土木工程材料 沥青和沥青混合料

第七章 沥青及沥青混合料
第一节 沥青材料
沥青是高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的极其 复杂的混合物，在常温下呈黑色或黑褐色的固体、半固体或 液体，能溶于多种有机溶剂，如汽油、煤油、柴油等。
沥青按产源分为地沥青（包括天然沥青和石油沥青）和 焦油沥青（包括煤沥青和页岩沥青）。土木工程中常用的主 要是石油沥青。根据石油沥青的生产加工工艺不同，可分别 制得直馏沥青、蒸馏沥青、氧化沥青、裂化沥青、溶剂沥青 等。
一、沥青混合料的定义和分类
（一）沥青混合料的定义
根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F402004）的有关定义，沥青混合料是指由矿料与沥青结合 料拌合而成的混合料总称。其中沥青结合料是指在沥青 混合料中起胶结作用的沥青类材料（含添加的外掺剂、 改性剂等）的总称。
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（二）沥青混合料的分类
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（四）沥青基制品
1．冷底子油
冷底子油是用建筑石油沥青加入汽油、煤油、苯等溶 剂（稀释剂）溶合，或用软化点为50℃～70℃的煤沥青加 入苯溶合而配成的沥青涂料。
冷低子油常用30%～40%的石油沥青和60%～70%的 溶剂（汽油或煤油）混合而成，施工时随用随配，首先将 沥青加热至108℃～200℃，脱水后冷却至130℃～140℃， 并加入溶剂量10%的煤油，待温度降至约70℃时，再加入 余下的溶剂搅拌均匀为止。储存时应采用密闭容器，以防 溶剂挥发。
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6．施工安全性
为获得良好的施工和易性，在使用粘稠沥青时必须 加热，但是当加热达到一定温度时，石油沥青中的油分 就会挥发。若加热达到较高的温度，这些挥发油分与空 气混合后的气体就可能燃烧。其过程是首先出现混合气 体产生闪火现象，此后若继续加热，随着混合气体中油 分蒸汽饱和度的增加，混合气体则开始燃烧，从而引发 火灾。
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（三）乳化沥青
石油沥青与水在乳化剂、稳定剂等的作用下经乳化加 工制得的均匀沥青产品，称乳化沥青，也称沥青乳液。
乳化沥青的主要优点有：冷态施工，节约能源；施工 便利，节约沥青；保护环境，保障健康；提高道路质量。
乳化沥青的贮存期不宜过长（一般不超过三个月）， 否则容易引起凝聚分层而变质。贮存温度不得低于0℃， 不宜在0℃以下施工，以免水分结冰而破坏防水层；也不 宜在夏季烈日下施工，因水分蒸发过快，乳化沥青结膜快， 会导致膜内水分蒸发不出而产生气泡。
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一、石油沥青的组分
（一）三组分分析法
1．油分
在石油沥青中的含量为45%～60%，赋予沥青流动性。
2．树脂
在石油沥青中的含量为15%～30%，它赋予沥青塑性和 粘结性。
3．地沥青质
在石油沥青中的含量约为5%～30%，决定沥青的粘结 力、粘度和温度稳定性，以及沥青的硬度和软化点等.
石油沥青的延展性通常用延度表示。 石油沥青的延展性与其组分有关。石油沥青中树脂含量较 多，而其他组分含量又适当时，则沥青延展性较大。当沥青 化学组分不协调，胶体结构不均匀，含蜡量增加时，都会使 沥青的延度相对降低。
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4.粘附性
粘附性是指石油沥青与其他材料（主要指集料、基层等） 的界面粘结性能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ抗剥落性能。它直接影响沥青的使用质 量和耐久性，粘附性是评价沥青技术性能的一个重要指标。 粘附性不良的沥青与基层粘接不牢，很容易脱落而丧失使 用性能，并使空气或水渗透到空隙中而加快其老化。
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二、石油沥青的胶体结构
石油沥青的胶体结构是影响其性能的重要原因。 溶胶型、凝胶型及溶—凝胶型胶体结构的石油沥青示 意图下图所示。
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三、石油沥青的主要技术性质
1．粘滞性
粘滞性是反映石油沥青抵抗其本身相对变形的能 力，常表现为沥青的软硬程度或稀稠程度。
反映石油沥青粘滞性的主要技术指标是石油沥
青的粘度和针入度。液态石油沥青的粘性用粘度 表示。固态或半固态石油沥青的粘性用针入度表
示。
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2．温度敏感性
温度敏感性是指石油沥青的粘性和塑性随温度的升降 而变化的性能。变化程度越小，表示沥青的温度敏感性越 小；反之，温度敏感性越大。
石油沥青的温度敏感性常用的评价指标是软化点和针入 度指数。
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2．液体石油沥青
液体石油沥青是指在常温下呈液体状态的沥青。它 可以是油分含量较高的直馏沥青，也可以是稀释剂稀释 后的粘稠沥青。稀释剂挥发速度不同，沥青的凝结速度 也不一样。
液体石油沥青可以为快凝AL(R)、中凝AL(M)和慢凝 AL(S)三个等级。快凝液体沥青按粘度分为AL(R)-1和 AL(R)-2 两 个 标 号 ， 中 凝 和 慢 凝 液 体 沥 青 按 粘 度 分 为 AL(M)-1～AL(M)-6和AL(S)-1～AL(S)-6等各6个标号。
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二、沥青混合料的结构组成
（一）沥青混合料的结构组成理论
1.表面理论 2.胶浆理论
（二）沥青混合料的结构组成形式
1.悬浮密实结构 2.骨架空隙结构 3.骨架密实结构
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（三）沥青混合料的强度形成原理
沥青混合料在路面结构中产生破坏的情况，主要是在高温 时由于抗剪强度不足或塑性变形过剩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。目前沥青 混合料强度和稳定性理论，主要是要求沥青混合料在高温时必 须具有一定的抗剪强度和抵抗变形的能力。
石油沥青温度敏感性与地沥青质含量和蜡含量密切相关。 地沥青质增多，温度敏感性降低。沥青含蜡量多时，温度 敏感性大。工程上往往用加入滑石粉、石灰石粉或其他矿 物填料的方法来减小沥青的温度敏感性。
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3．延展性（塑性）
石油沥青的延展性又称为塑性，是指石油沥青在外力作用 时产生变形而不破坏，除去外力后，则仍保持变形后形状的 性质。
为了防止沥青路面产生高温剪切破坏，我国城市道路沥青 路面设计方法中，对沥青路面抗剪强度验算，要求在沥青路面 面层破裂面上可能产生的应力不大于沥青混合料的许用剪应力。
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三、沥青混合料的组成材料
1.沥青
沥青在混合料压实过程中犹如润滑剂，将各种矿料组成的稳 定骨架胶结在一起，经压实后形成的沥青混凝土具有一定的强 度和所需的多种优良品质。
1．按矿质混合料的级配组成分类
（1）连续密级配沥青混凝土混合料 （2）连续半开级配沥青混合料 （3）开级配沥青混合料 （4）间断级配沥青混合料
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2．按照矿料的最大粒径分类
根据集料的公称最大粒径,沥青混合料分为特粗式、粗粒 式、中粒式、细粒式和砂粒式。
3．按施工温度分类
（1）热拌热铺沥青混合料 （2）常温沥青混合料
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5.矿物填充料改性沥青
为了提高沥青的粘结能力和耐热性，降低沥青的温度敏 感性，经常要加入一定数量的矿物填充料。常用的矿物填充 料大多是粉状的和纤维状的，主要的有滑石粉、石灰石粉、 硅藻土和石棉等。矿物改性沥青的机理为：沥青中掺加矿物 填充料后，由于沥青对矿物填充料有良好的润湿和吸附作用， 在矿物颗粒表面形成一层稳定、牢固的沥青薄膜，带有沥青 薄膜的矿物颗粒具有良好的粘性和耐热性。矿物填充料的掺 入量要适当，以形成恰当的沥青薄膜层。
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五、沥青的掺配、改性及主要制品
（一）沥青的掺配
掺配时要注意遵循同源原则，即同属石油沥青或同 属煤沥青(或焦油沥青)的才可掺配。不同沥青掺配比例 应由试验决定，两种沥青的掺配比例也可用下式估算：
Q1
T2 T2
-T - T1
100%
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（二）改性沥青
1．氧化沥青
氧化改性是在250℃～300℃高温下，向残留沥青或渣油 中吹入空气，通过氧化作用和聚合作用，使沥青分子变大， 提高沥青的粘度和软化点，从而改善沥青的性能。
2.橡胶改性沥青
橡胶是沥青常用的橡胶改性材料有氯丁橡胶、再生橡胶、 热塑性丁苯橡胶（SBS）等。橡胶和沥青有很好的共混性， 并能使石油沥青兼具橡胶的很多优点。橡胶改性沥青克服了 传统沥青材料热淌冷脆的缺点，提高了沥青材料的强度和耐 老化性。
粘附性等级共分5个等级，5级最好，1级最差。
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5．大气稳定性
大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿 等因素的长时期综合作用下抵抗老化的性能。
大气稳定性的评定方法是利用沥青试样在加热蒸发 前后的“蒸发损失百分率”、“蒸发后针入度比”或 “老化后延度”来评定。石油沥青经蒸发后的质量损失 百分率越小，蒸发后针入度比和延度越大，表明其抗老 化性能愈强，大气稳定性愈好。
闪点和燃点是保证沥青加热质量和施工安全的一 项重要指标。
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四、石油沥青的技术要求与选用
（一）建筑石油沥青的技术要求与选用
建筑石油沥青按针入度指标划分为40号、30号和10 号三个标号。
建筑石油沥青针入度较小（粘性较大），软化点较 高（耐热性较好），但延伸度较小（塑性较差），主要用 于屋面及地下防水、沟槽防水与防腐、工程，也可用于制 作油纸、油毡、防水涂料和沥青嵌缝油膏。
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2．沥青胶
沥青胶是用沥青材料加入矿质填充料均匀混合制 成。
沥青胶主要用于粘贴各层石油沥青油毡、涂刷面 层油、嵌缝、接头、补漏以及做防水层的底层等，它 与水泥砂浆或混凝土都具有良好的粘结性。
沥青胶的配置和使用方法分为热用和冷用两种。
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第二节 沥青混合料
2.粗集料
热拌沥青混合料用的粗集料包括碎石、破碎砾石、钢渣、矿 渣等。高速公路和一级公路对粗集料磨光值和集料与沥青的粘 附性有所要求，以确保路面不出现磨光和剥落。若粘附性不符 合要求时，可对集料掺入消石灰、水泥或石灰水处理或掺加耐 水耐热和长期性能好的抗剥落剂。
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3.细集料
沥青路面的细集料包括天然砂、机制砂和石屑。它应洁 净干燥、无杂质并有适当颗粒级配，并且与沥青具有良好的 粘结力。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，采用花岗岩、石英岩等酸性石料轧制的砂 或石屑，因与沥青的粘结性较差，不宜用于高等级公路。
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沥青是土木工程中常用的有机胶凝材料，广泛用于 防水、防潮、防腐工程以及各种类别的道路工程。目前 常用于土木工程防水材料和道路沥青混合料的是石油沥 青。
采用石油沥青作胶结料的沥青混合料是公路路面、 机场道面结构的一种主要材料，也可用于建筑防水或堤 坝防渗。它具有良好的力学性能、一定的高温稳定性和 低温柔韧性，用作路面具有抗滑性好、噪音小、行车平 稳等优点。
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3.树脂改性沥青
在沥青中掺入适量的树脂改性材料后，可以改善沥青的耐寒性、 耐热性、粘结性和抗老化性。但树脂和石油沥青的相容性较差，而 且可利用的树脂品种也较少，常用的树脂改性材料有古马隆树脂、 聚乙烯、聚丙烯等。
4.橡胶和树脂改性沥青
在沥青材料中同时掺入橡胶和树脂，使沥青同时具有橡胶和树 脂的特性。且树脂比橡胶便宜，橡胶和树脂又有较好的混溶性，故 改性效果较好。常用的有氯化聚乙烯-橡胶共混改性沥青、聚氯乙烯 -橡胶共混改性沥青等。
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（二）道路石油沥青的技术要求与选用
1．粘稠石油沥青
粘稠沥青分为160号、130号、110号、90号、70号、 50号、30号等7个标号。道路石油沥青等级划分除了根 据针入度的大小划分外，还要以沥青路面使用的气候条 件为依据，在同一气候分区内根据道路等级和交通特点 再将沥青划分为1～3个不同的针入度等级；同时，按照 技术指标将沥青分为A、B、C三个等级，分别适用于不 同范围工程，由A至C，质量级别逐渐降低。
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（二）四组分分析法
四组分分析法是将石油沥青分离为沥青质(At)、饱和分 (S)、芳香分(A)和胶质(R)四种组分，并分别研究不同组分的 特性及其对沥青工程性质的影响。
沥青各组分相对含量的多少决定了沥青的性能。若饱和分 适量，且芳香分含量较高时，沥青通常表现为较强的可塑性与 稳定性；当饱和分含量较高时，沥青抵抗变形的能力就较差， 虽然具有较高的可塑性，但在某些环境条件下稳定性较差；随 着沥青中胶质和沥青质的增加，沥青的稳定性越来越好，但其 施工时的可塑性却越来越差。