沥青混合料组成及结构

第五章普通沥青混合料本章着重阐述了热拌沥青兴混合料的组成结构、强度形成原理、沥青混合料的体积特征参数、应具有的技术性质、影响因素及评价方法，重点介绍了热拌沥青混合料的马歇尔设计方法，包括组成材料的选择和配合比设计方法，同时对Superpave与GTM沥青混合料设计方法进行了简要介绍。

通过学习，要求掌握沥青混合料的组成结构、强度形成原理、技术性质和技术要求，并能按马歇尔法设计沥青混合料的配合组成，同时对Superpave与GTM设计法有一定了解。

5.1 沥青混合料组成及结构⑴沥青混合料⑵沥青混凝土混合料⑶沥青碎石混合料⑷沥青玛蹄脂碎石混合料⑴按结合料分类石油沥青混合料煤沥青混合料石油沥青混合料又包括粘稠石油沥青、乳化石油沥青及液体石油沥青混合料⑵按矿料的级配类型划分①连续级配沥青混合料②间断级配沥青混合料⑶按矿料级配组成及空隙率大小划分①密级配沥青混合料设计空隙率为3％~6％密级配沥青混凝土混合料(AC)密级配沥青稳定碎石混合料(ATB)沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)②半开级配沥青混合料剩余空隙率在6％~12% 沥青碎石（AM）③开级配沥青混合料设计空隙率为18％的混合料排水式沥青磨耗层(OGFC) 排水式沥青基层(ATPB)⑷按矿料公称最大粒径划分①特粗式沥青混合料等于或大于31.5mm②粗粒式沥青混合料公称最大粒径等于或大于26.5mm③中粒式沥青混合料：集料公称最大粒径为16mm或19mm的沥青混合料。

④细粒式沥青混合料：集料公称最大粒径为9.5mm或13.2mm的沥青混合料。

⑸按制造工艺划分①热拌热铺沥青混合料②冷拌沥青混合料③再生沥青混合料⑴表面理论⑵胶浆理论①粗分散系。

以粗集料为分散相，分散在沥青砂浆的介质中。

②细分散系。

以细集料为分散相，分散在沥青胶浆的介质中。

③微分散系。

以矿粉填料为分散相，分散在高稠度的沥青介质中。

图5-1 3种类型矿质混合料级配曲线⑴悬浮一密实结构特点是粘聚力较高，混合料的密实性与耐久性较好，但内摩阻力较小，高温稳定性较差。

我国传统的AC型沥青混凝土是典型的悬浮一密实结构。

⑵骨架一空隙结构特点：内摩擦角较高，高温稳定性较好，但粘聚力较低，耐久性差。

沥青碎石混合料（AM）及排水式沥青磨耗层混合料（OGFC）是典型的骨架－空隙结构。

⑶密实－骨架结构这种结构的沥青混合料不仅具有较高的密实度、粘聚力和内摩擦角，同时具有较好的高温稳定性，但施工和易性较差。

SMA沥青玛蹄脂碎石混合料即属于密实－骨架结构。

5.2 沥青混合料强度及影响因素沥青混合料在常温和较高温度下，由于沥青的粘结力不足而产生变形或由于抗剪切强度不足而破坏，一般采用库仑理论来分析其强度和稳定性。

图5-3沥青混合料三轴试验确定C、ψ值的摩尔－库仑圆⑴沥青的性质对粘结力C的影响⑵矿质混合料级配、颗粒形状和表面特性对内摩阻角 的影响⑶矿料与沥青交互作用能力的影响⑷矿料比面积与沥青用量的影响⑸温度和变形速率的影响5.3沥青混合料路用性能高温稳定性是指沥青混合料在高温条件下，能够抵抗车辆荷载的反复作用，不发生显著永久变形，保证路面平整度的特性。

这种特性是导致沥青路面产生车辙、波浪及拥包等病害的主要原因。

在交通量大、重车比例和经常变速路段的沥青路面上，车辙是最严重、最有危害的破坏形式之一。

⑴高温稳定性的评价方法及指标①马歇尔稳定度试验马歇尔稳定度试验方法是由美国密西西比州公路局布鲁斯·马歇尔（Brue Marshall ）提出的，迄今已经历了半个多世纪。

马歇尔试验设备简单、操作方便，被世界上许多国家所采用，是目前我国评价沥青混合料的高温性能的主要试验之一。

② 车辙试验目前我国的车辙试验是采用标准方法成型的沥青混合料板块状试件，在规定的温度条件下，试验轮以42±1次/min 的频率，沿着试件表面同一轨迹上反复行走，测试试件表面在试验轮反复作用下所形成车辙深度，见图7-11。

以产生1mm 车辙变形所需要的行走次数，即动稳定度指标评价沥青混合料的抗车辙能力，动稳定度由式（1-2）计算。

()21122142t t DS c c d d -=- （1-2）式中： DS ——沥青混合料动稳定度(次／mm)；d 1，d 2—— 时间t 1和t 2的变形量(一般t 1＝45min 、t 2=60min)（mm ）；42—— 每分钟行走次数(次／min)；c 1，c 2—— 试验机与试样的修正系数。

⑵ 高温稳定性的主要影响因素采用表面粗糙、多棱角、颗粒接近立方体的碎石集料提高沥青的高温粘度粗集料嵌锁骨架结构沥青用量。

低温收缩开裂主要有两种形式：材料低温收缩、低温收缩疲劳裂缝⑴ 低温抗裂性的评价方法和评价指标评价方法可以分为三类：预估沥青混合料的开裂温度；评价沥青混合料的低温变形能力或应力松驰能力；评价沥青混合料断裂能① 预估沥青混合料的开裂温度② 低温蠕变试验蠕变变形曲线可分为三个阶段，第一阶段为蠕变迁移阶段，第二阶段为蠕变稳定阶段，第三阶段为蠕变破坏阶段。

蠕变速率越大，沥青混合料在低温下的变形能力越大，松弛能力越强，低温抗裂性能越好。

1221speed 0()/()t t εεεσ--= （1-3）式中：speed ε－沥青混合料的低温蠕变速率，1/s·MPa ；0σ－沥青混合料小梁试件跨中梁底的蠕变弯拉应力，MPa ；t 1和t 2－分别为蠕变稳定期的初始时间和终止时间，s ；1ε和2ε－分别与时间t 1和t 2对应的跨中梁底应变。

③ 低温弯曲试验低温弯曲试验也是评价沥青混合料低温变形能力的常用方法之一。

在试验温度-10℃±0.5℃的条件下，以50mm/min 速率，对沥青混合料小梁试件跨中施加集中荷载至断裂破坏，记录试件跨中荷载与挠度的关系曲线。

沥青混合料在低温下破坏弯拉应变越大，低温柔韧性越好，抗裂性越好。

26B hd L ε= （1-4）式中：B ε－试件破坏时的最大弯拉应变；h －跨中断面试件的高度，mm ；d －试件破坏时的跨中挠度，mm ；L －试件的跨径，mm 。

沥青混合料在低温下的极限变开通，反映了粘弹性材料的低温粘性和塑性性质，极限应变越大，低温柔韧性越好，抗裂性越好。

我国《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）中规定，采用低温弯曲试验的破坏应变指标作为评价改性沥青混合料的低温抗裂性能。

④ 约束试件的温度应力试验该法是美国公路战略研究计划（SHRP ）推荐的评价沥青混合料低温抗裂性能的方法。

测定在降温冷却过程中试件内部的温度应力变化曲线，直至试件断裂破坏。

试验结束后，分析冻断温度、试验时反映冷却过程中的温度应力变化过程曲线如图5-15所示。

由图5-15可以得到4个指标：冻断温度、破坏强度、温度应力曲线斜率和转折点温度。

冻断强度是试件达到破坏断裂时的最大应力，反映混合料在温度收缩过程中的强度。

转折点温度将温度应力曲线分为两个部分，前一部分反映应力松弛（曲线部分），后一部分应力松（直线部分）消失。

温度应力曲线斜率主要是指温度应力曲线后一部分直线增长斜率，反映温度应力增长的速度。

冻断温度与沥青性能、沥青路面抗裂性能的相关性最好，冻断强度也有较好的相关性。

温度应力试验模拟现场条件较好，表达直观。

⑵低温抗裂性能的主要影响因素一般情况下，沥青针入度数值越大，其感温性越低，低温劲度模量越小，沥青的低温柔韧性就越好，其抗裂性能越好。

在寒冷地区，可采用稠度低、低温轻度低的沥青，或选择松弛性能较好的橡胶类改性沥青来提高沥青的低温抗裂性。

通常，密级配沥青混合料的低温抗拉强度高于开级配的沥青混合料，但是粒径大、空隙率大的沥青混合料内部微空隙发达，应力松弛能力略强，温度应力有所减小，两方面的影响相互抵消，故沥青混合料的这两种级配与沥青路面开裂程度之间没有显著关系。

同时环境因素对沥青混合料的开裂也有一定影响。

水稳定性是沥青混合料抵抗由于水侵蚀而逐渐产生沥青膜剥离、松散、坑散等破坏的能力。

水稳定性差的沥青混合料在有水存在的情况下，会发生沥青与矿料颗粒表面的局部分离，同时在车辆荷载作用下加剧沥青和矿料的剥落，形成松散薄弱块，飞转的车轮带走局部剥离的矿粒或沥青，从而造成路面的缺失，并逐渐形成坑槽，即所谓的沥青路面“水损害”。

当沥青混合料的压实空隙率较大，路面排水系统不完善时，会加速沥青路面的“水损害”。

⑴水稳定性的评价方法与评价指标①沥青与集料的粘附性试验沥青与集料粘附性的试验方法有：水煮法、水浸法、光电比色法及搅动水净吸附法等。

② 浸水试验浸水试验是根据浸水前后沥青混合料的物理、力学性能的降低程度来表征其水稳定性的一类试验，常用的方法有浸水马歇尔试验、浸水车辙试验、浸水劈裂强度试验和浸水抗压强度试验等。

以浸水前后的马歇尔稳定度比值、车辙深度比值、劈裂强度比值和抗压强度比值的大小评价沥青混合料的水稳定性。

③ 冻融劈裂试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）中的方法，在冻融劈裂试验中，将沥青混合料试件分为二组，一组试件用于测定常规状态下的劈裂强度，另一组试件首先进行真空饱水，然后置于-18℃条件下冷冻16h ，再在60℃水中浸泡24h ，最后进行劈裂强度测试。

12TSR σσ= （1-5） 式中：TSR －沥青混合料试件的冻融劈裂强度比，%；1σ－试件在常规条件下的劈裂强度，MPa ；2σ－试件经一次冻融循环后在规定条件下的劈裂强度，MPa 。

⑵ 水稳定性的影响因素沥青路面的水损坏通常与沥青的剥落有关，而剥落的发生与沥青和集料的粘附性有关。

沥青与集料的粘附性在很大的程度上取决于集料的化学组成， SiO 2含量较高的花岗岩集料与沥青的粘附性明显低于碱性集料石灰岩与沥青的粘附性，也明显低于中性集料玄武岩与沥青的粘附性，通过掺加剥落剂可以显著改善酸性集料或中性集料与沥青的粘附性。

沥青混合料的水稳定性除了与沥青的粘附性有关外，还受沥青混合料压实空隙率大小及沥青膜厚度的影响。

成型温度与压实度对沥青混合料的抗水损害性能也有较大影响。

气温低、湿度大甚至有降水时铺筑的沥青混合料路面水稳定性较差。

沥青路面的抗滑性与所用矿料的表面构造深度、颗粒形状与尺寸，抗磨光性有着密切的关系。

沥青路面的抗滑性除了取决于矿料自身的表面构造外，还取决于矿料级配所确定的表面构造深度，前者通常称为微观构造，用集料的磨光值表征；后者称为宏观构造，由压实后路表的构造深度或磨擦系数试验评价。

构造深度测定方法主要有排水测定法、激光构造仪法和铺砂法，其中铺砂法最常用。

磨擦系数可采用制动距离法、减速度法、拖车法和摆式仪法测定，常采用摆式仪法检测。

沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象。

沥青混合料的耐疲劳性即是混合料在反复荷载作用下抵抗这种疲劳破坏的能力。