沥青混合料的组成结构与强度原理

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1、第六章沥青混合料的强度构成机理 6.1沥青混合料的组成结构及强度原理6.1.1沥青混合料的组成结构沥青混合料是一种复杂的多种成分的材料，其“结构”概念同样也是极其复杂的。因为这 种材料的各种不同特点的概念，都与结构概念联系在一起。这些特点是：矿物颗粒的大小及 其不同粒径的分布；颗粒的相互位置；沥青在沥青混合料中的特征和矿物颗粒上沥青层的性 质；空隙量及其分布；闭合空隙量与连通空隙量的比值等。“沥青混合料结构”这个综合性的术语，是这种材料单一结构和相互联系结构的概念的总和。其中包括：沥青结构、矿物骨架 结构及沥青-矿粉分散系统结构等。上述每种单一结构中的每种性质，都对沥青混合料的性质 产生很大的

2、影响。随着混合料组成结构的研究的深入，对沥青混合料的组成结构有下列两种互相对立的理 论。（1）表面理论按传统的理解，沥青混合料是由粗集料、细集料和填料经人工组配成密实的级配矿质骨架，此矿质骨架由稠度较稀的沥青混合料分布其表面， 而将它们胶结成为 一个具有强度的整体。这种理论认识可图解如下：矿质骨架矿质骨架矿质骨架L结合料沥青沥青混合料矿质骨架（2）胶浆理论近代某些研究从胶浆理论出发，认为沥青混合料是一种多级空间网状胶凝结构的分散系。它是以粗集料为分散相而分散在沥青砂浆的介质中的一种粗分散系；同样，砂浆是以细集料为分散相而分散在沥青浆介质中的一种细分散系；而胶浆又是以填料为分散相而分散在高稠度的

3、沥青介质中的一种微分散系。这种理论认识可图解如下：.分散相一细集料沥青混合料（粗分散系）彳分散介质一砂浆（细分散系）1分散相一填料分散介质一沥青胶结物（微分散系） 彳分散介质一沥青这3级分散系以沥青胶浆（沥青一矿粉系统）最为重要，典型的沥青混合料的弹-粘-塑性，主要取决于起粘结料的作用的沥青-矿粉系统的结构特点。这种多级空间网状胶凝结构的 特点是，结构单元（固体颗粒）通过液相的薄层（沥青）而粘结在一起。胶凝结构的强度， 取决于结构单元产生的分子力。胶凝结构具有力学破坏后结构触变性复原自发可逆的特点。对于胶凝结构，固体颗粒之间液相薄层的厚度起着很大的作用。相互作用的分子力随薄 层厚度的减小而增大

4、，因而系统的粘稠度增大，结构就变得更加坚固。此外，分散介质（液 相）本身的性质对于胶凝结构的性质亦有很大的影响。可以认为，沥青混合料的弹性和粘塑性的性质主要取决于沥青的性质、粘结矿物颗粒的 沥青层的厚度，以及矿物材料与结合料相互作用的特性。沥青混合料胶凝健合的特点，也取 决于这些因素。沥青混合料的结构取决于下列因素：矿物骨架结构、沥青的结构、矿物材料与沥青相互 作用的特点、沥青混合料的密实度及其毛细-孔隙结构的特点。矿物骨架结构是指沥青混合料成分中矿物颗粒在空间的分布情况。由于矿物骨架本身承 受大部分的力，因此骨架应由相当坚固的颗粒所组成，并且是密实的。沥青混合料的强度， 在一定程度上也取决于

5、摩阻力的大小，而摩阻力又取决于矿物颗粒的形状、大小及表面特性 等。形成矿物骨架的材料结构，也在沥青混合料结构的形成中起很大作用。应把沥青混合料 中沥青的分布特点，以及矿物颗粒上形成的沥青层的构造综合理解为沥青混合料中的沥青结 构。为使沥青能在沥青混合料中起到自己应有的作用，应均匀地分布到矿物材料中，并尽可 能完全包裹矿物颗粒。矿物颗粒表面上的沥青层厚度，以及填充颗粒间空隙的自由沥青的数 量，具有重要的作用。自由沥青和矿物颗粒表面所吸附沥青的性质，对于沥青混合料的结构产生影响。沥青混合料中的沥青性质，取决于原来沥青的性质、沥青与矿料的比值，以及沥 青与矿料相互作用的特点。综上所述可以认为：沥青混

6、合料是由矿质骨架和沥青胶结物所构成的、具有空间网络结 构的一种多相分散体系。沥青混合料的力学强度，主要由矿质颗粒之间的摩阻力和嵌挤力， 以及沥青胶结料及其与矿料之间的粘结力所构成。沥青混合料，按其强度构成原则的不同可分为按嵌挤原则构成的结构和按密实级配原则 构成的结构两大类。按嵌挤原则构成的沥青混合料的结构强度，是以矿质颗粒之间的嵌挤力和摩阻力为主、沥青结合料的粘结作用为辅而构成的。沥青贯入式路面、沥青表面处治、以及沥青碎石路面 均属此类结构。这类路面是以较粗的、颗粒尺寸均匀的矿料构成骨架，沥青结合料填充其空 隙，并把矿料粘结成一个整体。这类沥青混合料结构强度受自然因素（温度）的影响较小。按密

7、实级配原则构成的沥青混合料的结构强度，是以沥青与矿料之间的粘结力为主，矿 质颗粒间的嵌挤力和摩阻力为辅而构成的。沥青混凝土路面和沥青碎石混合料路面属于此类 这类沥青混合料的结构强度受温度的影响较大。按级配原则构成的沥青混合料，其结构通常可按下列三种方式组成：1悬浮密实结构：由连续级配矿质混合料组成的密实混合料，由于材料从大到小连续存在， 并且各有一定数量，实际上同一档较大颗粒都被较小一档颗粒挤开，大颗粒犹如以悬浮状态 处于较小颗粒之中。这种结构通常按最佳级配原理进行设计，因为密实度与强度较高，但受 沥青材料的性质和物理状态的影响较大故稳定性较差。2）骨架空隙结构：较粗石料彼此紧密相接，较细粒料

8、的数量较少。不足以充分填充空隙。因此，混合料的空隙较大，石料能够充分开成骨架。在这种结构中，粗骨料之间的摩阻力起 着重要的作用，其结构强度受沥青的性质和物理状态的影响较小，因而稳定性较好。3）骨架密实结构：是综合以上两种方式组成的结构。混合料中既有一定数量的粗骨料形成 骨架，又根据粗料空隙的多少加入细料，形成较高的密实度。间断级配即是按此原理构成。6.1.2沥青混合料的强度理论与强度参数沥青混合料属于分散体系，是由强度很高的粒料与粘结力较弱的沥青材料所构成的混合 体。根据沥青混合料的颗粒性特征，可以认为沥青混合料的强度构成起源于两个方面:(1) 由于沥青的存在而产生的粘结力；(2) 由于骨料的

9、存在而产生的摩阻力。目前，对沥青混合料强度构成特性开展研究时，许多学者普遍采用了摩尔 -库仑理论 作为分析沥青混合料的强度理论，并引起两个强度参数一一粘结力 c和摩阻角，作为其强 度理论的分析指标。摩尔-库仑理论的一般表达式为：f ij 1313 sin2c cos 0式中：c i 最大主应力；(T 3 最小主应力；C ij 应力状态量。对于组成沥青混合料的两种原始材料一一沥青和骨料，通过实验研究和强度理论分析， 可以认为：纯沥青材料的c工0而 =0;干燥骨料的c=0而工0。但由此形成的沥青混合料, 其c工0且工0,沥青混合料在参数c、值的确定上需要把理论准则与实验结果结合起来。 理论准则采用

10、摩尔一库仑理论，而实验结果则可通过三轴实验、简单拉压实验或直剪实验获 得。(1)三轴实验确定对于三轴实验来说，其摩尔-库仑的理论表达式为1 sincos13 2c1 sin1 sin显然，在一定的力学加载条件下，如果材料是给定的，那么在参数C、值应为常数，T1与T 3之间便具有线性关系。同时，众多实验研究结果也表明，在给定实验条件下，T之间具有如下形式的线性关系T 1=k T 3 + b式中：k与b均大于零。将以上两式对等，则可得到在参数c、值的计算公式:k 1sin k 1b 1 sin c2 cos目前，国外研究者主要是通过三轴实验来确定沥青混合料的c、值。但是，由于三 轴实验在仪器设备方

11、面比较复杂，要求较高，实验所需人力物力较多，在操作上难度大，因 此，尽管三轴实验能够很好地模拟真实的应力应变状态，但它的实际应用受到一定程度的限 制，在工程上难以普及使用。(2)简单拉压实验确定沥青混合料的c、值亦可通过测定无侧限抗压强度 R和抗拉强度r予以换算。其换算关 系可通过推导获得，也可以直接利用摩尔圆求得。当无侧限抗压时，相当于c3=0 及 c 1=R,得:2 c cosR !2c tg 1 sin42当抗拉时相当于10及3r则2 c cosr3-2c ctg 1 sin42联立解得c 丄 Rr2R rsinR r简单拉压实验确定沥青混合料的在参数 c、值,是以一项基本假定为前提的。

12、即：在试 验变量(材料组成变量、力学激励变量)相同的条件下，假定沥青混合料在压缩和拉伸两种 加载方式下的在参数值是相同的。这种实验方法相对于三轴实验来说，在操作上要容易得多，且在一般试验机上均可以实 施，易于推广应用。但其试验结果的准确性要依赖于实验技术的完善与提高，特别是拉伸实 验。在拉伸实验中，有两个实验技术难关需要克服，即: (1)沥青混合料的拉伸实验技术(拉 头问题);(2)试件的偏心受拉问题。通过改进实验技术，这两个困难目前都可以克服。(2)直剪实验确定在参数c、值的确定，还可以通过沥青混合料的直剪实验来实现。这种实验方法与土的 直剪实验非常类似，主要是通过测定不同正压力水平C i下

13、的抗剪强度T fi，在T - C坐标系中 绘制库仑直线，从而获得材料的C、值。沥青混合料的直剪实验相对于三轴实验、简单拉压实验，在C、值的原理上更为直观明了，但在操作上可能更不容易实现，比如因剪切挤压而引起的破坏面不均匀问题。就现有资 料来看，目前还没有见到关于沥青混合料直剪实验方面的研究报告。关于这种实验方法可行性、准确性，以及它的实验结果与三轴实验和简单拉压实验结果之间的可比性等三方面的研 究工作，还有待于进一步探讨，以便确定一种较为有效和简便的方法来获得在参数C、值。 6.2 沥青与矿料之间的相互作用沥青与矿料之间的相互作用是沥青混合料结构形成的决定性因素。它直接关系到沥青混合料的强度、

14、温度稳定性、水稳定性、以及老化速度等一系列重要性能。因此，深入研究沥青 与矿料之间相互作用的原理，充分认识并积极地利用与改善这个作用过程具有十分重要的意 义。研究表明，沥表与矿料相互作用时，所发生的效应是各种各样和特殊的，主要与表面效应 有关。6.2.1矿料对沥青的吸附作用原联n .A.列宾捷尔研究认为，沥青与矿料相互作用后，沥青在矿料表面产生化学组分的重新排列，在矿料表面形成一层扩散结构膜（如图6-1a所示），在此膜厚度以的沥青称为结构沥青。此膜以外的沥青称为自由沥青。结构沥青与矿料之间发生相互作用，并且沥青的性 质有所改变；而自由沥青与矿料距离较远，没有与矿料发生相互作用，仅将分散的矿料粘

15、结 起来，并保持原来性质。如果颗粒之间接触处由扩散结构膜所联结（如图6-1b所示），则促成沥青具有更高的粘滞 度和更大的扩散结构膜的接触面积，从而可以获得更大的颗粒粘着力。反之，如颗粒之间接 触处为自由沥青所联结（如图6-1c所示），则具有较小的粘着力。图6-1沥青与矿粉交互作用的结构图式按照物理化学观点，沥青与矿料之间的相互作用过程是个比较复杂的、多种多样的吸附 过程，它们包括沥青层被矿物表面的物理吸附过程、 沥青-矿料接触面上进行的化学吸附过程、 以及沥青组分向矿料的选择性扩散过程。固体或液体的表面和与它进行接触的液态或气态物质分子的粘结性质，以及对气体或液 体的吸着现象称为吸附。吸附作用

16、分为物理吸附和化学吸附两种形态，当吸附物质（吸附剂） 与被吸附物质之间仅有分子作用力（即德华力）存在时，则产生物理吸附；当接触的两种相 （沥青和矿料）形成化合物时则产生化学吸附。在引力作用下发生的物理吸附作用，会在矿料表面形成沥青的定向层，此时，被吸附的沥 青不发生任何化学变化。在化学吸附的情况下，被吸附的沥青发生化学变化。但是，化学吸附作用仅触及被吸附物质的一层分子，而物理吸附时，实际上可能形成几个分子厚度的吸附沥青在矿料表面上的吸附强度，很大程度上取决于这些材料之间发生的粘结性质。当存在化学键时（即产生化学吸附时），沥青与矿料的粘结最为牢固。当碳酸盐或碱性岩石与含有足 够数量酸性表面活性物

17、质的活化沥青粘结时，会发生化学吸附过程。这种表面活性物质能在 沥青与矿料的接触面上，形成新的化合物。因为这些化合物不溶于水。所以矿料表面上形成 的沥青层具有较高的抗水能力。 而当沥青与酸性岩石（SiO2含量大于65%勺岩石）粘结时，不 会形成化学吸附化合物，故其间的粘结强度较低，遇水易剥离。原联A.H.雷西娜等人的研究表明，碳酸盐和碱性石料每个单位表面上吸附的沥青多于酸性石料具有更坚固的结构，对于比表面大和吸附力很大的的矿料，更具有特殊意义。沥青与矿料表面粘结牢固的必要先决条件是沥青能很好地润湿矿料的表面。由物理化学得知，彼此接触物体相互作用过程的特性和强度主要取决于物体的表面性质，首先是表面

18、自由研究物质部质点（原子、离子、分子）与位于表面的质点之间的相互作用时，可以得到关 于固体或液体表面能的概念。位于固体或液体部的每一固体或液体质点，都从各方面承受着 围绕它的并和它相类似的质点的引力作用，而位于固体或液体表面的质点，只从一面受到处 于固体或液体部质点的引力作用，而另一面是空气（气相）。由于气体分子彼此相距甚远，因 此只有临近固体或液体表面的气体才产生力场。气体分子对固体或液体表面质点的作用非常 小，不能平衡承受从部质点方面产生的力的作用。固体或液体表面未平衡（未补偿）元素质点的存在相当于该表面每单位面积具有一定数量 的自由能，其数量等于形成表面所消耗的功。该自由能称为表面自由能

19、或表面能力。润湿是自发的过程，在这一过程中，相接触的三相一矿料、水和空气或沥青体系，于一定 的温度条件下会发生体系的表面自由能的降低现象。大多数的造岩矿物，如氧化物、碳酸盐、硅酸盐、云母、石英等，均属于亲水性的。所 有亲水性矿物都具有离子键（有极性的）的晶格，因此，当它们分裂时在表面层可能有未平 衡的离子一一带自由价的离子憎水性矿物具有共价键（原子键）的晶格，或者具有分子键的晶格。有些憎水性材料具有 离子和分子键的晶格，即元素质点部有牢固的离子键，质点之间有分子键。这些元素质点的 表面几乎没有未补偿的键。两种相互接触的物体，例如沥青同矿料的接触表面相互作用所消耗的能量，以粘结作用来表征，这种粘

20、结作用通常简称为粘结力。能良好地润湿固体干燥表面的液体，并不意味着一定有良好的粘结力。沥青润湿与粘结潮湿 矿料表面的能力，取决于固体表面排挤水分的性质和沥青的个别组分在边界层中的选择性吸 附。这就相应地减小了体系的表面自由能。吸附的结果增加了相界面处被吸附物质的浓度， 且减小了界面上的表面自由能。吸附层的性质取决于被吸附物质的数量、被吸附物质与固体相互作用的性质和能量。这些因素将构成固体-液体分界面上二相相互联系的特性。吸附层，特别是在完全饱和的情况下， 它类似于很薄的固体膜，具有高的力学强度。这种性质由于周围液体介质（溶剂-沥青中的油分）的作用，其能力再一次地加强了。化学吸附是沥青中的某些物

21、质（如沥青酸）与矿料表面的金属阳离子产生化学反应，生 成沥青酸盐，在矿料表面构成化学吸附层的过程。化学相互作用力的强度，超过分子力作用 许多倍。化学相互作用的能量转为化学反应的热量时，其数值为数百焦尔/克分子以上；而物理相互作用的能量转为热量时最大仅为数十焦尔 /克分子。因此，当沥青与矿料形成化学吸附 层时，相互间的粘附力远大于物理吸附时的粘附力。也只有产生化学吸附，沥青混合料才可 能具有良好的水稳性。化学吸附产生与否以及吸附程度，决定于沥青及矿料的化学成分。例如石油沥青中因含 有沥青酸及沥青酸酐能与碱性矿料中的高价金属盐产生化学反应，生成不溶于水的有机酸盐，与低价金属盐反应生成的有机酸盐则易

22、溶于水，而与酸性矿料之间则只能产生物理吸附。煤 沥青中既有酸性物质（如酚类），以有碱性物质（如吡啶类），因而与酸性矿料及碱性矿料均 能起化学吸附作用，当然其吸附程度和生成物的性质仍与矿料的化学成分密切相关。所谓选择性吸附，就是一相物质中的某一特定组分由于扩散作用沿着另一相的微孔渗入 到其部。当沥青与矿料相互作用时，选择性扩散产生的可能性以及其作用大小，取决于矿料 的表面性质、孔隙状况及沥青的组分与活性。矿料对沥青的选择性吸附作用，主要产生于表面具有微孔（孔隙直径小于0.02mm的 矿料，如石灰岩、泥灰岩、矿渣等。此时沥青中活性较高的沥青质吸附在矿料表面，树脂吸 附在矿料表层小孔中，而油分则沿着

23、毛细管被吸收到矿料部。因此，矿料表面的树脂和油分 相对减少，沥青质增多，结果沥青性质发行变化一一稠度提高、粘结力增加，从而在一定程 度上改善了沥青混合料的热稳性与水稳性。沥青与多孔的材料相互作用的特点，一方面取决于表面性质和吸咐物的结构（孔隙的大 小及其位置），另一方面与沥青的特性有关（主要是活性和基团组成）。矿料表面上如有微孔, 就会大大改变其与沥青相互作用的条件，微孔具有极大的吸附势能，因而孔中吸附大部分的 沥青表面活性组分。当沥青与结构致密的矿料（如石英岩）相互作用时，上述过程就失去了 必要的条件，因而其对沥青的选择性吸附不显著。622沥青与初生矿物表面的相互作用沥青与初生矿物表面的相互

24、作用是一种特殊的作用形式，因为它决定于化学-力学过程。并与上面叙述的化学吸附同时发生。化学-力学是一个比较新的科学领域，它研究力学作用对各种物质所产生的围极广的现象。 许多研究人员对化学-力学有着特殊兴趣，这与在力学作用时有可能在一定条件下引起化学过 程有关。因此，利用化学-力学手段进行材料机械加工过程的研究具有非常广阔的前景。远在1873年，卡列 M里曾经指出，某些化学反应只能在力学作用的条件下才会更有 效，或是一般只能在这种作用下才能发生反应。引起固体部分力学化学过程的最重要的因素有：化学活性很大的新表面的产生；受机械 力破坏而形成的颗粒表面层的结构变化；初生颗粒表面上进行的化学反应。固体

25、受机械力作用产生的初生表面的能量状态的研究包括初生表面的带电及其吸附能力 的研究，重新形成的颗粒表层结构的研究，以及自由基的产生过程和基的相互反应过程等。B. B德拉金指出，颗粒经磨碎后成为带电颗粒，并且电荷的正负与大小取决于颗粒的 大小和物质的性质。初生表面的带电，在矿料的活化过程中起着一定的作用。决定初生表面具有很高的化学活性的一个因素是由于出现自由基，自由基是借助机械力 的破坏作用，使化学健断开而产生的。化学键在机械力作用下断开的可能性是史塔乌金捷尔 最先提出的。1952年，帕依克和瓦特森证实了在这种情况下可能产主自由基。自由基是分子的残余部分，或是处于电子受激震状态下的分子，它具有很大

26、的化学活性。 自由基的主要化学特性是，具有很高的反应能力，这种能力与自由化合价有关，自由基易与 一般的饱和分子起化学反应。初生表面很高的活性，也与磨碎过程中形成的颗粒表面层的结构变化有关。例如，德姆 波斯捷尔等人的研究表明，磨碎的石英表面是由变化了的含结晶硅砂层所组成。阿尔姆斯特 朗格观测到磨碎石英颗粒表层的非晶形性，并且某些磨碎破坏的深度约为50-100um在磨碎的石英表面上，非晶形层的厚度达 40nm因磨细而产生的颗粒表面层的松散结构， 有助于它的反应能力和吸附能力，从而提高了其 活化效果。顺磁共振试验表明，矿料中自由基的浓度随磨碎时间的增长而增大，试验还证明，当沥 青与花岗石或石英进行一

27、般的拌和时，只产生矿料与沥青的物理吸附，而在沥青与花岗石或 石英一起磨碎的过程中，沥青和矿料之间发生了化学键。在沥青与矿料一起磨碎的过程中，沥青与矿料表面的相互作用，与沥青和早先磨细的矿 料拌和时的相互作用，有着明显的差别，前者化学吸附的沥青量及其随磨碎时间的增长速率 均明显高于后者。 6.3影响沥青混合料强度的因素如前所述，沥青混合料的强度由两部分组成：矿料之间的嵌挤力与摩阻力和沥青与矿料之 间的粘聚力。下面从因、外因两方面分析沥青混合料强度的影响因素。6.3.1影响沥青混合料强度的因1、沥青粘度的影响沥青混凝土作为一个具有多级网络结构的分散系来看待，从最细一级网络结构来看，它是各种矿质集料

28、分散在沥青中的分散系，因此它的强度与分散相的浓度和分散介质粘度有着密 切的关系。在其它因素固定的条件下，沥青混合料的粘聚力是随着沥青粘度的提高而增大的。 因为沥青的粘度即沥青部沥青胶团相互位移时，其分散介质抵抗剪切作用的抗力，所以沥青 混合料受到剪切作用时，特别是受到短暂的瞬时荷载时，具有高粘度的沥青能赋予沥青混合 料较大的粘滞阻力，因而具有较高抗剪强度。在相同的矿料性质和组成条件下，随着沥青粘 度的提高，沥青混合料粘聚力有明显的提高，同时摩擦角亦稍有提高。2沥青与矿料化学性质的影响在沥青混合料中，如果矿粉颗粒之间接触处是由结构沥青膜所联结，这样促成沥青具有更 高的粘度和更大的扩散溶化膜的接触

29、面积，因而可以获得更大的粘聚力。反之，如颗粒之间 接触处是自由沥青所联结，则具有较小的粘聚力。沥青与矿料相互作用不仅与沥青的化学性质有关，而且与矿粉的性质有关。H.M.鲍尔雷曾采用紫外线分析法对两种最典型的矿粉进行研究，在石灰石粉和石英石粉的表面上形成一层 吸附溶化膜，如图（6-3）所示。研究认为，在不同性质矿粉表面形成的吸附溶化膜组成结构 和厚度的吸附溶化膜，所以在沥青混合料中，当采用石灰石矿粉时，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。图6-2不同矿粉的吸附溶化膜结构图式3、矿料比面的影响由前述沥青与矿粉交互作用的原理可知， 结构沥青的形成主要是由于矿料与沥青的交互作

30、用，而引起沥青化学组分在矿料表面的重分布。所以在相同的沥青用量条件下，与沥青产生 交互作用的矿料表面积愈大，则形成的沥青膜愈薄，则在沥青中结构沥青所占的比率愈大， 因而沥青混合料的粘聚力也愈高。通常在工程应用上，以单位质量集料的总表面积来表示表 面积的大小，称为“比表面积”（简称“比面”）。例如1kg的粗集料的表积约为0.5-3m2,它 的比面即为0.5-3m2/kg，而矿粉用量虽只占7%左右，而其表面积却占矿质混合料的总表面积 的80%以上,所以矿粉的性质和用量对沥青混合料的强度影响很大。为增加沥青与矿料物理-化学作用的表面，在沥青混合料配料时，必须含有适量的矿粉。提高矿粉细度可增加矿粉比

31、面，所以对矿粉细度也有一定的要求。希望 0.075mm粒径的含量不要过少；但是0.005mm部 分的含量亦不宜过多，否则将使沥青混合料结成团块，不易施工。4、沥青用量的影响在固定质量的沥青和矿料的条件下，沥青与矿料的比例（即沥青用量）是影响沥青混合料 抗剪强度的重要因素。在沥青用量很少时，沥青不足以形成结构沥青的薄膜来粘结矿料颗粒。随着沥青用量的增 加，结构沥青逐渐形成。沥青更为完满地包裹在矿料表面，使沥青与矿料间的粘附力随着沥 青的用量增加而增加。当沥青用量足以形成薄膜并充分粘附矿料颗粒表面时，沥青胶浆具有 最优的粘聚力。随后，如沥青用量继续增加，则由于沥青用量过多，逐渐将矿料颗粒推开， 在

32、颗粒间形成未与矿料交互作用的“自由沥青”，则沥青胶浆的粘聚力随着自由沥青的增加而 降低。当沥青用量增加至某一用量后，沥青混合料的粘聚力主要取决于自由沥青，所以抗剪 强度几乎不变。随着沥青用量的增加，沥青不仅起着粘结剂的作用，而且起着润滑剂的作用， 降低了粗集料的相互密排作用，因而降低了沥青混合料的摩擦角。沥青用量不仅影响沥青混合料的粘聚力， 同时也影响沥青混合料的摩擦角。 通常当沥青薄 膜达最佳厚度（亦即主要以结构沥青粘结）时，具有最大的粘聚力；随着沥青用量的增加， 沥青混合料的摩擦角逐渐降低。5、矿质集料的级配类型、粒度、表面性质的影响沥青混合料的强度与矿质集料在沥青混合料中的分布情况有密切

33、关系。沥青混合料有密级配、开级配和间断级配等不同组成结构类型已如前述，因此矿料级配类型是影响沥青混合料 强度的因素之一。此外，沥青混合料中，矿质集料的粗度、形状和表面粗糙度对沥青混合料的强度都具有极 为明显的影响。因为颗粒形状及其粗糙度，在颇大程度上将决定混合料压实后颗粒间相互位 置的特性和颗粒接触有效面积的大小。通常具有显著的面和棱角，各方向尺寸相差不大，近 似正方体，以及具有明显细微凸出的粗糙表面的矿质集料，在碾压后能相互嵌挤锁结而具有 很大的摩擦角。在其他条件相同的情况下，这种矿料所组成的沥青混合料较之圆形而表面平 滑的颗粒具有较高的抗剪强度。许多试验证明，要想获得具有较大摩擦角的矿质混

34、合料，必须采用粗大、均匀的颗粒。在 其他条件下，矿质集料颗粒愈粗，所配制的沥青混合料愈具有较高的摩擦角。相同粒径组成 的集料，卵石的摩擦角较碎石为低。632影响沥青混合料强度的外因1温度的影响沥青混合料是一种热塑性材料，它的抗剪强度随着温度的升高而降低。在材料参数中，粘 聚力随温度升高而显著降低，但是摩擦角受温度变化的影响较少。2、形变速率的影响沥青混合料是一种粘-弹性材料，它的抗剪强度与形变速率有密切关系。在其他条件相同 的情况下，变形速率对沥青混合料的摩擦角影响较小，而对沥青混合料的粘聚力影响较为显 著。试验资料表明，粘聚力随变形速率的减小而显著提高，而摩擦角随变形速率的变化很小。综上所述

35、可以认为，得到高强度沥青混合料的基本条件是：密实的矿物骨架，这可以通 过适当地选择级配和使矿物颗粒最大限度地相互接近来取得；对所用的混合料、拌制和压实 条件都适合的最佳沥青用量；能与沥青起化学吸附的活性矿料。过多的沥青量和矿物骨架空隙率的增大，都会使削弱沥青混合料结构粘聚力的自由沥青 量增多。上面已经指出沥青与矿粉在一定配比下的强度，可达到二元系统（沥青与矿粉）的 最高值。这就是说，矿粉在混合料中的某种浓度下，能形成粘结相当牢固的空间结构。应指出的是，最好的沥青混合料结构，不是用最高强度来表示，而是所需要的合理强度。 这种强度应配合沥青混合料在低温下具有充分的变形能力以及耐浸蚀性。从这个角度来

36、看， 也是有关沥青混合料工艺的一个中心问题。显然，为使沥青混合料产生最高的强度，应设法使自由沥青含量尽可能地少或完全没有 但是，必须有某种数量的自由沥青，以保证应有的耐侵蚀性，以及沥青混合料具有最佳的塑 性。上面已经指出，选择空隙率最低的沥青混合料的矿料级配，能降低自由沥青量，因此许 多国家都规定了矿料最大空隙率。此外，自由沥青量也取决于空隙的填满程度。配比正确的 沥青混合料中，被沥青所充满的颗粒之间的空隙容积，应不超过总空隙的80 一 85%，以免在温膨升高时沥青溢出。这种可能性是因为沥青比矿质材料具有更高的体积膨胀系数。除此之外，自由沥青的填 满程度过大，还会导致路面的附着力（摩阻力）降低

37、。沥青混合料的拌制与压实工艺的进一步完善，也能大大减少自由沥青量，并大大提高沥 青混合料的结构强度; 6.4提高沥青混合料强度的措施提高沥青混合料的强度包括两个方面：一是提高矿质骨料之间的嵌挤力与摩阻力；一是 提高沥青与矿料之间的粘结力。为了提高沥青混合料的嵌挤力和摩阻力，要选用表面粗糙、形状方正、有棱角的矿料，并 适当增加矿料的粗度。此外，合理地选择混合料的结构类型和组成设计，对提高沥青混合料 的强度也具有重要的作用。当然，混合料的结构类型和组成设计还必须根据稳定性方面的要 求，结合沥青材料的性质和当地自然条件加以权衡确定。提高沥青混合料的粘聚力可以采取以下列措施：改善矿料的级配组成，以提高

38、其压实后的 密实度；增加矿粉含量；采用稠度较高的沥青；改善沥青与矿料的物理 -化学性质及其相互作 用过程。改善沥青和矿料的物理-化学性质及其相互作用过程可以通过以下三个途径：（1）改善沥青的物理-化学性质可采用调整沥青的组分，往沥青中掺加表面活性物质或其他 添加剂等方法。（2）改善矿料的物理-化学性质，可采用表面活性添加剂使矿料表面憎水化的方法；（3）对沥青和矿料的物理-化学性质同时作用的方法。下面着重从往沥青中掺加表面活性物质和改善矿料表面性质，以及改善沥青与矿料之间的相互作用两个方面加以论述。6.4.1表面活性物质及其作用原理表面活性物质是一种能降低表面力且相应地吸附在该表面层的物质。表面

39、活性物质大都 具有两亲性质，由极性（亲水的）基团和非极性基团两部分组成，极性基团带有偶极矩，且 激烈地表现力场，属于此类基的有羟基、羧基和胺基等。极性基有水合作用能力，是亲水的、 可溶的，且强烈地表现化合价力。非极性基是由具有弱副价力和偶极矩接近于零的碳氢链或 芳香族链所组成的分子钝化部分，是憎水性的。表面活性物质吸附在相界面上时，就形成定向分子层。此时，分子的极性基团定向于极 性较大的矿料表面，而烃基却朝向外面。由于朝向外面的烃链很大，致使矿料表面（大多数 是亲水的）产生憎水性。同时，当表面活性物质的极性基团与矿料表面上的吸附中心产生化 学链时，憎水效果就会大大增加。使用与该种矿物材料具有化

40、学亲和力的表面活性物质，就 能达到这个目的。因此，相界面上表面活性物质分子的定向层，改变了表面的分子性质和相互接触相界的反应条件。表面活性物质的作用效果，随烃链的长度增大而增大。表面活性物质吸附在材料表面上并形成定向多分子的（有时是聚合的）分子层时，需要有 一定的时间。吸附的速度尚取决于表面活性物质的分子扩散速度，而对于分子量很大的物 质尤其是这样。相间界面的特殊性质也决定沥青-矿料系统中表面活性物质的作用效果， 这首先 涉及到沥青润湿矿料条件的改变和沥青层与矿料表面的粘结特性。润湿条件的改善是形成沥青层和与矿料表面发生粘结的必要条件，这对沥青路面施工工艺的改善起到重要的作用：如加速了沥青和矿

41、料的拌和过程；提高了沥青混合料的可压实性； 降低了沥青混合料拌制等各个环节的使用温度。采用表面活性物质达到的沥青与矿料表面粘结力的改善，极提高了沥青路面的耐浸蚀性， 并且有助于扩大所用矿料的品种。表面活性物质按其化学性质，可以分为离子型和非离子型两大类。 离子型表面活性物质， 又可分为阴离子型活性和阳离子型活性两种基本形式。阴离子型表面活性物质在水中离解时， 形成带负电荷的表面活性离子（阴离子）；阳离子型表面活性物质是带正电荷的离子 邙日离子）。 因此，在阴离子型表面活性物质中，分子的烃基包含在阴离子组分；而在阳离子型表面活性 物质中，分子的烃基包含在阳离子组分。为了改善沥青与碳酸盐矿料和碱性

42、矿料（石灰石、白云石、玄武岩、辉绿岩等）的粘结 力，可使用阴离子型表面活性物质。在这类矿料表面上，可形成不溶于水的化合物（如羧酸 钙皂），有助于加强与沥青的粘结。当使用酸性矿料（石英、花岗岩、正长岩、粗面岩等）时，可采用阳离子型表面活性物 质来改善其与沥青的粘结。高羧酸、高羧酸重金属盐和碱土金属的盐类（皂），以及高酚物质等，是阴离子型表面活 性物质的典型代表。高脂肪胺盐、四代铰碱等是典型的阳离子型表面活性物质。煤块、木柴、页岩、泥灰石等固体燃料的树脂中，含有阴离子型的表面活性物质（有机酸 和有机碱）。当前，生产中常使用的阴离子型工业产品及其副产品有：油萃取工厂的棉子树脂（棉子渣 油）、合成脂肪

43、酸的蒸馏釜残渣、次级脂肪渣油（生产肥皂的副产品）、炼油厂生产的氧化石蜡油等。含羧酸铁盐的表面活性产品得到了某些发展。这种产品是用上述一种物质（如棉子 油渣、蒸馏釜残渣等）与氯化铁水溶液和增塑剂聚合而成的。根据匈牙利的多保兹和联的畀.C 莫娜耶娃等人的研究，某些阳离子型表面活性物质，例 如高脂肪族胺，与酸性和碱性岩石矿料都能起化学反应，这类材料与各种矿料综合反应的性 能而有很大前途。表面活性物质掺入沥青混合料的方法有两种：掺入沥青中或洒在矿料表面上。第一种方法 无疑在操作上比较方便，也可以直接在炼油厂将表面活性物质注入沥青中，将表面活性物质 掺到矿料表面上，虽然工艺比较繁琐，可是它是一种有效的方

44、法。642矿料表面的活化许多研究表明，在往沥青中掺加表面活性物质的同时，用表面活性添加剂使矿料表面活化， 对提高沥青混合料的强度可望获得更好的效果。用各种矿物盐类（钙盐、铁盐、铜盐、铅盐等）以及石灰、水泥等电解质水溶液活化矿料 表面，是以吸附理论和吸附层中的离子交换为基础的。由于多价阳离子吸附在未补偿阴离子 的矿料表面，或者在表面层的一价阳离子对两个和三个阳离子交换的结果，减小了亲水性， 而改善了其与沥青之间相互作用的特性，为形成不溶于水的化合物的化学吸附创造了更好的 条件。通常，矿料表面的改性处理有以下三个目的：改进矿料与沥青之间相互作用的条件； 改善吸附层中的沥青性质；扩大矿料的使用品种和

45、改善其性质。特别值得注意的是，预先物理-化学活化是能最有效地利用表面活性添加料的一种方法。 实践证明，产生新表面的时刻是进行化学必性的最好时机，因为这时可以利用只有初生的表 面才具有的特殊能态。这种特殊的能态会强烈地激发表面的反应能力，有助于与各种改性的 活化剂起相互反应。这种反应在一般的材料加工条件下是有可能发生的。利用初生表面所产生的效果与处理丧失了原有潜能的“旧表面”所得到的效果是无法比拟的。新表面的高度活性没有及时而合理地利用时，也会引起相反的效果。这是因为初生表面 不论怎样总要吸附各种物质，其中也包括影响以后与沥青相互作用的物质。利用初生表面的使用效果证明，促使材料颗粒产生新表面在经

46、济上是划算的，因为矿物材料任何的破碎或磨细过程，都需是消耗很多能量，所以适宜于同时就对制得产品作相应的物 理-化学处理（活化）。矿物材料按上述工艺进行物理一化学活化时，伴随力学化学过程而发生的最主要作用是： 由于化合链的断开产生顺磁中心（自由基）以及磨碎过程中形成的矿料表面层结构的变化。自由基具有非常大的活性。易与其他物质的普通分子起化学反应表面层结构的变化也促进初生表面反应能力的提高。研究表明，预先物理-化学活化作用能从根本上改变矿料和用它拌制的沥青混合料的性质。矿粉的活化工艺是考虑用它使沥青能在矿料上形成高度结聚的沥青最初接触层，它会改变矿粉和用它拌制的沥青混合抖的性质。为使沥青容易分布和

47、提高矿料的磨细和用沥青活化处 理的效果，可以掺入适量的表面活性物质活化矿粉对沥青混凝土性质的影响表现在以下几个方面：加强沥青与矿粉的结构分散作 用；提高沥青混凝土的密实度、降低透水性；延缓沥青混凝上的老化过程，提高抗水性和抗 冻性，因而从本质上改善沥青混凝土的耐久性这一最重要的使用性质。砂子的活化工艺是考虑用适当的活化剂来改变颗粒表面的性质。活化剂与初生表面接触， 也是产生良好相互作用的条件。改善石英砂性质的一种最有效的方法，是在砂粒新表面裸露的状况下，对它进行物理-化学活化处理，研究表明，熟石灰可用来作为活化剂，它能与石英砂的初生表面相互作用而使 砂粒改性，新表面强烈地吸附熟石灰，此时产生的

48、链合是最强的。这种改性处理根本改变了颗粒表面的吸附性质和颗粒与沥青相互作用的状况。应指出的 是，这里谈到的并不是砂的细磨，而只是使用机械力击出颗粒的新表面、并使它容易与活化 剂接触。颗粒的表面改性后，砂子变为沥青混凝土结构形成的活性组分。在变了性的砂粒表面上发 生强烈的结构形成过程。加强了砂与沥青的接触，从而增强了沥青混凝上的结构强度。试验表明，在磨碎过程中，硅砂与石灰相互作用，在砂粒表面能形成活性的含水硅酸钙， 用沥青处治时，在砂粒的活化表面上形成钙皂。使沥青吸附层得到加强。根据上述变了性的砂粒表面对沥青产生很大影响的机理，可以认为，含活化砂的沥青混凝土中，可以使用阴离子表面活性物质浓缩的沥

49、青来促进结构形成过程。实践证明，用活化砂拌制的沥青混凝土，具有很高的强度、耐热性、抗水性和抗冻性。由 于这种沥青混凝上的强度较高，因此可以少许降低沥青的粘稠度，以提高其低温抗裂性能。试验表明：碎石初生表面的形成，可以在水电破碎过程中进行，由于在液体中发生高压的 火花放电，液体中产生冲击波和空蚀过程，这种现象属于“水电效应”概念。破碎岩石是利 用这种效应的一个可能的领域，这种破碎方法的特点是：可以得到立方体的碎石；完全没有 粉尘；水电破碎机磨损小；可以控制碎石的级配在一定围等。破碎过程有可能用有机结合料处理所形成的产品，或使该过程与其物理-化学活化结合在 一起进行，在这种情况下，应更换进行破碎过

50、程所用的液相一一用沥青乳浊液、表面活性物 质的水溶液来取代水。使用沥青乳液作为液相，能立即得到黑色碎石。当使用表面活性物质的水溶液时，能有效地使矿质颗粒表面改性，使初生表面固有的高度化学活性会得到最大限度的利用。试验表明，在水电破碎过程中，用沥青处理的材料，比一般条件下用乳液处理的同样材料, 粘结力要大得多。活化材料的采用，提供了强化沥青混合料结构形成过程的可能性。此时，可使一部分沥青 用于矿料的预先处理，而另一些沥青用来拌制沥青混合料。许多场合（特别是温、冷沥青混 凝土混合料）适宜于米用粘稠度较高的沥青来活化矿粉，而用粘稠度较低的沥青来拌制沥青 混凝土混合料，在使用乳化沥青拌制的沥青混凝土中，活化矿料所起的结构形成作用，起着 重要的作用。