土木工程材料教案第六章沥青混合料.ppt

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1、第六章 沥青混合料,概 述 沥青混合料的概念与定义 第一节 热拌沥青混合料 第二节 其它沥青混合料,主要内容：沥青混合料 组成结构、强度理论 重点内容：组成结构类型 影响抗剪强度因素 难 点：结构沥青的形成及对沥青混合料抗剪强度的影响 要 求：掌握组成结构类型 结构沥青的形成及对沥青混合料抗剪强度的影响 沥青用量对沥青混合料抗剪强度的影响 对其他影响因素有一定的了解 参考资料：道路建筑材料严家伋 沥青及沥青混合料张南鹭,本课纲要,概述 沥青混合料的概念与定义,按我国现行国家标准沥青路面施工及验收规范（GB92-93）对沥青混合料定义和分类如下： （一）定义 沥青混合料是沥青混凝土混合料和沥青碎

2、石混合料的总称。 （1）沥青混凝土混合料（简称AC）由适当比例的粗集料、细集料及填料与沥青在严格控制条件下拌和的沥青混合料。 （2）沥青碎石混合料（简称AM）由适当比例的粗集料、细集料、及填料（或不加填料）与沥青拌和的沥青混合料。,（二）沥青混合料的分类 1按结合料分类 （1）石油沥青混合料 （2）煤沥青混合料以煤沥青为结合料的沥青混合料。 2按施工温度分类 （沥青混合料拌制和摊铺温度） （1）热拌热铺沥青混合料 （2）常温沥青混合料 3按矿质混合料级配类型分类 （1）连续级配沥青混合料 （2）间断级配沥青混合料,4按混合料密实度分类 （1）密级配沥青混凝土混合料 型沥青混凝土混合料： 剩余空

3、隙率36； 型沥青混凝土混合料： 剩余空隙率410。 （2）开级配沥青混凝土混合料剩余空隙率大于15。 （3）亦有将剩余空隙率介于密级配和开级配之间的（即剩余空隙率1015）混合料称为半开级配沥青混合料。,5按最大粒径分类 沥青混凝土混合料的集料最大粒径可分为下列 4 类： （1）粗粒式沥青混合料 （2）中粒式沥青混合料 （3）细粒式沥青混合料 （4）砂粒式沥青混合料,第一节热拌沥青混合料,一、沥青混合料的组成结构和强度理论 二、沥青混合料的技术性质 三、沥青混合料的技术标准 四、沥青混合料组成材料 五、沥青混合料配合比设计,定义： 热拌沥青混合料人工组配的矿质混合料与粘稠沥青在专门设备中加热

4、拌和而成，用保温运输工具运送至施工现场，并在热态下进行摊铺和压实的混合料。,一、沥青混合料的组成结构和强度理论,（一）沥青混合科的组成结构 （二）沥青混合料的强度理论,（一）沥青混合科的组成结构 1.悬浮密实结构 连续密级配的沥青混合料 力学特点 粗集料少，不能形成骨架 粘聚力C大，内摩擦角小； 2.骨架空隙结构 连续开级配的沥青混合料 细集料少，不能填充集料间空隙 C小，大 3.骨架密实结构 间断密级配的沥青混合料， 中间集料少，既有足够的粗集料 形 成骨架，又有细集料填充其间的空隙 C大，大,T,（二）沥青混合料的强度理论 用沥青混合料铺筑的路面产生破坏的主要原因 夏季高温时的抗剪强度不足

5、和塑性变形过剩 冬季低温时的抗拉强度不好和抵抗变形能力过差引起 试验表明：沥青混合料的抗剪强度决定于沥青混合料的内摩擦角和粘聚力C。,1.影响沥青混合料内摩擦角的因素 （1）沥青的粘度对沥青混合料抗剪强度的影响 通常情况下，沥青的粘度越大，沥青混合料抗剪强度越高 （2）沥青与矿料化学性质对沥青混合料抗剪强度的影响 结构沥青：沥青与矿粉交互作用后，沥青在矿粉表面产生化学组分的重新排列，沥青在矿粉表面形成一层扩散溶剂化膜，此膜以内的沥青为结构沥青。 自由沥青 沥青在沥青混合料中以两种形式存在，一种为结构沥青，一种为自由沥青。 （3）矿料比表面对沥青混合料抗剪强度的影响 比表面越大，一定沥青用量条件

6、下，沥青在矿料表面膜层薄，矿料间以结构沥青联结的机会就大，沥青混合料抗剪强度高。,（4）沥青用量对沥青混合料抗剪强度的影响 沥青用量过少，沥青不足以包裹矿粉表面，矿粉间不能完全地靠沥青薄膜联结，因而沥青混合料的粘聚力很差。随着沥青用量的增加，结构沥青的数量不断增多，混合料的粘聚力也不断提高，当沥青用量达到一定程度时，形成的结构沥青数量最多，混合料的粘聚力达到最大。此时沥青用量为最佳用量。随着沥青用量的继续增加，多余的沥青，将矿粉颗粒推开，在颗粒间形成未与矿粉作用的自由沥青，混合料的粘聚力开始逐渐降低。当然，少量自由沥青的存在也是必要的，它可以增加沥青混合料的塑性，减少沥青路面的开裂。 （5）矿

7、料的级配、表面性质、粒度等对沥青混合料抗剪强度的影响 表面粗糙有棱角且接近正立方体时，沥青混合料抗剪强度高。,注： （1）沥青在沥青混合料中以两种形式存在： 自由沥青 结构沥青 （2）碱性矿粉更容易形成结构沥青,思考题： 1. 沥青混合料有哪三种结构类型？主要表现出来的力学特性是什么？ 2. 结构沥青是如何形成的？结构沥青是如何影响沥青混合料抗剪强度的？ 3. 沥青在沥青混合料中以哪两种形式存在？ 4. 什么是沥青最佳用量？,ENDTHANK YOU！,沥青混合料的三种结构类型,结构沥青的形成,R,沥青与矿料的性质对沥青混合料抗剪强度的影响,R,沥青用量对沥青混合料抗剪强度的影响,R,主要内容

8、：沥青混合料技术性质与技术标准 组成材料技术要求 重点内容：高温稳定性 施工中对沥青材料的选择 难 点：高温稳定性的影响因素及评定 要 求：掌握五大技术性质 掌握高温稳定性的评定指标及提高措施 掌握施工中对沥青材料的选择 对组成材料对沥青混合料的影响有一定的了解 参考资料：道路建筑材料严家伋 沥青及沥青混合料张南鹭,二、沥青混合料的技术性质 （一）高温稳定性 沥青混合料的高温稳定性是指混合料在高温情况下，承受外力不断作用，抵抗永久变形的能力。 评定指标：马歇尔试验：稳定度，流值 车辙试验：动稳定度 影响沥青混合料高温稳定性的主要因素： 沥青的用量， 沥青的粘度， 矿料的级配， 矿料的尺寸、形状

9、等。,提高措施： （1）提高粘聚力：采用高稠度沥青； 控制沥青最佳用量 采用碱性矿粉； 掺外掺剂 （2）提高内摩擦角： 增加粗集料用量 采用表面粗糙有棱角的集料等,（二）低温抗裂性 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，从而影响道路的正常使用，因此，要求沥青混合料具有一定的低温抗裂性。 沥青混合料的低温裂缝是由混合料的低温脆化、低温缩裂和温度疲劳引起的。 混合料的低温脆化是指其在低温条件下，变形能力降低。一般通过不同温度下小梁弯拉破坏试验来反映。低温缩裂通常是由于材料本身的抗拉强度不足而造成的。目前，比较科学的方法是采用能量法来评定。

10、对于温度疲劳，可以模拟温度循环进行疲劳破坏，但由于其试验条件要求较高，故改用低频疲劳试验代替。,（三）耐久性 沥青混合科的耐久性是指其在外界各种因素（如阳光、空气、水、车辆荷载等）的长期作用下，仍能基本保持原有的性能。 影响沥青混合料耐久性的主要因素有：沥青与骨料的性质、沥青的用量、沥青混合料的压实度与空隙率等。 目前，一般采用马歇尔试验来评价沥青混合料的耐久性。测定沥青混合料试件的空隙率、饱和度、残留稳定度等，这些指标均应达到规范的要求，才能说明沥青混合料的耐久性合格。,（四）抗滑性 随着车辆行驶速度的增加，路面的抗滑性显得尤为重要，为了提高路面的抗滑性，必须增加路面的粗糙度，因而对于面层集

11、料应选用质地坚硬，具有棱角的碎石。骨料的颗粒适当大些，沥青用量少些，并对沥青中含蜡量进行严格控制，都可以提高路面的抗滑性。 测定路面抗滑性的指标有路面摩擦系数和构造深度。摩擦系数和构造深度越大，说明路面的抗滑性越好。,（五）施工和易性 沥青混合料除了具备上述技术性质外，还应具备施工和易性才能顺利地进行施工作业。影响混合料施工和易性的主要因素是矿料级配和沥青用量。合理的矿料级配，使沥青混合料之间拌和均匀，不致产生离析现象，适量的沥青用量，可以避免混合料疏松或结团现象，另外，气候情况，机械性能，施工能力等外部条件也会不同程度地影响施工和易性。目前，评价施工和易性还没有一个定量的指标，只能凭经验来目

12、估。,三、沥青混合料的技术标准 （一）稳定度 马歇尔稳定度是评价沥青混合料高温稳定性的指标。 将沥青混合料按一定的比例混合并拌匀，采用人工或机械击实的方法制成圆柱形试件（直径101.60.25mm，高63.51.3mm），再将试件置于601的恒温水槽中保温3040min（对粘稠石油沥青），然后，把试件置于马歇尔试验仪上，以505mmmin的速度加荷，至试验荷载达到最大值，此时的最大荷载即为稳定度（MS），以N计。 残留稳定度是反映沥青混合料受水损害时抵抗剥落的能力。浸水马歇尔稳定度试验方法与马歇尔试验基本相同，只是将试件在601恒温水槽中保温48h，然后，再测定其稳定度，浸水后的稳定度与标准马

13、歇尔稳定度的百分比即为残留稳定度。,（二）流值 流值是评价沥青混合料抗塑性变形能力的指标。在马歇尔稳定度试验时，当试件达到最大荷载时，其压缩变形值，也就是此时流值表上的读数，即为流值（FL），以0.1mm计。,（三）空隙率 空隙率是评价沥青混合料压实程度的指标。空隙率的大小，直接影响沥青混合料的技术性质，空隙率大的沥青混合料，其抗滑性和高温稳定性都比较好，但其抗渗性和耐久性明显降低，而且对强度也有影响。 沥青混合料的空隙率是指空隙的体积占沥青混合料总体积的百分率，它是由理论密度和实测密度求得。,1.沥青混合料试件的实测密度 对于密实的沥青混凝土试件，其集料的吸水率不大时，采用水中重法测定。 式

14、中： 试件实测密度，g/cm3; 干燥试件的空气中质量；g； 试件的水中质量，g； 常温水的密度（1g/cm3）。,对于表面较粗但较密实的沥青混凝土试件，其吸水率小于2时，采用表干法测定。 式中： 试件的表干质量，g； 意义同前。,对于吸水率大于2的沥青混凝土试件，采用蜡封法测定。 式中： 蜡封试件的空气中质量，g； 蜡封试件的水中质量，g； 常温下石蜡与水的相对密度； 意义同前。,2.沥青混合料试件的理论密度 假定沥青混合料压至绝对密实，而不考虑其内部空隙时试件的密度为理论密度。 （1）油石比（沥青与矿料的质量比）计算时，试件理论密度为 式中： 理论密度，g/cm3; 各种矿料的配合比（）（

15、矿料总和为）； 各种矿料相对密度； 油石比，； 沥青的相对密度； 常温水的密度，g/cm3。,（2）采用沥青含量（沥青质量占沥青混合料总质量的百分率）计算时，试件理论密度为： 式中： 各种矿料的配合比（）（矿料与沥青之和为）； 沥青含量，； 意义同前。,沥青混合料试件的空隙率 式中： 试件的空隙率，； 试件的理论密度，g/cm3; 试件的实测密度，g/cm3。,（四）沥青混合料试件的饱和度 沥青混合料试件的饱和度也称沥青填隙率，即沥青体积与矿料空隙体积的百分率。饱和度过小，沥青难以充分裹覆矿料，影响沥青混合料的粘聚性，降低沥青混凝土耐久性；饱和度过大，减少了沥青混凝土的空隙率，防碍夏季沥青体积

16、膨胀，引起路面泛油，降低沥青混凝土的高温稳定性，因此，沥青混合料要有适当的饱和度。 式中： 试件的沥青饱和度，； 矿料间隙率，； 试件的沥青体积百分率，； 试件空隙率，。,沥青体积百分率是指沥青体积占试件体积的百分率。 （1）当试件采用油石比计算时，沥青体积百分率 式中： 意义同前。 （2）当试件采用沥青含量计算时，沥青体积百分率 式中： 意义同前。,我国的现行标准沥青路面施工与验收规范（GBJ92-93）对热拌沥青混合料马歇尔试验技术标准有规定，见教材。,四、沥青混合料组成材料 （一）沥青材料 不同型号的沥青材料，具有不同的技术指标，适用于不同等级，不同类型的路面。在选择沥青材料的时候，要考

17、虑到交通量（重）、气候条件（热）、施工方法、沥青面层类型、材料来源筹各种情况，选择较稠沥青，这样才能使拌制的沥青混合料具有较高的力学强度和较好的耐久性。,（二）矿质材料 沥青混合料的矿质材料必须具有良好的级配，这样，沥青混合料颗粒之间既能够比较紧密地排列起来，以达到足够的压实度，又能让颗粒之间具有一定的空隙，使沥青混合料保持良好的稳定性 沥青混合料的矿质材料包括粗集料、细集料和矿粉，这几种材料除了混合后能达到要求的级配外，对于它们本身还有不同的技术要求。,1.粗集料 沥青混合料的粗集料要求洁净、干燥、无风化、无杂质，并且具有足够的强度和耐磨性。 对路面抗滑表层的粗集料应选用坚硬、耐磨、抗冲击性

18、好的碎石或破碎砾石，不可使用筛选砾石、矿渣及软质集料。用于高速公路、一级公路、城市快速道路、主干路沥青路面表面层及各类道路抗滑层用的粗集料，应符合磨光值、道瑞磨耗值和冲击值的要求，对于坚硬石料来源缺乏的情况下，允许掺加一定比例普通集料作为中等或小颗粒的粗集料，但掺加比例不应超过粗集料总质量的40。,2.细集料 热拌沥看混合料的细集料一般采用天然砂或人工砂，在缺少砂的地区，也可以用石屑代替。但对于高等级公路的面层或抗滑表层，石屑的用量不宜超过砂的用量。 3.填料 沥青混合料的填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性（憎水性）岩石磨制而成的，也可以由石灰、水泥、粉煤灰代替，但用这些物质作填料时，其用量不

19、宜超过矿料总量的2。其中粉煤灰的用量不宜超过填料总量的50。粉煤灰的烧失量应小于12，塑性指数应小于4。在工程中，还可以利用拌和机中的粉尘回收来作矿粉使用，其量不得超过填料总量的50，并且要求粉尘干燥，掺有粉尘的填料的塑性指数不得大于4。,思考题： 1.沥青混合料五大技术性质是什么？ 2.什么是沥青混合料高温稳定性，评定指标，提高措施？ 3.施工中如何选择沥青材料？ 4.熟悉物理指标计算公式,主要内容：沥青混合料组成设计 重点内容：沥青最佳用量的选择 难 点：选择沥青混合料类型 确定沥青最佳用量 要 求：会选择沥青混合料 掌握沥青最佳用量的确定方法 参考资料：道路建筑材料严家伋 沥青及沥青混合

20、料张南鹭,五、沥青混合料配合比设计 沥青混合料配合比设计的任务就是通过确定粗集料、细集料、矿粉和沥青之间的比例关系，使沥青混合料的各项指标达到工程要求，让沥青混合料的强度、稳定性、耐久性、平整度等各项要求，在联系与矛盾中达到统一。 沥青混合料配合比设计包括：试验室配合比设计、生产配合比设计和试拌试铺配合比调整等三个阶段。本节主要着重介绍试验室配合比设计。 试验室配合比设计分为矿质混合料配合组成和沥青最佳用量确定两部分。,（一）矿质混合料的组成设计 矿质混合料的组成设计是让各种矿料以最佳比例相混合，从而在加入沥青后，使沥青混凝土既密实，又有一定的空隙，供夏季沥青的膨胀，矿质混合料的组成设计分下列

21、几步： 1.确定沥青混合料类型 确定所设计的沥青混合料用于什么样的公路等级、路面类型及哪一结构层，根据各层的不同要求，选择沥青混合料类型。,2.确定矿料的最大粒径 各国对沥青混合料的最大粒径（D）同路面结构层最小厚度的关系均有规定，我国研究表明：随hD增大，耐疲劳性提高，但车辙量增大。相反hD减小，车辙量也减小，但耐久性降低，特别是在hD2时，疲劳耐久性急剧下降。为此建议结构层厚度h与最大粒径D之比应控制在hD23。 3.确定矿质混合料的级配范围 根据确定下来的沥青混合料类型，参照公路沥青路面施工技术规范（GBJ92-93）推荐的级配作为沥青混合料的设计级配。 4.测出矿质集料的密度、吸水率、

22、筛分情况以及沥青的密度。,5.采用图解法或数解法，求出已知级配的粗集料、细集料和矿粉之间的比例关系，求得的合成级配应根据下列要求作必要的配合比调整。 （1）通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近设计级配中限，尤其应使0.075mm、2.36mm和4.75mm筛孔的通过量尽量接近设计级配范围中限； （2）对交通量大、轴载重的公路，宜偏向级配范围的下（粗）限，对中小交通或人行道路等宜偏向级配范围的上（细）限； （3）合成级配曲线应接近连续或有合理的间断级配，不得有过多的犬牙交错；当经过再三调整，仍有两个以上的筛孔超出级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新设计。,（二）沥青最佳用量的确定 沥青

23、最佳用量的确定可以通过理论计算得到，但误差较大，故一般采用实验的方法求得。目前，我国采用马歇尔试验法来确定沥青最佳用量。其方法是： 1.按所设计的矿料配合比配制五组矿质混合料，每组按规范推荐的沥青用量（或油石比）范围加入适量沥青，沥青用量按0.5间隔递增，拌和均匀，制成马歇尔试件。 2.根据集料吸水率大小和沥青混合料的类型采用合适的方法，测出试件的实测密度，并计算理论密度、空隙率、沥青饱和度等物理指标。 3.进行马歇尔试验，测定稳定度和流值这二个力学指标。,4.以沥青用量为横坐标，以实测密度、空隙率、饱和度、稳定度、流值为纵坐标，分别将试验结果点入坐标中，沥青用量与这些指标之间连成关系曲线。

24、从图中取相应于密度最大值的沥青用量 ，相应于稳定度最大值的沥青用量 ，相应于规定空隙率范围的中值的沥青用量 。以三者平均值作为最佳沥青用量的初始值。,根据沥青混合料马歇尔试验技术标准，确定各关系曲线上沥青用量范围 ，取各沥青用量范围的共同部分，即为沥青最佳用量范围，求其中值 。,按最佳沥青用量初始值 ，在上述关系曲线中取相应的各项指标值，当各项指标值均符合马歇尔试验技术标准时，由 和 确定最佳沥青用量，如不能符合规定时，应重新进行级配调整和计算，直至各项指标均符合要求。,根据气候条件和实践经验，最佳沥青用量 的确定有下列三种情况。 （1）一般情况下，取 和 的中值作为最佳沥青用量。 （2）对热

25、区公路以及车辆渠化交通的高速公路、一级公路，预计有可能造成较大车辙的情况下，可在 与 范围内决定，但不宜小于 的0.5。 （3）对寒区公路及其它等级公路，可在 与 范围内决定，但不宜大于 的0.3。,5.按最佳沥青用量制作马歇尔试件，进行浸水马歇尔试验。当残留稳定度不符合表规定的要求时，应重新进行配合比试验。当最佳沥青用量值与两初始值和相差甚大时，应按、分别制作试件，进行残留稳定度试验，根据结果，适当调整值。,6.按最佳沥青用量制作车辙试验试件，检验其高温抗车辙能力。当动稳定度不符合下列要求时，即高速公路应不小于800次mm，一级公路应不小于600次mm，应重新进行配合比设计。 当最佳沥青用量

26、值与两初始值和相差甚大，应按、分别制作试件，进行车辙试验，根据结果，适当调整值。 通过以上的试验和计算，最后确定最佳沥青用量。,思考题：叙述沥青最佳用量确定过程作业P214 习题,R,第二节 其它沥青混合料,一、冷铺沥青混合料 三、改性沥青混合料 由改性沥青（或由改性剂、基质沥青）与矿料按一定比例拌和而成的混合料的总称。 根据各种不同的使用目的，改性沥青混合料应有适宜的矿料级配，可以采用密级配沥青混合料或SMA、OGFC等间断级配沥青混合料。 改性沥青混合料的配合比设计，应遵循公路沥青路面施工技术规范（GBJ92-93）中关于热拌沥青混合料配合比设计的目标配合比、生产配合比及试拌试铺验证的三个

27、阶段，确定矿料级配及最佳改性沥青用量。,改性沥青混合料应进行马歇尔试验，以确定合适的改性沥青用量及矿料级配；马歇尔试验结果应符合（GBJ92-93）的有关技术要求，但试验温度应相应提高1020。对于橡胶类及热塑性橡胶类改性沥青混合料，其流值可放宽到2mm5mm。必要时，经试验研究，可以对马歇尔试验技术要求进行调整。 用于高速公路及一级公路或特重交通路段，以提高高温抗车辙能力为主要目的的新拌改性沥青混合料，按沥青混合料车辙试验方法测定的动稳定度应符合公路改性沥青路面施工技术规范（JTJ036-98）的要求。同时经改性的沥青混合料的低温性能不得低于未改性的基质沥青混合料的指标，其按沥青混合料弯曲试

28、验方法测定的低温弯曲试验的破坏应变不宜低于1200。,用于高速公路及一级公路，以提高低温抗裂性能为主要目的的改性沥青混合料，按沥青混合料弯曲试验方法测定的低温弯曲试验的破坏应变应符合公路改性沥青路面施工技术规范（JTJ036-98）的要求。同时，经改性的沥青混合料的高温性能不得低于未改性的基质沥青混合料的指标，其按沥青混合料车辙试验方法测定的动稳定度不应低于800次mm。,改性沥青混合料高温稳定性技术要求 表6-18,改性沥青混合料低温抗裂性技术要求 表6-19,改性沥青混合料的水稳定性应符合以下两个指标要求，达不到要求时应采取抗剥落措施： 1）采用沥青混合料马歇尔稳定度试验方法测定的48h浸水马歇尔稳定度试验残留稳定度不应小于80。 2）采用沥青混合料冻融劈裂试验方法的劈裂强度比不应小于80。 思考题：1沥青混合料最佳用量确定步骤,R,