土木工程材料第十章-沥青与沥青混合料

10.0概述复杂的高分子的碳氢化合物及其非金属（氧、硫、氮）的衍生物所组成的混合物。黑色(黑褐色)；固态、半固态或液态。性质：粘结性（有机胶凝材料）、憎水性、塑性、耐腐蚀。用途：路面、屋面、防水防潮、耐腐蚀等工程材料。沥青：

沥青的分类:土木建筑工程主要应用石油沥青。沥青地沥青焦油沥青天然沥青：沥青湖，砂岩、砂中提炼。石油沥青：石油原油蒸馏后残留物加工。煤沥青：煤焦油蒸馏后残留物加工。页岩沥青：油页岩炼油工业的副产品。

10.沥青与沥青混合料10.1

石油沥青10.2沥青混合料10.0概述10.1石油沥青

石油沥青的组分与结构石油沥青的技术性质石油沥青的选用石油沥青产品和技术标准石油沥青的掺配与改性一、石油沥青的组分与结构不能直接得到沥青元素含量与性能之间的关系。组分：性质相近，与其工程性质有一定联系。通过分析组分研究沥青的性能，有三组分分析法和四组分分析法1.石油沥青的组分

组分含量（％）平均相对密度外观特征在沥青中作用沥青质5~251.15深棕色至黑色固体提高粘结力、粘度，温度稳定性，硬度提高胶质15~301.09棕色粘稠液体可塑性、流动性和粘结性芳香分40~650.99黄色至红色液体都为油分，起润滑和柔软作用饱和分5~200.98无色液体四组分分析法经丁酮-苯脱蜡，在-20℃冷冻，可分离出固态的烷烃——蜡，蜡是石油沥青的有害成分。沥青中的蜡降低沥青高温稳定性，使沥青高温时出现车辙或流淌；降低低温抗裂性，使沥青低温时变脆硬；使沥青与石料粘附性降低，使路面石子产生剥落；使沥青路面抗滑性降低，影响路面行车安全。我国标准规定：重交通量道路石油沥青的含蜡量不大于3％。

溶-凝胶型结构粘性小，流动性大，高温稳定性差。粘性大，塑性差，高温稳定性较好。大部分优质道路沥青均配成溶～凝胶型结构，具有粘弹性和触变性，故亦称弹性溶胶。2.石油沥青的（胶体）结构溶胶型结构凝胶型结构

二、石油沥青的技术指标1.粘滞性（粘性）。反映沥青软硬、稀稠的程度。检测方法：针入度是目前我国粘稠石油沥青的分级指标。液体石油沥青：粘滞度（标准粘度）孔径：3mm、5mm或10mm温度：20℃、25℃、30℃或60℃。固体、半固体沥青：针入度100g0.1mm为1度针入度越大，粘性越小。时间越长，粘性越大。

受外力作用，变形但不破坏，外力除去，变形保持。塑性小的沥青，低温下易开裂；塑性大的沥青，不易开裂，且具有自愈性，防水性也好。用延度表示。∞字形标准试件（中间最小截面面积为1cm2），用延度仪，在规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度，单位：cm。试验温度有0℃、15℃、25℃三种；拉伸速度有1cm/min、5cm/min两种。2.塑性（延性）

粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能；用软化点来衡量。固态转变为膏体的温度。3.5g3.温度稳定性（敏感性）沥青软化点越高，沥青的温度稳定性越好。可加入滑石粉、石灰石粉或其它矿物填料减少沥青的温度敏感性。加热速度5℃/min针入度、延度、软化点是评价粘稠石油沥青技术性质最常用的三大指标。

4.大气稳定性石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能。老化原因：油分→树脂→沥青质。评价方法：

5.其它性质溶解度——表征沥青的有效含量闪点——规定条件下加热到石油沥青的蒸气与火焰接触发生闪火时的最低温度，是安全施工指标燃点含蜡量水分

三、石油沥青产品及技术标准《道路石油沥青》（SH/T0522-2000）：用于中、轻交通量道路。按针入度分为A-200、A-180、A-140、A-100和A-60五个牌号；《重交通道路石油沥青》（GB/T15180-2000）：用于重交通量道路和其它等级道路、机场等。按针入度分为AH-130、AH-110、AH-90、AH-70和AH-50五个牌号；《建筑石油沥青》（GB/T494-1998）：用于建筑屋面和地下防水的胶结料，也可用于制造涂料、油毡和防腐材料。按针入度分为10号、30号和40号三个牌号；《防水防潮石油沥青》（SH/T0002-1990）：用于油毡的涂覆材料及建筑屋面和地下防水的胶结料。按针入度指数分为3号、4号、5号和6号四个牌号；

四、石油沥青的选用选用：根据工程性质及当地气候条件，所处环境来选用不同牌号的沥青（或两个牌号混合使用）。分类：

屋面用沥青：软化点一般应比当地屋面可能达到的最高温度高出20～25℃，亦即比当地最高温度高出50℃左右。接缝用沥青：考虑针入度和延度，可选用60号、100号沥青。地区气温越低，选用标号越大的沥青。五、石油沥青的掺配与改性P1—高软化点沥青用量（%）；P2—低软化点沥青用量（%）；T1—高软化点沥青软化点（℃）；T2—低软化点沥青软化点（℃）。T—掺配后的石油沥青软化点（℃）；以估算的掺配比例和其邻近的比例（5％～10％）进行试配（混合熬制均匀），测定掺配后沥青的软化点，然后绘制“掺配比--软化点”关系曲线，确定出所要求的掺配比例。1.石油沥青的掺配

2.石油沥青的改性（1）橡胶类改性沥青掺加剂：SBS橡胶作用：低温变形能力提高，韧性增大，高温粘度增大。（2）树脂类改性沥青掺加剂：PE、PP、PVA树脂作用：提高沥青粘度，改善高温稳定性，增大韧性。（3）纤维类改性剂掺加剂：石棉、聚丙烯纤维、聚酯纤维、木质纤维等作用：显著提高高温稳定性，增加低温抗拉强度。

10.沥青材料10.1

石油沥青10.2

沥青混合料10.0概述沥青混合料的定义、分类和基本性质热拌沥青混合料的结构与强度沥青混合料的技术性质热拌沥青混合料的配合比设计10.2沥青混合料Back1.定义沥青混凝土填料矿质集料沥青混合料压实

摊铺沥青混合料是用适量的沥青材料与一定级配的矿质集料，经过充分拌和而形成的混合物。一、沥青混合料的定义、分类和基本性质矿料(矿质集料,矿质混合料)+沥青→沥青混合料→摊铺，压实→沥青混凝土(AC)或沥青碎石(AM)

沥青混凝土混合料

沥青碎石混合料

2.分类按沥青种类分类：石油沥青混合料、煤沥青混合料；按施工温度分类：热拌，常温；按最大粒径分类：特粗式，粗粒式，中粒式，细粒式；按沥青混合料中剩余空隙率P分类：开式（P＞15%），半开式（10%＜P＜15%），密实式（P＜10%，其中Ⅰ型3%~6%Ⅱ型4%~10%）；按矿质集料级配类型分类：连续级配、间断级配。

粘-弹-塑性好，力学性质优良，具有一定的高温稳定性和低温抗裂性；平整却具有一定的粗糙度；不反光；无接缝；路面有弹性，行车舒适；施工方便、速度快；可分期改造和再生利用。温度敏感性；老化。3.沥青混合料的基本性质

目前存在的主要问题二、热拌沥青混合料的结构与强度

1.沥青混合料的组成结构a悬浮密实结构b骨架空隙结构c骨架密实结构

沥青混合料的类型和特点类型示意图特点混合料名称密实悬浮型aVV中、Φ小连续型密级配骨架空隙型bC小、VV大、Φ中间断型开级配骨架密实型cC大、VV小、Φ大间断型密级配注：VV－试件空隙率Φ－内摩阻角C-粘聚力Back=c+tg

2.沥青混合料的强度理论沥青混合料在路面结构中有两种破坏形式：

1）夏季高温时的抗剪强度不足2）冬季低温时变形能力不足沥青混合料的强度决定于抗剪强度，三轴剪切试验结果表明抗剪强度主要取决于粘聚力C和内摩擦角Φ。τ—抗剪强度C—粘聚力σ—剪切法向压应力φ—内摩擦角1）矿料级配、粒径、表面性状特征的影响a.级配：连续级配内摩擦角φ较小

间断级配内摩擦角φ较大b.粒径:粒径D↑→内摩擦角φ↑c.粒形及粗糙度:

近似正方形且粗糙有棱角→C及φ大→τ大结论:应选用粗大、均匀、粗糙集料沥青混合料强度的影响因素2）沥青结合料的粘度与用量a.沥青粘性沥青η↑→C↑；沥青η随温度T↑而↓→C↓b.沥青用量qq越多，矿料表面沥青膜越厚→φ越小

图沥青用量q-C及q-φ关系图沥青用量(q)(%)CφΦ=f(q)C=f(q)a.矿料化学性质的影响矿料矿料化学性质不同碱性SiO2＜52%中性SiO2=52%-65%酸性SiO2

＞65%矿料的化学性质变化，对沥青混合料的性质起重要的作用。3）矿粉的品种与用量矿质混合料名称干燥抗压强度(KN)浸水后抗压强度（KN）浸水后强度降低（%）石灰石质205818938.01石英石质117691722.08矿料化学性质的影响原因分析：碱性石料与沥青酸酐产生化学吸附→形成的吸附溶剂化膜发育完善→C大→混合料强度高；酸性石料与沥青形成的吸附溶剂化膜发育不完善→C小→混合料强度低。c.矿料比面（单位质量矿料的表面积）影响:沥青用量一定，矿料比面↑→结构沥青多→C↑b.矿料颗粒间的联结形式矿粉对涂敷于周围的沥青分子有吸附作用，使沥青在矿粉表面产生化学组分的重排，形成一层扩散结构膜，膜内—结构沥青膜外—自由沥青☞结构沥青的粘聚力大于自由沥青试验方法车辙试验三轴试验法维姆稳定度法马歇尔试验三、沥青混合料的技术性质定义：沥青混合料在高温条件下，承受多次重复荷载不产生过大的累积塑性变形的性质。经长期荷载作用不产生车辙、波浪等现象的性质。影响因素：沥青粘度、沥青与石料相互作用特征、矿料性质。1.高温稳定性马歇尔试验指标马歇尔稳定度MS：最大的破坏荷载（kN）。流值FL：最大破坏荷载时的垂直变形（0.1mm）。马歇尔模数T：稳定度除以流值的商。动稳定度(车辙)试验300mm×300mm×50mm的标准试件，在60℃的温度条件下，以一定荷载的轮子（轮压0.7MPa），在同一轨迹上作一定时间的反复行走，形成一定的车辙深度，然后计算试件变形1mm所需试验车轮行走的次数。热拌沥青马歇尔试验指标试验项目沥青混合料类型高速公路、一级公路、城市快速道、主干道其它等级过路与城市道路行人道路稳定度（MS），KNⅠ型沥青混凝土Ⅱ型沥青混凝土、抗滑表层＞7.5＞5.0＞5.0＞4.0＞3.0—流值（FL），0.1mmⅠ型沥青混凝土Ⅱ型沥青混凝土、抗滑表层20～4020～4020～4520～4520～50—空隙率（VV），％Ⅰ型沥青混凝土Ⅱ型沥青混凝土、抗滑表层沥青碎石3～64～10＞103～54～10＞102～5——沥青饱和度（VFA），％Ⅰ型沥青混凝土Ⅱ型沥青混凝土、抗滑表层沥青碎石70～8560～7540～6070～8560～7540～6075～90－－残留稳定度（MS0），％Ⅰ型沥青混凝土Ⅱ型沥青混凝土、抗滑表层＞75＞70＞75＞70＞75－

定义：温度较低时沥青混合料抵抗收缩变形，不产生开裂的性质。沥青路面裂纹原因：①重复荷载→疲劳开裂

②低温脆化→变形能力↓→开裂

③低温收缩④①+②

影响因素：沥青质量及用量，矿料级配等2.低温抗裂性定义:

沥青混合料抵抗长时间的大气因素的反复作用和行车荷载作用的能力。影响因素:沥青的化学性质矿料成分沥青混合料的组成结构沥青用量例如：沥青用量少0.5%→Vv↑→

混合料的寿命降低一年。3.耐久性改善耐久性的措施:采用坚固矿料提高混合料的密实度选用细粒密级配沥青混合料增加沥青用量等试验：加速老化试验、马歇尔试验指标：耐久性可由下列指标来评价：

空隙率饱和度（沥青填隙率）残留稳定度3.耐久性影响因素：

矿料表面结构、级配、混合料组成及沥青用量。改善措施：①选用耐磨石料，对磨耗率及冲击值有一定要求。☞注意，硬质石料往往属于酸性石料，需加抗剥离剂。②控制沥青用量：沥青用量q↑→表面平滑↑→抗滑性↓Back4.抗滑性改善措施：①添加抗剥落剂②采用碱性集料，提高沥青与集料的粘附性③采用密实结构以减小空隙率④用消石灰粉取代部分矿粉Back5.水稳定性影响因素：矿料级配：适当级配不易产生离析现象沥青粘度及用量气温及施工条件Back6.施工和易性四、热拌沥青混合料（HMA）的配合比设计任务：确定粗集料、细集料、矿粉和沥青等材料相互配合的最佳组成比例，是沥青混合料的各项指标既达到工程要求，又符合经济性原则。步骤：目标配合比设计→生产配合比设计→生产配合比验证内容：矿料组成设计；沥青最佳用量的确定

（一）目标配合比设计1.矿质混合料组成设计确定沥青混合料类型；确定矿质混合料的级配范围（查表10-6）；检测组成材料的原始数据；计算矿质混合料配合比（试算法和图解法）。

沥青路面各层的沥青混合料类型（方孔筛系列）结构层次高速公路、一级公路、城市快速路、主干路其它等级公路一般城市道路及其它道路工程三层式沥青混凝土路面两层式沥青混凝土路面沥青混凝土路面沥青碎石路面沥青混凝土路面沥青碎石路面上面层AC-13AC-16AC-20AC-13AC-16AC-13AC-16AM-13AC-5AC-10AC-23AM-5AM-10中面层AC-20AC-25下面层AC-25AC-30AC-20AC-25AC-30AC-20AC-25AC-30AM-25AM-30AM-25AM-30AC-20AC-25AM-25AM-30AM-25AM-30AM-40

2.沥青最佳用量（OAC）的确定查表并根据经验估计适宜的沥青用量（油石比）；以估计沥青用量为中值，按0.5％间隔变化，取5个不同的沥青用量，拌和均匀，制成马歇尔试件；测定试件的密度，计算出空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率等，并进行体积组成分析；进行马歇尔试验，测定马歇尔稳定度和流值；以沥青用量为横坐标，