沥青混合料的组成结构及强度原理

第六章沥青混合料的强度构成机理

§6.1 沥青混合料的组成结构及强度原理

6.1.1沥青混合料的组成结构

沥青混合料是一种复杂的多种成分的材料，其“结构”概念同样也是极其复杂的。因为这种材料的各种不同特点的概念，都与结构概念联系在一起。这些特点是：矿物颗粒的大小及其不同粒径的分布；颗粒的相互位置；沥青在沥青混合料中的特征和矿物颗粒上沥青层的性质；空隙量及其分布；闭合空隙量与连通空隙量的比值等。“沥青混合料结构”这个综合性的术语，是这种材料单一结构和相互联系结构的概念的总和。其中包括：沥青结构、矿物骨架结构及沥青-矿粉分散系统结构等。上述每种单一结构中的每种性质，都对沥青混合料的性质产生很大的影响。

随着混合料组成结构的研究的深入，对沥青混合料的组成结构有下列两种互相对立的理论。

（1）表面理论按传统的理解，沥青混合料是由粗集料、细集料和填料经人工组配成密实的级配矿质骨架，此矿质骨架由稠度较稀的沥青混合料分布其表面，而将它们胶结成为一个具有强度的整体。这种理论认识可图解如下：

（2）胶浆理论近代某些研究从胶浆理论出发，认为沥青混合料是一种多级空间网状胶凝结构的分散系。它是以粗集料为分散相而分散在沥青砂浆的介质中的一种粗分散系；同样，砂浆是以细集料为分散相而分散在沥青浆介质中的一种细分散系；而胶浆又是以填料为分散相而分散在高稠度的沥青介质中的一种微分散系。这种理论认识可图解如下：

分散相—粗集料

沥青混合料（粗分散系）分散相—细集料

分散介质—砂浆（细分散系）分散相—填料

分散介质—沥青胶结物（微分散系）

分散介质—沥青这3级分散系以沥青胶浆（沥青—矿粉系统）最为重要，典型的沥青混合料的弹-粘-塑性，主要取决于起粘结料的作用的沥青-矿粉系统的结构特点。这种多级空间网状胶凝结构的特点是，结构单元（固体颗粒）通过液相的薄层（沥青）而粘结在一起。胶凝结构的强度，取决于结构单元产生的分子力。胶凝结构具有力学破坏后结构触变性复原自发可逆的特点。

对于胶凝结构，固体颗粒之间液相薄层的厚度起着很大的作用。相互作用的分子力随薄层厚度的减小而增大，因而系统的粘稠度增大，结构就变得更加坚固。此外，分散介质（液相）本身的性质对于胶凝结构的性质亦有很大的影响。

可以认为，沥青混合料的弹性和粘塑性的性质主要取决于沥青的性质、粘结矿物颗粒的沥青层的厚度，以及矿物材料与结合料相互作用的特性。沥青混合料胶凝健合的特点，也取决于这些因素。

沥青混合料的结构取决于下列因素：矿物骨架结构、沥青的结构、矿物材料与沥青相互作用的特点、沥青混合料的密实度及其毛细-孔隙结构的特点。

矿物骨架结构是指沥青混合料成分中矿物颗粒在空间的分布情况。由于矿物骨架本身承受大部分的内力，因此骨架应由相当坚固的颗粒所组成，并且是密实的。沥青混合料的强度，在一定程度上也取决于内摩阻力的大小，而内摩阻力又取决于矿物颗粒的形状、大小及表面特性等。

形成矿物骨架的材料结构，也在沥青混合料结构的形成中起很大作用。应把沥青混合料中沥青的分布特点，以及矿物颗粒上形成的沥青层的构造综合理解为沥青混合料中的沥青结构。为使沥青能在沥青混合料中起到自己应有的作用，应均匀地分布到矿物材料中，并尽可能完全包裹矿物颗粒。矿物颗粒表面上的沥青层厚度，以及填充颗粒间空隙的自由沥青的数量，具有重要的作用。自由沥青和矿物颗粒表面所吸附沥青的性质，对于沥青混合料的结构

产生影响。沥青混合料中的沥青性质，取决于原来沥青的性质、沥青与矿料的比值，以及沥青与矿料相互作用的特点。

综上所述可以认为：沥青混合料是由矿质骨架和沥青胶结物所构成的、具有空间网络结构的一种多相分散体系。沥青混合料的力学强度，主要由矿质颗粒之间的内摩阻力和嵌挤力，以及沥青胶结料及其与矿料之间的粘结力所构成。

沥青混合料，按其强度构成原则的不同可分为按嵌挤原则构成的结构和按密实级配原则构成的结构两大类。

按嵌挤原则构成的沥青混合料的结构强度，是以矿质颗粒之间的嵌挤力和内摩阻力为主、沥青结合料的粘结作用为辅而构成的。沥青贯入式路面、沥青表面处治、以及沥青碎石路面均属此类结构。这类路面是以较粗的、颗粒尺寸均匀的矿料构成骨架，沥青结合料填充其空隙，并把矿料粘结成一个整体。这类沥青混合料结构强度受自然因素（温度）的影响较小。

按密实级配原则构成的沥青混合料的结构强度，是以沥青与矿料之间的粘结力为主，矿质颗粒间的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成的。沥青混凝土路面和沥青碎石混合料路面属于此类。这类沥青混合料的结构强度受温度的影响较大。

按级配原则构成的沥青混合料，其结构通常可按下列三种方式组成：

1）悬浮密实结构：由连续级配矿质混合料组成的密实混合料，由于材料从大到小连续存在，并且各有一定数量，实际上同一档较大颗粒都被较小一档颗粒挤开，大颗粒犹如以悬浮状态处于较小颗粒之中。这种结构通常按最佳级配原理进行设计，因为密实度与强度较高，但受沥青材料的性质和物理状态的影响较大故稳定性较差。

2）骨架空隙结构：较粗石料彼此紧密相接，较细粒料的数量较少。不足以充分填充空隙。

因此，混合料的空隙较大，石料能够充分开成骨架。在这种结构中，粗骨料之间的内摩阻力起着重要的作用，其结构强度受沥青的性质和物理状态的影响较小，因而稳定性较好。

3）骨架密实结构：是综合以上两种方式组成的结构。混合料中既有一定数量的粗骨料形成

骨架，又根据粗料空隙的多少加入细料，形成较高的密实度。间断级配即是按此原理构成。

6.1.2沥青混合料的强度理论与强度参数

沥青混合料属于分散体系，是由强度很高的粒料与粘结力较弱的沥青材料所构成的混合体。根据沥青混合料的颗粒性特征，可以认为沥青混合料的强度构成起源于两个方面：

（1）由于沥青的存在而产生的粘结力；

（2）由于骨料的存在而产生的内摩阻力。

目前，对沥青混合料强度构成特性开展研究时，许多学者普遍采用了摩尔-库仑理论

作为分析沥青混合料的强度理论，并引起两个强度参数——粘结力c 和内摩阻角φ，作为其强度理论的分析指标。摩尔-库仑理论的一般表达式为：

式中：σ1——最大主应力；

σ3——最小主应力；

σij ——应力状态张量。

对于组成沥青混合料的两种原始材料——沥青和骨料，通过实验研究和强度理论分析， 可以认为：纯沥青材料的c ≠0而φ=0；干燥骨料的c=0而φ≠0。但由此形成的沥青混合料，其c ≠0且φ≠0，沥青混合料在参数c 、φ值的确定上需要把理论准则与实验结果结合起来。理论准则采用摩尔—库仑理论，而实验结果则可通过三轴实验、简单拉压实验或直剪实验获得。

（1）三轴实验确定

对于三轴实验来说，其摩尔-库仑的理论表达式为

显然，在一定的力学加载条件下，如果材料是给定的，那么内在参数c 、φ值应为常数，σ1与σ3之间便具有线性关系。同时，众多实验研究结果也表明，在给定实验条件下，σ1与σ3之间具有如下形式的线性关系

σ1=k σ3+b

式中：k 与b 均大于零。

将以上两式对等，则可得到内在参数c 、φ值的计算公式：

目前，国内外研究者主要是通过三轴实验来确定沥青混合料的c 、φ值。但是，由于三 ()()0

cos 2sin 3131=-+--=ϕϕσσσσσc f ij ϕ

ϕσϕϕσsin 1cos 2sin 1sin 131-+-+=c k

b b

c k k 2cos sin 121

1

sin =-⨯=+-=ϕϕϕ