土木工程材料——第六章 沥青及沥青混合料

第六章沥青及沥青混合料
一、沥青材料
沥青是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物及其非金属衍生物所组成的混合物.
常温下为固态、半固态或粘稠液体;颜色为黑色或黑褐色.
沥青按产源可分为地沥青(天然沥青,石油沥青)和焦油沥青(煤沥青,页岩沥青).
常用的沥青主要是石油沥青,另外还有少量的煤沥青.
1.石油沥青
石油沥青是石油原油经蒸馏等提炼出各种轻质油(汽油、柴油等)及润滑油以后的残留物,或再经加工而得的产品.
(1) 石油沥青的组成与结构
①石油沥青的组分
从使用角度,将沥青中化学成分及性质极为接近,并且与物理力学性质有一定关系的成分,划分为若干组,即沥青的组分.
石油沥青的胶体结构中,三种组分的相对含量不同时,会形成结构形态与性能不同的沥青.
状态颜色密度分子量含量,%
油分
油状液体淡黄色→红褐色小于1300～50040～60流动性树脂粘稠状液体黄色→黑色
略大于1600～
100015～30塑性,粘性地沥青质无定型物质深褐色→
黑色大于1>100010～30温度敏感性,粘性
石油沥青组分
②石油沥青的结构
石油沥青的结构是以地沥青质为核心,周围吸附部分树脂和油分,构成胶团,无数胶团分散在油分中,从而形成胶体结构.
当油分和树脂较多时,胶团外膜较厚,胶团之间相对运动较自由,这种胶体结构的石油沥青,称为溶胶型石油沥青.
当油分和树脂含量较少时,胶团外膜较薄,胶团靠近聚集,相互吸引力增大,胶团间相互移动比较困难,这种胶体结构的石油沥青,称为凝胶型石油沥青.
当地沥青质不如凝胶型石油沥青中的多,而胶团间靠得又较近,相互间有一定的吸引力,形成一种介于溶胶型和凝胶型二者之间的结构,这种结构称为溶凝胶结构.
具有溶胶结构的石油沥青,粘性小而流动性大,温度稳定性较差.
具有凝胶结构的石油沥青,弹性和粘结性高,温度稳定性较好,但塑性较差.
溶凝胶结构的石油沥青的性质介于溶胶型和凝胶型之间.
(2) 石油沥青的技术性质
①防水性
②粘滞性(粘性)
沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性.
工程上常用相对粘度来表示.
粘稠石油沥青的相对粘度用针入度表示.
液体石油沥青或较稀的石油沥青的相对粘度用标准粘度表示.
③塑性
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.
石油沥青的塑性用延度(伸长度)表示.
④温度敏感性
石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能.
石油沥青的温度敏感性用软化点表示.
⑤大气稳定性
石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素的长期作用下抵抗老化的性能.
石油沥青的大气稳定性常以蒸发损失和蒸发后针入度比来评定.
蒸发损失=(蒸发前质量－蒸发后质量)/蒸发前质量×100%
蒸发后针入度比=蒸发后针入度/蒸发前针入度×100%
(3) 石油沥青的技术标准及选用
石油沥青按用途分为建筑石油沥青、道路石油沥青和普通石油沥青三种.
建筑石油沥青以针入度指标划分牌号,每个牌号还必须同时满足相应的延度和软化点等指标的要求.
按道路交通量,道路石油沥青分为重交通道路石油沥青和中、轻交通道路石油沥青.
在实际工程中,根据工程项目的性质、所处的地理气候环境和使用材料的工程部位等因素来选用不同类型和牌号的沥青.
沥青的掺配(同产源沥青).
较软沥青用量=(较硬沥青软化点－掺配后沥青软化点)/较硬沥青软化点－较软沥青软化点) ×100
较硬沥青用量=100－较软沥青用量
2.煤沥青
烟煤在干馏过程中的挥发物质,经冷凝而成黑色粘性液体称为煤焦油,再经分馏加工提取轻油、中油及蒽油之后所得残渣即为煤沥青.
根据蒸馏温度不同,煤沥青可分为低温煤沥青、中温煤沥青和高温煤沥青.土木工程中所采用的煤沥青多为粘稠或半固体的低温煤沥青.
煤沥青的主要组分为油分、脂胶、游离碳等,还含有少量酸、碱物质.
与石油沥青相比,煤沥青的性能特点为:
(1) 温度敏感性较大.
(2) 大气稳定性较差.
(3) 塑性较差.
(4) 与矿料表面粘附力较强.
(5) 防腐性好.
3.改性沥青
加入其他材料,性能得到进一步改善的沥青,称为改性沥青.
橡胶、树脂和矿物填料等常作为石油沥青的改性材料.
二、沥青混合料
1.概述
沥青混合料是由矿料(粗集料,细集料,填料)与沥青拌和而成的混合物.
压实后剩余孔隙率小于10%的沥青混合料称为沥青混凝土混合料;压实后剩余孔隙率在10%以上的沥青混合料称为沥青碎石混合料.
沥青混合料分类:
按压实后剩余孔隙率可分为:开式沥青混合料(压实后剩余空隙率大于15%),半开式沥青混合料(压实后剩余空隙率为10%-15%);密实式沥青混合料(压实后剩余空隙率小于10%).
按矿质集料级配类型可分为:连续级配沥青混合料(矿质混合料中的颗粒从大到小各级粒径都有,且按比例相互搭配组成);间断级配沥青混合料(矿质混合料中的颗粒缺少某些尺寸范围粒径).
按沥青混合料粒径可分为:特粗式沥青混合料(最大粒径为37.5mm),粗粒式沥青混合料(最大粒径为31.5mm或26.5mm), 中粒式沥青混合料最大粒径为19.0mm或16.0mm),细粒式沥青混合料(最大粒径为13.2mm或9.5mm),砂粒式沥青混合料(最大粒径为4.75mm).
按沥青混合料施工温度可分为:热拌沥青混合料(沥青与矿料在热状态下拌和施工)和常温沥青混合料(液体沥青与矿料在常温状态下拌和施工).
2.沥青混合料的组成结构
根据粗细集料的比例不同,沥青混合料结构组成有三种形式.
3.沥青混合料的技术性质
(1) 高温稳定性
高温稳定性是指高温条件下,沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力.
影响沥青混合料高温稳定性的主要因素有沥青的用量,沥青的粘度,矿料的级配,矿料的尺寸、形状等.
稳定度是指标准尺寸试件在规定温度和加荷速度下,在马歇尔仪中的最大破坏荷载(kN).
流值是马歇尔试验时相应于最大荷载时试件的竖向变形(mm).
动稳定度由车辙试验测定,指标准试件在规定温度下,一定荷载的试验车轮在同一轨迹上,在一定时间内反复行走(形成一定的车辙深度)产生1mm变形所需的行走次数(次/mm).
(2) 低温抗裂性
低温抗裂性是指沥青混合料在低温下抵抗断裂破坏的能力.
沥青混合料的低温裂缝是由混合料的低温脆化、低温缩裂和温度疲劳引起的.
影响沥青路面抗裂能力的因素主要是沥青的性质.
(3) 耐久性
耐久性是指沥青混合料在外界各种因素(如阳光、空气、水、车辆荷载等)的长期作用下仍能基本保持原有性能的能力.
影响沥青混合料耐久性的主要因素有,沥青与骨料的性质,沥青的用量,沥青混合料的压实度与空隙率等.
(4) 抗滑性
(5) 施工和易性
影响沥青混合料施工和易性的主要因素是矿料级配和沥青用量.
4.沥青混合料的配合比设计
沥青混合料配合比设计的任务是确定粗集料、细集料、矿粉和沥青等材料相互配合的最佳组成比例,使沥青混合料的各项指标既达到工程要求,又符合经济性原则.
沥青混合料配合比设计分两步进行,首先进行矿质混合料的组成设计,使矿质混合料的级配符合规范的要求;然后确定矿料与沥青的用量比例,即最佳沥青用量.
①矿质混合料组成设计
ⅰ.试算法
设有几种矿质集料,欲配制成符合一定级配要求的矿质混合料,在决定各组成集料在混合料中的比例时,先假定混合料中某种粒径的颗粒是由某一种对这一粒径占优势的集料组成,而其他各种集料中不含此粒径.
设有A, B, C三种集料,欲配制成某一级配要求的混合料M.
设A, B, C三种集料在混合料中所占的比例为X, Y, Z,则
X ＋Y ＋Z = 100
设混合料M 中某一级粒径( i ) 颗粒的含量为m( i ), A, B, C三种集料在原来级配中此粒径( i)颗粒的含量分别为m a( i ), m b( i), m c( i),则
m a( i ) ·X＋m b( i) ·Y＋m c( i) ·Z=
m( i ) ·100
假设混合料M 中某一级粒径( i )主要由集料A 所提供(即集料A 占优势),而忽
略其他集料在此粒径的含量,即m
b ( i)=
m c( i)=0,则
m a( i ) ·X= m( i ) ·100故X= m( i )/ m
a
( i ) ·100
又假设混合料M 中某一级粒径( j )主要由集料C 所提供(即集料C 占优势),而忽略其他集料在此粒径的含量,即m
( j ) = m b( j) =0,则
a
m c( j) ·Z= m( j ) ·100
故Z = m( j ) /m
( j) ·100
c
进而可计算出集料B在混合料M中所占的比例,即
Y = 100 －( X + Z )
至此,计算出A, B, C 三种集料在混合料中各自的比例X, Y, Z .
根据各主要粒径去试探各种集料在混合料中的大致比例,再经过较核调整,最终获得满足混合料级配要求的各集料的配合比.
ⅱ.图解法。