路面材料基本知识

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。
1.沥青混合料结构强度构成
（1）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。
沥 青 路 面 分 类
1-3 概述--- 沥青混合料的分类
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.砂粒式沥青混合料
公称最 大粒径 分
材料级配 组成及空 隙率大小分
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
沥青 混合料
材料组成及 结构分 1.连续级配沥青混合料 2.间断级配沥青混合料 制造工 艺分
3-2 沥青混合料结构强度—影响因素
（5）使用条件的影响
环境温度和荷载作用特性对混合料的强度影响也较大。 温度升高，沥青粘度降低，混合料的粘结力也下降，矿料间 的约束减小使得矿料间的内摩阻力也降低，从而混合料整体强度 都下降。 荷载作用体现在荷载作用时间或变形速率上，一般沥青粘度 随变形速率增加而增加，混合料的内摩阻力随变形速率则变化较 小，那么变形速率增加，沥青混合料的粘结力也增大，整体强大 则增高。
2-1 沥青混合料的组成结构—现代理论
（2Baidu Nhomakorabea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。
2-2 沥青混合料的组成结构—沥青混合料的结构类型
（1）悬浮密实结构
如图3-2a所示，该结构组成的基本特点：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。
其他沥青混合料
桥面铺装材料
多孔隙沥青混凝 土表面层
沥青玛蹄脂 碎石(SMA)
2-1 沥青混合料的组成结构—现代理论
（1）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。其中沥青的胶结作用是一个相当复杂的过程，包括物理吸附、 化学吸附过程、选择性作用等。
公路工程材料检测技术
1-1 概述--- 沥青路面的特点
沥青路面越来越多地被应用于不同等级的公路，其原因何在？
1．沥青混合料是一种粘弹性材料，具有良好的力学性能， 铺筑的路面平整无缝，振动小，噪音低，行车舒适。 2．路面平整且有一定的粗糙度，耐磨好，无强烈反 光，有利于行车安全。 3．施工方便，施工时不需要养护，能及时开通交通。 4．维修简单，旧沥青混合料可再生利用。
τ c + σtanυ
式中： τ——沥青混合料的抗剪强度，MPa； c——沥青混合料的结力，MPa； φ——沥青混合料的内摩阻力，0； σ——实验时的正应力，MPa。 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，应力圆的公切线为墨尔-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。
3-1 沥青混合料结构强度--形成原理
(3) 疲劳破坏
疲劳破坏是在车辆反复作用下引起的，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：
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。
3-1 沥青混合料结构强度--形成原理
地方道路
优点
高速公路
缺点
1．沥青路面容易老化。 2．温度稳定性差。
城市道路
1-2 概述--- 沥青路面的分类
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。 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、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。
2-2 沥青混合料的组成结构—沥青混合料的结构类型
（2）骨架空隙结构
如图3-2b所示，该结构组成的基本特点：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ф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。
代表类型：按照连续密级配原理设计的 AC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ф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。
2-2 沥青混合料的组成结构—沥青混合料的结构类型
（3）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ф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。
（2）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。
3-2 沥青混合料结构强度—影响因素
（2）矿质混合料性能的影响
矿料的岩石种类、级配组成、颗粒形状和表面粗糙度等特性对沥青 混合料的嵌锁力或内摩阻角影响较大。 级配影响：连续密级级配多是悬浮密实结构，沥青的内聚力大，矿料间 的内摩阻力相对较小；骨架空隙结构的沥青混合料以嵌锁力为主，沥青 内聚力为辅形成结构强度；在以嵌挤原则设计的骨架密实结构中，粗集 料作用下嵌锁力较大，细料与沥青胶浆填充空隙，粘结力较好，故该结 构整体强度高，稳定性好。 矿料表面特性影响：矿料尺寸近似立方体，粗糙，多棱角，矿料间嵌挤 索结能力好，φ较大；采用碱性石料，混合料中矿料间粘结力大，混合 料强度高。
（3）沥青与矿料在界面上的交互作用
列宾捷尔认为，沥青与矿料交互作用后，因化学组分重排列，形成 沥青扩散膜。这一作用是化学吸附引起的，该沥青膜即为“结构沥青”， 其粘度将大大提高；在“结构沥青”层外，可以“自由”运动的是“自 由沥青”，这部分沥青的性能保持沥青初始状态性能，混合料的性能主 要由结构沥青决定。
3-2 沥青混合料结构强度—影响因素
化学吸附有选择性，不同矿料的“结构沥青”膜厚度不一样，混合 料中“结构沥青”占的比例也不同。碱性石料（如石灰岩）的混合料其 “结构沥青”所占比例比酸性石料的要高。所以碱性石料的沥青混合料 强度和稳定性比酸性石料的好。
（4）矿料比面和沥青用量的影响
沥青混合料的粘结力与“结构沥青”的比例和矿料颗粒间的距离有 关。如图 3-6所示，矿料间距离越近，且以“结构沥青”粘结，沥青 混合料的粘结力越高；反之，矿料间距越大，且其间由“自由沥青” 相互粘结，则混合料的粘结力低。
3-2 沥青混合料结构强度—影响因素
矿料比面的影响：矿料比面越大， “结构沥青”的比例越大；矿粉比表面 所占比例最大，矿粉用量和性质，可以影响沥青膜厚度和“结构沥青”所 占比例。 沥青用量的影响：含量较少时，沥青不足敷裹集料颗粒表面，沥青混合料 整体强度较低；随着沥青用量增加，沥青逐渐敷裹矿料表面，使得结构沥 青用量增加，矿料间的粘结力增强，混合料整体强度增高，直到整个矿料 表面被“结构沥青”所敷裹；当沥青用量进一步增加，此时过多的沥青形 成“自由沥青”，这部分沥青在矿料间主要起润滑作用，并将矿料“推 开”，从而使沥青混合料的整体强度下降。 另外， “结构沥青”的存在对矿料起到约束作用，使得矿料间的内摩 阻力增大，当沥青用量太多时，“自由沥青”的润滑作用，反而使矿料间 相互滑移容易，内摩阻力下降。 由以上分析可知混合料强度取决于：嵌挤密实的矿料骨架，高粘度的 沥青结合料，适宜的沥青用量，采用能产生化学吸附作用的活性矿料。
3-2 沥青混合料结构强度—影响因素
（1）沥青结合料的粘度
沥青结合料的粘度反映沥青自身的内聚力。由胶浆理论可知，沥青 -矿粉形成的微分散系其主要作用。一般η越大，C值越大，因为η越 大，沥青胶团抗位错能力增强，使沥青混合料的粘滞阻力增大，保持 了矿质集料的相对嵌锁作用。如图3-4所示，沥青粘度增大，沥青混合 料粘结力明显增大，内摩阻角稍有增加。
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。
热拌沥青混合料种类
1-3 概述--- 其他沥青混合料介绍
冷拌沥青混合料
再生沥青 混凝土
沥青稀浆封层 混合料
多碎石沥青 混凝土