适量沥青，沥青用量按0.5％间隔递增，拌和均匀，制成马歇尔试件。2）依据集料吸水率大小和沥青混合料类型采取适当方法，测出试件实测密度，并计算理论密度、空隙率、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标第67页第68页第69页第70页4）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。从图中取对应于密度最大值沥青用量，对应于稳定度最大值沥青用量，对应于要求空隙率范围中值沥青用量。以三者平均值作为最正确沥青用量初始值。