道路建筑材料-第四章-沥青混合料技术性质-修改

1、2020/9/17,1,道路建筑材料 ROAD CONSTRUCTION MATERIALS沥青混合料,交通科学与工程学院 道路材料教研室,2020/9/17,2,第四章 沥青混合料,沥青混合料简介 沥青混合料的组成结构和强度形成原理 沥青混合料路用性能,2020/9/17,3,1、沥青混合料简介,沥青混合料的定义 沥青混合料的分类 沥青混合料的基本特点,2020/9/17,4,（一）定义 沥青混合料 由一定粘度和适当用量的沥青结合料与一定级配的矿料拌和而成的混合料总称。 粗集料骨架作用 沥青+细集料填充与粘结作用,1、沥青混合料简介,2020/9/17,5,（二）沥青混合料分类,（1）按矿料

2、最大粒径分类 （2）按矿料级配类型分类 （3）按矿料级配组成及压实空隙率大小分类 （4）按混合料拌合及铺筑温度划分,1、沥青混合料简介,2020/9/17,6,最大粒径：P=100%时的最小标准筛筛孔尺寸； 公称最大粒径：P90%(或ai10%)的最小一级标准筛筛孔尺寸 通过百分率（）,（二）沥青混合料分类,2020/9/17,7,按集料公称最大粒径分类,粗粒式沥青混合料,公称最大粒径为26.5或31.5mm,中粒式沥青混合料,细粒式沥青混合料,砂粒式沥青混合料,公称最大粒径为16或19mm,公称最大粒径为9.5或13.2mm,公称最大粒径4.75mm,（二）沥青混合料分类,特粗式沥青混合料,

3、公称最大粒径31.5mm,1,3,5,2,4,2020/9/17,8,按矿质集料 级配类型,连续级配沥青混合料,间断级配沥青混合料,（二）沥青混合料分类,2020/9/17,9,按密实度分类,（二）沥青混合料分类,沥青混凝土 AC,沥青稳定碎石ATB,沥青碎石AM,OGFC,空隙率 3%-6%,2020/9/17,10,粗型和细型密级配沥青混凝土的关键性筛孔通过率,（二）沥青混合料分类,2020/9/17,11,（二）沥青混合料分类,2020/9/17,12,按施工温度,（二）沥青混合料分类,2020/9/17,13,沥青混合料的分类,不同结构的沥青路面,不同类型沥青,不同组成的 矿质集料,5

4、. 沥青碎石路面AM,2. 沥青马蹄脂碎石混合料路面SMA,3. 多孔隙沥青混合料路面OGFC,4. 乳化沥青碎石路面,2020/9/17,14,1.沥青混凝土路面,沥青混合料的概述,是由适当比例的粗集料、细集料及填料按连续级配的原则组成 符合规定级配的矿质混合料，与沥青在较高温度下拌和而成沥青混合料,简称沥青混凝土（Asphalt Concrete, 以AC表示）,沥青混凝土 混合料,施工现场拌和站,AC-13路面,空隙率较小,高温稳定性差,密实耐久,抗滑性较差,沥青混合料,2020/9/17,15,2.沥青碎石路面,沥青混合料的概述,是由适当比例的粗集料、细集料及少量填料（或无填料） 与沥

5、青在较高温度下拌和而成,称为沥青碎石混合料（Asphalt Macadam, 以AM表示）,沥青碎石 混合料,AM-30,空隙率较大,抗滑性好,高温稳定性好,易渗水，耐久性差,2020/9/17,16,密实骨架结构,3.沥青马蹄脂碎石混合料路面,沥青混合料的概述,是由适当比例的粗集料(多)、矿粉(多)、沥青(多) 、中间粒径颗粒(少)组成的骨架密实结构型沥青混合料，此外，沥青改性剂和纤维也是重要组成成分。（Stone Mastic Asphalt, 简称SMA),沥青马蹄脂碎石混合料,密实耐久,抗疲劳好,抗高温车辙好,抗滑耐磨,2020/9/17,17,4.多孔隙沥青混合料路面,沥青混合料的概

6、述,是指由大空隙率的沥青混合料经热拌热铺形成的路面结构，能迅速从面层内部排走路表面水，具有防滑、降低噪音等功能。（OGFC）,多孔隙沥青混合料路面,多孔隙彩色铺装,骨架空隙结构,2020/9/17,18,5.乳化沥青碎石路面,沥青混合料的概述,是使用乳化沥青作为结合料与粗集料、细集料及少量填料（或不加填料），按照适当比例配制，满足级配要求的矿质集料拌和而成的沥青混合料，通常冷拌冷铺。,乳化沥青 碎石,减少环境污染,改善施工条件,抗高温车辙好,延长施工季节,乳化沥青质量不稳定,热拌热铺,冷拌冷铺,2020/9/17,19,典型路面类型对比,粗 、细集料,填料,少量或无填料,粗 、细集料,多粗料

7、、少细料,多填料,改性沥青,乳化沥青,热拌热铺,热拌热铺,热拌热铺,热拌热铺,常温,少量或无填料,少量或无填料,粗 、细集料,密实悬浮,骨架空隙,密实骨架,骨架空隙,骨架空隙,2020/9/17,20,建议选择的路面类型,2020/9/17,21,（三）沥青混合料的基本特点,（1）粘弹性材料：具有良好的力学性质（高温稳定性和低温柔韧性），路面平整无接缝，减震吸声，行车舒适； （2）行车安全：路面平整且粗糙，无强烈反光； （3）施工方便：能及时开放通车； （4）便于分期修建和再生利用。,2020/9/17,22,2、HMA组成结构和强度原理,2020/9/17,23,2.1沥青混合料组成结构理论

8、,沥青混合料的结构影响其性能： 1）矿物颗粒的大小及不同的粒径分布，即级配 2）矿物颗粒的空间分布情况 3）沥青在沥青混合料中的特征和矿物颗粒上的沥青层的性质 4）空隙率及其分布、闭合空隙与连通空隙量的比值。 沥青混合料结构组成： 1）沥青结构 2）矿物骨架结构 3）沥青-矿粉分散系统结构,2020/9/17,24,2.1沥青混合料组成结构理论,1）表面理论 沥青混合料中的矿质骨架由稠度较稀的沥青结合料分布其表面，而将它们胶结成为一个具有强度的整体,2020/9/17,25,2）胶浆理论,2.1 沥青混合料组成结构理论,特点：填料与沥青的相互作用、填料的性质 采用高稠度沥青，大的沥青用量，骨架

9、嵌挤的级配,2020/9/17,26,悬浮-密实型：矿料由大到小形成连续型密实混合料 大颗粒悬浮于小颗粒之间,2.2沥青混合料的组成结构类型,连续型密级配,连续型开级配,间断型断级配,2020/9/17,27,2.2沥青混合料的组成结构类型,结构特点：粗集料,细集料,骨架结构,密实,路用性能：空隙率,粘聚力,内摩阻力,稳定性,悬浮密实：连续密级配+沥青,耐久性,代表：AC,2020/9/17,28,骨架-空隙型：大石料多，小石料少，不足以填充空隙,2.2 沥青混合料的组成结构类型,连续型密级配,连续型开级配,间断型断级配,2020/9/17,29,骨架空隙：连续开级配+沥青,结构特点：粗集料,

10、细集料,骨架结构,密实,骨架-空隙型,2.2 沥青混合料的组成结构类型,路用性能：空隙率,粘聚力,内摩阻力,稳定性,耐久性,代表：沥青碎石，OGFC,2020/9/17,30,骨架-密实型：粗集料形成骨架，细集料填充,2.2 沥青混合料的组成结构类型,连续型密级配,连续型开级配,间断型断级配,2020/9/17,31,骨架密实：间断型密级配+沥青,结构特点：粗集料,细集料,骨架结构,密实,路用性能：空隙率,内摩阻力,稳定性,施工和易性,2.2 沥青混合料的组成结构类型,骨架-密实型,粘聚力,代表：SMA,耐久性,2020/9/17,32,2.3 沥青混合料的强度理论,沥青的粘结力不足,集料没有

11、充分嵌挤,2020/9/17,33,2020/9/17,34,2.3 摩尔-库仑定律,破坏面上的切应力是为该面上法向应力的函数,c,3,1, = c + (tan ,2020/9/17,35,2.3 HMA强度理论, = c + (tan ,抗车辙能力,沥青粘结,集料嵌挤,2020/9/17,36,内因：沥青 集料 集料/沥青交互作用,外因：温度T、时间t,2.4 影响沥青混合料强度的因素,2020/9/17,37,A. 沥青,2.4 影响沥青混合料强度的因素,2020/9/17,38,B. 集料,2.4 影响沥青混合料强度的因素,颗粒形状:,粗糙程度:,2020/9/17,39,(b) 自由

12、沥青,(a) 结构沥青,C. 矿料/沥青的交互作用,2.4 影响沥青混合料强度的因素,扩散溶剂化膜,2020/9/17,40,C-1沥青的用量,2.4 影响沥青混合料强度的因素,2020/9/17,41,沥青与矿料相互作用与沥青、矿粉的性质有关。 在不同性质矿粉表面形成不同组成结构和厚度的吸附溶剂化膜，石灰石粉表面形成发育较好的吸附溶化膜，石英石粉表面则形成发育较差的吸附溶剂化膜。 在沥青混合料中，采用石灰石矿粉时，矿粉之间更有可能通过结构沥青来联结，因而具有较高的粘聚力。,C-2矿料的化学性质,2.4 影响沥青混合料强度的因素,2020/9/17,42,沥青用量相同时，矿料表面积愈大，沥青膜

13、愈薄，在沥青中结构沥青所占的比率愈大，沥青混合料的粘聚力也愈高。 矿粉用量虽只占7%，但其面积却占矿料总表面积的80%，矿粉的性质和用量对沥青混合料的抗剪强度影响很大。 矿粉细度：0.075mm的矿粉不宜过少；0.005mm的矿粉也不宜过多，否则将使沥青混合料结成团块，不易施工。,C-3矿料的比表面积,2.4 影响沥青混合料强度的因素,2020/9/17,43,2.4 影响沥青混合料强度的因素,温度,2020/9/17,44,时间-加载速率,2.4 影响沥青混合料强度的因素,2020/9/17,45,沥青性能,集料性能,沥青混合料设计,实验室性能评价,路面长期使 用性能评价,3、沥青混合料的路

14、用性能,2020/9/17,46,3、沥青混合料的路用性能,2020/9/17,47,高温稳定性 低温抗裂性 水稳定性 抗滑性 施工和易性,3、沥青混合料的路用性能,2020/9/17,48,3.1 高温稳定性,定义：沥青混合料在高温条件下，能够抵抗车辆荷载反复作用不发生显著永久变形、保证路面平整的特性。 高温-长时间荷载 时温等效原则,2020/9/17,49,足尺加速路面试验 AASHTO环道 ALF加速加载设备 Westrack野外试验场 NCAT试验场 南非重车模拟器（HVS） 单轴加载试验 径向加载试验（劈裂试验） 弯曲蠕变试验 三轴试验 室内轮辙试验,1. 评价方法及评价指标,3.

15、1 高温稳定性,AASHTO环道,ALF,Westrack,NCAT,2020/9/17,50,1. 评价方法及评价指标,经验法 马歇尔稳定度试验 永久变形法 车辙试验、汉堡试验,3.1 高温稳定性,2020/9/17,51,测定沥青混合料试件的破坏荷载和抗变形能力 试件：圆柱体 =101.6mm,h=63.5mm 试验 评价指标： 稳定度P：试件受压破坏时承受的最大荷载； 流值F：达到最大破坏荷载是试件的垂直变形；,(1) 马歇尔稳定度试验,1. 评价方法及评价指标,2020/9/17,52,马歇尔试验，60，50mm/min,3.1 高温稳定性,稳定度高 ？,2020/9/17,53,（2

16、）车辙试验 定义：采用标准沥青混合料板块试件，在规定温度条件下试验轮以42次/min频率沿着试件同一轮迹反复行走，测定试验轮反复作用下的变形。 试件：300*300*50mm3 板块试件 试验条件：60、轮压0.7MPa,1mm变形所需行走次数高温性能,2020/9/17,54,（2）车辙试验,高速公路和城市快速路800次/mm；,2020/9/17,55,2. 高温性能的影响因素,1）内因： 沥青性质：针入度、针入度指数、粘度、软化点、蜡含量 沥青用量 集料性质：表面特性、形状、酸碱性 集料级配 矿粉 沥青混合料的体积指标：空隙率，矿料间隙率 路面厚度 2）外因 环境温度 交通条件：荷载、行

17、车速度,2020/9/17,56,3. 提高措施,用较高粘度的沥青，保证沥青结合料具有足够的粘度 严格控制沥青用量，集料表面需具有充足的沥青膜厚度，确保粘聚力 确保沥青混合料中含有较高的破碎集料 大尺寸集料必须具有较好的表面纹理和粗糙度 选用粒度均匀、呈立方体有棱角的集料，集料级配要含有足够的粗颗粒 优化矿料级配：增加粗骨料含量以提高矿料骨架的内摩阻力，集料级配必须含有足够的矿粉,2020/9/17,57,低温开裂抵抗能力,3.2 低温抗裂性,2020/9/17,58,1. 低温开裂机理,长期重复作用温度疲劳裂缝,应力来不及松弛,2020/9/17,59,3. 实验方法,弯曲蠕变实验,收缩系数

18、实验,冻断应力实验,劈裂实验,断裂温度试验,小梁弯曲实验,实验方法,2020/9/17,60,（1）小梁弯曲试验(-10 ,50mm/min) 尺寸：35mm*30mm*250mm,弯拉强度RB、梁底最大拉应变B ：,PB,d,3. 试验方法,2020/9/17,61,4. 影响因素,2020/9/17,62,水损害,3.3 水稳定性,耐久性：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,2020/9/17,63,水损害是常见的一种病害 与沥青、集料性能有关,3.3 水稳定性,水稳定性定义：沥青混合料抵抗由于水侵蚀而逐渐产生沥青膜剥离、松散、坑槽等破坏的能力,2020/9/17,

19、64,水损害的机理,2020/9/17,65,浸水马歇尔试验 冻融劈裂试验,3. 水稳定性试验方法,2020/9/17,66,（1）浸水马歇尔试验,试件：马歇尔试件,常规马歇尔试验：60、40min,浸水马歇尔试验： 60、48h,残留稳定度=S1/S0*100%,3. 水稳定性试验方法,2020/9/17,67,采用马歇尔试件，空隙率为7% 试件条件： 一组：25 浸水2h， 测劈裂强度R1 二组：真空饱水15min，放置0.5h； -18 16h；60 水中24h； 25 2h后测定其冻融劈裂强度R2. 规范要求：公路改性沥青路面施工技术规范规定，“采用沥青混合料冻融劈裂试验方法测定的劈裂

20、强度比应不小于80%。,(2) 冻融劈裂试验（ASSHTO T283),残留强度=R2/R1*100%,2020/9/17,68,(1)组成材料性质 A.集料性质： 表面化学性质（如Ca、Fe含量等）； 集料颗粒的表面物理特性； 集料表面的洁净程度。 B.沥青的性质 粘度 酸值 C.混合料类型 空隙率、沥青与矿料交互作用能力等,4. 影响因素,2020/9/17,69,SMA与AC水稳定性比较,AC-13型级配沥青膜厚6.329m，SMA-13沥青膜厚11.091m,2020/9/17,70,（2）沥青混合料施工条件与施工质量 施工温度、湿度 摊铺均匀程度、压实度 路面排水能力 （3）自然因素

21、 冻融循环频繁地区,4. 影响因素,2020/9/17,71,（1）集料：80%剥离来自于集料， 选用孔隙率小，粗糙，洁净的碱性集料； （2）沥青：粘度大， 酸值大的沥青 （3）掺加抗剥离剂 消石灰 液体抗剥离剂 （4）混合料类型：密实骨架 （5）路面结构防水 （6）严格控制施工质量,5. 提高水稳定性的措施,2020/9/17,72,3.4 抗滑性,沥青路面应具有足够的抗滑能力保证在最不利的情况下(路面潮湿时)车辆能够高速安全行驶，而且在外界因素作用下其抗滑能力不致很快降低。,2020/9/17,73,1. 纹 理,宏观纹理：集料颗粒之间的空隙和排水能力，水平方向0.550mm,垂直方向0.

22、210mm构造，影响高速行车的抗滑性、减少水漂、溅水、反光及降噪等作用； 微观纹理：集料表面水平方向00.5mm,垂直方向00.2mm的微小构造低速和高速抗滑性 坚硬、粗糙、耐磨、抗冲击性、耐磨光性酸性石料,2020/9/17,74,A. 铺砂法,纹理深度,2.检测方法,TD=4000V/D2,2020/9/17,75,B.摆式仪测摩擦系数,2.检测方法,SRV值,2020/9/17,76,3. 影响因素,集料的耐冲击性、耐磨性 混合料的级配：SMA、OGFC、AC 混合料的沥青用量 混合料的空隙率：空隙率大纹理深,2020/9/17,77,3.5 施工和易性,影响因素：级配 间断级配分层 细

23、料少分布不均匀； 细料多拌合困难 比例/质量:沥青用量多或矿粉质量差结团、不易摊铺 。 沥青用量少或矿粉多压不实,3.6 疲劳性能,沥青路面在使用期间经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度下降，当载荷重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳破坏。,疲劳,3.6 疲劳性能,1、疲劳的产生,路面面层在车轮下的受力状态,B点应力随时间的变化,路面疲劳设计大多数以面层底部拉应力或拉应变作为控制指标,3.6 疲劳性能,2、疲劳性能研究的目的 通过室内试验找出沥青混合料疲劳规律，并分析其影响因素 结合室内试

24、验与实际路面的使用性能，预估沥青路面的疲劳寿命 通过疲劳寿命分析指导路面的结构设计和材料组成设计,3.6 疲劳性能,3、疲劳性能试验研究方法 三分点弯曲试验 中心弯曲试验 悬臂梁试验 单轴试验 间接拉伸,3.6 疲劳性能,4、疲劳试验参数 载荷施加控制方式 加载频率 试验温度 输入荷载波形 疲劳破坏标准 应力水平,3.6 疲劳性能,4.1载荷施加控制方式 应力控制:重复加载过程中,应力保持不变 应变控制:重复加载过程中,应变保持不变 差别: 初始应力-应变相当的条件下,应力控制下疲劳寿命要小于应变控制下的疲劳寿命 控制方式的不同,试验得到的材料因素对混合料疲劳寿命的影响规律可能是相反的,3.6 疲劳性能,4.2加载频率 在较低的频率下，沥青混合料在加载过程中的应力松弛（应变控制模式）及蠕变（应力控制模式）的流变特性表现的更为明显， 在较高的频率下，沥青混合料更多的表现为弹性固体的变形特性。 加载频率的选择：一是要考虑沥青混合料本身的粘弹性材料特性；二是要考虑实际路面在行车动载荷作用下的加载频率。 同时兼顾沥青混合料的粘弹性特性及实际行车载荷频率的条件下，选择合适的频率才能正确的反应实际沥青路面的疲劳特性。（