第七章-沥青和沥青混合料

第七章沥青及沥青混合料

沥青是土木工程中常用的有机胶凝材料，广泛用于防水、防潮、防腐工程以及各种类别的道路工程。目前常用于土木工程防水材料和道路沥青混合料的是石油沥青。采用石油沥青作胶结料的沥青混合料是公路路面、机场道面结构的一种主要材料，也可用于建筑防水或堤坝防渗。它具有良好的力学性能、一定的高温稳定性和低温柔韧性，用作路面具有抗滑性好、噪音小、行车平稳等优点。

第七章沥青及沥青混合料

沥青是高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的极其复杂的混合物，在常温下呈黑色或黑褐色的固体、半固体或液体，能溶于多种有机溶剂，如汽油、煤油、柴油等。沥青按产源分为地沥青（包括天然沥青和石油沥青）和焦油沥青（包括煤沥青和页岩沥青）。土木工程中常用的主要是石油沥青。根据石油沥青的生产加工工艺不同，可分别制得直馏沥青、蒸馏沥青、氧化沥青、裂化沥青、溶剂沥青等。第一节沥青材料

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一、石油沥青的组分

（一）三组分分析法

1．油分

在石油沥青中的含量为45%～60%，赋予沥青流动性。

2．树脂

在石油沥青中的含量为15%～30%，它赋予沥青塑性和粘结性。

3．地沥青质在石油沥青中的含量约为5%～30%，决定沥青的粘结力、粘度和温度稳定性，以及沥青的硬度和软化点等.

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（二）四组分分析法

四组分分析法是将石油沥青分离为沥青质(At)、饱和分(S)、芳香分(A)和胶质(R)四种组分，并分别研究不同组分的特性及其对沥青工程性质的影响。沥青各组分相对含量的多少决定了沥青的性能。若饱和分适量，且芳香分含量较高时，沥青通常表现为较强的可塑性与稳定性；当饱和分含量较高时，沥青抵抗变形的能力就较差，虽然具有较高的可塑性，但在某些环境条件下稳定性较差；随着沥青中胶质和沥青质的增加，沥青的稳定性越来越好，但其施工时的可塑性却越来越差。

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二、石油沥青的胶体结构

石油沥青的胶体结构是影响其性能的重要原因。溶胶型、凝胶型及溶—凝胶型胶体结构的石油沥青示意图下图所示。

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三、石油沥青的主要技术性质

1．粘滞性粘滞性是反映石油沥青抵抗其本身相对变形的能力，常表现为沥青的软硬程度或稀稠程度。反映石油沥青粘滞性的主要技术指标是石油沥青的粘度和针入度。液态石油沥青的粘性用粘度表示。固态或半固态石油沥青的粘性用针入度表示。

第七章沥青及沥青混合料2．温度敏感性

温度敏感性是指石油沥青的粘性和塑性随温度的升降而变化的性能。变化程度越小，表示沥青的温度敏感性越小；反之，温度敏感性越大。石油沥青的温度敏感性常用的评价指标是软化点和针入度指数。石油沥青温度敏感性与地沥青质含量和蜡含量密切相关。地沥青质增多，温度敏感性降低。沥青含蜡量多时，温度敏感性大。工程上往往用加入滑石粉、石灰石粉或其他矿物填料的方法来减小沥青的温度敏感性。

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3．延展性（塑性）

石油沥青的延展性又称为塑性，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，则仍保持变形后形状的性质。石油沥青的延展性通常用延度表示。

石油沥青的延展性与其组分有关。石油沥青中树脂含量较多，而其他组分含量又适当时，则沥青延展性较大。当沥青化学组分不协调，胶体结构不均匀，含蜡量增加时，都会使沥青的延度相对降低。

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4.粘附性

粘附性是指石油沥青与其他材料（主要指集料、基层等）的界面粘结性能或抗剥落性能。它直接影响沥青的使用质量和耐久性，粘附性是评价沥青技术性能的一个重要指标。粘附性不良的沥青与基层粘接不牢，很容易脱落而丧失使用性能，并使空气或水渗透到空隙中而加快其老化。粘附性等级共分5个等级，5级最好，1级最差。

第七章沥青及沥青混合料5．大气稳定性

大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素的长时期综合作用下抵抗老化的性能。大气稳定性的评定方法是利用沥青试样在加热蒸发前后的“蒸发损失百分率”、“蒸发后针入度比”或“老化后延度”来评定。石油沥青经蒸发后的质量损失百分率越小，蒸发后针入度比和延度越大，表明其抗老化性能愈强，大气稳定性愈好。

第七章沥青及沥青混合料6．施工安全性

为获得良好的施工和易性，在使用粘稠沥青时必须加热，但是当加热达到一定温度时，石油沥青中的油分就会挥发。若加热达到较高的温度，这些挥发油分与空气混合后的气体就可能燃烧。其过程是首先出现混合气体产生闪火现象，此后若继续加热，随着混合气体中油分蒸汽饱和度的增加，混合气体则开始燃烧，从而引发火灾。闪点和燃点是保证沥青加热质量和施工安全的一项重要指标。

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四、石油沥青的技术要求与选用

（一）建筑石油沥青的技术要求与选用

建筑石油沥青按针入度指标划分为40号、30号和10号三个标号。

建筑石油沥青针入度较小（粘性较大），软化点较高（耐热性较好），但延伸度较小（塑性较差），主要用于屋面及地下防水、沟槽防水与防腐、工程，也可用于制作油纸、油毡、防水涂料和沥青嵌缝油膏。

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（二）道路石油沥青的技术要求与选用

1．粘稠石油沥青粘稠沥青分为160号、130号、110号、90号、70号、50号、30号等7个标号。道路石油沥青等级划分除了根据针入度的大小划分外，还要以沥青路面使用的气候条件为依据，在同一气候分区内根据道路等级和交通特点再将沥青划分为1～3个不同的针入度等级；同时，按照技术指标将沥青分为A、B、C三个等级，分别适用于不同范围工程，由A至C，质量级别逐渐降低。

第七章沥青及沥青混合料2．液体石油沥青液体石油沥青是指在常温下呈液体状态的沥青。它可以是油分含量较高的直馏沥青，也可以是稀释剂稀释后的粘稠沥青。稀释剂挥发速度不同，沥青的凝结速度也不一样。液体石油沥青可以为快凝AL(R)、中凝AL(M)和慢凝AL(S)三个等级。快凝液体沥青按粘度分为AL(R)-1和AL(R)-2两个标号，中凝和慢凝液体沥青按粘度分为AL(M)-1～AL(M)-6和AL(S)-1～AL(S)-6等各6个标号。

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五、沥青的掺配、改性及主要制品

（一）沥青的掺配掺配时要注意遵循同源原则，即同属石油沥青或同属煤沥青(或焦油沥青)的才可掺配。不同沥青掺配比例应由试验决定，两种沥青的掺配比例也可用下式估算：

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1．氧化沥青氧化改性是在250℃～300℃高温下，向残留沥青或渣油中吹入空气，通过氧化作用和聚合作用，使沥青分子变大，提高沥青的粘度和软化点，从而改善沥青的性能。

2.橡胶改性沥青橡胶是沥青常用的橡胶改性材料有氯丁橡胶、再生橡胶、热塑性丁苯橡胶（SBS）等。橡胶和沥青有很好的共混性，并能使石油沥青兼具橡胶的很多优点。橡胶改性沥青克服了传统沥青材料热淌冷脆的缺点，提高了沥青材料的强度和耐老化性。。

第七章沥青及沥青混合料（二）改性沥青

3.树脂改性沥青在沥青中掺入适量的树脂改性材料后，可以改善沥青的耐寒性、耐热性、粘结性和抗老化性。但树脂和石油沥青的相容性较差，而且可利用的树脂品种也较少，常用的树脂改性材料有古马隆树脂、聚乙烯、聚丙烯等。

4.橡胶和树脂改性沥青在沥青材料中同时掺入橡胶和树脂，使沥青同时具有橡胶和树脂的特性。且树脂比橡胶便宜，橡胶和树脂又有较好的混溶性，故改性效果较好。常用的有氯化聚乙烯-橡胶共混改性沥青、聚氯乙烯-橡胶共混改性沥青等。

第七章沥青及沥青混合料5.矿物填充料改性沥青为了提高沥青的粘结能力和耐热性，降低沥青的温度敏感性，经常要加入一定数量的矿物填充料。常用的矿物填充料大多是粉状的和纤维状的，主要的有滑石粉、石灰石粉、硅藻土和石棉等。矿物改性沥青的机理为：沥青中掺加矿物填充料后，由于沥青对矿物填充料有良好的润湿和吸附作用，在矿物颗粒表面形成一层稳定、牢固的沥青薄膜，带有沥青薄膜的矿物颗粒具有良好的粘性和耐热性。矿物填充料的掺入量要适当，以形成恰当的沥青薄膜层。

第七章沥青及沥青混合料

石油沥青与水在乳化剂、稳定剂等的作用下经乳化加工制得的均匀沥青产品，称乳化沥青，也称沥青乳液。乳化沥青的主要优点有：冷态施工，节约能源；施工便利，节约沥青；保护环境，保障健康；提高道路质量。乳化沥青的贮存期不宜过长（一般不超过三个月），否则容易引起凝聚分层而变质。贮存温度不得低于0℃，不宜在0℃以下施工，以免水分结冰而破坏防水层；也不宜在夏季烈日下施工，因水分蒸发过快，乳化沥青结膜快，会导致膜内水分蒸发不出而产生气泡。

第七章沥青及沥青混合料（三）乳化沥青

1．冷底子油冷底子油是用建筑石油沥青加入汽油、煤油、苯等溶剂（稀释剂）溶合，或用软化点为50℃～70℃的煤沥青加入苯溶合而配成的沥青涂料。

冷低子油常用30%～40%的石油沥青和60%～70%的溶剂（汽油或煤油）混合而成，施工时随用随配，首先将沥青加热至108℃～200℃，脱水后冷却至130℃～140℃，并加入溶剂量10%的煤油，待温度降至约70℃时，再加入余下的溶剂搅拌均匀为止。储存时应采用密闭容器，以防溶剂挥发。

第七章沥青及沥青混合料（四）沥青基制品

2．沥青胶沥青胶是用沥青材料加入矿质填充料均匀混合制成。沥青胶主要用于粘贴各层石油沥青油毡、涂刷面层油、嵌缝、接头、补漏以及做防水层的底层等，它与水泥砂浆或混凝土都具有良好的粘结性。沥青胶的配置和使用方法分为热用和冷用两种。

第七章沥青及沥青混合料

一、沥青混合料的定义和分类

（一）沥青混合料的定义

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）的有关定义，沥青混合料是指由矿料与沥青结合料拌合而成的混合料总称。其中沥青结合料是指在沥青混合料中起胶结作用的沥青类材料（含添加的外掺剂、改性剂等）的总称。第二节沥青混合料

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（二）沥青混合料的分类

1．按矿质混合料的级配组成分类

（1）连续密级配沥青混凝土混合料（2）连续半开级配沥青混合料（3）开级配沥青混合料（4）间断级配沥青混合料

第七章沥青及沥青混合料2．按照矿料的最大粒径分类

根据集料的公称最大粒径,沥青混合料分为特粗式、粗粒式、中粒式、细粒式和砂粒式。

3．按施工温度分类

（1）热拌热铺沥青混合料（2）常温沥青混合料

第七章沥青及沥青混合料

（一）沥青混合料的结构组成理论

1.表面理论

2.胶浆理论

（二）沥青混合料的结构组成形式

1.悬浮密实结构

2.骨架空隙结构

3.骨架密实结构

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二、沥青混合料的结构组成

（三）沥青混合料的强度形成原理

沥青混合料在路面结构中产生破坏的情况，主要是在高温时由于抗剪强度不足或塑性变形过剩而产生推挤等现象以及低温时抗拉强度不足或变形能力较差而产生裂缝现象。目前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具有一定的抗剪强度和抵抗变形的能力。为了防止沥青路面产生高温剪切破坏，我国城市道路沥青路面设计方法中，对沥青路面抗剪强度验算，要求在沥青路面面层破裂面上可能产生的应力不大于沥青混合料的许用剪应力。

第七章沥青及沥青混合料

第七章沥青及沥青混合料

三、沥青混合料的组成材料

1.沥青

沥青在混合料压实过程中犹如润滑剂，将各种矿料组成的稳定骨架胶结在一起，经压实后形成的沥青混凝土具有一定的强度和所需的多种优良品质。

2.粗集料热拌沥青混合料用的粗集料包括碎石、破碎砾石、钢渣、矿渣等。高速公路和一级公路对粗集料磨光值和集料与沥青的粘附性有所要求，以确保路面不出现磨光和剥落。若粘附性不符合要求时，可对集料掺入消石灰、水泥或石灰水处理或掺加耐水耐热和长期性能好的抗剥落剂。

3.细集料

沥青路面的细集料包括天然砂、机制砂和石屑。它应洁净干燥、无杂质并有适当颗粒级配，并且与沥青具有良好的粘结力。对于高等级公路的面层或抗滑表层，石屑的用量不宜超过砂的用量，采用花岗岩、石英岩等酸性石料轧制的砂或石屑，因与沥青的粘结性较差，不宜用于高等级公路。

4.矿粉沥青混合料的矿粉必须采用石灰岩或岩浆岩中强碱性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉，原石料中的泥土杂质应除净。

第七章沥青及沥青混合料

第七章沥青及沥青混合料

四、影响沥青混合料抗剪强度的因素

1.矿料的形状和级配

2.沥青的性质和用量

3.矿料表面性质的影响

4.矿料比面的影响

5.温度和剪切速率的影响

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五、沥青混合料的技术性质

（一）高温稳定性

1.马歇尔稳定度

2.车辙试验

（二）低温抗裂性（三）耐久性（四）水稳定性（五）抗滑性（六）施工和易性

第七章沥青及沥青混合料六、沥青混合料配合比设计

沥青混合料的配合比设计就是确定混合料各组成部分的最佳比例，其主要内容是矿质混合料级配设计和最佳沥青用量确定。包括目标配合比（实验室配合比）设计、生产配合比设计和试拌试铺配合比调整三个阶段。本节着重介绍国内常用的马歇尔设计法用于分析热拌沥青混合料的具体过程。

第七章沥青及沥青混合料

（一）实验室配合比（目标配合比）设计

1.矿质混合料级配设计

2.确定混合料的最佳沥青用量

3.马歇尔试验结果分析

4.水稳定性检验

5.抗车辙能力检验

6.低温抗裂性能检验

7.钢渣活性检验

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