土木工程材料电子教案第11章 沥青与沥青混合料.pdf
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1、土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第 11 章沥青及沥青混合料土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录目录本章提要概述11.1石油沥青11.1.1 石油沥青的组分与结构石油沥青的组分与结构 11.1.2 石油沥青的技术性质石油沥青的技术性质 11.1.3 石油沥青的技术标准与选用石油沥青的技术标准与选用 11.1.4 沥青的调配与改性沥青的调配与改性11.2沥青混合料11.2.1 沥青混合料分类沥青混合料分类11.2.2 沥青混合料组成材料及其技术要求沥青混合料组成材料及其技术
2、要求11.2.3 沥青混合料的结构沥青混合料的结构11.2.4 沥青混合料的技术性质沥青混合料的技术性质11.2.5 热拌沥青混合料的配合比设计热拌沥青混合料的配合比设计11.2.6 沥青混合料配合比设计案例沥青混合料配合比设计案例案例分析本章小结土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录本章提要本章提要 石油沥青的组分、结构和技术性质;石油沥青的调配和改性;沥青混合料分类、组成材料及其技术要求,影响热拌沥青混合料性能的因素和配合比设计方法。本章重点:沥青的技术性能与选用;沥青混凝土的配合比设计。本章难点:沥青混凝土的配合比设计。 土木工程
3、材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录概 述沥青:有机胶凝材料,是高分子碳氢化合物和非金属衍生物的混合物。沥青的特点热塑性材料,加热就软化;憎水性材料,耐水、不溶于水;良好的粘结性和粘弹性;较强的耐腐蚀性。种类地沥青:天然沥青,石油沥青焦油沥青:煤沥青,页岩沥青土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录分类地沥青焦油沥青天然沥青:石油在自然条件下,长时间经受地球物理因素作用形成的产物。石油沥青:石油经各种炼油制工艺加工而得的石油产品。煤沥青:煤经干馏所得的煤焦油,经再加工后得到的产品。页岩沥
4、青:页岩炼油油工业的副产品。沥青土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录11.1.1 石油沥青的组分与结构石油沥青的组分与结构定义定义:石油原油经蒸馏等提炼各种轻油(如汽油、柴油等)及润滑油后的残留物,或经过加工而得的产品。是一种有机胶凝材料。常温下有固体、半固体或粘性液体三种形态。11.1石油沥青土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录砂与水石油石油气泵站过滤储存储存蒸馏塔冷凝器加热管轻油中轻油重油沥青空气氧化沥青加工成乳化沥青石油蒸馏过程土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工
5、程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录 11.1.1 石油沥青的组分与结构石油沥青的组分与结构1.化学组成:83% 碳;10% 氢; 7% 氧, 氮 和硫; 微量的钒、镍、铝和硅。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录11.1.1 石油沥青的组分与结构石油沥青的组分与结构2.组分 l油分(芳香油和饱和油)油分(芳香油和饱和油) 油状液体,密度最小,加热可以挥发,能溶于有机溶剂,它们赋予沥青以流动性。分子量为100 500 。l树脂(沥青脂胶)树脂(沥青脂胶) 粘稠状液体(半固体),密度大于油分,属于中性树脂,能溶于有机溶
6、剂(苯、汽油)。它们赋予沥青以良好的粘结性、塑性和可流动性,分子量为5001000 。l地沥青质(沥青质)地沥青质(沥青质) 固态无定性物质,密度大于1,决定沥青的温度敏感性和粘性,其含量越高,沥青软化点越高,粘性越大,越硬脆。分子量大于10006000。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录3.石油沥青的胶体结构 组分的相溶特性组分的相溶特性 油分与树脂相溶;树脂能浸润地沥青质;地沥青质对油分有憎液性。 胶体结构胶体结构 以地沥青质为核心构成胶核;胶核周围形成树脂薄膜,薄膜外吸附一层油分构成胶团;无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。
7、 分散体结构分散体结构 分散相是吸附部分树脂的地沥青质;分散介质是溶有部分树脂的油分。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录地沥青质胶核树脂质胶核油分土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录沥青的胶体结构溶胶结构油分较多,胶团较少,温度稳定性差;胶团相对运动自由,流动性和塑性较好。溶凝胶结构介于溶胶结构与凝胶结构之间。凝胶结构油分与树脂较少,地沥青质较多,温度稳定性好;胶团相互连接成不规则空间网状的凝胶结构,弹性和粘性较高,流动性和塑性较低。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木
8、工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录溶胶结构凝胶结构沥青的胶体结构溶凝胶结构土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录粘性(粘滞性)塑性(延性)温度敏感性大气稳定性其他性能11.1.2 石油沥青的技术性质石油沥青的技术性质土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录石油沥青的技术性质 粘性(粘滞性)概念: 粘性反映石油沥青材料抵抗外力或自重作用下变形的能力。评价指标:相对粘度和针入度。相对粘度越大或针入度越小,粘性越大。测定方法:标准粘度计和针入度仪法。影响因素:u组成
9、: 地沥青质含量较高,油分含量较小但有时量树脂,则粘性大;u温度: 在一定温度范围内,粘性随温度升高而降低,反之则随之增大。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录沥青的针入度试验规定的荷载、时间和温度下进行P针入度开始时5秒后土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录针入度仪土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录针入度等级道路石油沥青200300150200110150801005080建筑石油沥青25401025土木工程材
10、料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录塑 性 概概念念 塑性指石油沥青在外力作用时产生变形而不破坏,除去外力后,则仍保持变形后的形状的性质。也反映了沥青的自愈合性能。评价指标评价指标 延度(伸长度),延度越大,塑性越好。测测定定方方法法 把沥青试样制成8字型标准试模(中间最小截面积1cm2),在规定拉伸速度(5cm/min)和规定温度(25/15/10C)下拉断时的长度,即为延度,用cm为单位表示。影响因素影响因素 u树脂含量较多,其他组分含量适当时,则塑性较大;u温度升高,塑性增大;沥青膜层厚度越厚,则塑性愈大。 石油沥青的技术性质 土木工程材
11、料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录延度沥青延度试验土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录延度试验沥青样品模具厘米刻度延度仪在250C下,以5cm/min的速度测量土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录温度敏感性 概概念念 敏感性是指石油沥青的粘性和塑性随温度升降而改变的程度。评评价价指指标标 软化点,它是沥青材料由固态转变为粘流态时的温度。测定方法测定方法 环球法影响因素影响因素 地沥青质含量高,软化点高,温度敏感性减小;沥青中
12、蜡含量高,增大其温度敏感性;加入矿物粉末填料(滑石粉、石灰石粉等)可减小其温度敏感性。 石油沥青的技术性质 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录软化点测量试验装置温度计钢球样品土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录沥青软化点测量开始时终止时钢球土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录温度敏感性沥青的温度敏感性也可用沥青的针入度随温度的变化来评价。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内
13、容回主目录回主目录大气稳定性 概概念念 指石油沥青在热、光、氧和潮湿等因素长期作用下,抵抗老化使性能稳定的程度。老老化化现现象象 上述因素作用下的变化 沥青各组分发生递变,油分和树脂含量逐渐减小,而地沥青质含量逐渐增多,流动性和塑性降低,硬脆性增大的过程。评评价价指指标标 蒸发后的质量损失或蒸发后的针入度比,蒸发损失愈小或蒸发后针入度比愈大,则大气稳定性愈好,“老化”愈慢。测测定定方方法法 测量在160C下蒸发5小时后,沥青的针入度与蒸发前针入度比值的百分数,即为蒸发后针入度比。影响因素影响因素 石油沥青中油分含量高,则大气稳定性差 石油沥青的技术性质 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木
14、工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录大气稳定性评价评价针入度比老化后沥青的针入度老化前沥青的针入度土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录蒸发试验烘箱外观土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录其他性能溶解度 石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳或笨中溶解的百分率,以表示沥青中有效物质含量,即纯净程度。不溶解的物质会降低沥青的性能,应加以限制。闪点 加热沥青至初次闪火(有蓝色闪光)时的沥青温度。燃点或着火点 加热沥青,并与火接触能持续燃烧5秒以上时的温度。石油沥青的技术性
15、质 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录溶解度试验(纯度)土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录闪点 试 验(安全性)温度计装满沥青的杯子点火的燃气嘴土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录11.1.3 石油沥青的技术标准石油沥青的技术标准与选用与选用 1、石油沥青的技术标准建筑石油沥青(有两个牌号)牌号越小,粘性越大(针入度越小);牌号越大,塑性越差(延度越小);牌号越大,温度敏感性越小(软化点越高)。防水防潮石油沥青(
16、有三个牌号)道路石油沥青(有七个牌号)牌号越大,粘性越小(针入度越大);牌号越大,塑性越好(延度越大);牌号越大,温度敏感性越大(软化点越低)。普通石油沥青由于含蜡较多,温度敏感性大,粘性较小,塑性较差。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录道路石油沥青标准土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录 2、石油沥青的选用 选用原则:根据工程性质与要求、适用部位、环境条件等因素选用,在满足适用条件的前提下,应选用牌号较大的石油沥青,以保证使用寿命。 道路沥青道路沥青拌制沥青混凝土、沥青拌
17、和料或沥青砂浆;密封材料、粘结剂以及沥青涂料。 建筑石油沥青建筑石油沥青制造油纸,油毡、防水涂料和沥青胶,绝大部分用于屋面、地下防水、沟槽防水防腐蚀及管道防腐等工程。 普通石油沥青普通石油沥青在建筑上不宜直接使用,可以采用吹气氧化法改善其性能。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录1沥青的调配如某一牌号的沥青不能满足工程技术的要求,可以用不同牌号的沥青掺配,实验证明同产源的沥青掺配后可得均匀的沥青,两种沥青得掺配比例可以按下式估算: P= Q = 100P 式中:P、Q分别为两种沥青的用量(); t1、t2分别为两种沥青的软化点。(t
18、2t)(t2t1)100%11.1.4 沥青的调配与改性沥青的调配与改性土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2、沥青改性及改性材料土木工程中使用的沥青要求:在低温下应有弹性和塑性;在高温下要有足够的强度和稳定性;在加工和使用中具有抗老化能力;与矿物和结构表面有较强的粘附力;以及对构件变形的适应性和耐疲劳性。沥青材料本身难以满足这些性能要求,需用其他材料改性。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录用于沥青改性的材料脂肪胺 改善沥青的湿润性,增加在湿基面上的粘结力。烃 有机溶剂,改
19、变沥青的粘度。弹性体再生橡胶粉丁二烯苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS树脂)丁二烯苯乙烯橡胶乳液(SBR)天然橡胶乳液塑性体乙烯醋酸乙烯脂(EVA)苯乙烯脂矿物粉末 滑石粉、石灰石粉、膨润土、水泥等。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录橡胶改性沥青 橡胶有:氯丁橡胶、丁氰橡胶、再生橡胶等。改性机理:橡胶分子加入到沥青中,改变了沥青中分散介质的组成,促进沥青分子相互排斥,并改变了分散相的结构,形成弹性结构网。改性效果:气密性、低温柔性、耐化学腐蚀性、耐光、耐臭氧、耐气候和耐燃烧性等得到大大改善和提高。掺入方法:溶剂法和乳液法 土木工程材料土
20、木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录树脂改性沥青 树脂有: 古马隆树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、酚醛树脂和天然松香等。改性机理:与橡胶相同。改性效果: 气密性、低温柔性、耐化学腐蚀性、耐光、耐臭氧、耐气候和耐燃烧性得到大大改善。 掺入方法:溶剂法或乳液法。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录纤维改性沥青 纤维类改性剂主要有石棉、聚丙烯纤维、聚酯纤维、纤维素纤维等。纤维类物质加入沥青中,可显著地提高沥青的高温稳定性,同时可增加低温抗拉强度。但纤维类改性沥青对纤维的掺配工艺要求很高。作用机理
21、: 高温稳定的作用机理: 由于沥青对矿物填充料的润湿和吸附作用,沥青分子可能成单分子装排列在或纤维表面,形成结合力牢固的沥青薄膜,因而又称为“结构沥青”。提高了粘性和耐热性等。 低温抗裂作用机理:桥接作用;裂纹分叉 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录11.2 沥青混合料沥青混合料定义:沥青混合料是将粗、细骨料和填料经人工合理选择级配组成的矿质混合料与适量沥青拌和而成的均匀混合料沥青混合料:沥青混凝土沥青碎石用途:道路路面土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录11.2.1 沥青
22、混合料分类沥青混合料分类 按胶结材分类:石油沥青,煤沥青,改性沥青混合料按铺筑和拌和温度分类:热拌、常温按矿料最大粒径:粗粒式:4.7537.5mm中粒式:4.7526.5mm细粒式:4.759.5mm砂粒式:4.75mm按照密实度分类密实()型:剩余孔隙率36空隙()型:剩余孔隙率410开级配型:剩余孔隙率15半开级配型:剩余孔隙率 1015按级配类型分类:连续、间断土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录11.2.2 沥青混合料组成材料及其技沥青混合料组成材料及其技术要求术要求 1沥青的性质与质量 2粗集料性质与质量3细集料性质与质量
23、4矿粉等填料的性质与质量土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录1沥青的性质与质量应根据气候条件、交通性质、沥青混合料的类型和施工条件选择沥青,并应符合有关标准的规定。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表114 热拌沥青混合料用石油沥青标号的选用气候分区最低月平均温度/ C沥青标号沥青碎石沥青混凝土寒区-10AH-90, AH-110 ,AH-130,A-100,A-140AH-90, AH-110 ,AH-130,A-100,A-140温区010AH-90, AH-110 ,
24、A-100,A-140AH-70, AH-90 ,A-60,A-100热区10AH-50,AH-70,AH-90,A-60,A-100AH-50,AH-70, A-60,A-100土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2粗集料性质与质量粗骨料: 碎石、破碎砾石、筛选砾石、矿渣等。基本要求:洁净、干燥、无风化、不含杂质、坚硬、耐磨、韧性好、级配与粒径符合标准要求。高等级路面:优先选用与沥青的粘结性好的碱性集料。酸性岩石应避免采用;若采用酸性石料时,宜选用针人度较小的沥青;并且还应采用抗剥离措施。例如,用干燥的磨细消石灰、生石灰粉或水泥作为
25、填料的一部分,改善沥青与石料的粘结性,其适宜用量为矿料总量的12;在沥青中掺加抗剥离剂;或将粗集料用石灰浆处理后使用。 粗集料的级配应满足表116中各个粒径规格的规定 在力学性能方面,其压碎值和磨耗率等指标应满足规范要求(见表115)。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录3细集料性质与质量 沥青混合料用细集料是指粒径小于2.36mm的天然砂、人工砂及石屑等。沥青混合料用细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质;并有满足结构稳定性的颗粒级配组成,其坚固性和颗粒级配等质量指标应符合规范中的有关要求(见表117和表118)。当用于高速公路、一级
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