土木工程材料___瀝青及瀝青混合料

1、第十章 瀝青及瀝青混合料課題引入：在工程實際中我們經(jīng)常會遇到因瀝青的技術性質掌握不當或瀝青混合料配比設計性能不符合要求導致路面破壞的案例。例如：我們?？煽吹揭环N現(xiàn)象，以相同瀝青混合料鋪筑的道路，多雨、地下水較多的地段往往損壞更快、更嚴重。水是如何損害瀝青混凝土路面的？首先水的滲入使瀝青粘附性減少，導致瀝青混合料的強度和勁度減小。此外，水可進入瀝青薄膜與集料之間，阻斷瀝青與集 料表面的相互粘結，集料表面對水的吸附比瀝青強，從而使瀝青與集料表面接觸角減小，瀝青從集料表面剝落造成的。在交通高速發(fā)展的今天，車轍和水損害已成為一些地區(qū)瀝青路面的主要破壞形式，占到了瀝青路面產(chǎn)生病害類型的70%以上。如何能

2、得到符合質量要求具有良好的綜合路用性能的瀝青混合料路面呢，這就要求我們通過實例的分析要掌握瀝青材料和瀝青混合料的組分、技術性質、性能要求及其應用.（見圖10-1、10-2）圖10-1高速公路瀝青路面 圖10-2瀝青防水卷材第十章 瀝青及瀝青混合料本章主要內容本章主要內容一、一、瀝瀝 青青 材材 料料u石油瀝青的組成和結構石油瀝青的組成和結構u石油瀝青的技術性質石油瀝青的技術性質u瀝青膠結料評價方法瀝青膠結料評價方法u其他瀝青其他瀝青本章主要內容本章主要內容二、瀝青混合料二、瀝青混合料u瀝青混合料的分類瀝青混合料的分類 u瀝青混合料組成結構瀝青混合料組成結構u瀝青混合料的技術性質瀝青混合料的技術

3、性質 u瀝青混合料的配合比設計瀝青混合料的配合比設計 瀝青材料是由一些極其復雜的高分子碳氫化合物及其瀝青材料是由一些極其復雜的高分子碳氫化合物及其非金屬非金屬( (氧、硫、氮氧、硫、氮) )衍生物；組成的混合物。瀝青在衍生物；組成的混合物。瀝青在常溫下呈黑色或黑褐色的固體、半固體或液體。在土木常溫下呈黑色或黑褐色的固體、半固體或液體。在土木工程中主要用于道路工程工程中主要用于道路工程 、土木工程的防水、防滲、土木工程的防水、防滲、防潮防潮 、防腐工程等。（見圖、防腐工程等。（見圖10-310-3、10-410-4） 第十章 瀝青及瀝青混合料第一節(jié) 瀝 青 材 料一、石油瀝青的組成和結構（一)石

4、油瀝青的分類第十章 瀝青及瀝青混合料圖10-3瀝青防水卷材施工 圖10-4水庫的瀝青混凝土防滲護面圖10-5瀝青的分類1.不同基屬原油煉制的石油瀝青分 第十章 瀝青及瀝青混合料石蠟基瀝青 環(huán)烷基瀝青 中間基瀝青 注意：蠟是瀝青中的有害成分,會給高含蠟量瀝青制備的路用瀝青混合料路用性能帶來不良的影響。油分中含蠟,故在組分分析時應用瀝青含蠟量測定儀將油蠟分離。 2.瀝青常溫下的稠度分類 根據(jù)用途的不同，要求石油瀝青具有不同的稠度，一般可分為粘稠瀝青和液體瀝青兩大類。粘稠瀝青在常溫下 又分為半固體或固體狀態(tài)。液體瀝青在常溫下多呈粘稠液體或液體狀態(tài).(二)石油瀝青的組分 我國現(xiàn)行公路工程瀝青及瀝青混合

5、料試驗規(guī)程(JTJ 052-2000 T 0617-0617-93)中規(guī)定有三組分和四組分兩種分析法。第十章 瀝青及瀝青混合料1.三組分分析方法油分樹脂瀝青質 第十章 瀝青及瀝青混合料2.四組分分析方法飽和分芳香分膠質瀝青質 注意：我國建筑行業(yè)多用瀝青三組分分析法，其最大優(yōu)點是組分界限明確，但三組分分析法流程復雜、分析時間長；交通行業(yè)更多采用瀝青四組分分析法.(三)石油瀝青的膠體結構 絕大多數(shù)瀝青是以瀝青質為核心，吸附膠質形成的膠團作為分散相，分散在飽和分與芳香分的分散介質中，呈第十章 瀝青及瀝青混合料膠體結構。 1.膠體結構的分類 根據(jù)瀝青中各組分的化學組成和相對含量的不同，瀝青可分為溶膠型

6、、凝膠型和溶一凝膠型三種膠體結構類型 a）溶膠型結構 b) 溶-凝膠型結構 c) 凝膠型結構圖10-6瀝青膠體結構類型第十章 瀝青及瀝青混合料注意：溶膠型瀝青粘性小而流動性大，溫度穩(wěn)定性較差在道路工程中很少采用，多為建筑瀝青。修筑現(xiàn)代高等級公路路面的瀝青，都應屬于溶膠凝膠型瀝青. 2.膠體結構的判定 通常采用針入度指數(shù)法根據(jù)針人度指數(shù)PI值來判定瀝青膠體結構（見圖10-7） +2 凝膠 圖10-7路面開裂 第十章 瀝青及瀝青混合料二、石油瀝青的技術性質（一)物理性質1.密度 定義：密度是指單位體積物質的質量 單位為tm3或gcm3 2.體膨脹系數(shù) 意義：瀝青體膨脹系數(shù)是瀝青儲罐設計、瀝青用作填

7、縫或密封材料時十分重要的計算數(shù)據(jù)。 公式：第十章 瀝青及瀝青混合料注意：體膨脹系數(shù)大，瀝青路面在夏季易泛油，冬季易因收縮而產(chǎn)生裂縫。（二)瀝青的路用性能1.黏滯性 定義：瀝青材料在外力作用下瀝青粒子產(chǎn)生相互位移的抵抗剪切變形的能力。 測定方法：一類為“絕對粘度法”，另一類為“相對粘度”法，實際應用上多測定瀝青的相對粘度。21112TTDDDATTT第十章 瀝青及瀝青混合料 測定液體石油瀝青、煤瀝青和乳化瀝青等的黏度，采用標準黏度計法。 該法試驗條件表示為CT，d，其中C表示黏度，T表示試驗溫度，d為流孔直徑。相同溫度和相同流孔條件下，流出時間越長、即CT，d越大，表示瀝青黏度越大。（見圖10-

8、8） 圖10-8標準粘度計測定液體瀝青示意圖 1.瀝青試樣；2.活動球桿；3.流孔；4-水第十章 瀝青及瀝青混合料 針入度法 ：是國際上普遍采用的測定黏稠瀝青稠度的一種方法. 圖10-9 瀝青針度 測定儀試驗條件表示為P(T,m,t)其中P為針入度，其中T為試驗溫度，m為標準針(包括連桿及砝碼)的質量，t為貫入時間.針入度值越大，表示瀝青越軟，即稠度越小。我國液體瀝青采用黏度來劃分技術等級。（見圖10-9） 第十章 瀝青及瀝青混合料 軟化點 ：我國現(xiàn)行試驗法(T 0604-93)是采用環(huán)與球法軟化點測定瀝青在固、液態(tài)轉變的固化點或液化點.（見圖10-10）軟化點既是反映瀝青穩(wěn)定性的一個指標,也

9、是反映瀝青條件黏度的一個指標。圖10-10瀝青軟化點 試驗示意圖2.延性 定義 ：當其受到外力的拉伸作用時，所能承受的塑性變形的總能力.用延度作為條件延性指標來表征。 公路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTG F40-2004)規(guī)第十章 瀝青及瀝青混合料 定，A、B級瀝青采用10延度，C級瀝采用l5 延度評定瀝青的低溫塑性指標。（見圖10-11） 圖10-11瀝青延度試驗示意圖3.低溫性能 瀝青的低溫延性與低溫脆性是重要的性能，多以瀝青的低溫延度和脆點試驗來表征。 脆點試驗：脆點是測量瀝青在低溫不引起破壞時的溫度，即達到臨界硬度時發(fā)生脆裂的溫度。（見圖10-12、10-13）第十章 瀝青及瀝青混合料

10、彎曲梁流變試驗：通過試驗獲得兩個評價指標 ，蠕變勁度模量和勁度變化率，要求不小于0.3。（見圖10-14、10-15） 直接拉伸試驗：測試瀝青在低溫時的極限拉伸應變。試驗溫度為036，瀝青呈脆性特征。 （見圖10-16 、10-17） 試樣截面積最大荷載應力 )27Lmmf有效標準長度（）長度變化（伸長應變 公式：第十章 瀝青及瀝青混合料圖10-12弗拉斯脆點儀(尺寸單位：mm) 1.外筒；2.夾鉗；3.硬塑料管；4.真空玻璃管； 5.試樣管； 6.橡膠管；圖10-13彎曲器(尺寸單位：mm )第十章 瀝青及瀝青混合料7.橡膠管；8.通冷卻液管道；9.橡膠管；10.溫度計；11.搖把圖10-1

11、4彎曲梁流變試驗模式示意圖 圖10-15蠕變勁度與時間關系示意圖第十章 瀝青及瀝青混合料圖10-16直接拉伸試驗示意圖 圖10-17破壞應變與應力關系直接拉伸試驗示意圖 4.瀝青的感溫性 感溫性的評價指標：針入度指數(shù)(PI)和針人度一溫度指數(shù)(PTI)。工程中用于評價瀝青感溫性的常用指標還有針入度-黏度指數(shù)(PVN)、黏-溫指數(shù)(VTS)、黏度第十章 瀝青及瀝青混合料-溫度指數(shù)(VTN)、瀝青等級指數(shù)(CI)等。 感溫性評價指標的工程應用：PI、PVN、VTS、CI等指標越大越好。這些指標越大，表明瀝青對溫度變化不敏感，感溫性低。5.瀝青的粘附性 工程意義：瀝青的黏附性不強，易從集料表面剝落，

12、造成瀝青路面的水損害性坑洞，見圖10-18。 改進措施：其一，采用堿性集料；其二，摻抗剝落劑。 評價方法：Dmax132mm者采用水煮法；Dmaxl3.2mm者采用水浸法。第十章 瀝青及瀝青混合料圖10-18瀝青與集料黏附性不良 圖10-19水煮法評定瀝青黏附性的示意圖a)瀝青黏附性好 b)瀝青黏附性差 圖10-20水煮法試驗后試樣第十章 瀝青及瀝青混合料圖10-18瀝青與集料黏附性不良 圖10-19水煮法評定瀝青黏附性的示意圖a)瀝青黏附性好 b)瀝青黏附性差 圖10-20水煮法試驗后試樣第十章 瀝青及瀝青混合料6.瀝青的耐久性 老化現(xiàn)象：瀝青的性質將隨著時問的推移而發(fā)生變化，瀝青老化和路面

13、達到使用壽命、荷載過大等因素均會導致瀝青路面網(wǎng)裂 。（見圖10-21）圖10-21瀝青老化導致路面網(wǎng)裂 第十章 瀝青及瀝青混合料 老化現(xiàn)象：瀝青老化的誘因主要包括熱老化、光(紫外線)老化和氧老化三方面。 7.安全性 用來評價瀝青施工安全性的指標主要有兩項：其一，閃點，定義為加熱瀝青初次閃火的溫度（）；其二，燃點，定義為加熱瀝青能持續(xù)燃燒5s以上的溫度（）。 瀝青的閃點和燃點之間相差10左右。瀝青閃點和燃點通常采用克利夫蘭開口杯(簡稱COC)法或泰格式開口杯(簡稱T0C)法測定，前者適用于黏稠瀝青、后者適用于液體瀝青。 第十章 瀝青及瀝青混合料三、瀝青膠結料評價方法(一)道路石油瀝青的評價方法1

14、.我國現(xiàn)行道路石油瀝青指標體系是采用針入度分級，以瀝青的針入度、軟化、延度三大指標為核心的經(jīng)驗性指標體系。2.我國與道路石油瀝青相關的現(xiàn)行技術標準主要包括：道路石油瀝青(SHT 0522 2000)、公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTJ 052-2000)、公路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTG F40-2004)。第十章 瀝青及瀝青混合料(二)建筑石油瀝青的評價方法 與道路石油瀝青相比，建筑石油瀝青針人度較小(黏性較大)、軟化點較高(耐熱性較好)、延度較小(塑性較小) 四、其他瀝青(一)改性瀝青方法當前我國改性瀝青用量大的原因主要在于兩個方面：其一，路面要求提高；其二，建設投資充足。1.常用改

15、性瀝青第十章 瀝青及瀝青混合料 聚合物改性瀝青 ：基質瀝青中摻加高分子聚合物來改善基質瀝青的技術性能。按所摻加高分子聚合物類型的不同，分為樹脂和橡膠兩大類。 改性瀝青的性能與選用注意：PE、EVA類主要改善瀝青的高溫性能，在我國多用于南方高溫地區(qū)；SBR類可改善瀝青的低溫性能，在我國多用于北方寒冷地區(qū)或加工成改性乳化瀝青用于微表處；SBS類我國南、北方地區(qū)均可用；A型主要用于寒冷地區(qū)；C型、D型則主要用于高溫、重載地區(qū)。第十章 瀝青及瀝青混合料2.乳化瀝青 乳化瀝青得到廣泛的應用。不僅可用于路面的維修與養(yǎng)護，而且可用于鋪筑表面處治、貫入式、瀝青碎石、乳化瀝青混凝土等各種結構形式的路面，還可用于

16、舊瀝青路面的冷再生，防塵處理。 乳化瀝青的組成材料：乳化瀝青由瀝青水和乳化劑組成，可加入少量添加劑。 乳化劑的分類 ：陰離子型乳化劑較為便宜；微表處多用性能較好的陽離子乳化劑，其最大優(yōu)點在于與石子的黏附性好。 3.煤瀝青煤瀝青是由煤干餾的產(chǎn)品煤焦油經(jīng)再加工獲得的，煤焦油分為高溫焦油和低溫焦油兩類 。（見圖10-22）第十章 瀝青及瀝青混合料圖10-22煤瀝青 第十章 瀝青及瀝青混合料工程中鑒別煤瀝青與石油瀝青的最簡單方法是將其加熱，石油瀝青有松香味、而煤瀝青則為刺鼻臭味。第二節(jié) 瀝 青 混 合 材 料瀝青混合料是礦質混合料(簡稱礦料)與瀝青結合料經(jīng)拌制而成的混合料的總稱，瀝青混合料經(jīng)攤鋪、壓實

17、成型后成為瀝青路面。我國在建或已建的高速公路路面有90以上采用半剛性基層瀝青路面。一、瀝青混合料的分類 瀝青混合料的分類方法取決于礦質混合料的級配、集料的最大粒徑、壓實空隙率和瀝青品種等。第十章 瀝青及瀝青混合料（一）按礦料級配類型分類 根據(jù)瀝青混合料所用礦料級配類型的不同，其可分為連續(xù)級配瀝青混合料和間斷級配瀝青混合料兩類。（二）按礦料空隙率分類 根據(jù)瀝青混合料所用礦料壓實空隙率或密實度的不同，其可分為密級配瀝青混合料、半開級配瀝青混合料、開級配瀝青混合料三類。 目前連續(xù)型密級配瀝青混合料在我國應用最多。（三）按礦料公稱最大粒徑分類 集料的最大粒徑是指通過百分率為100%的最小標準篩篩孔尺寸

18、，集料的公稱最大粒徑是指全部通過或允許少量不通過(一般容許篩余量不超過l0%)的最小一級標第十章 瀝青及瀝青混合料準篩篩孔尺寸，通常比最大粒徑小一個粒級。 根據(jù)集料的公稱最大粒徑，瀝青混合料分為特粗式、粗粒式、中粒式、細粒式和砂粒式。二、瀝青混合料組成結構（一）瀝青混合料的結構類型瀝青混合料主要是由瀝青黏結礦料形成的，材料與級配的不同使得瀝青混合料具有不同的組成結構，主要包括三種結構，即懸浮-密實結構、骨架-空隙結構、骨架-密實結構。（見圖10-23）第十章 瀝青及瀝青混合料a)懸浮-密實結構 b)骨架-空隙結構 c)骨架-密實結構圖10-23瀝青混合料的典型組成結構 懸浮-密實結構 ：瀝青混

19、合料的密實度和強度高，水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐久性等均較好；高溫穩(wěn)定性較差。 骨架-空隙結構 ：具有良好的排水、降噪效果（圖10-24）。第十章 瀝青及瀝青混合料 骨架-密實結構：構造深度深、抗滑性好(圖10-25)，特別適用于高等級路面的上面層。圖10-24透水路段(前方)與不透水路段(后方)雨后效果對比圖10-25SMA混合料的骨架一密實結構（二）瀝青混合料的強度及其影響因素第十章 瀝青及瀝青混合料 瀝青混合料其強度主要來源于兩方面：其一，瀝青膠結料及其與礦料之間的黏聚力；其二，礦質顆粒之問的內摩阻力和嵌擠力。 影響瀝青混合料強度的因素包括瀝青黏度的影響和瀝青用量的影響兩方面；礦料級配及礦

20、料顆粒粒徑及表面特征的影響；瀝青與礦料界面的影響.見圖10-26三、瀝青混合料的技術性質 瀝青混合料作為瀝青路面的面層材料，應具有足夠的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗老化性、抗滑性等技術性能，以保證瀝青路面優(yōu)良的服務性能，經(jīng)久耐用。 第十章 瀝青及瀝青混合料圖10-26瀝青與礦粉交互作用示意圖（一）高溫穩(wěn)定性1.瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不良的主要破壞形式有泛油、推移、擁包、搓板、車轍（見圖10-27）等。第十章 瀝青及瀝青混合料a)荷載作用前 b)荷載作用后圖10-27瀝青路面車轍的形成2.影響高溫穩(wěn)定性的主要因素 瀝青的高溫粘度越大，與集料的粘附性越好，瀝青混合料的抗高溫變形能力就越高，對

21、于細粒式和中粒式密級配瀝青混合料，適當減少瀝青用量有利于抗車轍能力的提高，第十章 瀝青及瀝青混合料 對于粗粒式或開級配瀝青混合料，不能簡單地靠采用減少瀝青用量來提高抗車轍能力。 （二）瀝青混合料的低溫抗裂性1.瀝青路面的常見裂縫包括低溫收縮裂縫和荷載疲勞裂縫兩類。見圖 (圖10-28)及(圖10-29)。這兩種裂縫單從路表難以區(qū)分，需路面取芯后方可區(qū)別。 2.影響瀝青混合料低溫性能的主要因素 影響瀝青混合料的低溫勁度的最主要因素是瀝青的低溫勁度，瀝青粘度和溫度敏感性是決定瀝青勁度的主要指標。 第十章 瀝青及瀝青混合料圖10-28瀝青路面低溫收縮裂縫 圖10-29瀝青路面荷載疲勞裂縫(三)瀝青混

22、合料的耐久性耐久性包括瀝青混合料的抗老化性、水穩(wěn)定性、抗疲勞性等綜合性質。 1.水穩(wěn)定性第十章 瀝青及瀝青混合料 瀝青混合料的水穩(wěn)定性評價方法：瀝青與集料黏附性試驗、浸水試驗、凍融劈裂強度試驗等。 瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響因素：其一，瀝青路面的壓實空隙率過大導致瀝青混合料透水性大、強度降低；其二，瀝青用量不足導致瀝青混合料水穩(wěn)定性降低；其三，瀝青與集料的黏附性不足，從而導致剝落與松散。（見圖10-30）2.抗老化性 瀝青混合料老化取決于瀝青的老化程度，與外界環(huán)境因素和壓實空隙率有關。第十章 瀝青及瀝青混合料 圖10-30瀝青路面水穩(wěn)定性坑槽(四)瀝青混合料的抗疲勞性 定義：瀝青混合料出現(xiàn)疲勞破

23、壞的重復應力值稱作疲勞強度。（見圖10-31） 瀝青混合料的疲勞試驗可分為四類：實際路面在真實汽車荷載下的疲勞試驗，足尺路面結構在模擬汽車荷載作用下的疲第十章 瀝青及瀝青混合料勞試驗，試板試驗，試驗室小型試件疲勞試驗。 圖10-31瀝青路面疲勞破壞(五)瀝青混合料的表面抗滑性 瀝青混合料表面抗滑性的影響因素：其一，瀝青路面的微觀構造，用集料抗磨光值表征；其二，瀝青路面的宏觀構造，用壓實后路表構造深度表征.（見圖10-32）第十章 瀝青及瀝青混合料 瀝青混合料表面抗滑性的評價方法：其一，鋪砂法，測定的是宏觀構造深度 ；其二，擺式摩阻儀法；其三，集料磨光值法。圖10-32瀝青混合料表面抗滑性不良

24、(六)瀝青混合料施工和易性第十章 瀝青及瀝青混合料 瀝青混合料應具備良好的施工和易性，是保證瀝青路面使用質量的必要條件。目前尚無直接評價瀝青混合料施工和易性的方法和指標，一般是通過合理選擇組成材料、控制施工條件等措施來保證瀝青混合料的質量。 組成材料的影響：粗細集料的顆粒尺寸相差過大，缺乏中間尺寸顆粒，瀝青混合料容易離析。若細集料太少，瀝青層不易均勻地分布在粗顆粒表面；細集料過多，則使拌和困難。瀝青用量過少，或礦粉用量過多時，混合料容易產(chǎn)生疏松且不易壓實；反之，瀝青用量過多，或礦粉質量不好，則易使混合料粘結成團塊，不易攤鋪。第十章 瀝青及瀝青混合料 瀝青用量與黏度：瀝青混合料的拌和與壓實溫度及瀝青粘度有關，應根據(jù)瀝青粘度與溫度的關系曲線確定四、瀝青混合料的配合比設計 瀝青混合料配合比設計的內容是確定粗集料、細集料、礦粉和瀝青材料相互配合的最佳組成比例，使之既能滿足瀝青混合料的技術要求又符合經(jīng)濟性的原則。 （一）瀝青混合料配合比設計階段 試驗室配合比設計：主要包括礦質混合料組成設計和瀝青用量確定兩大核心內容。第十章 瀝青及瀝青混合料 生產(chǎn)配合比設計：利用實際施工的拌和機進行試拌以確定施工配合比。 生產(chǎn)配合比驗證階段：按照規(guī)范規(guī)定的試驗段鋪設要求進行各種試驗（馬歇爾試驗、車轍試驗、浸水馬歇爾試驗 ）當全部滿足要求時，便可進入正常生產(chǎn)階段。（二）瀝青混合料配合