第七章沥青混合料.ppt

1、第七章 沥青混合料,第一节 概述 一、沥青混合料的分类 二、沥青混合料的特点 三、沥青路面使用性能的气候分区 沥青混合料的物理力学性质与使用环境，如气温和湿度关系密切。因此，在选择沥青胶结料等级，进行沥青混合料配合比设计，检验沥青混合料的使用性能时，应考虑沥青路面工程的环境因素，尤其是温度和湿度条件。 （一）气候分区指标；（二）气候分区的确定,沥青混合料：经人工合理选择级配组成矿质混合料，与适量沥青结合料拌和而成高级路面材料。 1按矿料公称最大粒径划分： （1）特粗式沥青混合料：公称最大粒径等于或大于37.5mm的沥青混合料。（2）粗粒式沥青混合料：公称最大粒径为26.5mm的沥青混合料。（3

2、）中粒式沥青混合料：公称最大粒径为16mm或19mm的沥青混合料。（4）细粒式沥青混合料：公称最大粒径为9.5mm或13.2mm的沥青混合料。（5）砂粒式沥青混合料：公称最大粒径小于9.5mm的沥青混合料。,2按材料组成及结构划分： （1）连续级配沥青混合料：矿料按级配原则，从大到小各级粒径都有，按比例相互搭配组成的沥青混合料。 （2）间断级配沥青混合料：矿料级配组成中缺少1个或几个粒径档次（或用量很少）而形成的沥青混合料。 3按矿料级配组成及空隙率大小划分： （1）密级配沥青混合料：按密实级配原理设计组成的各种粒径颗粒的矿料与沥青结合料拌和而成，设计空隙率较小（对不同交通及气候情况、,层次可

3、作适当调整）的密实式沥青混凝土混合料和密实式沥青稳定碎石混合料。按关键性筛孔通过率的不同又可分为细型、粗型密级配沥青混合料等。粗集料嵌挤作用较好的也称嵌挤密实型沥青混合料。 （2）半开级配沥青混合料：由适当比例的粗集料、细集料及少量填料（或不加填料）与沥青结合料拌和而成，经马歇尔标准击实成型的试件剩余空隙率在6%12%的半开式沥青碎石混合料。 （3）开级配沥青混合料：矿料级配主要由粗集料嵌挤组成，细集料及填料较少，设计空隙率为18%的沥青混合料。 4按制造工艺划分：有热拌沥青混合料、冷拌沥青混合料、再生沥青混合料等。,二、沥青混合料的特点 优点：1沥青混合料是一种粘弹性材料，具有良好的力学性质

4、，铺筑的路面平整无接缝，振动小，噪声低，行车舒适。2路面平整且有一定的粗糙度，耐磨性好，无强烈反光，有利于行车安全。3施工方便，不需养护，能及时开放交通。4维修简单，旧沥青混合料可再生利用。 缺点：1老化：在长期的大气因素作用下，因沥青塑性降低，脆性增强，粘聚力减小，导致路面表层产生松散，引起路面破坏。2温度稳定性差：夏季高温沥青易软化，路面易产生车辙、波浪等现象；冬季低温时易脆裂，在车辆重复荷载作用下易产生开裂。,第二节 热拌沥青混合料,热拌沥青混合料通常是指将沥青加热至150170，矿质集料加热至160180，在热态下拌和，并在热态下进行摊铺、压实的混合料,通称“热拌热铺沥青混合料”。 一

5、、沥青混合料的强度理论 二、沥青混合料的技术性质和技术标准 三、沥青混合料组成材料的技术要求 四、沥青混合料配合比设计,（一）沥青混合料的强度理论 沥青混合料是一种由沥青、粗集料、细集料和矿粉以及外加剂所组成的复合材料，其在路面结构中产生破坏的情况，主要是发生在高温时由于抗剪强度不足或塑性变形过大而产生推挤等现象，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。 沥青混合料的抗剪强度，一般采用库伦理论进行分析。通过三轴剪切试验可求得：,tg （7-1）,式中：沥青混合料的抗剪强度（Mpa）； 正应力（Mpa）； 沥青与矿质集料物理、化学交互作用而产生的粘聚力（Mpa）； 大小不同的矿质颗粒

6、间嵌挤、摩擦所形成的内摩阻角（rad）。 （二）影响沥青混合料抗剪强度的因素 沥青混合料抗剪强度的影响因素，主要是材料的组成、材料的技术性质以及外界因素，如车辆荷载、温度、环境条件等。,1沥青粘度的影响 2沥青与矿料之间的吸附作用 3矿料比面的影响 4沥青用量的影响 5矿料级配、颗粒几何形状与表面特征的影响 6温度和变形速度的影响 （三）沥青混合料组成结构类型 按照沥青混合料强度构成特性的不同,压实沥青混合料可分为三种类型。 （1）悬浮密实结构 （2）骨架空隙结构 （3）骨架密实结构,（一）沥青混合料的技术性质 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 （二）热拌沥青混合料

7、的技术标准 热拌沥青混合料的马歇尔试验技术标准符合我国现行部标公路沥青路面施工技术规范（JTJ F402004），并应有良好的施工性能。,沥青混合料的强度与刚度是随温度升高而显著降低的。在夏季高温季节，路面在行车荷载反复作用下，沥青混合料所具有的抵抗诸如车辙、推移、波浪、拥包、泛油等病害的性能，称为沥青混合料的高温稳定性。 对于沥青混合料高温稳定性的评价，我国现行规范采用的方法是马歇尔试验法和车辙试验法。 （1）马歇尔试验法 （2）车辙试验,马歇尔试验：将沥青混合料制成直径为101.6mm、高为63.5mm的圆柱体试件，在高温(60)的条件下,保温3040min,然后将试件放置于马歇尔稳定度仪

8、上，以505mm/min的形变速度加荷,直至试件破坏，同时测定稳定度(MS)流值（FL）、马歇尔模数（T）三项指标。稳定度是在规定的加载速率条件下试件破坏前所能承受的最大荷载(kN)；流值是达到最大破坏荷载时试件的垂直变形（以0.1mm计）；而马歇尔模数为稳定度除以流值的商，即：,式中：T 马歇尔模数（kN/mm）； MS 稳定度（kN）； FL 流值（0.1mm）。 马歇尔稳定度越大、流值越小，说明高温稳定性越高。而马歇尔模数有关学者则认为与车辙深度有一定的相关性，马歇尔模数愈大，车辙深度愈小。,（7-2）,目前通常是采用轮碾法成型，将沥青混合料制成300mm300mm50mm大小的试件，在

9、60的温度条件下，让试验轮对板块状试件产生0.7MPa的压强，在同一轨迹上作一定时间的反复行走，形成一定程度的车辙深度，试验过程中记录绘制时间-变形曲线。 通过试验可以得到沥青混合料的动稳定度，其含义是：试件产生单位变形时所需试验轮的行走次数，以次/mm为单位。动稳定度越大，沥青混合料高温稳定性越好。我国现行规范的计算方法如下：,在试验变形曲线的直线段上，求取45min（t1）、60min（t2）的对应车辙变形d1和d2。当车辙变形过大，在未到60min变形已达25mm时，则以达到25mm（d2）时的时间为t2，将其前15min的时间为t1，此时的变形记为d1，则动稳定度DS可按下式计算： 式

10、中：d1 对应于时间t1的变形量（mm）；d2 对应于时间t2的变形量（mm）；C1 试验机类型修正系数。曲柄连杆驱动试件的变速行走方式为1.0，链驱动试验轮等速方式的修正系数为1.5；N 试验轮往返碾压速度，通常为42次/min。,（7-3）,C2 试件系数。试验室制备宽为300mm的试件系数为1.0，从路面切割宽为150mm的试件系数为0.8； 影响沥青混合料高温稳定性的主要因素有沥青的用量，沥青的粘度，矿料的级配、尺寸、形状等。适当减少沥青的用量，可使矿料颗粒更多地以结构沥青的形式相联结，增加混合料的粘聚力和内摩阻力。采用合理级配的矿料，混合料可形成骨架密实结构，使粘聚力和内摩阻力都较大

11、。在矿料的选择上，应挑选粒径大的，有棱角的矿料颗粒，提高混合料的内摩阻角。,沥青混合料抵抗低温收缩裂缝的能力称为低温抗裂性。由于沥青混合料随着温度的降低，通常会变脆硬，劲度增大，变形能力下降，在温度下降所产生的温度应力和外界荷载应力的作用下，路面内部分应力来不及松弛，应力逐渐累积下来，这些累积应力超过材料的抗拉强度时即发生开裂，从而会导致沥青混合料路面的破坏，所以沥青混合料在低温时应具有较低的劲度和较大的抗变形能力来满足低温抗裂性能。 沥青混合料路面的低温收缩开裂主要有两种形式：一种是由于气温骤降造成材料低温收缩 ；另一种形式是低温收缩疲劳裂缝 。,沥青混合料在路面中长期受到自然因素和重复车辆

12、荷载的作用下，为保证路面具有较长的使用年限，沥青混合料必须具有良好的耐久性。沥青混合料的耐久性有多方面的含义，其中较为重要的是水稳定性、耐老化性和耐疲劳性。 （1）沥青混合料的水稳定性 （2）沥青混合料的耐老化性 （3）沥青混合料的耐疲劳性,水稳性是指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。 我国现行规范采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来检验沥青混合料的水稳定性。浸水马歇尔试验通过测定浸水48h马歇尔试件的稳定度与未浸水的马歇尔试件的稳定度之比值即残留稳定度（%），以此作为评价水稳性好坏的指标。残留稳定度越大，混合料的水稳性越高。冻融劈裂试验测定的是沥青混合料试件

13、在受到水、冻融循环作用前后的劈裂破坏强度之比值即残留强度比，其值越大，沥青混和料在水与冻融循环共同作用下的水稳性越高。,耐老化性是指沥青混合料抵抗由于人为和自然因素作用而逐渐丧失变形能力、柔韧性等各种良好品质的能力。沥青路面在施工中要对沥青反复加热，铺筑好的沥青混合料路面长期处在自然环境中，要经受阳光特别是紫外线作用，这些均会使沥青产生老化，变形能力下降，使路面在温度和荷载作用下容易开裂，从而导致水分下渗数量增加，加剧路面破坏，缩短沥青混合料路面的使用寿命。 影响沥青混合料老化速度的因素主要有沥青的性质、沥青的用量、沥青混合料的残留空隙率、施工工艺等。,沥青混合料在使用期间经受车轮荷载的反复作

14、用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使混合料强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下沥青混合料路面内产生的应力就会超过强度下降后的强度（也称疲劳强度），沥青混合料路面出现裂缝，即产生疲劳断裂破坏。 沥青混合料的耐疲劳性即是混合料在反复荷载作用下抵抗这种疲劳破坏的能力。在相同荷载数量重复作用下，疲劳强度下降幅度小的沥青混合料，或疲劳强度变化率小的沥青混合料，其耐疲劳性好。从使用寿命看，其路面耐久性就高。,随着现代高速公路的发展，对沥青路面的抗滑性提出了更高要求。为保证长期高速行车安全，配料时要特别注意粗集料的的耐磨光性，应选择硬质有棱角的集料。但表面粗糙、坚硬耐磨的集料多为酸性

15、集料，与沥青粘附性不好，应掺加抗剥剂或采用石灰水处理集料表面等。 沥青用量对抗滑性的影响非常敏感，沥青用量超过最佳用量时的0.5%即可使抗滑系数明显降低。 含蜡量对沥青混合料抗滑性也有明显影响，我国现行部颁行业标准公路沥青路面施工技术规范（JTJ F402004）中道路石油沥青技术要求提出，A级沥青含蜡量应不大于2.2%，B级沥青不大于3.0%，C级则不大于4.5%。,沥青混合料应具备良好的施工和易性，使混合料易于拌和、摊铺和碾压。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。 从混合料材料性质来看，影响沥青混合料施工和易性的是混合料的级配和沥青用量，如粗细集料的颗

16、粒大小相距过大，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。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，如沥青用量过多，或矿粉质量不好，则容易使混合料粘结成团块，不易摊铺。,沥青混合料的技术性质决定于组成材料的性质、组成配合的比例和混合料的制备工艺等因素。组成材料的质量是首先需要关注的问题。 1沥青材料 2粗集料 3细集料 4填料,对高速公路、一级公路，夏季温度高、高温持续时间长、重载交通、山区及丘陵区上坡路段、服务区、停车场等行车速度慢的路段，尤其是汽车荷载剪应力大的层次

17、，宜采用稠度大、60粘度大的沥青，也可提高高温气候分区的温度水平选用沥青等级；对冬季寒冷的地区或交通量小的公路、旅游公路宜选用稠度小、低温延度大的沥青；对温度日温差、年温差大的地区宜选用针入度指数大的沥青。当高温要求与低温要求发生矛盾时应优先考虑高温性能的要求。,沥青混合料用粗集料包括碎石、破碎砾石、筛选砾石、钢渣、矿渣等，但高速公路和一级公路不得使用筛选砾石和矿渣。 粗集料应该洁净、干燥、表面粗糙，质量、粒径以及与沥青的粘附性应符合规范的规定。当单一规格集料的质量指标达不到表中要求，而按照集料配合比计算的质量指标符合要求时，工程上允许使用。对受热易变质的集料，宜采用经拌和机烘干后的集料进行检

18、验。,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7-7的规定。细集料的洁净程度，天然砂以小于0.075含量的百分数表示，石屑和机制砂以砂当量（适用于04.75）或亚甲蓝值（适用于02.36或00.15）表示。,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，原石料中泥土杂质应除净。矿粉应干净、洁净，能自由地从矿粉仓流出，其质量应符合规范要求。 拌和机的粉尘也可作为矿粉的一部分回收使用。但每盘用量不得超过填料总量25%，掺有粉尘填料的塑性指数不得大于4%。 粉煤灰作为填料使用时，用量不得超过

19、填料总量的50%，粉煤灰的烧失量应小于12%，与矿粉混合后的塑性指数应小于4%。高速公路、一级公路的沥青面层不宜采用粉煤灰做填料。,（一）矿质混合料的配合组成设计 1确定沥青混合料类型 2确定工程设计的级配范围 3材料选择与准备 4矿料配合比设计 （二）确定沥青混合料的最佳沥青用量 1制备试件 2测定物理指标 3测定力学指标,（三）配合比设计检验 1高温稳定性检验 2水稳定性检验 3低温抗裂性能的检验 4渗水系数检验 5钢渣活性检验 6根据需要，可以改变试验条件进行配合比设计检验 （四）配合比设计报告,调整工程设计级配范围宜遵循下列原则： 1）要确保高温抗车辙能力，同时兼顾低温抗裂性能的需要。

20、配合比设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量，减少0.6以下部分细粉的用量，使中等粒径集料较多，形成S型级配曲线，并取中等或偏高水平的设计空隙率。 2）确定各层的工程设计级配范围时应考虑不同层位的功能需要，经组合设计的沥青路面应能满足耐久、稳定、密水、抗滑等要求。 3）根据公路等级和施工设备的控制水平，确定的工程设计级配范围应比规范级配范围窄，其中4.75和2.36通过率的上下限差值宜小于12%。 4）沥青混合料的配合比设计应充分考虑施工性能，使沥青混合料容易摊铺和压实，避免造成严重的离析。,1）确定试件的制作温度 2）确定沥青用量范围 （1）按下式计算矿质混合料合成毛体积相对密度。 式

21、中：P1、P2、Pn、各种矿料成分的配合比，其和为100； 1、 1 、 n 、各种矿料相应的毛体积相对密度，粗集料按T0304方法测定，机制砂及石屑可按T0330方法测定，也可以用筛出的2.364.75部分的毛体积相对密度代替，矿粉以表观相对密度代替。,（7-4）,（2）按式（7-5）或按式（7-6）预估沥青内混合料的适宜的油石比或沥青用量。 式中：Pa预估的最佳油石比（与矿料总量的百分比），%；Pb预估的最佳沥青用量（占混合料总量的百分数），%； Pa 1已建类似工程沥青混合料的标准油石比，%； sb集料的合成毛体积相对密度； sb1 已建类似工程集料的合成毛体积相对密度。,（7-5）,（

22、7-6）,（3）确定矿料的有效相对密度 对非改性沥青混合料，宜以预估的最佳油石比拌和2组的混合料，采用真空法实测最大相对密度，取平均值。然后由式（7-7）反算合成矿料的有效相对密度se 。 式中： se 合成矿料的有效相对密度；Pb试验采用的沥青用量（占混合料总量的百分数），%； t 试验沥青用量条件下实测得到的最大相对密度，无量纲； b 沥青的相对密度（25/25），无量纲。 （4）以预估的油石比为中值，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分别成型马歇尔试件。,（7-7）,1）测定压实沥青混合料试件的毛

23、体积相对密度f和吸水率，取平均值。 通常采用表干法测定毛体积相对密度；对吸水率大于2%的试件，宜改采用蜡封法测定。 2）确定沥青混合料的最大理论相对密度 对非改性的普通沥青混合料，在成型马歇尔试件的同时，用真空法实测各组沥青混合料的最大理论相对密度ti。当只对其中一组油石比测定最大理论相对密度时，也可按式（7-8）或式（7-9）计算其他不同油石比时最大理论相对密度。,式中： ti 相对于计算沥青用量时沥青混合料的最大理论相对密度，无量纲；Pai所计算的沥青混合料中的油石比，%； Pbi 所计算的沥青混合料的沥青用量， Pbi = Pai /（1+ Pai ），%； Psi 所计算的沥青混合料的

24、矿料含量， Psi =100- Pbi ，%； se 矿料的有效相对密度，无量纲；沥青的相对密度（25/25），无量纲。,（7-8）,（7-9）,3）按式（7-10）（7-12）计算沥青混合料试件的空隙率、矿料间隙率VMA、有效沥青的饱和度VFA等体积指标，进行体积组成分析。,（7-10）,（7-11）,（7-12）,式中：VV试件的空隙率，%； VMA试件的矿料间隙率，%； VFA试件的有效沥青饱和度（有效沥青含量占VMA的体积比例），%； f 试件的毛体积相对密度，无量纲； t沥青混合料的最大理论相对密度，无量纲； Ps各种矿料占沥青混合料总质量的百分率之和，即Ps =100-Pb，%；

25、sb 矿质混合料的合成毛体积相对密度。,1）绘制沥青用量与物理力学指标关系图 2）根据试验曲线走势确定最佳沥青用量OAC1 3）确定最佳沥青用量OAC2 4）确定计算的最佳沥青用量OAC 5）根据实践经验和公路等级、气候条件、交通情况，调整确定最佳沥青用量OAC 6)检验最佳沥青用量时的粉胶比和有效沥青膜厚度,以油石比或沥青用量为横坐标，以毛体积密度、空隙率、有效沥青饱和度（VFA）、矿料间隙率（VMA）、稳定度和流值为纵坐标，将试验结果点入图中，连成光滑的曲线 。确定均符合规范规定的沥青混合料技术标准的沥青用量范围OACmin OACmax。 选择的沥青用量范围必须涵盖设计空隙率的全部范围，

26、并尽可能涵盖沥青饱和度的要求范围，同时使密度及稳定度曲线出现峰值。如果没有涵盖设计空隙率的全部范围，试验必须扩大沥青用量范围重新进行。,（1）在曲线图上求取相应于密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率（或中值）、沥青饱和度范围的沥青用量a1、a2、a3、a4，按式7-13取平均值作为OAC1。 OAC1 =（a1 + a2 + a3+ a4）/4 （7-13） （2）如果在所选择的沥青用量范围未能涵盖沥青饱和度的要求范围，按式7-14求取3者的平均值作为OAC1。 OAC1 =（a1 + a2 + a3）/3 （7-14） （3）对所选择试验的沥青用量范围，密度或稳定度没有出现峰值时，可直接以目

27、标空隙率所对应的沥青用量a3作为OAC1，但OAC1必须介于OACmin OACmax的范围内，否则应重新进行配合比设计。,（1）调查当地各项条件相接近的工程的沥青用量及使用效果，论证适宜的最佳沥青用量。 （2）对炎热地区公路以及高速公路、一级公路的重载交通路段，山区公路的长大坡度路段，预计有可能产生较大车辙时，宜在空隙率符合要求的范围内将计算的最佳沥青用量减小0.10.5%作为设计沥青用量。 （3）对寒区道路、旅游道路、交通量很少的公路，最佳沥青用量可以在OAC的基础上增加0.10.3%，以适当减小设计空隙率，但不得降低压实度要求。,（1）按式（7-17）及式（7-18）计算沥青结合料被集料

28、吸收的比例及有效沥青含量。 式中：Pba沥青混合料中被集料吸收的沥青结合料的比例，%； Pbe 沥青混合料中的有效沥青用量，%； se 集料的有效相对密度，无量纲； sb 材料的合成毛体积相对密度，无量纲； b 沥青的相对密度（25/25），无量纲；Pb沥青含量，%； Ps各种矿料占沥青混合料总质量的百分率之和，%。,（7-17）,（7-18）,（2）检验最佳沥青用量时的粉胶比和有效沥青膜厚度 按式（7-21）计算沥青混合了的粉胶比，宜符合0.61.6的要求。对常用的公称最大粒径为13.219的密级配沥青混合料，粉胶比宜控制在0.81.2范围内。 式中：FB 粉胶比，沥青混合料的矿料中0.07

29、5通过率与有效沥青含量的比值，无量纲； P 0.075 矿料级配中0.075的通过率（水洗法），%； Pbe有效沥青含量，%。,（7-21）,按式（7-22）的方法计算集料的比表面，按式（7-23）估算沥青混合料的沥青膜有效厚度。根据国外资料，通常情况下连续密级配沥青混合料有效厚度宜不小于6m，密实式沥青碎石混合料的有效厚度宜不小于5m。各种集料粒径的表面积系数按表7-15采用。 式中：SA集料的比表面积，/；Pi各种粒径的通过百分率，%；FAi相应于各种粒径的集料的表面积系数；DA沥青膜有效厚度；Pbe有效沥青含量，%； b 沥青的相对密度（25/25），无量纲。,（7-22）,（7-23）

30、,第三节 其它沥青混合料,一、冷拌沥青混合料 二、沥青稀浆封层混合料 三、桥面铺装材料 四、新型沥青混合料,冷拌沥青混合料是指采用乳化沥青或稀释沥青与矿料在常温状态下拌和、铺筑的沥青混合料。其主要具有节省能源、保护环境、节约沥青、延长施工季节等优势。 1强度的形成过程 2材料组成 3施工工艺 1）拌和； 2）摊铺、压实； 4应用,沥青稀浆封层混合料简称沥青稀浆封层，是由乳化沥青、石屑(或砂)、填料和水等拌制而成的一种具有一定流动性能的沥青混合料。将沥青稀浆混合料摊铺在路面上（厚度为3lOmm），经破乳、析水、蒸发、固化等过程，形成密实、坚固耐磨的表面处治薄层，可以治疗路面早期病害延长路面使用寿命。 1沥青稀浆封层的作用 2材料组成 3沥青稀浆封层混合料的配合比设计 4沥青稀浆封层混合料的应用,（1）防水作用 （2）防滑作用 （3）填充作用 （4）耐磨作用 （5）恢复路面外观形象 但是，稀浆封层也有其局限性。它只能作为表面保护层和磨耗层使用，而不起承重性的结构作用，不具备结构补强能力。,（1）乳化沥青：常采用阳离子慢凝乳