第九章 沥青及沥青混合料.docx
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第九章沥青及沥青混合料
第九章沥青及沥青混合料
本章目的要求：
（1）掌握石油沥青化学组分的划分
（2）掌握石油沥青的技术性质、技术标准
（3）了解煤沥青、改性沥青的组成及特性
（4）掌握沥青混合料技术性质和评价方法。
（5）能按现行方法设计沥青混合料的组成。
授课内容：
概述
特点：
沥青是有机胶结料，在常温下呈固体、半固体或液体状态，颜色为黑色或黑褐色，不导电、耐酸、耐碱、耐腐蚀。
应用：
主要作为防水、防潮、防腐蚀材料用于屋面或地下防水工程、防腐蚀工程以及铺筑道路。
分类：
根据产源
天然沥青
地沥青
石油沥青
沥青煤沥青
焦油沥青木沥青
页岩沥青
目前工程上最常用的是石油沥青。
第一节沥青材料
一、石油沥青
1、石油沥青的化学组成和结构
复杂的化学混合物，化学成分极为复杂，通常采用组分分离方法
（一）化学组分的划分
沥青质
胶质
三组分饱和分油分
芳香分
（二）沥青结构
是一种胶体结构
胶团（沥青质吸附胶质）弥散或溶解于分散介质（油分—饱和分和芳香分）中
根据沥青中各组分的含量和性质有：
1、溶胶型结构—沥青质含量不多、分子量也较小，胶团之间没有吸引力，牛顿液体性质。
2、溶凝胶型结构—沥青质含量增多、分子量也较大，胶团之间具有一定吸引力，先弹性效应后牛顿液体性质。
3、凝胶型结构—沥青质含量进一步增多，胶团连结，明显的弹性效应。
2、石油沥青的主要技术性质
（1）粘滞性：
指沥青材料在外力作用下沥青粒子产生相互位移的抵抗变形的能力。
※液体石油沥青的稠度
测定方法：
道路标准粘度计法
表示：
粘滞度CT,d
※半固体或固体沥青的稠度
测定方法：
针入度法
表示：
针入度PT,m,t（P25oC,100g,5s）针入度值愈小，表明沥青的粘性愈大，沥青愈硬。
（2）塑性：
指沥青在外力作用下可塑的程度。
测定方法：
延度仪—将沥青制成8字形试件，在规定的条件下拉伸，其断裂时的延伸长度（cm）即为延度
表示：
延度延度值愈大，沥青的塑性愈好。
（3）温度稳定性：
指沥青的粘性和塑性随温度的升降而变化的能力。
测定方法：
环与球法
表示：
软化点（指沥青受热时由固态转变为具有一定流动性状态时的温度）
软化点愈高，温度稳定性愈好，针入度和延度也愈小。
*针入度、延度、软化点是评价粘稠石油沥青路用性能最常用的经验指标，通称“三大指标”。
（4）耐久性（大气稳定性）：
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。
测定方法：
对中轻交通道路用石油沥青，应进行“蒸发损失试验”
对重交通道路用石油沥青，应进行“薄膜加热试验”
对液体沥青，则应进行蒸馏试验。
表示：
蒸发损失和蒸发后针入度比（蒸发后针入度与原先针入度比）
前者小而后者大则表示沥青的大气稳定性好，即老化慢。
（5）粘附性：
沥青与矿质集料的粘附性
测定方法：
水煮法（最大粒径>13.2）水浸法（最大粒径≤13.2）
表示：
沥青膜剥落的等级（5个）剥落面积百分率
（6）安全性
测定方法：
克利夫兰开口杯法（COC法）
表示：
闪点
燃点
3、石油沥青技术标准
（1）建筑石油沥青
根据针入度分为三个牌号：
40号、30号、10号
牌号大小与性能关系：
牌号越高，则粘性越小（即针入度越大），塑性越好（即延伸度越大），温度敏感性越大（即软化点越低）。
选用：
工程中使用石油沥青时，应根据当地的气候条件、建筑类型、工程特点、使用部位及施工方法等，选择适宜的品种和牌号。
应用：
建筑石油沥青主要用于屋面及地下防水、防腐等。
（2）道路石油沥青
根据使用道路的交通量分为：
※重交通道路石油沥青质量要求
根据GB50092-96规定：
高速公路、一级公路和城市快速路、主干道铺筑沥青路面时，石油沥青的质量要求应符合表6—2的规定。
根据针入度分为五个标号：
AH-50AH-70AH-90AH-110AH-130
要求：
延度（150C）
薄膜加热试验
含蜡量不大于3%
※中、轻交通道路石油沥青质量要求
根据GB50092-96规定：
其它等级的公路和城市道路，石油沥青的质量要求应符合表6—1的规定。
根据针入度分为五个标号：
A-60A-100A-140A-180A-200
要求：
针入度、延度、软化点
溶解度
蒸发损失和蒸发后针入度比
闪点
二、煤沥青
（一）煤沥青的技术性能
（1）密度比石油沥青大。
（2）温度稳定性差。
受热易软化，受冷易脆裂。
（3）塑性较差。
使用时容易因变形而开裂
（4）与矿料的粘附性较好。
因含有较多表面活性物质，故能与矿物很好地粘结。
（5）防腐性能高。
因含有酚等有毒物质
（6）大气稳定性差。
（二）技术标准与应用
煤沥青按稠度分为：
软煤沥青（液体、半固体）
硬煤沥青（固体）
应用：
煤沥青的主要技术性能均不如石油沥青，所以目前较少使用，适用于地下防水或作防腐材料，道路工程主要是应用软煤沥青
软煤沥青分为九个标号：
T-1-----------T-9
质量要求：
书表
三、改性沥青
（一）定义
采用各种措施使沥青的性质得到不同程度改善的沥青。
（二）技术性质
1、提高沥青流变性能。
高温不推、低温不裂
2、改善沥青与集料粘附性。
3、延长沥青耐久性。
（三）提高途径
1、提高沥青流变性能的途径—掺改性剂
（1）橡胶改性沥青：
常用的有氯丁橡胶沥青、丁基橡胶沥青、再生橡胶沥青等。
（2）树脂改性沥青：
常用的有古马隆树脂沥青、聚乙烯树脂沥青等。
（3）橡胶和树脂改性沥青：
橡胶和树脂同时用于改善沥青的性质，使沥青同时具有橡胶和树脂的特性。
（4）矿物填充料改性沥青：
加入矿物填充料能提高沥青的粘结能力和耐热性，减小沥青的温度敏感性。
常用的矿物粉有滑石粉、石灰粉等。
高聚物类（橡胶、树脂、橡胶和树脂）
2、改善沥青与集料粘附性的途径
高效抗剥剂—醚胺类、醇胺类、酰胺类
3、延长沥青耐久性的途径
抗氧剂专用炭黑
第二节沥青混合料
一、概述：
※定义
1、沥青混合料
由矿料与沥青结合料拌和而成的混合料的总称。
2、沥青混凝土混合料
由适当比例的粗集料、细集料及填料组成的符合规定级配的矿料，与沥青结合料拌合而制成的符合技术标准的沥青混合料。
※分类
1、按矿料级配划分的沥青混合料
①密级配沥青砼混合料：
剩余空隙率＜10%
②半开级配沥青混合料：
10%以上
③开级配沥青混合料：
＞15%
④间断级配沥青混合料
2、按矿料粒径划分的
①砂粒式最大集料粒径≤4.75mm
②细粒式最大集料粒径为9.5mm或13.2mm
③中粒式16mm或19mm
④粗粒式26.5mm或31.5mm
⑤特粗式≥37.5mm
3、按结合料温度划分
①热拌热铺沥青混合料—热拌沥青混合料（HMA）Hot-mixasphaltmixture
②常温沥青混合料
※基本性能
1、粘弹塑性材料，具有良好的力学性质，有一定的高温稳定性和低温柔韧性，铺筑路面平整无接缝，减震吸声。
2、路面平整而具有一定的粗糙度，无强烈反光。
3、施工方便，不需养护，能及时开放交通。
4、便于分期修建。
二、组成结构和强度形成原理
粗集料
矿质骨架细集料
表面理论：
沥青混合料填料
组成结构理论结合料沥青
胶浆理论：
三级分散系
悬浮密实结构：
密级配
组成结构类型骨架空隙结构：
开级配
骨架密实结构：
间断级配
强度理论——库伦理论
τ=C+σtanφ
沥青混合料的强度决定于两个参数：
①粘结力C
②内摩阻角φ
三、技术性质
1、高温稳定性
高温条件下，抗变形能力降低，造成路面产生车辙，波浪及拥包等现象
评价方法：
①马歇尔稳定度
a.马歇尔稳定度（MS）
60℃，50±5mm/min形变速度加荷，试件破坏时的最大荷载（以KN计）
标准尺寸试件：
直径101.6mm，高63.5mm的圆柱体
b.流值（FL）
达到破坏荷重时试件的垂直变形（以0.1mm计）
c.马歇尔模数（T）
MS×10
T=（KN/mm）
FL
②车辙试验
300mm×300mm×50mm试件，在温度60℃，以一定荷载的轮子（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，计算试件变形1mm所需试验车轮行走次数，即为动稳定度。
（t2-t1）×42
DS=C1C2
d2－d1
（次/mm）
影响高温稳定性的主要因素：
①沥青的粘度；
②沥青与石料相互作用的特性；
③矿料的级配。
2、低温抗裂性
低温时较脆硬，变形能力差
主要是：
①沥青混合料抗拉强度；
②变形能力
评价方法：
15℃劈裂试验——间接拉伸试验
3、耐久性
抵抗长时间自然因素（风、日光、温度、水分等）和行车荷载反复作用的能力
表现为：
①沥青老化，开裂；
②集料压碎，冻融崩解，出现磨损；
③水作用下，沥青与集料间的粘附性降低而出现剥落。
提高耐久性：
①选择性能优良的沥青；
②坚固的集料；
③控制加热温度；
④保证沥青混合料的密实度
评价方法：
浸水马歇尔试验
60℃，保温浸水48h，或真空饱水马歇尔试验
残留稳定度
MS1
MS0=×100
MS
4、抗滑性
抗滑性能与：
①集料的表现构造；
②集料的级配组成
坚固具有粗糙表面的集料，国标要求抗滑表层粗集料应选用坚硬、耐磨、抗冲击性好的碎石或破碎砾石，选用含蜡量低的沥青。
5、施工和易性
影响因素混合料性质级配
沥青用量
沥青粘度
施工条件
当地气温
四、组成材料
沥青混合料的技术性质决定于：
①组成材料的性质；
②组成配合的比例；
③混合料的制备工艺。
1、沥青——类型和标号
气候条件炎热
交通性质繁重的交通稠度较高沥青
沥青混合料的类型细粒式或砂粒式的混合料
施工条件
沥青标号选用表5-3
2、粗集料
碎石、破碎砾石和矿渣
要求：
①洁净、干燥、无风化、不含杂质；
②压碎值和洛杉矶磨耗率应符合相应道路等级要求，表5-4。
钢渣仅限于三级及三级以下公路和次干路以下城市道路，
酸性岩石应采用抗剥离措施
粒径规格表5-5
沥青混和料矿料级配表5-6
3、细集料：
①洁净
②与沥青的粘附性
天然砂、人工砂或石屑
要求：
①洁净、干燥、无风化、不含杂质
②适当的级配范围
石屑用量：
抗剥离措施：
4、填料：
①增水性石料磨制的矿粉
②细度应符合要求
岩石经磨细得到的矿粉
要求：
①干燥、洁净
②表5-10质量要求
五、配合比设计方法
设计目的：
①具有足够密实度
②有较高内摩阻力
按规范GBJ50092-96规定，按下列步骤进行：
1、矿质混合料的配合组成设计
①确定沥青混合料类型
②确定矿质混合料的级配范围表6-3
③矿质混合料配合比例计算
※矿质混合料的级配理论与级配曲线范围
（一）级配曲线类型
连续级配
间断级配
（二）级配理论
1、W·B·富勒最大密度曲线
P2=kd（抛物线）
当d=D时，P=100,代入上式得k=1002×1/D
将k值再代入上式后，得
d
P=100×
D
2、A·N·泰波级配曲线范围
富勒最大密度曲线公式给出的是一种理想级配曲线,在实际使用时应允许集料级配在一定的范围中波动。
d
P=100x（）n
D
n—级配指数，常用矿质混合料n：
0.3~0.7
※矿质混合料的组成设计
所需的已知条件：
①集料的筛分析试验结果。
②设计要求，技术规范所规定的矿质混合料级配范围。
数解法—试算法
组成设计方法
图解法—修正平衡面积法
（一）试算法
1、计算A集料在矿质混合料中的用量X
aM（i）
X=
aA（i）
i—A集料占优势含量的粒径
2、计算C料在矿质混合料中的用量Z
aM（j）
Z=
aC（j）
j—C料中占优势的粒径
3、计算B料在矿质混合料中的用量Y
y=100-（X+Z）
4、校核调整
计算合成矿质混合料的分计筛余aM（i）或计算合成通过百分率PM（i）
XaA（i）+YaB（i）+ZaC（i）=aM（i）
XPA（i）+YPB（i）+ZPC（i）=PM（i）
应在规定的级配范围内，否则应调整各集料的比例，再重新进行校核，直到符合要求为止。
例题：
计算细粒式AC-13I沥青混凝土的矿质混合料配合比。
已知条件列于下表第2~5栏。
原有集料的分计筛余和矿质混合料规定的级配范围
筛孔
尺寸
di
（mm）
原材料筛分析试验结果
规定的AC-131型沥青混凝土级配范围及中值
碎石分计筛余aA（i）
（%）
石屑分计
筛余aB（i）
（%）
矿粉分计
筛余aC（i）
（%）
矿质混合料规定级配范围通过百分率
P（n1-n2）,（%）
通过百分率级配范围
PM（i）,（%）
按累计筛余计级配范围中值
AM（i）,（%）
按分计筛余计级配范围中值am（i）,（%）
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
＜0.075
0.8
43.6
49.9
4.4
1.3
－
－
－
－
－
－
－
－
2.0
22.6
23.7
18.4
13.0
10.9
9.5
—
—
—
—
—
—
—
4.0
10.7
85.3
95~100
70~88
48~68
36~53
24~41
18~30
12~22
8~16
4~8
—
97.5
79.0
58.0
44.5
32.5
24.0
17.0
12.0
6.0
0
2.5
21.0
42.0
55.5
67.5
76.0
83.0
88.0
94.0
100
2.5
18.5
21.0
13.5
12.0
8.5
7.0
5.0
6.0
6.0
解：
①将规定的矿质混合料级配范围中值换算成分计筛余中值计算结果列于上表第6~8栏
②计算碎石在矿质混合料中用量
aM（4.75）21.0
X=×100%=×100%=42.1%
aA（4.75）49.9
③计算矿粉在矿质混合料中用量
aM（＜0.075）6.0
Z=×100%=×100%=7.0%
aC（＜0.075）85.3
④计算石屑在混合料中用量
Y=100-（X+Z）=100-（42.1+7.0）=50.9%
⑤校核：
结果列入下表，该合成配合比符合要求
矿质混合料组成计算校核表
筛孔
尺寸
di
（mm）
碎石
砂
矿粉
矿质混合料
要求级配范围通过
百分率
P（n1-n2）
（%）
原来级配分计筛余
αA（i）
（%）
采用
百分率
X
（%）
占混合料
百分率
αA（i）X
（%）
原来级配分计筛余
αB（i）
（%）
采用
百分率
Y
（%）
占混合料
百分率
αB（i）Y
（%）
原来级配分计筛余
αC（i）
（%）
采用
百分率
Z
（%）
占混合料
百分率
αC（i）Z
（%）
分计
筛余
αM（i）
（%）
累计
筛余
AM（i）
（%）
通过
百分率
PM（i）
（%）
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
（10）
（11）
（12）
（13）
（14）
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075＜0.075
0.8
43.6
49.9
4.4
1.3
×42.1=
0.3
18.4
21.0
1.9
0.5
2.0
22.6
23.7
18.4
13.0
10.9
9.5
×50.9
1.0
11.5
12.1
9.4
6.6
5.5
4.8
4.0
10.7
85.3
×7.0
0.3
0.7
6.0
0.3
18.4
22.0
13.4
12.6
9.4
6.6
5.8
5.5
6.0
0.3
18.7
40.7
54.1
66.7
76.1
82.7
88.5
94.0
100
99.7
81.3
59.3
45.9
33.3
23.9
17.3
11.5
6
0
95-100
70-88
48-68
36-53
24-41
18-30
12-22
8-16
4-8
-
校核
∑=100
∑=42.1
∑=100
∑=50.9
∑=100
∑=7.0
∑=100
（二）图解法—修正平衡面积法
1、绘制级配曲线坐标图
2、确定各种集料用量
绘于下图
3、校核调整
例题：
试用图解法设计某高速公路用细粒式沥青混凝土矿质混合料的配合比
已知条件：
列于下表
原有矿质集料级配表
材料名称
筛孔尺寸（方孔筛）（mm）
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过百分率（%）
碎石
93
17
0
-
-
-
-
-
石屑
100
100
84
14
8
4
0
-
-
砂
100
100
100
92
82
42
21
11
4
矿粉
100
100
100
100
100
100
100
96
87
要求的级配范围
95-100
70-88
48-68
36-53
24-41
18-30
12-22
8-16
4-8
要求的级配范围中值
98
79
58
45
33
24
17
12
6
解：
①绘制图解法用图
②计算出设计规范要求的各筛孔级配范围中值，在图上标出，确定各筛孔在横坐标上的位置。
③将碎石、石屑、砂和矿粉的级配曲线绘于图上
④在碎石和石屑级配曲线重叠部分作一垂线AA′，使a=a′，AA′与对角线O
O′有一交点M，过M引水平线，与纵坐标交于P点，O′P的长度×=31%，即为碎石用量。
同理求出石屑的用量Y=30%，砂Z=31%，矿粉W=8%
⑤进行校核计算:
结果列于下表，从表可以看出，筛孔0.075mm的通过量为8.2%，超出范围要求值4%-8%，需调整通过试算，采用减少石屑的用量，增加砂的用量和减少矿粉用量的方法来调整。
经调整后的配合比为：
×=31%，Y=26%，Z=37%，W=6%，合成级配曲线完全在规范要求范围内。
矿质混合料校核计算用表
材料名称
筛孔尺寸（方孔筛）（mm）
16.0
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过百分率（%）
各种矿料在混合料中的级配
碎石31%
（31%）
31.0
（31.0）
28.8
（28.8）
5.3
（5.3）
0
（0）
石屑30%
（26%）
30.0
（26.0）
30.0
（26.0）
30.0
（26.0）
25.2
（21.8）
4.2
（3.6）
1.4
（2.1）
1.2
（1.1）
0
（0）
砂31%
（37%）
31.0
（37.0）
31.0
（37.0）
31.0
（37.0）
31.0
（31.0）
28.5
（34.0）
25.4
（30.3）
13.0
（15.5）
6.5
（7.8）
3.4
（4.1）
1.2
（1.5）
矿粉8%
（6%）
8.0
（6.0）
8.0
（6.0）
8.0
（6.0）
8.0
（6.0）
8.0
（6.0）
8.0
（6.0）
8.0
（6.0）
8.0
（6.0）
7.9
（5.8）
7.0
（5.2）
矿质混合料的合成级配
100
（100）
97.8
（97.8）
74.3
（74.3）
64.2
（64.2）
40.7
（43.6）
35.8
（38.4）
22.2
（22.6）
14.5
（13.8）
11.3
（9.9）
8.2
（6.7）
AC-13Ⅰ的级配范围
100
95-100
70-88
48-68
36-53
24-41
18-30
12-22
8-16
4-8
2、确定沥青混合料的最佳沥青用量
通过马歇尔稳定度试验，初步确定沥青最佳用量；然后进行水稳性和动稳定度试验校核调整
①制备试样
②测定物理指标视密度ρs
理论密度ρt
空隙率VV=（1-ρs/ρt）×100%
沥青体积百分率VA
矿料间隙率VMA=VV+VA
沥青饱和度VFA=×100%
矿料
沥青VA
空隙VV
矿料间隙VMA
③测定力学指标马歇尔稳定度MS
流值FL
马歇尔模数T
④马歇尔试验结果分析—OAC
a.绘制沥青用量与物理—力学指标关系图
视密度空隙率饱和度稳定度流值
如：
视密度
沥青用量（%）
b.根据稳定度、密度和空隙率确定最佳沥青用量初始值1
OAC1=（a1+a2+a3）/3
c.根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定沥青最佳用量初始值2
OAC2=（OACmin+OACmax）/2
d.根据OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量OAC
检查按OAC1求取的各项指标值是否符合技术标准（表5-2）
同时检验VMA是否符合要求，如能符合时
OAC1+OAC2
OAC=
2
e.根据气候条件和交通特性调整最佳沥青用量
i.对热区道路以及车辆渠化交通的高速公路、一级公路、城市快速路、主干路：
OAC2～OACmin范围内决定，但不宜小于OAC2的0.5%
ii.对寒区道路以及一般道路
OAC2～OACmax范围内决定，但不宜大于OAC2的0.3%
⑤水稳定性检验
残留稳定度MS0指标校核
⑥抗车辙能力检验
动稳定度DS
作业五：
矿质混合料的组成设计（题目在补充资料上）
作业六：
确定沥青混合料的最佳沥青用量（题目在补充资料上）
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