土木工程材料 课件 8沥青与沥青混合料

土木工程材料CivilEngineeringMaterials【工程案例导入】世界上最漫长的科学实验昆士兰大学的沥青滴落实验装置

沥青滴漏实验以其耗时之长和过程之缓慢，被称为世界上持续时间最长的实验之一。该实验由澳大利亚昆士兰大学的托马斯·帕内尔于1927年启动，1930年正式开始观测。实验中，加热的沥青被装入漏斗，冷却后看似凝固，但在重力作用下会极其缓慢地流动，平均每8至10年才滴落一滴。截至2024年，仅记录了​​9滴沥青滴落​​，最近一次是在2014年。

第十次沥青大概会在2027年滴落，我们或许有幸成为这个持续近百年漫长实验中沥青滴落过程的下一个见证者。CONTENT沥青01沥青混合料02第八章

沥青与沥青混合料01沥

青8.1.1沥青的分类

沥青材料按产源可分为地沥青和焦油沥青两大类，地沥青是指通过对地表或地下开采所得到的沥青材料，主要包括天然沥青和石油沥青。图8-2全球最大的彼奇沥青湖8.1.1沥青的分类

沥青材料按产源可分为地沥青和焦油沥青两大类，地沥青是指通过对地表或地下开采所得到的沥青材料，主要包括天然沥青和石油沥青。1.天然沥青天然沥青是一种在地球地壳中自然形成的有机物质，主要由沥青质、树脂等胶质以及少量的金属和非金属等其他矿物杂质组成。图8-3天然沥青湖中未凝结的沥青8.1.1沥青的分类2.石油沥青

石油沥青是在原油提炼过程中，将原油加热至高温，使其中的轻质组分蒸发，剩下的重质组分再经过氧化和聚合作用形成。图8-4液态石油沥青

图8-5固态石油沥青8.1.1沥青的分类3.煤沥青

煤沥青是煤焦油蒸馏加工去除液体馏分后的残余物，是煤在高温干馏过程中得到的一种深褐色至黑色黏稠液体或半固体。

煤沥青一般为粘稠的液体、半固体或固体，色黑而有光泽。在室温下，它通常为黑色脆性块状物，有臭味，熔融时易燃烧，并有毒。图8-6煤沥青8.1.2沥青的物理化学性质1.沥青的颜色与状态

沥青通常呈现为黑色或黑褐色。这种颜色是由于沥青中含有大量的碳元素和其他深色矿物成分所导致的。

沥青的状态在不同温度和条件下会有所变化。

在常温下，沥青通常呈固体或半固体状态，具有一定的硬度和韧性。这种状态下的沥青可以用于道路建设、防水材料等领域，因为其能够保持一定的形状和稳定性。

在高温下，沥青会熔化成液体状态。这种变化是由于沥青中的分子在高温下变得活跃，导致沥青的粘度降低，流动性增强。液态沥青在施工过程中具有更好的流动性和可塑性，能够更容易地填充和覆盖各种不平整的表面。8.1.2沥青的物理化学性质2.沥青的组分8.1.2沥青的物理化学性质2.沥青的组分8.1.2沥青的物理化学性质沥青的胶体结构与性能

请观察沥青的三种胶体结构，图中的黑色部分为沥青质，讨论其性能的差异。

（a）溶胶结构

（b）溶-凝胶结构

（c）凝胶结构8.1.2沥青的物理化学性质3.沥青的化学稳定性

沥青作为一种复杂的有机混合物，其化学稳定性是决定其使用寿命和性能的关键因素。化学稳定性主要体现在沥青在不同环境条件下抵抗化学反应的能力，这包括对温度变化、紫外线照射、氧气和水的侵袭等的抵抗力。

沥青的化学稳定性受多种因素影响，包括其组成成分、温度变化、光照强度和氧气含量等。其中，沥青中的饱和烃、芳香烃和胶质含量是决定其稳定性的关键因素。在化学稳定性分析中，通常会使用热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）来评估沥青的热稳定性。8.1.2沥青的物理化学性质4.沥青的物理力学性能（1）沥青的粘度

粘度是表征沥青流动性的重要参数，通常用动力粘度、运动粘度或条件粘度表示。高粘度的沥青流动性差，低粘度的沥青则易于流动。

温度是影响沥青粘度的主要因素之一，随着温度的升高，沥青的粘度会降低；反之，随着温度的降低，沥青的粘度会升高。沥青的粘度可以通过多种方法进行测定，主要包括以下几种：①毛细管法②旋转法③流出杯法8.1.2沥青的物理化学性质a沥青旋转粘度计

b沥青针入度测定仪图8-7沥青主要性能测试仪器8.1.2沥青的物理化学性质（2）沥青的针入度

针入度是评价沥青硬度和稠度的指标，通过标准针入试验测量。沥青针入度是指在一定条件下沥青针垂直插入沥青样品的深度，也称为针入深度。

针入度越大，表示沥青越软，适用于温度较高的环境；针入度较小的沥青硬度较大，适合寒冷气候条件。针入度与沥青的温度敏感性密切相关，是沥青分级的重要依据。8.1.2沥青的物理化学性质（3）沥青的延度

沥青延度是描述沥青材料在拉伸过程中所能承受的最大变形而不发生断裂的能力。延度是衡量沥青塑性变形能力的指标，通过拉伸试验测定。

沥青延度测试通常使用沥青延度仪进行。

延度越大，表明沥青的塑性越好，具有更好的柔韧性和抗裂性，能够更好地适应温度变化和车辆荷载，减少路面开裂，从而提高路面的耐久性和使用寿命。图8-9沥青延度测试示意图8.1.2沥青的物理化学性质（4）沥青的软化点

沥青的软化点，作为评估沥青温度敏感性和高温稳定性的关键指标，是指沥青在一定条件下开始软化的温度。

沥青软化点测定是评估沥青温度稳定性的重要手段，通常使用环球法。

沥青的软化点受到多种因素的影响，包括沥青的组成、分子量分布、结构类型以及制备工艺等。观察与讨论建筑石油沥青的选用请比较下列A、B两种建筑石油沥青的针入度、延度及软化点测定值。若于南方夏季炎热地区屋面选用何种沥青较合适，请讨论。编号针入度/0.01mm

(25℃，100g，5s)延度/cm

(25℃，5cm/min)软化点

/℃A30572B222.5101工程实例分析沥青长时间加热与保温

某施工队熬制石油沥青准备作地下防水，由于沥青碎块的平均尺寸为20cm，工程量较大，因此加热的时间较长，保温的时间亦较长。施工后发现其效果不够理想，特别是沥青的塑性明显下降。请分析原因。

工程实例分析沥青混凝土路面裂缝

华南某二级公路沥青混凝土路面使用1年后就出现较多网状裂缝，其中施工厚度较薄及下凹处裂缝更为明显。据了解当时对路基已作认真检查，并处理好软弱层，而所用的沥青延度较低。请分析原因。

8.1.3石油沥青的技术标准1.建筑石油沥青的技术标准

8.1.3石油沥青的技术标准2.道路石油沥青的技术标准

8.1.4石油沥青的掺配与选用1.石油沥青的掺配

在工程中，由于一种牌号的沥青往往不能满足所有工程要求，因此常常需要用不同牌号的沥青进行掺配。当采用两种沥青进行掺配时，沥青掺配的比例可用下式估算：在进行沥青掺配时，为了不使掺配后的沥青胶体结构破坏，应选用表面张力相近和化学性质相似的沥青。8.1.4石油沥青的掺配与选用【例8.1】某工程需用软化点为85℃的石油沥青，现有10号及60号石油沥青，其软化点分别为95℃和45℃。试估算如何掺配才能满足工程需要？

【解】由题目可知：较软的60号沥青软化点为45℃，较硬的10号沥青软化点为95℃，掺配后沥青软化点为85℃。

解得：需用20%的60号沥青和80%的10号沥青掺配。8.1.4石油沥青的掺配与选用不同类型土木工程对石油沥青掺配的需求

在道路工程中，高速公路与一级公路对沥青的性能要求极高，特别是在夏季温度高、重载交通频繁的路段，需要采用稠度大、粘度高的沥青，以提高路面的高温稳定性和抗车辙能力。8.1.4石油沥青的掺配与选用不同类型土木工程对石油沥青掺配的需求

在屋面防水工程中，由于屋面防水层直接暴露在自然环境中，因此需满足防水层的耐久性、抗裂性、抗渗漏性等要求。特别是在高温地区，需要选用软化点高、耐高温性能好的沥青，以避免夏季高温下沥青流淌、防水层失效的问题。而在寒冷地区，则需选择抗低温开裂性能好的沥青，以确保防水层在冬季的稳定性和耐久性。8.1.4石油沥青的掺配与选用不同类型土木工程对石油沥青掺配的需求

地下防水工程要求沥青具有优异的抗渗性和耐久性，以防止地下水渗漏对建筑结构造成损害。在掺配时，需选择粘度大、抗渗性强的沥青进行掺配，以提高防水层的整体性能。8.1.4石油沥青的掺配与选用不同类型土木工程对石油沥青掺配的需求

桥梁工程则更注重沥青的抗疲劳性和抗裂性，以确保桥梁结构的稳定性和安全性。在掺配时，需选择具有优异抗疲劳性能和抗裂性能的沥青进行掺配，以满足桥梁工程的特殊需求。8.1.5乳化沥青1.乳化沥青的制备工艺

乳化沥青在制备过程中，首先需要将沥青加热至适当的温度，通常在120°C至160°C之间，以降低其粘度，便于后续的乳化处理。接着，将加热后的沥青与乳化剂混合，沥青颗粒被乳化剂包裹形成微小的油滴，这些油滴在高速搅拌的作用下均匀分散在水中。

生产好的乳化沥青需储存于专用的储罐中，并进行定期检测以确保其质量稳定。在贮存过程中，应注意防止乳液分层、聚结或变质。8.1.5乳化沥青2.乳化沥青的性能特点与优势

乳化沥青是将黏稠沥青经过热融和机械作用，以微滴状态分散于含有乳化剂及稳定剂的水中，形成水包油（O/W）型的沥青乳液。

这种特性使得乳化沥青在常温下具有较低的粘度，流动性非常好，便于施工和渗透。乳化沥青可以常温使用，也可以和冷、潮湿的石料一起使用，操作简便，节省热能。

乳化沥青还具有良好的水稳定性，这使得它在多雨地区或需要频繁承受水损害的路面工程中表现出色。

乳化沥青的另一个显著优势是其对环境的友好性。由于其制备过程中不涉及高温加热，因此能够显著降低能源消耗和有害气体排放。8.1.6改性沥青

改性沥青是掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂（改性剂），或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善制成的沥青结合料。

改性沥青的机理涉及多个方面，包括但不限于分子间相互作用、化学键的形成与断裂、以及相变行为等。

在改性沥青的制备过程中，改性剂的选择与添加量至关重要。改性剂的加入对于提升沥青的粘结力、抗裂性和耐久性具有显著效果，从而能够延长道路的使用寿命并大幅度降低维护成本。根据添加的改性剂材料的不同，改性沥青可以分为橡胶及热塑性弹性体改性沥青、塑料与合成树脂类改性沥青以及共混型高分子聚合物改性沥青三大类。8.1.6改性沥青改性沥青的特点

改性沥青在极端温度条件下表现出较高的稳定性。无论是在高温环境下，还是在低温条件下，改性沥青都能保持其物理和化学性质的相对稳定，不易发生软化和硬化，从而确保了道路在各种气候条件下的良好使用性能。

改性沥青具有优异的弹性恢复能力和抗疲劳性能。在受到外力作用时，如车辆的反复碾压，改性沥青能够迅速恢复其原始形态，减少了路面的永久变形和裂缝的产生。

改性沥青具有良好的耐久性和抗老化性能。在长期的使用过程中，改性沥青能够抵抗紫外线、氧气和水等环境因素的侵蚀，延缓了沥青的老化过程。

改性沥青还具有良好的粘附性和抗水损害能力。通过与集料的紧密粘附，改性沥青能够形成更为牢固的路面结构，提高了路面的整体稳定性。8.1.6改性沥青改性沥青的应用

改性沥青在道路表面铺装中发挥着重要作用，常被用于机场跑道、高速公路、城市道路等交通路面的铺装。

改性沥青在桥面铺装和防水工程中也有着广泛的应用。改性沥青因其良好的粘附性和抗水损害能力，能够紧密地粘附在桥面结构上，形成一道坚固的防水屏障，有效地防止水分渗透和侵蚀，从而延长桥梁的使用寿命。

改性沥青还被广泛应用于隧道工程、停车场、运动场等场合。在隧道工程中，改性沥青能够保持隧道的干燥和稳定，提高隧道的通行能力和安全性。在停车场和运动场中，改性沥青则能够提供良好的防滑性和耐磨性，确保车辆和行人的安全通行。02沥青混合料8.2.1沥青混合料的组成沥青混合料主要由沥青、粗集料、细集料和填料组成。1.沥青

在沥青混合料中，沥青的主要功能在于提供强大的粘结力，将各种集料、填料等材料牢固地结合在一起，形成一个稳定且强度适宜的整体结构。2.集料

集料作为沥青混合料的骨架，根据其粒径大小被细分为粗集料和细集料。3.矿粉

矿粉作为填充剂，能够高效地填充粗集料与细集料之间的微小空隙，这一特性极大地提升了混合料的密实度，有助于形成更为紧密、均匀的微观结构。8.2.2沥青混合料的结构

沥青混合料根据其粗、细集料的比例不同，其结构组成有三种形式：悬浮密实结构、骨架空隙结构和骨架密实结构。8.2.3沥青混合料的技术性质1.高温稳定性

沥青混合料的高温稳定性是指其在高温条件下，能够抵抗车辆荷载的反复作用，不发生显著永久变形，从而保证路面平整度的特性。评估沥青混合料的高温稳定性，通常采用以下实验方法：（1）车辙试验

车辙试验通过模拟车辆荷载在沥青路面上形成的车辙变形，来评估沥青混合料的高温稳定性。（2）马歇尔稳定度试验

马歇尔稳定度试验通过测定沥青混合料试件在规定温度和加荷速度下的破坏荷载和垂直变形，来评估其高温稳定性。8.2.3沥青混合料的技术性质2.低温抗裂性

沥青混合料的低温抗裂性是指其在低温条件下应具有一定的柔韧性，以保证在低温时不产生裂缝的能力，是评价沥青混合料在寒冷地区使用性能的重要指标之一。评估沥青混合料的低温抗裂性，通常采用以下实验方法：（1）低温弯曲试验

低温弯曲试验通过模拟低温条件下沥青混合料受到弯曲荷载时的变形情况，来评估其低温抗裂性。（2）低温劈裂试验

低温劈裂试验通过模拟低温条件下沥青混合料受到劈裂荷载时的变形情况，来评估其低温抗裂性。8.2.3沥青混合料的技术性质2.低温抗裂性

沥青混合料的低温抗裂性是指其在低温条件下应具有一定的柔韧性，以保证在低温时不产生裂缝的能力，是评价沥青混合料在寒冷地区使用性能的重要指标之一。评估沥青混合料的低温抗裂性，通常采用以下实验方法：（3）低温收缩试验

低温收缩试验通过测量沥青混合料在低温条件下的收缩变形量，来评估其低温抗裂性。（4）低温蠕变试验

蠕变是指材料在恒定应力作用下，随时间产生的变形。低温蠕变试验通过测量沥青混合料在低温条件下的蠕变变形量，来评估其低温抗裂性。工程实例分析沥青低温开裂

在河北中部每到冬天，居民住宅附近的沥青路面总会出现一些裂缝，裂缝大多是横向的，且几乎为等距离间距的，在寒冷天气裂缝尤其明显。8.2.3沥青混合料的技术性质3.耐久性

沥青的耐久性是指沥青材料抵抗各种自然因素及交通荷载机械应力的性能，是评价沥青及其混合料质量和使用寿命的重要指标。

沥青在长期使用过程中，会受到氧化、蒸发、光的作用以及水的影响等多种因素的共同作用，导致其性能逐渐下降。因此，评价沥青耐久性的核心在于模拟这些老化过程，并观察沥青在老化前后的性能变化。

常用的沥青耐久性评价方法是加热质量损失试验和加热后残渣性质试验。4.抗滑性

沥青抗滑性是指沥青混合料或沥青路面抵抗车辆轮胎滑动的能力，是评价道路安全性能的关键指标之一。工程实例分析沥青路面泛油

观察下图路面，其沥青上泛至表面，形成路面局部泛油、光面。请分析有何危害，并分析其成因。8.2.4沥青混合料配合比设计【例8.2】现需设计某高速公路用三层式沥青混凝土路面，下面层采用5cm厚AC-20沥青混凝土，原材料拟采用AH-70石油沥青，石灰岩碎石，天然砂和石灰岩矿粉。AC-20沥青混凝土是沥青混凝土路面的重要结构层，要求具有较高的高温稳定性和抗渗性。为了保证工程质量，必须进行严格的配合比试验。如何准确测定稳定度和流值、如何选择合理的空隙率以及采用何种矿料级配是沥青混凝土配合比试验的关键问题，通过试验确定矿料级配和最佳沥青用量，使沥青混合料性能满足设计要求。8.2.4沥青混合料配合比设计（1）沥青混合料矿料组成设计

沥青混合料配合比设计首先要确定沥青混合料中使用的各种矿料，根据本工程实际使用的原材料为石灰岩碎石、石灰岩石屑、天然砂及石灰岩矿粉，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）和《公路工程集料试验规程》（JTG3432-2024）的规定方法选取样品，拌合，筛分。8.2.4沥青混合料配合比设计（2）沥青混合料矿料配合比设计

经筛分析试验，各集料的分计筛余百分率列于表8-5，求出各矿料级配比例，列入表中。8.2.4沥青混合料配合比设计据此计算合成级配，绘制设计混合料的级配范围及合成级配曲线8.2.4沥青混合料配合比设计（3）马歇尔试验

按此配比根据经验选定油石比在3.5%～5.5%范围，以0.5%间隔，成型制作不同油石比的马歇尔试件，并分别进行马歇尔试验。8.2.4沥青混合料配合比设计（4）确定沥青最佳用量绘制沥青用量与物理-力学指标关系图，以沥青用量为横坐标，以视密度、空隙率、饱和度、稳定度和流值为纵坐标，将试验结果绘制成沥青用量与各项指标的关系曲线。8.2.4沥青混合料配合比设计8.2.4沥青混合料配合比设计①根据稳定度、密度和空隙率确定最佳沥青用量初始值1（OAC1）

从图中取相应于稳定度最大值的沥青用量a1，相应于密度最大值的沥青用量a2，和相应于规定空隙率范围的中值的沥青用量a3，求取三者的平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC1，即：OAC1=（a1+a2+a3）/3②根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定最佳沥青用量初始值2（OAC2）

按图8-12中求出各指标符合沥青混合料技术标准的沥青用量范围OACmin～OACmax，其中值为OAC2。即：OAC2=（OACmin+OACmax）/2③根据OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量（OAC）8.2.4沥青混合料配合比设计①根据稳定度、密度和空隙率确定最佳沥青用量初始值1（OAC1）

从图中取相应于稳定度最大值的沥青用量a1，相应于密度最大值的沥青用量a2，和相应于规定空隙率范围的中值的沥青用量a3，求取三者的平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC1，即：OAC1=（a1+a2+a3）/3②根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定最佳沥青用量初始值2（OAC2）

按图8-12中求出各指标符合沥青混合料技术标准的沥青用量范围OACmin～OACmax，其中值为OAC2。即：OAC2=（OACmin+OACmax）/2③根据OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量（OAC）8.2.4沥青混合料配合比设计④根据气候条件和交通特性调整最佳沥青用量

由OAC1和OAC2综合决定最佳沥青用量OAC时，还宜根据实践经验和道路等级、气候条件，考虑从下述情况进行调整：

一般可取OAC1和OAC2的中值作为沥青最佳用量OAC。

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，预计有可能造成较大车辙的情况时，可在中限值OAC2与下限OACmin范围内决定，但一般不宜小于中限值OAC2的0.5%。

对于寒区道路以及一般道路，最佳沥青用量可以在中限值OAC2与上限值OACmax范围内决定，但一般不宜大于中限值OAC2的0.3%。8.2.4沥青混合料配合比设计按最大密度、最大稳定度、空隙率中值确定的最佳油石比OAC1=3.83%；按各项指标全部合格范围的中值确定的最佳油石比OAC2=