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31.5mm

②粗粒式沥青混合料公称最大粒径等于或大于26.5mm

③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