土木工程材料 第10章 沥青混合料.ppt

第十章沥青混合料 什么是沥青混合料 沥青混合料是由矿质混合料 简称矿料 由粗集料 细集料 填料等组成 与沥青结合料拌和而成的混合料的总称 是沥青砼混合料 简称沥青混凝土 沥青碎石混合料 简称沥青碎石 的总称 将这种混合料加以摊铺 碾压成型 即成为各种类型的沥青路面 在这种结构中 矿料起骨架作用 沥青与填料起胶结和填充作用 沥青混合料的主要特点 沥青混合料是一种粘 弹 塑性材料 它不仅具有良好的力学性质 而且具有一定的高温稳定性和低温柔韧性 用它铺筑的路面平整 无接缝 而具有一定的粗糙度 路面减震 吸声 无强烈反光 使行车舒适 有利于行车安全 沥青路面可全部采用机械化施工 方便快速 有利于质量控制 且施工后不需养护 能及时开放交通 经济耐久 可分期改造和再生利用 对温度较敏感 会发生老化现象 沥青路面摊铺施工 沥青路面碾压 第十章沥青混合料 第一节沥青混合料的分类与组成材料第二节沥青混合料的组成结构第三节沥青混合料的技术性质与技术标准第四节矿质混合料的组成设计第五节热拌沥青混合料的配合比设计 按结合料分类 可分为石油沥青混合料和煤沥青混合料 按制造工艺分类 可分为热拌沥青混合料 冷拌沥青混合料和再生沥青混合料 按材料组成及结构分类 可分为连续级配沥青混合料和间断级配沥青混合料 按矿料级配组成及空隙率大小分类 可分为密级配沥青混合料 设计空隙率为3 5 半开级配沥青混合料 设计空隙率为6 12 和开级配沥青混合料 设计空隙率大于18 一 沥青混合料的种类 按集料的公称最大粒径分类 特粗式沥青混合料 公称最大粒径大于31 5mm 方孔 粗粒式沥青混合料 公称最大粒径等于或大于26 5mm 方孔 中粒式沥青混合料 公称最大粒径为16 0mm或19 0mm 方孔 细粒式沥青混合料 公称最大粒径为9 5mm或13 2mm 方孔 砂粒式沥青混合料 公称最大粒径小于9 5mm 方孔 本章主要详述热拌沥青混合料 HMA 的组成材料 组成结构 技术性质和设计方法 一 沥青混合料的种类 1 沥青2 粗集料3 细集料4 填料5 纤维稳定剂 二 组成材料 沥青是沥青混合料中最重要的材料 其性能直接影响沥青混合料的各项技术性质 道路石油沥青的质量应符合第九章中规定的技术要求 沥青等级根据表10 1的要求来选用 必要时 沥青的PI值 60 动力粘度 10 延度可作为选择性指标 沥青路面在选择沥青标号时 必须考虑环境对沥青混合料的作用 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 1 沥青 2 粗集料 粒径大于2 36mm的集料为粗集料 用作沥青路面的粗集料可采用碎石 破碎砾石 筛选砾石 钢渣 矿渣等 但高速公路和一级公路宜选用坚硬 耐磨性好的碎石和破碎砾石 不得使用筛选砾石和矿渣 粗集料应该洁净 干燥 表面粗糙 符合一定的级配要求 具有足够的力学性能 与沥青有较好的粘附性等 其质量应符合表10 2至表10 4的规定 3 细集料 粒径小于2 36mm的集料为细集料 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 其质量应符合表10 5的规定 细集料也要富有棱角 应尽可能采用机制砂 天然砂的棱角已被磨去 如果用量过多 会引起混合料稳定性明显下降 4 填料 在沥青混合料中起填充作用的粒径小于0 075mm的矿质粉末称为填料 在沥青混合料中 矿质填料通常是指矿粉 其他填料如消石灰粉 水泥常作为抗剥落剂使用 粉煤灰则使用很少 在我国由于粉煤灰的质量往往不稳定 一般不允许在高速公路上使用 沥青混合料的矿粉必须采用石灰岩或岩浆岩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 其质量应符合表10 8的技术要求 5 纤维稳定剂 纤维目前普遍使用于SMA混合料 在一般沥青混合料中也可以使用 目前常用木质素纤维 主要是絮状纤维 近年来美国有一种观点 认为木质素纤维拌制的沥青混合料不能再生使用 矿物纤维 大部分是玄武岩纤维 能再生使用 所以矿物纤维用量大为增加 在沥青混合料中掺加木质素纤维的质量应符合表10 9的技术要求 纤维应在250 的干拌温度下不变质 不发脆 使用纤维必须符合环保要求 不危害身体健康 纤维必须在混合料拌和过程中能充分分散均匀 第二节沥青混合料的组成结构 一 组成结构的现代理论1 表面理论 2 胶浆理论 二 组成结构类型 按照级配原则构成的沥青混合料 根据粗集料的级配和粗 细集料的比例不同 可形成以下三种结构形式 悬浮 密实结构 骨架 空隙结构 骨架 密实结构 1 悬浮 密实结构 采用连续密级配的矿质集料 特点 各级集料均被次级集料隔开 并悬浮在次级集料和沥青之间 密实度大 强度高 且不易离析 施工方便 但矿质集料不能形成骨架 稳定性较差 二 组成结构类型 2 骨架 空隙结构 矿质集料采用连续开级配 特点 粗集料可以互相靠拢形成骨架 但细集料太少 不足以填满空隙 由于集料之间的嵌挤力和内摩擦力较大 所以热稳定性较好 但沥青与矿料的黏结力较小 耐久性较差 二 组成结构类型 3 骨架 密实结构 矿质集料采用间断密级配 特点 既有较多的粗集料形成骨架 又有足够的细集料填充在骨架空隙中 其密实度 强度和稳定性都较好 是一种较理想的结构类型 但易离析 施工技术要求高 三 沥青混合料强度的影响因素 1 沥青混合料抗剪强度的材料参数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 沥青混合料的抗剪强度主要取决于黏聚力和内摩擦角两个参数 即 f c 2 影响沥青混合料强度的因素 1 集料的性状与级配集料表面越粗糙 则拌制的混合料经压实后 颗粒之间能形成良好的齿合嵌锁 使混合料具有较高的内摩擦力 故配制沥青混合料都要求采用碎石 以形成较高的强度 集料颗粒的形状以接近立方体 呈多棱角为好 嵌挤后既能形成较高的内摩擦力 在承受荷载时又不易折断破坏 间断密级配沥青混合料内摩擦力大 具有高的强度 连续级配的沥青混合料 由于其粗集料的数量较少 呈悬浮状态分布 因而它的内摩擦力较小 强度较低 2 影响沥青混合料强度的因素 2 沥青结合料的黏度与用量沥青的黏度越大 则混合料的黏聚力就越大 黏滞阻力也越大 抵抗剪切变形的能力越强 因此 修建高等级沥青路面都采用黏稠沥青 即采用针入度较小的沥青 沥青用量过少 混合料干涩 混合料内聚力差 适当增加沥青用量 将会改善混合料的胶结性能 便于拌和和压实 有助于提高路面的密实度和强度 但当沥青用量过多时 则使集料颗粒表面的沥青膜增厚 多余的沥青形成润滑剂 以至在高温时易形成推挤滑移 出现塑性变形 因此 沥青混合料存在最佳沥青用量 2 影响沥青混合料强度的因素 3 矿粉的品种与用量沥青混合料中的胶结物质实际上是沥青和矿粉所形成的沥青胶浆 一般来说 由碱性石料 如石灰石 制成的矿粉与沥青亲和性良好 能形成较强的黏结性能 而由酸性石料制成的矿粉则与沥青亲和性较差 所以矿粉的品种对混合料的强度有影响 故规范规定必须使用碱性矿粉 在沥青用量一定的情况下 适当提高矿粉掺量 可以提高沥青胶浆的粘度 使胶浆的软化点明显上升 有利于提高沥青混合料强度 然而 如果矿粉掺量过多 则又会使混合料过于干涩 影响沥青与集料的黏附 反而影响沥青混合料的强度 一般来说 矿粉掺量与沥青用量之比在0 8 1 2范围内为宜 2 影响沥青混合料强度的因素 4 使用条件的影响环境温度和荷载条件是沥青混合料强度的主要外界因素 随着温度的升高 沥青的粘度降低 沥青混合料的黏结力也随之降低 内摩阻角同时受温度变化的影响 但变化幅度小些 在其它条件相同的情况下 沥青混合料的黏结力与荷载作用时间或变形速率之间关系密切 由于沥青的黏度随着变形速率增加而增加 所以沥青混合料的黏结力也随变形速率的增加而显著提高 而内摩阻角随变形速率的变化相对较小 第三节沥青混合料的技术性质与技术标准 沥青混合料是公路 城市道路的主要铺面材料 它直接承受车轮荷载和各种自然因素的影响 如日照 温度 空气 雨水等 其性能和状态都会发生变化 以至影响路面的使用性能和使用寿命 沥青混合料的路用性能主要有以下几个方面 1 高温稳定性2 低温抗裂性3 耐久性4 抗滑性5 施工和易性 1 高温稳定性 定义 沥青混合料在高温条件下 能够抵抗车辆的反复作用 不发生显著永久变形 保证路面平整度的特性称为高温稳定性 我国现行国标规定 采用马歇尔稳定度试验来评价沥青混合料高温稳定性 对高速公路 一级公路 城市快速路 主干路所用的沥青混合料 还应通过动稳定度试验 车辙试验 检验其抗车辙能力 评价高温稳定性的指标 马歇尔稳定度 指标准尺寸试件在规定温度和加荷速度下 在马歇尔仪中最大的破坏荷载 kN 流值 是达到最大破坏荷载时试件的垂直变形 以0 1mm计 马歇尔模数 T 稳定度除以流值的商 即 1 马歇尔稳定度试验 沥青混合料的马歇尔稳定度试验 用标准成型方法 制成300mm 300mm 50mm的沥青混合料试件 在60 的温度条件下 以 定荷载的轮子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 然后计算试件变形1mm所需试验车轮行走的次数 即为动稳定度 2 车辙试验 式中 DS 沥青混合料动稳定度 次 mm d1 d2 时间为tl t2的变形量 mm 42 每分钟行走次数 次 min cl c2 试验机或试样修正系数 动稳定度计算公式 我国现行行业标准 JTGF40 2004 规定 密级配沥青混凝土混合料 公称最大粒径小于或等于26 5mm 用于高速公路 一级公路时 稳定度MS应不小于8kN 用于其它公路时 MS应不小于5kN 对用于高速公路和一级公路的公称最大粒径等于或小于19mm的密级配沥青混合料 AC 及SMA OGFC混合料需在配合比设计的基础上进行各种使用性能检验 必须在规定的试验条件下进行车辙试验 并符合表10 10的要求 2 低温抗裂性 定义 沥青混合料在冬季低温条件下抵抗断裂破坏的能力称为低温抗裂性 冬季 沥青混合料随着温度的降低 变形能力下降 路面由于低温而收缩以及行车荷载的作用 在薄弱部位产生裂缝 因此 要求沥青混合料具有一定的低温抗裂性 即要求沥青混合料具有较高的低温强度或较大的低温变形能力 目前用于研究和评价沥青混合料低温抗裂性的方法可以分为三类 预估沥青混合料的开裂温度 评价沥青混合料的低温变形能力和应力松弛能力 评价沥青混合料断裂性能 相关的试验有等应变加载的破坏试验 低温收缩试验 低温蠕变弯曲试验等 我国现行行业标准 JTGF40 2004 规定 宜对用于高速公路和一级公路的公称最大粒径等于或小于19mm的密级配沥青混合料在温度 10 加载速率50mm min的条件下进行弯曲试验 测定破坏强度 破坏应变 破坏劲度模量 并根据应力应变曲线的形状 综合评价沥青混合料的低温抗裂性能 其中沥青混合料的破坏应变宜不小于表10 11的要求 2 低温抗裂性 3 耐久性 定义 沥青混合料在使用过程中抵抗环境因素及行车荷载反复作用的能力称为耐久性 它包括沥青混合料的抗老化性 水稳定性 抗疲劳性等综合性质 1 沥青混合料的抗老化性沥青的化学性质对抗老化性的影响如前所述 就沥青混合料的组成结构而言 首先是沥青混合料的空隙率对抗老化性有影响 沥青路面的使用寿命还与混合料中的沥青含量有很大的关系 有研究认为 沥青用量较最佳沥青用量少0 5 的混合料能使路面使用寿命减少一半以上 2 沥青混合料的水稳定性 沥青路面在雨水 冰冻的作用下 尤其是在雨季过后 沥青路面往往会出现脱补 松散 进而形成坑洞而损坏 出现这种现象的原因为沥青混合料在水的作用下被侵蚀 沥青从集料表面发生剥落 使混合料颗粒失去粘结作用 在沥青中添加抗剥落剂是增强水稳定性 减少水损坏的有效措施 此外 在沥青混合料的组成设计上采用碱性集料 以提高沥青与集料的粘附性 采用密实结构以减少空隙率 以石灰粉取代部分矿粉等等 都可以有效地提高沥青混合料的水稳定性 2 沥青混合料的水稳定性 我国现行行业标准 JTGF40 2004 规定 对用于高速公路和一级公路的公称最大粒径等于或小于19mm的沥青混合料 必须在规定的条件下进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验 以检验沥青混合料的水稳定性 并应同时符合表10 12中的两个要求 达不到要求时必须采取抗剥落措施 调整最佳沥青用量后再次试验 浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验 浸水马歇尔试验残留稳定度 MS0 MS1 MS 100MS1 试件浸水 60 48小时后的稳定度 KN MS 标准方法测定的稳定度 冻融劈裂试验的残留强度比 TSR RT2 RT1 100RT2 RT1 分别是冻融后和未冻融的劈裂抗拉强度 MPa 3 沥青混合料的抗疲劳性 沥青混凝土路面使用期间 在气温环境影响下 经过车轮荷载的反复作用 长期处于应力应变替换变化状态 致使路面结构强度逐渐下降 当荷载重复作用超过一定次数以后 在荷载作用下路面沥青混凝土内产生的应力就会超过其结构抗力 使路面结构出现裂纹 产生疲劳破坏 沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象 显然 荷载的重复作用次数越多 强度的降低也就越剧烈 它所承受的应力或应变值就愈小 通常把沥青混合料出现疲劳破坏的重复应力值称作疲劳强度 相应的应力重复作用次数称为疲劳寿命 沥青混合料的疲劳试验方法较多 足尺路面结构的研究试验耗资大 周期长 因此通常采用周期短 费用少的室内小梁疲劳试验 MTS810测试系统全景主体部分 4 抗滑性 抗滑性 沥青路面具有良好的微观粗糙度和宏观粗糙度 能减小汽车刹车后行驶距离的性能 用抗滑系数评定 为保证长期高速行车的安全 配料时要特别注意粗集料的耐磨光性 应选择硬质有棱角的碎石集料 沥青用量不超过最佳用量的0 5 B级沥青含蜡量应不大于3 C级沥青含蜡量应不大于4 5 5 施工和易性 施工和易性 使混合料易于拌和 摊铺和碾压的性能 影响沥青混合料施工和易性的因素很多 诸如当地气温 施工条件及混合料性质等 单纯从混合料材料性质而言 影响施工和易性的因素首先是混合料的级配情况 如果粗细集料的颗粒大小相差过大 缺乏中间尺寸 混合料容易分层层积 粗粒集中表面 细粒集中底部 如细集料太少 沥青层就不容易均匀地分布在粗颗粒表面 细集料过多 则使拌和困难 此外当沥青用量过少 或矿粉用量过多时 混合料容易产生疏松 不易压实 反之 沥青用量过多 或矿粉质量不好 则容易使混合料粘结成团块 不易摊铺 沥青路面摊铺施工 沥青路面摊铺施工 第四节矿质混合料的组成设计 一 矿质混合科的级配理论和级配曲线范围 一 矿质混合料的级配理论1 级配曲线 1 连续级配连续级配是某一矿质混合料在标准筛孔配成的套筛中进行筛析时 所得的级配曲线平顺圆滑 具有连续不间断的性质 相邻粒径的粒料之间 有一定的比例关系 按质量计 这种由大到小 逐级粒径均有 并按比例互相搭配组成的矿质混合料 称为连续级配矿质混合料 2 间断级配间断级配是在矿质混合料中剔除其一个 或几个 分级 形成一种不连续的混合料 这种混合料称为间断级配矿质混合料 粒径 筛孔尺寸 图10 4连续级配和间断级配曲线 一 矿质混合料的级配理论 2 级配理论目前常用的级配理论 主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理论 前一理论主要描述了连续级配的粒径分布 可用于计算连续级配 后一理论 不仅可用于计算连续级配 而且可用于计算间断级配 1 最大密度曲线理论W B富勒 Fuller 和他的同事经过研究提出了最大密度理想曲线理论 即矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线 则其密度愈大 当级配曲线为抛物线时 其密度达到最大 2 级配理论 1 最大密度曲线公式式中 d 矿质混合料各级颗粒粒径 mm p 各级颗粒粒径集料的通过量 k 常数 D 矿质混合料的最大粒径 mm a 常坐标系图10 5理想最大密度级配曲线 b 半对数坐标系图10 5理想最大密度级配曲线 2 级配理论 2 最大密度曲线n幂公式通常使用的矿质混合料的级配范围 包括密级配和开级配 其n值常位于0 3 0 7之间 在实际应用时 矿质混合料的级配应该允许在一定范围内波动 所以目前多采用n次幂的表达式 式中 n 实验指数 为计算方便起见 n幂公式亦可采用对数形式表达 即 二 级配曲线范围 二 矿质混合料的组成设计方法 矿质混合料的组成设计就是依据级配理论 采用合适的方法 确定组成矿质混合料的各种集料的比例 通常以质量百分率表示 矿质混合料组成设计的方法主要有数解法与图解法两大类 1 数解法最常用的为 试算法 和 正规方程法 或称 线性规划法 试算法一般适宜用于3 4种矿料组成 正规方程法可用于多种矿料组成 所得结果准确 但人工计算较为繁琐 可编制计算机程序用计算机计算 二 矿质混合料的组成设计方法 2 图解法图解法是采用作图的方法来确定矿质混合料中各种集料的用量 常用的有两种集料组成的 矩形法 和三种集料组成的 三角形法 等 对由多种集料组成混合料 可采用 平衡面积法 该法是采用一条直线来代替集料的级配曲线 这条直线是使曲线左右两边的面积相等 即达到平衡 简化了曲线的复杂性 这个方法又经过许多研究者的修正 故现行的图解法称为 修正平衡面积法 简称图解法 图10 9确定各集料配合比的原理图 第五节热拌沥青混合料的配合比设计 沥青混合料配合比设计的任务是确定混合料中粗集料 细集料 矿粉和沥青等材料相互配合的最佳组成比例 使沥青混合料的各项指标既达到工程要求 又符合经济性原则 沥青混合料必须在对同类公路配合比设计和使用情况调查研究的基础上 充分借鉴成功的经验 选用符合要求的材料 进行配合比设计 热拌沥青混合料的配合比设计包括目标配合比设计 生产配合比设计和生产配合比验证三个阶段 本节主要介绍采用现行的马歇尔试验法对热拌沥青混合料进行配合比设计 一 目标配合比设计 目标配合比设计在试验室进行 分矿质混合料组成设计和沥青最佳用量确定两部分 具体流程见图10 9 1 矿质混合料组成设计 1 确定沥青混合料类型热拌沥青混合料适用于各种等级公路的沥青路面 其种类按集料公称最大粒径 矿料级配 空隙率划分 分类见表10 13 2 确定矿质混合料的级配范围根据已确定的沥青混合料类型 查表l0 14 表10 15确定所需矿料的级配范围 1 矿质混合料组成设计 3 矿质混合料配合比计算1 测定各组成材料的物理指标根据现场取样 对粗集料 细集料和矿粉进行筛分试验 分别绘出各组成材料的筛分曲线 同时测出各组成材料的相对密度 以供计算沥青混合料物理指标用 2 计算矿质混合料配合比根据各组成材料的筛析试验结果 借用计算机或采用图解法 求出各组成材料用量的比例关系 3 调整配合比计算得到的合成级配应根据要求作必要的配合比验证 2 马歇尔试验 1 计算矿质混合料的物理指标 预估沥青混合料的最佳油石比Pa或最佳沥青用量Pb 2 成型马歇尔试件以预估的油石比Pa 或沥青用量Pb 为中值 按一定间隔 对密级配沥青混合料通常为0 5 对沥青碎石混合料可适当缩小间隔为0 3 0 4 取5个或5个以上不同的油石比 或沥青用量 分别成型马歇尔试件 每个油石比成型一组试件 每一组试件的试样数可按现行试验规程的要求确定 对粒径较大的沥青混合料 宜增加试件数量 2 马歇尔试验 3 测定压实沥青混合料试件的物理指标1 毛体积相对密度 f和吸水率 2 计算最大理论相对密度 ti3 计算空隙率VV 矿料间隙率VMA 有效沥青的饱和度VFA等指标 4 测定力学指标 测定马歇尔稳定度及流值 3 确定沥青混合料最佳油石比 或最佳沥青用量 我国现行规范确定沥青最佳油石比 或沥青用量 的方法如下 1 绘制沥青用量与物理力学指标关系图以油石比 或沥青用量 为横坐标 以马歇尔试验的各项指标为纵坐标 如图10 12所示 将试验结果点入图中 连成圆滑的曲线 然后确定出符合沥青混合料技术标准规定的油石比 或沥青用量 范围OACmin OACmax 3 确定沥青混合料最佳油石比 或沥青用量 2 计算最佳油石比 或沥青用量 的