土木工程材料——沥青.ppt

第八章 沥青与沥青混合料,沥青及沥青混合料的基本概念（组成、结构与技术性质的关系）； 沥青及沥青混合料具备哪些基本特质； 如何根据土木工程应用选择沥青和配制沥青混合料； 重点：石油沥青的组成、结构、技术性质、技术标准。 难点：石油沥青的组成、结构 。,本章学习目标,概 述,一些极为复杂的高分子碳氢化合物及其非金属(氧、硫、氮等)衔生物所组成的混合物，在常温下呈固体、半固体或稠液体的形态； 憎水性材料，几乎不溶于水，且构造致密，具有良好的防水性； 沥青能抵抗一般酸、碱、盐类等侵蚀性液体和气体的侵蚀，具有较强的抗腐蚀性； 沥青能紧密粘附于矿物材料的表面，具有很好的粘结力； 具有一定的塑性，能适应基材的变形。,概 述,沥青按产源分为以下品种,第一节 石油沥青与煤沥青,石油沥青 分类 按原油成分： 石蜡基沥青 沥青基沥青 混合基沥青 按石油加工方式 直馏沥青 氧化沥青 溶剂沥青,第一节 石油沥青与煤沥青,石油沥青 分类 按稠度： 液体沥青 粘稠沥青 按用途: 道路石油沥青 建筑石油沥青 普通石油沥青,第一节 石油沥青与煤沥青,石油沥青 组分与结构 油分：决定流动性的组分 树脂：决定塑性的组分 地沥青质：决定粘性的组分 其他 沥青酸 沥青酸酐 沥青碳 似碳物,第一节石油沥青与煤沥青,石油沥青 组分与结构 结构,沥青质（核心）,+（油分+树脂）,+油分,第一节石油沥青与煤沥青,石油沥青 组分与结构 结构 溶胶结构 溶-凝胶结构 凝胶结构,溶胶结构,凝胶结构,沥青结构对性能的影响,具有溶胶结构的石油沥青粘性小而流动性大，温度稳定性较差。 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。,第一节 石油沥青与煤沥青,石油沥青 技术性质 粘性（粘滞性） 定义：在自重或外来作用下沥青抵抗变形的能力。 影响因素 地沥青质含量 温度 测试方法 针入度（半固体、固体） 粘 度（液体）,反应胶体结构的致密程度,第一节 石油沥青与煤沥青,石油沥青 技术性质 塑性 定义：在外来作用产生变形而不破坏，外力撤除后保持变形或形状的性质。 影响因素 树脂含量，塑性 温度，塑性 对沥青性质的影响 塑性小，易开裂 塑性大，不易开裂，具有自愈性 测试方法：延度,第一节 石油沥青与煤沥青,石油沥青 技术性质 温度稳定性（敏感性） 定义：粘性和塑性随温度变化而改变的程度 影响因素 地沥青质含量，稳定性好 石蜡，稳定性下降 测试方法：软化点,第一节 石油沥青与煤沥青,石油沥青 技术性质 大气稳定性（抗老化） 定义：在大气因素综合作用下保持性能稳定的性质 组分随时间的变化 油分 树脂 树脂 地沥青质 老化对沥青性质的影响 塑性降低 粘度增大 测试方法：蒸发损失率、针入度比、,第一节石油沥青与煤沥青,石油沥青 技术性质 其他性质 闪点 燃点 耐腐蚀性,问题,温度和时间各对石油沥青的结构和性能有何影响？,随温度的升高，树脂转变为液体，使原来的凝胶结构转变为溶胶结构，粘度降低、流动性和塑性增大。 随时间的迁移，树脂转变为地沥青质、油分转变为树脂，塑性降低、粘度增大、沥青老化。,第一节 石油沥青与煤沥青,石油沥青 标准、选用与掺配 标准 品种：道路石油沥青、建筑石油沥青、普通石油沥青 牌号：针入度表示 牌号越大、粘性越小、塑性越大、稳定性越差、使用寿命越长,第一节 石油沥青与煤沥青,石油沥青 标准、选用与掺配 选用 屋面防水：软化点高于环境气温2530，并考虑坡度； 不受高温作用部位选较大牌号沥青 普通石油沥青不宜单独使用,土木工程选用石油沥青的原则 1.包括工程特点、使用部位; 2.环境条件要求; 3.满足主要性能要求的前提下，尽量选用较大牌号的石油沥青;,第一节 石油沥青与煤沥青,石油沥青 标准、选用与掺配 掺配 计算方法：插值法 P1=（T-T2）/（T1-T2）100%； P2=100-P1 根据计算结果上下波动5%10%,通过试验绘制曲线； 根据曲线确定实际掺配比例,第一节 石油沥青与煤沥青,煤沥青 性能特点 密度大 塑性差 温度稳定性差 大气稳定性差 有毒、有味、防腐能力强 与矿物质材料表面粘结力强 耐久性较好,第一节 石油沥青与煤沥青,煤沥青 应用 地下防水工程 防腐工程 次要工程 停车场 使用时严格控制加热温度和时间、防止中毒 注意与石油沥青的区别,第二节 沥青混合料,改性沥青 改性目的 改善低温韧性和塑性 提高高温下的强度和稳定性 改性材料 填充料：滑石粉、石灰石粉、磨细砂、粉煤灰等 橡胶：氯丁橡胶、再生橡胶 树脂：聚氯乙烯、无规聚丙烯 共聚物： SBS 工艺改性：氧化改性,第二节 沥青混合料,定义 沥青混合料是沥青混凝土混合料和沥青碎石混合料的总称。 沥青混凝土混合料由适当比例的粗集料、细集料及填料与沥青在严格控制条件下拌和的沥青混合料（剩余空隙率10%）。 沥青碎石混合料由适当比例的粗集料、细集料、及填料（或不加填料）与沥青拌和的沥青混合料（剩余空隙率10%） 。,第二节 沥青混合料,分类 按结合料分类 石油沥青混合料以煤沥青为结合料的沥青混合料 煤沥青混合料以煤沥青为结合料的沥青混合料。 按施工温度分类（沥青混合料拌制和摊铺温度） 热拌热铺沥青混合料 常温沥青混合料,第二节 沥青混合料,分类 按矿质混合料级配类型 连续级配沥青混合料 间断级配沥青混合料 按混合料密实度分类 密级配沥青混凝土混合料 型沥青混凝土混合料： 剩余空隙率36； 型沥青混凝土混合料： 剩余空隙率410； 开级配沥青混凝土混合料 剩余空隙率大于15 半开级配沥青混合料：剩余空隙率1015,第二节 沥青混合料,分类 按最大粒径分类 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,我国目前主要按矿料的公称最大粒径区分沥青混合料 沥青混凝土混合料：AC（方孔筛）/LH（圆孔筛）+公称最大粒径 沥青碎石混合料：AM（方孔筛）/LS（圆孔筛）+公称最大粒径,第二节 沥青混合料,优点 良好的高温稳定性和低温抗裂性； 路面平整有弹性（柔性），防滑性好、无强烈反光，行车舒适、安全； 施工方便、开放交通快； 可分期改造和再生利用。,第二节 沥青混合料,组成结构和强度理论 组成结构 矿料骨架：分散相，起其骨架、填充作用； 沥青胶结料：分散介质，高温下赋予混合料流动性，低温时起胶结作用； 组成结构类型 悬浮密实结构 骨架空隙结构 骨架密实结构,悬浮密实结构,连续密级配的沥青混合料粗集料少，不能形成骨架 力学特点 粘聚力C大； 内摩擦角小； 稳定性差； 密实、强度高,骨架空隙结构,连续开级配的沥青混合料，细集料少，不能填充粗集料间空隙 力学特点 粘聚力C小， 内摩擦角大； 稳定性好；,骨架密实结构,间断密级配的沥青混合料，中间集料少，既有足够的粗集料 形成骨架，又有细集料填充其间的空隙 力学特点 粘聚力C大， 内摩擦角大；,第二节 沥青混合料,组成结构和强度理论 强度理论 沥青混合料破坏的原因 夏季高温下抗剪强度不足或塑性变形过剩 冬季低温下抗拉强度不足或变形能力差 影响沥青抗剪强度的因素,第二节 沥青混合料,组成结构和强度理论 强度理论 影响沥青抗剪强度的因素 沥青粘度：粘度增大、粘结力C增加， 提高 沥青和矿料之间的相互作用：结构沥青增加、 提高 沥青与矿粉交互作用后，沥青在矿粉表面产生化学组分的重新排列，沥青在矿粉表面形成一层扩散溶剂化膜，此膜以内的沥青为结构沥青,结构沥青的形成,沥青与矿料的性质对沥青混合料抗剪强度的影响,R,第二节 沥青混合料,组成结构和强度理论 强度理论 影响沥青抗剪强度的因素 沥青粘度：粘度增大、粘结力C增加， 提高 沥青和矿料之间的相互作用：结构沥青增加、 提高 矿料物理性质 比表面积 级配 表面特征,第二节 沥青混合料,组成结构和强度理论 强度理论 影响沥青抗剪强度的因素 沥青用量,沥青用量对沥青混合料抗剪强度的影响,R,第二节 沥青混合料,组成材料与技术要求 矿料,具有良好的级配，颗粒之间既能够比较紧密地排列起来，以达到足够的压实度，又能让颗粒之间具有一定的空隙，使沥青混合料保持良好的稳定性； 沥青混合料的矿质材料包括粗集料、细集料和矿粉，,第二节 沥青混合料,组成材料与技术要求 矿料 粗集料 洁净、干燥、无风化、无杂质， 足够的强度和耐磨性。 对路面抗滑表层的粗集料应选用坚硬、耐磨、抗冲击性好的碎石或破碎砾石，不可使用软质集料。 用于高速公路、一级公路、城市快速道路、主干路沥青路面表面层及各类道路抗滑层用的粗集料，应符合磨光值、道瑞磨耗值和冲击值的要求。,第二节 沥青混合料,组成材料与技术要求 矿料 细集料,细集料一般采用天然砂或人工砂，在缺少砂的地区，也可以用石屑代替。但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。,第二节 沥青混合料,组成材料与技术要求 矿料 填料,宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性（憎水性）岩石磨制而成 可以由石灰、水泥、粉煤灰代替，但用这些物质作填料时，其用量不宜超过矿料总量的2。,第二节 沥青混合料,组成材料与技术要求 沥青,根据当地气候条件、施工季节气温、路面类型、施工方法等具体情况选用沥青标号。煤沥青不宜用于热拌沥青棍合料路面的表面层。,第二节 沥青混合料,沥青混合料的技术性质 高温稳定性 定义 评价指标 马歇尔稳定度 流值：流值是评价沥青混合料抗塑性变形能力的指标。 抗车辙能力,第二节 沥青混合料,沥青混合料的技术性质 耐久性 空隙率 耐水性：评价指标残余稳定度 填隙率 施工和易性 低温抗裂性 抗滑性,第二节 沥青混合料,沥青混合料组成设计方法 混合料配合组成设计 确定沥青混合料类型,确定所设计的沥青混合料用于什么样的公路等级、路面类型及哪一结构层，根据各层的不同要求，选择沥青混合料类型。,第二节 沥青混合料,沥青混合料组成设计方法 混合料配合组成设计 确定矿质混合料的级配范围,根据确定下来的沥青混合料类型，参照公路沥青路面施工技术规范（GBJ92-93）推荐的级配作为沥青混合料的设计级配。,第二节 沥青混合料,沥青混合料组成设计方法 混合料配合组成设计 测出矿质集料的密度、吸水率、筛分情况以及沥青的密度。,第二节 沥青混合料,沥青混合料组成设计方法 混合料配合组成设计 配合比例计算,采用图解法或数解法，求出已知级配的粗集料、细集料和矿粉之间的比例关系，求得的合成级配应根据下列要求作必要的配合比调整。 （1）通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近设计级配中限，尤其应使0.075mm、2.36mm和4.75mm筛孔的通过量尽量接近设计级配范围中限；,第二节 沥青混合料,沥青混合料组成设计方法 混合料配合组成设计 配合比例计算,（2）对交通量大、轴载重的公路，宜偏向级配范围的下（粗）限，对中小交通或人行道路等宜偏向级配范围的上（细）限； （3）合成级配曲线应接近连续或有合理的间断级配，不得有过多的犬牙交错；当经过再三调整，仍有两个以上的筛孔超出级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新设计。,第二节 沥青混合料,沥青混合料组成设计方法 最佳沥青用量（OAC）,沥青最佳用量的确定可以通过理论计算得到，但误差较大，故一般采用实验的方法求得。目前，我国采用马歇尔试验法来确定沥青最佳用量。,第二节 沥青混合料,沥青混合料组成设计方法 最佳沥青用量（OAC） 按所设计的矿料配合比配制五组矿质混合料，每组按规范推荐的沥青用量（或油石比）范围加入适量沥青，沥青用量按0.5间隔递增，拌和均匀，制成马歇尔试件。 根据集料吸水率大小和沥青混合料的类型采用合适的方法，测出试件的实测密度，并计算理论密度、空隙率、沥青饱和度等物理指标。 进行马歇尔试验，测定稳定度和流值这二个力学指标。,第二节 沥青混合料,沥青混合料组成设计方法 最佳沥青用量（OAC） 以沥青用量为横坐标，以实测密度、空隙率、饱和度、稳定度、流值为纵坐标，分别将试验结果点入坐标中，沥青用量与这些指标之间连成关系曲线。从图中取相应于密度最大值的沥青用量 ，相应于稳定度最大值的沥青用量 ，相应于规定空隙率范围的中值的沥青用量 。以三者平均值作为最佳沥青用量的初始值。,e. 根据沥青混合料马歇尔试验技术标准，确定各关系曲线上沥青用量范围 ，取各沥青用量范围的共同部分，即为沥青最佳用量范围，求其中值 。,f . 按最佳沥青用量初始值 ，在上述关系曲线中取相应的各项指标值，当各项指标值均符合马歇尔试验技术标准时，由 和 确定最佳沥青用量，如不能符合规定时，应重新进行级配调整和计算，直至各项指标均符合要求。,根据气候条件和实践经验，最佳沥青用量 的确定有下列三种情况。 （1）一般情况下，取 和 的中值作为最佳沥青用量。 （2）对热区公路以及车辆渠化交通的高速公路、一级公路，预计有可能造成较大车辙的情况下，可在 与 范围内决定，但不宜小于 的0.5。 （3）对寒区公路及其它等级公路，可在 与 范围内