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1、沥青混合料的技术性质及其分类讲解,第一节 沥青混合料的技术性质,一、概述 1.沥青路面的分类和优缺点 （1）沥青路面：所有以沥青结合料来粘结矿料铺筑而成的不同路面结构，均为沥青路面。 （2）沥青路面分类：主要有沥青表面处治、沥青贯入式、沥青碎石、沥青混凝土等路面结构形式。,沥青表处和沥青贯入式 属于次高级路面，矿料级配没有严格要求，一般以现场进行矿料摊铺并洒热沥青后进行碾压成型的。,沥青碎石 属于次高级路面，有厂拌和路拌之分，前者质量与性能稳定。沥青碎石中矿料级配有一定要求，但没有沥青混凝土的严格，其中没有或较少使用矿粉，孔隙率较大。,沥青混凝土组成特点是：级配要求严格、使用矿粉（填料）较多、
2、一般拌和要求严格（厂拌）。其级配有连续级配、间断级配之分，近年来沥青路面中出现了许多新的结构形式：如SMA、OGFC、SUPERPAVE等。 本课程主要介绍常规沥青混合料的性能、结构、强度特性和配合比设计等。,（3）沥青路面的优缺点,主要优点： 优良的结构力学性能和表面功能特性：一般沥青路面均具有良好的受力特性；路面平整、无裂缝或接缝、柔韧舒适、货物损失率低、噪音小等优点 表面抗滑性能好：沥青路面既平整、表面又粗糙，有一定的粗、细纹理构造，能保证车辆高速安全行驶,施工方便：沥青路面可以集中拌和（厂拌）、机械化施工（摊铺、碾压等），完全可以实现大面积施工，质量能够得以保障，开放交通早。 经济耐久
3、性好：与水泥路面相比，沥青路面一次性投资要低得多，但其使用寿命一般在高速公路和机场到面中以15年计，实际使用中只要施工质量好、养护保养及时有的可以使用20年。,便于再生利用：沥青再生利用已成为发达国家一项热门的可持续发展和能源再生利用的新型课题，我国目前也在进行这方面的研究和技术开发；可以有利于分期修建。 其它，如抗震性好、日照下不反射引起眩光、晴天无扬尘、雨后不泥泞等。,主要缺点：,沥青易老化：沥青是多组分有机材料，随着使用期的延长，沥青的胶体结构和组成成分发生变化，使沥青粘性变差、塑性降低、沥青路面易表面松散、整体性降低，从而导致结构破坏； 一般可以添加抗老化剂，如添加碳黑可以起到抗氧化的
4、作用，增强沥青的老化特性，还有其他材料如阻酚类、氨基甲酸酯类、钙盐、胺类等，但研究不成熟。,温度敏感性较差：夏季高温易流淌，高温稳定性差；低温易发脆，抗裂性能差。可采用优质沥青或采取改性措施等。,2.沥青混合料的分类,沥青混合料一般是由矿质混合料（包含粗、细集料，矿粉）和沥青组成，有时还有外加剂，其性能好坏与其组成材料有关。通常根据沥青混合料中材料的组成特性、施工的方式等沥青混合料有以下几种分类方法：,沥青 混合料,材料级配 组成及空 隙率大小分,材料组成及 结构分,制造工 艺分,公称最 大粒径分,1.特粗式沥青混合料 2.粗粒式沥青混合料 3.中粒式沥青混合料 4.细粒式沥青混合料 5.砂粒
5、式沥青混合料,1.连续级配沥青混合料 2.间断级配沥青混合料,1.密级配沥青混合料 2.半开级配沥青混合料 3.开级配沥青混合料,1.热拌沥青混合料 2.冷拌沥青混合料 3.再生沥青混合料,目前公路与城市道路路面多采用复合类的沥青混合料，如AC-16F既属于热拌沥青混合料、又属于密级配的、中粒式沥青混合料。,沥青混合料分类,1）根据矿质混合料的级配类型进行划分 矿料由适当比例的粗集料、细集料和填料组成，根据矿料级配组成的特点及压实后剩余空隙率的大小，可以将沥青混合料分为以下几类：,(1)连续密级配沥青混凝土混合料,特点：级配为连续密级配，空隙率较低。 主要代表沥青混合料有： DAC和ATB类。
6、前者设计空隙率通常为3%6%，具体应根据不同的交通类型、气候特点而定，可适用于任何面层结构；后者设计空隙率也为3%6%，但粒径为粗粒式及特粗式，一般称为密级配沥青稳定碎石混合料（ATB），主要适用于基层。,(2)连续半开级配沥青混合料,特点：空隙率较大，一般采用10左右，粗细集料含量相对密级配要多，填料较少或不加填料。 主要代表混合料：沥青碎石混合料AM，适用于三级及三级以下公路、乡村公路，此时表面应设置致密的上封层。,(3)开级配沥青混合料,特点：矿料级配主要由粗集料组成，细集料和填料较少；沥青结合料粘度要求较高。 主要代表混合料：排水式沥青磨耗层混合料OGFC，排水式沥青稳定碎石基层ATP
7、B。,(4)间断级配沥青混合料,特点：采用间断级配，即矿料级配组成中缺少一个或几个档次而形成的级配，粗集料和填料含量较多，中间集料含量较少。 代表混合料如沥青玛蹄脂SMA。,2）按矿料的最大粒径分类,沥青混合料一般按公称最大粒径的大小可分为特粗式、粗粒式、中粒式、细粒式和砂粒式，与之相对应的最大粒径和公称最大粒径见表3-1所示。,表3-1 热拌沥青混合料类型,3）根据结合料的类型分类,根据沥青混合料中所用沥青结合料的不同，可分为石油沥青混合料和煤沥青混合料，但煤沥青对环境污染严重，一般工程中很少采用煤沥青混合料。,4）根据沥青混合料拌合与铺筑温度分类,按照这种分类方法，可以将沥青混合料分为热拌
8、热铺沥青混合料和常温沥青混合料。前者主要采用粘稠石油沥青作为结合料，需要将沥青与矿料在热态下拌合、热态下摊铺碾压成型；后者则采用乳化沥青、改性乳化沥青或液体沥青在常温下与矿料拌合后铺筑而成的。,5）根据强度形成原理分类,沥青混合料的组成材料不同，其强度形成原理也不同，一般可以分为嵌挤原则和密实原则两大类。,按嵌挤原则构成的沥青混合料的结构强度主要是以矿料颗粒之间的嵌挤力和内摩阻力为主，以沥青结合料的粘结力为辅形成的，如沥青贯入式、沥青表处和沥青碎石等路面结构均属于此类。,按密实原则构成的沥青混合料则主要是以沥青与矿料之间的粘结力为主，矿料间的嵌挤力和内摩阻力为辅，一般的沥青混凝土都属于此类。,
9、二、沥青混合料的组成结构,沥青混合料主要有沥青、粗集料、细集料、矿粉填料和外加剂（如抗剥离剂、抗老化剂、聚合物改性剂等）组成。,影响混合料性能的因素：,矿料颗粒的大小和不同粒径的分布；颗粒组成的空间位置关系；沥青的分布特征和矿料颗粒表面沥青层的性质；沥青混合料空隙率的大小；空隙的分布与空隙间的连通情况；外加剂与其他材料的配伍相容性及外加剂对沥青与矿料性能的改善情况等。本部分主要讨论沥青混合料的结构形成理论和其组成结构类型。,沥青混合料的组成结构的现代理论,表面理论: 传统的表面理论认为混合料是由粗、细集料和填料组配而成的矿质骨架和沥青组成，沥青分布在矿质骨料表面，将矿质骨料胶结成具有强度的整体
10、。其中沥青的胶结作用是一个相当复杂的过程，物理吸附、化学吸附过程、选择性作用等。,所谓物理吸附是固-液界面产生的表面张力作用下，在矿料表面形成定向吸附和湿润现象，吸附的沥青没有发生任何化学变化；,化学吸附是沥青中的沥青酸及沥青酸酐与矿料表面的金属阳离子间产生的化学反应，生成了沥青酸盐，化学吸附比物理吸附产生的吸附作用更强烈，形成的沥青膜更稳定；,选择性吸附主要是由于矿料表面的微孔或毛细孔产生的吸附作用，使得沥青中的小分子如油分和树脂被吸收而使沥青质相对增多，增强了沥青的粘结力，从而使沥青与矿料作用更稳固。,胶浆理论,近代胶浆理论认为混合料是一种多级空间网状结构的分散系，如下图所示，以粗集料为分
11、散相分散在沥青砂浆中形成粗分散系，而沥青砂浆是由细集料为分散相分散到沥青胶浆中的细分散系，沥青胶浆则以填料为分散相分散在沥青介质中形成的微分散系。在这种多级分散体系中，因沥青胶浆最为基础，也最为重要，因此沥青胶浆的组成结构决定了沥青混合料的高低温变形能力。,胶浆理论主要研究矿粉的矿物组成、矿粉级配（尤其是0.075mm的成分）、沥青与矿粉间的交互作用，特别强调采用高稠度的沥青、大的沥青用量和间断级配的矿质混合料。,沥青混合料结构类型,由于材料组成分布、矿料与矿料及矿料与沥青间的相互作用、剩余空隙率的大小等不同，混合料可分为悬浮密实结构、骨架空隙结构、骨架密实结构三大类。,悬浮密实结构,该结构组
12、成的基本特点：采用连续级配，矿料颗粒连续存在，而且细集料含量较多，将较大颗粒挤开，使大颗粒不能形成骨架，而较小颗粒与沥青胶浆比较充分，将空隙填充密实，使大颗粒悬浮于较小颗粒与沥青胶浆之间，形成“悬浮-密实”结构。,代表类型：按照连续密级配原理设计的DAC型沥青混合料是典型的这种悬浮密实结构。 力学特点：大颗粒未形成骨架，内摩阻力值较小；小颗粒与沥青胶浆含量充分，粘结力C值较大。 路用性能特点：由于压实后密实度大，该类混合料水稳定性、低温抗裂性和耐久性较好；但其高温性能对沥青的品质依赖性较大，由于沥青粘度降低，往往导致混合料高温稳定性变差。,骨架空隙结构,如图3-2b所示，该结构组成的基本特点：
13、采用连续开级配，粗集料含量高，彼此相互接触形成骨架；但细集料含量很少，不能充分填充粗集料件的空隙，形成所谓的“骨架-空隙”结构。,代表类型：沥青碎石AM和开级配磨耗层沥青混合料OGFC等。 力学特点：大颗粒形成骨架，内摩阻力值较大；小颗粒与沥青胶浆含量不充分，粘结力C值较低。 路用性能特点：粗集料的骨架作用，使之高温稳定性好；由于细集料含量少，空隙未能充分填充，耐水害、抗疲劳和耐久性能较差，所以一般要求采用高粘稠沥青，以防止沥青老化和剥落,骨架密实结构,如图3-2c所示，其结构组成特点：采用间断级配，粗、细集料含量较高，中间料含量很少，使得粗集料能形成骨架，细集料和沥青胶浆又能充分填充骨架间的
14、空隙，形成“骨架-密实”结构。,代表类型：沥青玛蹄脂碎石混合料SMA。 力学性能特点：粗集料的骨架作用，内摩阻力值较大；小颗粒与沥青胶浆含量充分，粘结力C值也较大，综合力学性能较优。 路用性能特点：该类混合料高低温性能均较好，具有较强的疲劳耐久特性；但间断级配在施工拌合过程中易产生离析现象，施工质量难以保证，使得混合料很难形成“骨架-密实”结构。随着施工技术的发展，这类结构得以普遍使用，但一定防止混合料拌合生产、运输和摊铺等施工过程中防止混合料产生离析。,三、沥青混合料强度形成原理及其影响因素,路面破坏原因分析： 高温时，由于沥青混合料抗剪强度不足，引起塑性变形过大（塑性变形为不可恢复变形，随
15、着时间产生累积），使路面产生波浪、车辙、拥包与推移等高温变形破坏。 低温时，抗拉强度或抗变性能力不足，由于混合料收缩受阻产生的拉应力超过了混合料的抗拉强度，而在混合料内产生裂缝。,环境因素对沥青路面破坏产生的影响,气温下降 材料产生收缩 路面边界约束下，收缩受阻 混合料内产生拉应力 拉应力超过抗拉强度，裂缝产生 雨水渗入裂缝 引起下卧层水损坏，承载力下降,裂缝扩展,路面结构破坏。 在春融季节，水从裂缝下渗，进入路基内，使路基强度下降，而沥青路面不具有刚性，汽车在路面上行驶，是路基内的静态水变为动态水，在路基内产生冲刷，使路基内的水涌出，沥青层下陷发生翻浆现象。,疲劳破坏,疲劳破坏是在车辆反复作
16、用下引起的，路面材料和路基的疲劳作用，产生变形累积，这在路面工程中专门讲述，本课程主要讲述材料因素。 总之，沥青路面必须具备一定的抗剪切破坏的能力。,沥青路面设计中抗剪强度，抗剪强度可以用摩尔-库伦理论进行分析，即沥青混合料的结构强度由矿料之间的嵌锁力（内摩阻力）以及沥青与矿料的粘结力及沥青自身的内聚力构成，可由下式表征：,沥青混合料的抗剪强度，MPa； c 沥青混合料的结力，MPa； 沥青混合料的内摩阻力，0； 实验时的正应力，MPa。,式中：,沥青混合料的粘结力和内摩阻角可以通过三轴剪切试验确定。如图3-3所示，应力圆的公切线为摩尔-库伦应力包络线，即抗剪强度曲线，该包络线与纵轴的截距表示沥青混合料的粘结力c，与横轴的交角为沥青混合料的内摩阻角。即可求出混合料的c、值。,
