第7章 沥青及沥青混合料课件.ppt

第七章 沥青及沥青混合料一、沥青材料 沥青是高分子碳氢化合物及其非金属（氧、氮、硫等）衍生物组成的极其复杂的混合物。 在常温下呈现黑色或黑褐色的固体、半固体或液体状态。 沥青按产源可分为地沥青（包括天然沥青、石油沥青）和焦油沥青（包括煤沥青、页岩沥青等）。 土木工程中主要应用石油沥青，另外还使用少量煤沥青。 1.石油沥青的组分与结构 石油沥青是石油原油经蒸馏提炼出各种轻质油（如汽油、煤油、柴油等）及润滑油以后的残留物，或再经加工而得到的产品。 （1）石油沥青的组分 从使用角度出发，将沥青中化学成分和物理性质相近，且具有某些共同特征的部分，划分为若干个化学成分组，这些组称为组分，并进行组分分析，以研究这些组分与工程性质之间的关系。 表7.1石油沥青组分主要特征组分状态颜色密度/g/cm3分子量含量/%油分油状液体淡黄色至红褐色0.713005004060树脂粘稠状物质黄色至黑褐色1.01.160010001530地沥青质无定形固体粉末深褐色至黑色1.010001030 不同组分对石油沥青性能的影响不同。油分赋予沥青流动性；树脂使沥青具有良好的塑性和粘结性；地沥青质决定沥青的耐热性、粘性和脆性，其含量越多，软化点越高，粘性越大，越硬脆。 （2）石油沥青的结构 在沥青中，油分与树脂互溶，树脂浸润地沥青质，在地沥青质的超细颗粒表面形成树脂薄膜。因此，石油沥青的结构是以地沥青质为核心，周围吸附部分树脂和油分，构成胶团，无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。 在这个分散体系中，分散相为吸附部分树脂的地沥青质，分散介质为溶有树脂的油分。 当地沥青质含量相对较少时，油分和树脂含量相对较高，胶团外膜较厚，胶团之间相对运动较自由，这时沥青形成的胶体结构称为溶胶结构。 当地沥青质含量较多而油分和树脂较少时，胶团外膜较薄，胶团靠近聚集，移动比较困难，这时沥青形成的胶体结构称为凝胶结构。 当地沥青质含量适当，并有较多的树脂作为保护膜层时，胶团之间保持一定的吸引力，这时沥青形成的胶体结构称为溶胶-凝胶结构。 具有溶胶结构的石油沥青粘性小，流动性大，开裂后自行愈合能力较强，但对温度的敏感性强，温度过高时易发生流淌。 具有凝胶结构的石油沥青弹性和粘结性较高，温度稳定性较好，但塑性较差。 溶胶-凝胶型石油沥青的性质介于溶胶型和凝胶型两者之间。 2.石油沥青的主要技术性质 （1）粘滞性（粘性） 粘滞性是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性，它反映石油沥青在外力作用下抵抗变形的能力。 常表现为沥青的软硬程度或稀稠程度。 液体石油沥青的粘滞性用标准粘度指标表示，它表征液体沥青在流动时的内部阻力。 在标准粘度计中，于规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50ml体积所需的时间。 图7.2标准粘度测定示意图 对于半固体或固体的石油沥青则用针入度指标表示，它反映石油沥青抵抗剪切变形的能力。 针入度是在规定温度（25）条件下，以规定质量（100g）的标准针，在规定时间（5s）内贯入试样中的深度（以1/10mm计）。 图7.3针入度测定示意图 （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，仍保持变形后的形状的性质。 石油沥青的塑性用延度表示。 沥青试样制成字形标准试样（中间最小截面积为1cm2），在规定的拉伸速度（5cm/min）和规定温度（5，10，15，25等）下拉断时的伸长长度，以cm为单位。图7.4延度测定示意图 （3）温度敏感性 温度敏感性（温度稳定性）是指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能。 石油沥青的温度敏感性常以软化点或针入度指数表示。 软化点 规定其中某一状态作为从固态转到粘流态（或某一规定状态）的起点，相应的温度称为沥青软化点。 通常采用环与球法测定沥青软化点。 图7.5软化点测定示意图 针入度指数 根据大量试验结果，沥青针入度的对数（lgP）与温度（T）具有线性关系：lgP = A T + K 可以用直线斜率A来表征沥青的温度敏感性，故称A为针入度温度敏感性系数。 为了计算A值，可以根据已知25时的针入度值P（25，100g，5s）和软化点TR&B，并假设软化点时的针入度值为800，按下式计算针入度温度敏感性系数A：A=( lg800lg P（25，100g，5s）)/( TR&B25) 按上式计算得到的A值均为小数，为使用方便起见，改用针入度指数（PI）表示，按下式计算：PI=30/（1+50 A）10 （4）大气稳定性 大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素的长期综合作用下抵抗老化的性能。 石油沥青会随着使用时间的延长，树脂显著减少，地沥青质显著增加。沥青的塑性降低，脆性增加，这个过程称为石油沥青的老化。 石油沥青的大气稳定性常以蒸发损失和蒸发后针入度比来评定。 蒸发损失百分率=（蒸发前质量蒸发后质量）/蒸发前质量100%蒸发后针入度比=蒸发后针入度/蒸发前针入度100% （5）溶解度、闪点和燃点 溶解度是指石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳和苯中溶解的百分率，以表示石油沥青中有效物质的含量及纯净程度。 闪点也称闪火点，是指加热沥青产生的气体和空气的混合物，在规定条件下与火焰接触，初次产生蓝色闪光时的沥青温度。 燃点也称着火点，是指加热沥青产生的气体和空气的混合物，在规定条件下与火焰接触，能持续燃烧5s以上时，此时沥青的温度为燃点。 3.石油沥青的技术标准 石油沥青按用途不同分为建筑石油沥青、道路石油沥和普通石油沥青。 （1）建筑石油沥青的技术标准 建筑石油沥青按针入度不同分为10号、30号和40号三个牌号。 （2）道路石油沥青的技术标准 道路石油沥青分为30号，50号，70号，90号，110号，130号，160号七个标号，并根据沥青的性能指标，再将其分为A，B，C三个等级。 4.石油沥青的选用 （1）建筑石油沥青 建筑石油沥青主要用于屋面及地下防水、沟槽防水与防腐、管道防腐蚀等工程，还可用于制作油毡、油纸、防水涂料和沥青嵌缝膏等。 根据气候条件、工程环境及技术要求选用。 （2）道路石油沥青 道路石油沥青主要在道路工程中用作胶凝材料，用来与碎石等矿质材料共同配制成沥青混合料。 表7.5道路石油沥青的适用范围沥青等级适用范围A级沥青各个等级的公路，适用于任何场合和层次。B级沥青高速公路、一级公路沥青下面层及以下层次，二级及二级以下公路的各个层次；用作改性沥青、乳化沥青、改性乳化沥青、稀释沥青的基质沥青。C级沥青三级及三级以下公路的各个层次。 （3）普通石油沥青 （4）沥青的掺配 应选用表面张力相近和化学性质相似的沥青。试验证明，同产源的沥青容易保证掺配后的沥青胶体结构的均匀性。 当采用两种沥青掺配时，每种沥青的掺配比例可用下式估算：较软沥青用量=(较硬沥青软化点掺配后沥青软化点)/较硬沥青软化点较软沥青软化点) 100 较硬沥青用量=100较软沥青用量 【例1】某工程需要用软化点为85的石油沥青，现有10号及70号石油沥青，其软化点分别为95和45。试估算如何掺配才能满足工程需要？ 解解 70号石油沥青用量= （9585）/（9545）100=20 10号石油沥青用量=10020=80 根据估算的掺配比例和在其邻近的比例（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”曲线，即可从曲线上确定所要求的掺配比例。 5.石油沥青的改性 在沥青中加入其他材料，来进一步提高沥青的性能，称为改性沥青。 （1）橡胶改性沥青 （2）树脂改性沥青 （3）橡胶和树脂改性沥青 （4）矿物填充料改性沥青 6.煤沥青 烟煤在干馏过程中的挥发物质，经冷凝而成黑色粘性液体称为煤焦油。煤焦油经分馏加工提取轻油、中油、蒽油以后，所得残渣即为煤沥青。 根据蒸馏程度不同，煤沥青分为低温煤沥青、中温煤沥青和高温煤沥青三种。土木工程中采用的煤沥青多为粘稠或半固体的低温煤沥青。 （1）含可溶性树脂较多，由固态或粘稠态转变为粘流态（或液态）的温度间隔短，夏天易软化流淌，而冬天易脆裂，即温度敏感性较大。 （2）含挥发性成分和化学稳定性差的成分较多，在热、阳光、氧气等长期综合作用下，煤沥青的组成变化较大，易硬脆，故大气稳定性较差。 （3）含有较多的游离碳，塑性较差，容易因变形而开裂。 （4）由于含表面活性物质较多，故与矿料表面的粘附力较好。 （5）因含有蒽、酚等，故有毒性和有臭味，防腐蚀能力较强，故适用于木材的防腐处理。因酚易溶于水，故防水性不及石油沥青。表7.6煤沥青与石油沥青的鉴别方法鉴别方法石油沥青煤沥青密度/g/cm3近于1.01.251.28燃烧烟少，无色，有松香味，无毒烟多，黄色，臭味大，有毒锤击声哑，有弹性感，韧性好声脆，韧性差颜色呈辉亮褐色浓黑色溶解易溶于煤油或汽油，呈棕黑色难溶于煤油或汽油，呈黄绿色 二、沥青混合料 沥青混合料是指矿物集料与沥青拌和而成的混合料的总称。包括沥青混凝土混合料（压实后剩余空隙率10%）和沥青碎石混合料（压实后剩余空隙率10%）。 沥青混合料经摊铺、碾压成型后成为沥青路面。 1.沥青混合料的分类 （1）按施工温度分类 热拌热铺沥青混合料 常温沥青混合料 （2）按矿质集料级配类型分类 连续级配沥青混合料 间断级配沥青混合料。 （3）按混合料摊铺压实后密实程度分类 型密实式沥青混合料（剩余空隙率为3%6%） 型密实式沥青混合料（剩余空隙率为4%10%） 半开式沥青混合料（剩余空隙率为10%15%） 开式沥青混合料（剩余空隙率大于15%） （4）按矿料的最大粒径分类 特粗式沥青混合料 粗粒式沥青混合料 中粒式沥青混合料 细粒式沥青混合料 砂粒式沥青混合料 2.沥青混合料的组成材料 沥青混合料的组成材料主要有沥青和矿料。 （1）沥青材料 沥青路面采用的沥青标号，宜按照公路等级、气候条件、交通条件、路面类型及在结构层中的层位及受力特点、施工方法等，结合当地的使用经验，经技术论证后确定。 （2）粗集料 沥青路面采用的粗集料包括碎石、破碎砾石、筛选砾石、钢渣、矿渣等。 粗集料应该洁净、干燥、表面粗糙、质量应符合相关要求。 （3）细集料 沥青路面的细集料包括天然砂、机制砂、石屑。 细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配，其质量应符合相关要求。 （4）填料 沥青混合料的填料必须采用石灰石或岩浆中的强基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。 矿粉应干燥、洁净，能自由地从矿粉仓流出，其质量应符合相关要求。 3.沥青混合料的组成结构 （1）悬浮密实结构 当采用连续密级配矿料与沥青组成混合料时，细集料较多，粗集料较少，粗集料被细集料挤开，并以悬浮状态存在于细集料之间，不能形成嵌挤骨架，形成悬浮密实结构。 （2）骨架空隙结构 当采用连续开级配矿料与沥青组成混合料时，粗集料较多，彼此紧密相接，细集料的数量较少，不足以充分填充空隙，形成骨架空隙结构。 （3）骨架密实结构 当采用间断级配矿料与沥青组成混合料时，既有足够数量的粗集料形成完全嵌挤或较强嵌挤骨架，又有足够的细集料充分填充骨架空隙，形成较高密实度的骨架结构，即骨架密实结构 4.沥青混合料的强度 （1）沥青混合料强度的构成 沥青混合料的强度是由矿质集料颗粒之间的嵌挤力（内摩阻力）、沥青与集料之间的粘结力及沥青的内聚力构成的。 试验表明，沥青混合料在外力作用下不发生剪切滑移时应满足下列条件： c + tan 沥青的影响 沥青本身的粘度高低直接影响着沥青混合料粘聚力的大小。 适当的沥青用量，使混合料胶结性能好，便于拌和，集料表面充分裹覆沥青薄膜，形成良好的粘结。 集料的影响 集料颗粒表面的粗糙度、颗粒形状、酸碱性、级配等，对沥青混合料的强度有很大影响。 矿粉的影响 图7.7沥青与矿粉相互作用的结构示意图 5.沥青混合料的技术性质 （1）高温稳定性 高温稳定性是指沥青混合料在高温条件下承受多次重复荷载作用而不发生过大塑性变形的性能。 马歇尔稳定度试验：马歇尔稳定度试验主要测定的是马歇尔稳定度和流值。稳定度是指在规定温度和加荷速度下，标准尺寸试件的破坏荷载（单位：kN）；流值是最大破坏荷载时，试件的垂直变形（以0.1mm计）。 车辙试验：采用标准方法成型沥青混合料板型试件，在规定的试验温度和轮碾条件下，沿试件表面同一轨迹反复碾压行走，测定试件表面在试验过程中形成的车辙深度。以产生1mm车辙变形所需要的碾压次数（称之为动稳定度）作为评价沥青混合料抗车辙能力大小的指标。 影响沥青混合料高温稳定性的主要因素有沥青的用量、沥青的粘度、矿料的级配、矿料的尺寸及形状等。 （2）低温抗裂性 低温抗裂性是沥青混合料在低温下抵抗断裂破坏的能力。 沥青混合料的低温开裂是由混合料的低温脆化、低温收缩和温度疲劳引起的。 （3）耐久性 沥青混合料的耐久性是指其在外界各种因素（如阳光、空气、水、车辆荷载等）的长期作用下，能基本保持原有性能的能力。 影响沥青混合料耐久性的主要因素有，沥青与集料的性质、沥青的用量、沥青混合料的压实度与空隙率等。 （4）抗滑性 沥青路面的抗滑性主要与其矿质集料的表面状态和耐磨性、混合料的级配组成、沥青用量和沥青含蜡量等有关。 （5）施工和易性 良好的施工和易性，使混合料易于拌和、摊铺和碾压。 从混合料性质来看，影响沥青混合料施工和易性的是混合料的级配和沥青用量。 6.沥青混合料技术指标及技术标准 7.热拌沥青混合料配合比设计 沥青混合料配合比设计的任务是确定粗集料、细集料、矿粉和沥青等材料的最佳组成比例，使沥青混合料的各项指标既达到工程要求，有符合经济性原则。 热拌沥青混合料的配合比设计包括目标配合比设计、生产配合比设计（在目标配合比确定之后，利用实际施工的拌合机进行试拌以确定施工配合比）和生产配合比验证（试拌试铺）三个阶段。 目标配合比设计在试验室进行，分矿质混合料设计和沥青最佳用量确定两部分。 （1）矿质混合料设计 选配一个具有足够密实度、并且有较高内摩阻力的矿质混合料。 密级配沥青混合料宜根据公路等级、气候及交通条件按表7.20选择采用粗型（C型）或细型（F型）混合料，并在表7.21范围内确定工程设计级配范围。 计算所得的合成级配应根据下列要求作必要的调整。 （a）通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近级配中限，尤其应使0.075mm，2.36mm，4.75mm筛孔的通过量尽量接近级配范围中限。 （b）对高速公路、一级公路、城市快速路、主干路等交通量大、轴载重的道路，宜偏向级配范围的下（粗）限；对一般道路、中小交通量或人行道路等宜偏向级配范围的上（细）限。 （c）合成级配曲线应接近连续或合理的间断级配，不得有过多的犬牙交错，且在0.30.6mm范围内不出现“驼峰”。当经过再三调整，仍有两个以上的筛孔超过级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新设计。 数解法 试算法的基本思路是在确定混合料中各组成集料的比例时，先假定混合料中的某种颗粒只是来源于某一该粒径占优势的集料，而其他各种集料不含这种粒径。依此试算各规格粒径集料的大致比例；然后校核混合后的实际级配，若不满足规定则再调整，直至达到要求的级配。 设有A，B，C三种集料，欲配制成级配为M的矿质混合料，求A，B，C集料的配合比。 设X，Y，Z分别为A，B，C三种集料在混合料中的用量比例，aA(i)，bB（i），cC（i）分别为A，B，C三种集料在某一粒径（i）的含量，aM（i）为粒径（i）的集料在总体混合料M中的含量，则其各组分间的关系为：X + Y + Z = 100aA（i）XbB（i）YcC（i）Z= aM（i）100 计算A集料在矿质混合料中的用量时，按A集料在优势含量（即假设混合料M中某一粒径（i）主要由A集料提供）的某一粒径计算，而忽略其他集料在此粒径的含量（即假设bB（i）=0，cC（i）=0）则A集料用量可估算为：X=100 aM（i）/ aA(i) 依同样原理，计算C集料在矿质混合料中的用量为：Z=100 aM（j）/ aC(j) 计算B集料在矿质混合料中的用量：Y=100XZ 【例2】 现有碎石、砂和矿粉三种集料，经筛分析试验，各集料的分计筛余百分率列于表7.22，并列出按推荐要求设计混合料的级配范围。试求碎石、砂和矿粉三种集料在要求级配混合料中的用量比例。 解解 先将矿质混合料要求级配范围的通过百分率换算为分计筛余百分率，计算结果列如表7.23，并设碎石、砂、矿粉的配合比为X，Y，Z。 由表7.23可知，碎石中5mm粒径颗粒含量占优势，假设混合料中5mm的粒径全部由碎石提供，bB（5）=0，cC（5）=0，则碎石在矿质混合料中的用量比例：X= aM（5）/ aA(5) 100% = 29.5 / 60.0 100% = 49% 同理，矿粉中0.08mm粒径颗粒含量占优势，忽略碎石和砂中此粒径颗粒的含量，即bA（0.08）=0，cB（0.08）=0，则矿粉在矿质混合料中的用量比例：Z=aM（0.08）/ aC(0.08) 100% = 17.5 / 83.3100% = 21% 则砂在矿质混合料中的用量比例：Y=（100XZ）100% =（1004921）100% =30% 以试算所得配合比X= 49%，Y=30%，Z=21%，按表7.24进行校核。 图解法图7.8图解法用级配曲线坐标图图7.9组成集料级配曲线和要求合成级配曲线图 【例3】 现有碎石、砂、石屑和矿粉四种集料，筛分析试验结果列于表7.25。表7.25各种集料筛分析结果材料名称筛孔尺寸/mm16.0 13.29.54.752.36 1.180.60.30.150.075通过率/%碎石10095260000000石屑1001001008040170000砂100100100100949076385170矿粉10010010010010010010010010083 要求将上述四种集料组配成符合表7.26要求的矿质混合料。试确定各种集料的用量比例。表7.26要求的矿质混合料的级配筛孔尺寸/mm16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075通过率/%细粒式沥青混凝土AC-13100901006885386824501538102872051548 解解 绘制级配曲线图，如图7.10。图7.10矿质混合料配合比计算图 在碎石和砂级配曲线相重叠部分作垂线AA（使a = a），自AA与对角线OO的交点M引一水平线交纵坐标于P点。OP的长度为碎石的用量比例36%。 同理，求出石屑的用量比例31%，砂的用量比例25%。剩余部分为矿粉的用量比例8%。 用图解法求出矿质集料的比例关系，即碎石砂矿粉=36%31%25%8%。并进行调整，使合成级配尽量接近要求级配范围中值（表7.27中括号内的数值）。 （2）沥青最佳用量的确定 制备试样 按确定的矿质混合料配合比，计算各种集料的用量；根据沥青用量范围的经验，估计适宜的沥青用量（或油石比）。 测定物理、力学指标 以估计沥青用量为中值，以0.5%间隔上下变化沥青用量制备马歇尔试件，试件数不少于5组，测试其体积参数，然后在规定的试验温度及试验时间内用马歇尔仪测定稳定度和流值。 马歇尔试验结果分析 以油石比或沥青用量为横坐标，以马歇尔试验的各项指标为纵坐标，将试验结果点入图中，连成圆滑的曲线。 确定均符合规范规定的沥青混合料技术标准的沥青用量范围OACmin OACmax。 在曲线上求取相应于密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率（或中值）、沥青饱和度范围中值的沥青用量a1，a2，a3，a4。按下式取平均值作为OAC1：OAC1=（a1+a2+a3+a4）/4 如果在所选择的沥青用量范围未能涵盖沥青饱和度的要求范围，按下式求取三这的平均值为OAC1：OAC1=（a1+a2+a3）/3 以各项指标均符合技术标准（不含VMA）的沥青用量范围OACmin OACmax的中值作为OAC2：OAC2=（OACmin+ OACmax）/2 通常情况下，取OAC1及OAC2的中值作为计算的最佳沥青用量OAC：OAC=（OAC1+ OAC2）/2 （3）配合比设计检验 按计算确定的最佳沥青用量的标准条件下，进行各种使用性能的检验，包括高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性和渗水系数检验。不符合要求的沥青混合料，必须更新材料或重新进行配合比设计。 【例4】试用马歇尔法设计某高速公路路面上面层 用沥青混合料的配合组成。设计原始资料如下。 道路等级：高速公路。 气候条件：本工程地处于半干区的2-2区。 路面类型：三层式沥青混凝土路面的上面层，结构层厚度为3cm。 沥青：90号道路石油沥青。 矿质集料：粗集料采用某采石场的石灰石，细集料采用某地河砂，填料采用石灰石磨制。各项指标均符合规范要求。筛分结果见表7.25。 解解 （1）确定沥青混合料类型和矿质混合料级配范围 根据设计原始资料，确定沥青混合料类型为AC-13沥青混凝土混合料。 （2）矿质混合料级配组成 （3）沥青最佳用量的确定 预估沥青用量范围为4.5%6.5%。采用0.5%的间隔变化，配制5组马歇尔试件，测定其各项指标，试验结果见表7.28，沥青用量和各项指标之间的关系如图7.12所示。表7.28沥青混合料马歇尔试验数据统计表组数编号沥青用量/%实测密度/g/cm3空隙率/%饱和度/%稳定度/kN流值/0.1mm14.52.4727.553.310.428.825.02.5125.563.611.929.335.52.5314.172.612.430.746.02.5423.477.610.933.256.52.5322.683.49.036.2JTG F40-2004要求35657582240图7.12马歇尔试验各项指标与沥青用量的关系图 由图7.12可见，a1=5.5%，a2=5.0%，a3=5.0%，a4=4.7%。则：%05. 54%7 . 4%0 . 5%0 . 5%5 . 5443211aaaaOAC 根据沥青混合料马歇尔试验技术指标（表7.28）确定各关系曲线上沥青用量范围，取其共同部分得：OACmin=4.6% OACmax=5.2%9 . 42%2 . 5%6 . 42maxmin2OACOACOAC 由OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量： %975. 42%9 . 4%05. 5221OACOACOAC 因为气候条件属于温和地区，且是车辆渠化交通的高速公路，预计有可能出现车辙，则OAC的取值在OAC2与OACmin的范围决定，故根据经验取OAC=4.8%。 按最佳沥青用量4.8%制作马歇尔试件，进行浸水马歇尔试验，试验结果见表7.29。残留稳定度大于75%，符合规定要求。 表7.29浸水马歇尔试验数据统计表沥青用量%密度g/cm3空隙率%饱和度%马歇尔稳定度kN浸水马歇尔稳定度kN残留稳定度%4.82.5373.774.912.49.879 按最佳沥青用量4.8%制作车辙试件，测定其动稳定度，其结果大于800次/mm，符合规定要求。 因此，通过以上试验和计算，可以确定最佳沥青用量为4.8%。