土木工程材料11沥青及沥青混合料PPT课件

1、第十章 沥青及沥青混合料 课题引入：在工程实际中我们经常会遇到因沥青的技 术性质掌握不当或沥青混合料配比设计性能不符合 要求导致路面破坏的案例。例如：我们常可看到一 种现象，以相同沥青混合料铺筑的道路，多雨、地 下水较多的地段往往损坏更快、更严重。水是如何 损害沥青混凝土路面的？首先水的渗入使沥青粘附 性减少，导致沥青混合料的强度和劲度减小。此外， 水可进入沥青薄膜与集料之间，阻断沥青与集 料表面的相互粘结，集料表面对水的吸附比沥青强， 从而使沥青与集料表面接触角减小，沥青从集料表 面剥落造成的。在交通高速发展的今天，车辙和水 损害已成为一些地区沥青路面的主要破坏形式，占 到了沥青路面产生病害

2、类型的70%以上。如何能得 到符合质量要求具有良好的综合路用性能的沥青混 合料路面呢，这就要求我们通过实例的分析要掌握 沥青材料和沥青混合料的组分、技术性质、性能要 求及其应用.（见图10-1、10-2） 图10-1高速公路沥青路面 图10-2沥青防水卷材 第十章 沥青及沥青混合料 本章主要内容本章主要内容 一、一、沥沥 青青 材材 料料 u石油沥青的组成和结构石油沥青的组成和结构 u石油沥青的技术性质石油沥青的技术性质 u沥青胶结料评价方法沥青胶结料评价方法 u其他沥青其他沥青 本章主要内容本章主要内容 二、沥青混合料二、沥青混合料 u沥青混合料的分类沥青混合料的分类 u沥青混合料组成结构沥

3、青混合料组成结构 u沥青混合料的技术性质沥青混合料的技术性质 u沥青混合料的配合比设计沥青混合料的配合比设计 沥青材料是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物及其沥青材料是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物及其 非金属非金属( (氧、硫、氮氧、硫、氮) )衍生物；组成的混合物。沥青在衍生物；组成的混合物。沥青在 常温下呈黑色或黑褐色的固体、半固体或液体。在土木常温下呈黑色或黑褐色的固体、半固体或液体。在土木 工程中主要用于道路工程工程中主要用于道路工程 、土木工程的防水、防渗、土木工程的防水、防渗、 防潮防潮 、防腐工程等。（见图、防腐工程等。（见图10-310-3、10-410-4） 第十章 沥青及

4、沥青混合料 第一节 沥 青 材 料 一、石油沥青的组成和结构 （一)石油沥青的分类 第十章 沥青及沥青混合料 图10-3沥青防水卷材施工 图10-4水库的沥青混凝土防渗护面 图10-5沥青的分类 1.不同基属原油炼制的石油沥青分 第十章 沥青及沥青混合料 石蜡基沥青 环烷基沥青 中间基沥青 注意：蜡是沥青中的有害成分,会给高含蜡量沥青制备的路 用沥青混合料路用性能带来不良的影响。油分中含蜡,故在 组分分析时应用沥青含蜡量测定仪将油蜡分离。 2.沥青常温下的稠度分类 根据用途的不同，要求石油沥青具有不同的稠度，一般可分 为粘稠沥青和液体沥青两大类。粘稠沥青在常温下 又分为半固体或固体状态。液体沥

5、青在常温下多呈粘稠液 体或液体状态. (二)石油沥青的组分 我国现行公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ 052-2000 T 0617-0617-93)中规定有三组分和四组分两 种分析法。 第十章 沥青及沥青混合料 1.三组分分析方法 油分 树脂 沥青质 第十章 沥青及沥青混合料 2.四组分分析方法 饱和分 芳香分 胶质 沥青质 注意：我国建筑行业多用沥青三组分分析法，其最大优点 是组分界限明确，但三组分分析法流程复杂、分析时间长 ；交通行业更多采用沥青四组分分析法. (三)石油沥青的胶体结构 绝大多数沥青是以沥青质为核心，吸附胶质形成的胶团 作为分散相，分散在饱和分与芳香分的分散介质中

6、，呈 第十章 沥青及沥青混合料 胶体结构。 1.胶体结构的分类 根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同，沥青 可分为溶胶型、凝胶型和溶一凝胶型三种胶体结构类型 a）溶胶型结构 b) 溶-凝胶型结构 c) 凝胶型结构 图10-6沥青胶体结构类型 第十章 沥青及沥青混合料 注意：溶胶型沥青粘性小而流动性大，温度稳定性较差在道 路工程中很少采用，多为建筑沥青。修筑现代高等级公路 路面的沥青，都应属于溶胶凝胶型沥青. 2.胶体结构的判定 通常采用针入度指数法根据针人度指数PI值来判定沥青胶 体结构（见图10-7） +2 凝胶 图10-7路面开裂 第十章 沥青及沥青混合料 二、石油沥青的技术性质 （

7、一)物理性质 1.密度 定义：密度是指单位体积物质的质量 单位为tm3或gcm3 2.体膨胀系数 意义：沥青体膨胀系数是沥青储罐设计、沥青用作填缝或 密封材料时十分重要的计算数据。 公式： 第十章 沥青及沥青混合料 注意：体膨胀系数大，沥青路面在夏季易泛油，冬季易因收 缩而产生裂缝。 （二)沥青的路用性能 1.黏滞性 定义：沥青材料在外力作用下沥青粒子产生相互位移的抵 抗剪切变形的能力。 测定方法：一类为“绝对粘度法”，另一类为“相对粘度” 法，实际应用上多测定沥青的相对粘度。 211 12 TTD DD A T TT 第十章 沥青及沥青混合料 测定液体石油沥青、煤沥青和乳化沥青等的黏度，采用

8、标 准黏度计法。 该法试验条件表示为CT，d，其中C 表示黏度，T表示试验温度，d为流 孔直径。相同温度和相同流孔条件 下，流出时间越长、即CT，d越大 ，表示沥青黏度越大。（见图10-8 ） 图10-8标准粘度计测定液体沥 青示意图 1.沥青试样；2.活动球杆；3. 流孔；4-水 第十章 沥青及沥青混合料 针入度法 ：是国际上普遍采用的测定黏稠沥青稠度的一种 方法. 图10-9 沥青针度 测定仪 试验条件表示为P(T,m,t)其中P为针入度，其 中T为试验温度，m为标准针(包括连杆及 砝码)的质量，t为贯入时间.针入度值越大 ，表示沥青越软，即稠度越小。我国液体 沥青采用黏度来划分技术等级。

9、（见图 10-9） 第十章 沥青及沥青混合料 软化点 ：我国现行试验法(T 0604-93) 是采用环与球法软化点测定沥青在固、 液态转变的固化点或液化点.（见图10- 10） 软化点既是反映沥青稳定性的一个指标,也 是反映沥青条件黏度的一个指标。 图10-10沥青软化点 试验示意图 2.延性 定义 ：当其受到外力的拉伸作用时，所能承受的塑性变形 的总能力.用延度作为条件延性指标来表征。 公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)规 第十章 沥青及沥青混合料 定，A、B级沥青采用10延度，C级沥 采用l5 延度评定沥青的低温塑性指 标。（见图10-11） 图10-11沥青延度试验示意

10、图 3.低温性能 沥青的低温延性与低温脆性是重要的性能，多以沥青的低 温延度和脆点试验来表征。 脆点试验：脆点是测量沥青在低温不引起破坏时的温度， 即达到临界硬度时发生脆裂的温度。（见图10-12、10-13） 第十章 沥青及沥青混合料 弯曲梁流变试验：通过试验获得两个评价指标 ，蠕变劲度 模量和劲度变化率，要求不小于0.3。（见图10-14、10-15） 直接拉伸试验：测试沥青在低温时的极限拉伸应变。试验温 度为036，沥青呈脆性特征。 （见图10-16 、10-17） 试样截面积 最大荷载 应力 )27 L mm f 有效标准长度（ ）长度变化（伸长 应变 公式： 第十章 沥青及沥青混合料

11、 图10-12弗拉斯脆点仪(尺寸单位： mm) 1.外筒；2.夹钳；3.硬塑料管；4.真空 玻璃管； 5.试样管； 6.橡胶管； 图10-13弯曲器(尺寸单 位：mm ) 第十章 沥青及沥青混合料 7.橡胶管；8.通冷却液管道； 9.橡胶管；10.温度计；11.摇把 图10-14弯曲梁流变试验模 式示意图 图10-15蠕变劲度与时间关系示意图 第十章 沥青及沥青混合料 图10-16直接拉伸试验示意图 图10-17破坏应变与应力关系直接拉伸试 验示意图 4.沥青的感温性 感温性的评价指标：针入度指数(PI)和针人度一温度指 数(PTI)。工程中用于评价沥青感温性的常用指标还有 针入度-黏度指数(

12、PVN)、黏-温指数(VTS)、黏度 第十章 沥青及沥青混合料 -温度指数(VTN)、沥青等级指数(CI)等。 感温性评价指标的工程应用：PI、PVN、VTS、CI等指标越 大越好。这些指标越大，表明沥青对温度变化不敏感，感温 性低。 5.沥青的粘附性 工程意义：沥青的黏附性不强，易从集料表面剥落，造成沥 青路面的水损害性坑洞，见图10-18。 改进措施：其一，采用碱性集料；其二，掺抗剥落剂。 评价方法：Dmax132mm者采用水煮法；Dmaxl3.2mm 者采 用水浸法。 第十章 沥青及沥青混合料 图10-18沥青与集料黏附性不良 图10-19水煮法评定沥青黏附 性的示意图 a)沥青黏附性好

13、 b)沥青黏附性差 图10-20水煮法试验后试样 第十章 沥青及沥青混合料 图10-18沥青与集料黏附性不良 图10-19水煮法评定沥青黏附性的示意图 a)沥青黏附性好 b)沥青黏附性差 图10-20水煮法试验后试样 第十章 沥青及沥青混合料 6.沥青的耐久性 老化现象：沥青的性质将随着时问的推移而发生变化，沥 青老化和路面达到使用寿命、荷载过大等因素均会导致沥 青路面网裂 。（见图10-21） 图10-21沥青老化导致路面网裂 第十章 沥青及沥青混合料 老化现象：沥青老化的诱因主要包括热老化、光(紫外线) 老化和氧老化三方面。 7.安全性 用来评价沥青施工安全性的指标主要有两项：其一，闪点，

14、 定义为加热沥青初次闪火的温度（）；其二，燃点，定 义为加热沥青能持续燃烧5s以上的温度（）。 沥青的闪点和燃点之间相差10左右。沥青闪点和燃点通 常采用克利夫兰开口杯(简称COC)法或泰格式开口杯(简称 T0C)法测定，前者适用于黏稠沥青、后者适用于液体沥青。 第十章 沥青及沥青混合料 三、沥青胶结料评价方法 (一)道路石油沥青的评价方法 1.我国现行道路石油沥青指标体系是采用针入度分级，以沥青 的针入度、软化、延度三大指标为核心的经验性指标体系 。 2.我国与道路石油沥青相关的现行技术标准主要包括：道路 石油沥青(SHT 0522 2000)、公路工程沥青及沥青混 合料试验规程(JTJ 0

15、52-2000)、公路沥青路面施工技 术规范(JTG F40-2004)。 第十章 沥青及沥青混合料 (二)建筑石油沥青的评价方法 与道路石油沥青相比，建筑石油沥青针人度较小(黏性较大) 、软化点较高(耐热性较好)、延度较小(塑性较小) 四、其他沥青 (一)改性沥青方法 当前我国改性沥青用量大的原因主要在于两个方面：其一， 路面要求提高； 其二，建设投资充足。 1.常用改性沥青 第十章 沥青及沥青混合料 聚合物改性沥青 ：基质沥青中掺加高分子聚合物来改善 基质沥青的技术性能。按所掺加高分子聚合物类型的不同， 分为树脂和橡胶两大类。 改性沥青的性能与选用 注意：PE、EVA类主要改善沥青的高温性

16、能，在我国多用于 南方高温地区；SBR类可改善沥青的低温性能，在我国多 用于北方寒冷地区或加工成改性乳化沥青用于微表处； SBS类我国南、北方地区均可用；A型主要用于寒冷地区； C型、D型则主要用于高温、重载地区。 第十章 沥青及沥青混合料 2.乳化沥青 乳化沥青得到广泛的应用。不仅可用于路面的维修与养护， 而且可用于铺筑表面处治、贯入式、沥青碎石、乳化沥青 混凝土等各种结构形式的路面，还可用于旧沥青路面的冷 再生，防尘处理。 乳化沥青的组成材料：乳化沥青由沥青水和乳化剂组成， 可加入少量添加剂。 乳化剂的分类 ：阴离子型乳化剂较为便宜；微表处多用 性能较好的阳离子乳化剂，其最大优点在于与石子

17、的黏 附性好。 3.煤沥青 煤沥青是由煤干馏的产品煤焦油经再加工获得的，煤焦油分为 高温焦油和低温焦油两类 。（见图10-22） 第十章 沥青及沥青混合料 图10-22煤沥青 第十章 沥青及沥青混合料 工程中鉴别煤沥青与石油沥青的最简单方法是将其加 热，石油沥青有松香味、而煤沥青则为刺鼻臭味。 第二节 沥 青 混 合 材 料 沥青混合料是矿质混合料(简称矿料)与沥青结合料经拌制而成 的混合料的总称，沥青混合料经摊铺、压实成型后成为沥青路 面。我国在建或已建的高速公路路面有90以上采用半刚性基 层沥青路面。 一、沥青混合料的分类 沥青混合料的分类方法取决于矿质混合料的级配、集料的最大 粒径、压实

18、空隙率和沥青品种等。 第十章 沥青及沥青混合料 （一）按矿料级配类型分类 根据沥青混合料所用矿料级配类型的不同，其可分为连续级 配沥青混合料和间断级配沥青混合料两类。 （二）按矿料空隙率分类 根据沥青混合料所用矿料压实空隙率或密实度的不同，其可 分为密级配沥青混合料、半开级配沥青混合料、开级配沥青 混合料三类。 目前连续型密级配沥青混合料在我国应用最多。 （三）按矿料公称最大粒径分类 集料的最大粒径是指通过百分率为100%的最小标准筛筛孔尺 寸，集料的公称最大粒径是指全部通过或允许少量不通过( 一般容许筛余量不超过l0%)的最小一级标 第十章 沥青及沥青混合料 准筛筛孔尺寸，通常比最大粒径小一

19、个粒级。 根据集料的公称最大粒径，沥青混合料分为特粗式、粗粒式、 中粒式、细粒式和砂粒式。 二、沥青混合料组成结构 （一）沥青混合料的结构类型 沥青混合料主要是由沥青黏结矿料形成的，材料与级配的不同 使得沥青混合料具有不同的组成结构，主要包括三种结构， 即悬浮-密实结构、骨架-空隙结构、骨架-密实结构。（见图 10-23） 第十章 沥青及沥青混合料 a)悬浮-密实结构 b)骨架-空隙结构 c)骨架-密实结构 图10-23沥青混合料的典型组成结构 悬浮-密实结构 ：沥青混合料的密实度和强度高，水稳定性、 低温抗裂性、耐久性等均较好；高温稳定性较差。 骨架-空隙结构 ：具有良好的排水、降噪效果（图

20、10-24）。 第十章 沥青及沥青混合料 骨架-密实结构：构造深度深、抗滑性好(图10-25)，特别适 用于高等级路面的上面层。 图10-24透水路段(前方)与不透水 路段(后方)雨后效果对比 图10-25SMA混合料的骨架一密实结构 （二）沥青混合料的强度及其影响因素 第十章 沥青及沥青混合料 沥青混合料其强度主要来源于两方面：其一，沥青胶结料及 其与矿料之间的黏聚力；其二，矿质颗粒之问的内摩阻力和 嵌挤力。 影响沥青混合料强度的因素包括沥青黏度的影响和沥青用量 的影响两方面；矿料级配及矿料颗粒粒径及表面特征的影响； 沥青与矿料界面的影响.见图10-26 三、沥青混合料的技术性质 沥青混合料

21、作为沥青路面的面层材料，应具有足够的高温稳 定性、低温抗裂性、水稳定性、抗老化性、抗滑性等技术性 能，以保证沥青路面优良的服务性能，经久耐用。 第十章 沥青及沥青混合料 图10-26沥青与矿粉交互作用示意图 （一）高温稳定性 1.沥青混合料高温稳定性不良的主要破坏形式有泛油、推移、 拥包、搓板、车辙（见图10-27）等。 第十章 沥青及沥青混合料 a)荷载作用前 b)荷载作用后 图10-27沥青路面车辙的形成 2.影响高温稳定性的主要因素 沥青的高温粘度越大，与集料的粘附性越好，沥青混合料 的抗高温变形能力就越高，对于细粒式和中粒式密级配沥 青混合料，适当减少沥青用量有利于抗车辙能力的提高，

22、第十章 沥青及沥青混合料 对于粗粒式或开级配沥青混合料，不能简单地靠采用减少沥 青用量来提高抗车辙能力。 （二）沥青混合料的低温抗裂性 1.沥青路面的常见裂缝包括低温收缩裂缝和荷载疲劳裂缝两类。 见图 (图10-28)及(图10-29)。这两种裂缝单从路表难以区分， 需路面取芯后方可区别。 2.影响沥青混合料低温性能的主要因素 影响沥青混合料的低温劲度的最主要因素是沥青的低温劲度， 沥青粘度和温度敏感性是决定沥青劲度的主要指标。 第十章 沥青及沥青混合料 图10-28沥青路面低温收缩裂缝 图10-29沥青路面荷载疲劳裂缝 (三)沥青混合料的耐久性 耐久性包括沥青混合料的抗老化性、水稳定性、抗疲

23、劳性等综 合性质。 1.水稳定性 第十章 沥青及沥青混合料 沥青混合料的水稳定性评价方法：沥青与集料黏附性试验、 浸水试验、冻融劈裂强度试验等。 沥青混合料水稳定性的影响因素：其一，沥青路面的压实空 隙率过大导致沥青混合料透水性大、强度降低；其二，沥青 用量不足导致沥青混合料水稳定性降低；其三，沥青与集料 的黏附性不足，从而导致剥落与松散。（见图10-30） 2.抗老化性 沥青混合料老化取决于沥青的老化程度，与外界环境因素和 压实空隙率有关。 第十章 沥青及沥青混合料 图10-30沥青路面水稳定性坑槽 (四)沥青混合料的抗疲劳性 定义：沥青混合料出现疲劳破坏的重复应力值称作疲劳强度。 （见图1

24、0-31） 沥青混合料的疲劳试验可分为四类：实际路面在真实汽车荷 载下的疲劳试验，足尺路面结构在模拟汽车荷载作用下的疲 第十章 沥青及沥青混合料 劳试验，试板试验，试验室小型试件疲劳试验。 图10-31沥青路面疲劳破坏 (五)沥青混合料的表面抗滑性 沥青混合料表面抗滑性的影响因素：其一，沥青路面的微观 构造，用集料抗磨光值表征；其二，沥青路面的宏观构造， 用压实后路表构造深度表征.（见图10-32） 第十章 沥青及沥青混合料 沥青混合料表面抗滑性的评价方法：其一，铺砂法，测定的 是宏观构造深度 ；其二，摆式摩阻仪法；其三，集料磨光 值法。 图10-32沥青混合料表面抗滑性不良 (六)沥青混合料

25、施工和易性 第十章 沥青及沥青混合料 沥青混合料应具备良好的施工和易性，是保证沥青路面使用 质量的必要条件。目前尚无直接评价沥青混合料施工和易 性的方法和指标，一般是通过合理选择组成材料、控制施 工条件等措施来保证沥青混合料的质量。 组成材料的影响：粗细集料的颗粒尺寸相差过大，缺乏中 间尺寸颗粒，沥青混合料容易离析。若细集料太少，沥青 层不易均匀地分布在粗颗粒表面；细集料过多，则使拌和 困难。沥青用量过少，或矿粉用量过多时，混合料容易产 生疏松且不易压实；反之，沥青用量过多，或矿粉质量不 好，则易使混合料粘结成团块，不易摊铺。 第十章 沥青及沥青混合料 沥青用量与黏度：沥青混合料的拌和与压实温

26、度及沥青粘度 有关，应根据沥青粘度与温度的关系曲线确定 四、沥青混合料的配合比设计 沥青混合料配合比设计的内容是确定粗集料、细集料、矿粉 和沥青材料相互配合的最佳组成比例，使之既能满足沥青混 合料的技术要求又符合经济性的原则。 （一）沥青混合料配合比设计阶段 试验室配合比设计：主要包括矿质混合料组成设计和沥青用 量确定两大核心内容。 第十章 沥青及沥青混合料 生产配合比设计：利用实际施工的拌和机进行试拌以确定施 工配合比。 生产配合比验证阶段：按照规范规定的试验段铺设要求进行 各种试验（马歇尔试验、车辙试验、浸水马歇尔试验 ）当 全部满足要求时，便可进入正常生产阶段。 （二）沥青混合料配合比设

27、计方法 不同沥青混合料的配合比设计方法有所差别，目前工程中最 常用的热拌沥青混合料，沥青混合料的配合比设计方法请参 照相应的技术规范。 1.不同基属原油炼制的石油沥青分 第十章 沥青及沥青混合料 石蜡基沥青 环烷基沥青 中间基沥青 注意：蜡是沥青中的有害成分,会给高含蜡量沥青制备的路 用沥青混合料路用性能带来不良的影响。油分中含蜡,故在 组分分析时应用沥青含蜡量测定仪将油蜡分离。 2.沥青常温下的稠度分类 根据用途的不同，要求石油沥青具有不同的稠度，一般可分 为粘稠沥青和液体沥青两大类。粘稠沥青在常温下 第十章 沥青及沥青混合料 定，A、B级沥青采用10延度，C级沥 采用l5 延度评定沥青的低温塑性指 标。（见图10-11） 图10-11沥青延度试验示意图 3.低温性能 沥青的低温延性与低温脆性是重要的性能，多以沥青的低 温延度和脆点试验来表征。 脆点试验：脆点是测量沥