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
§沥青混合料的组成结构及强度原理
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。

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
()()0
cos 2sin 3131=-+--=ϕϕσσσσσc f ij
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
轴实验在仪器设备方面比较复杂，要求较高，实验所需人力物力较多，在操作上难度大，因此，尽管三轴实验能够很好地模拟真实的应力应变状态，但它的实际应用受到一定程度的限制，在工程上难以普及使用。

(2)简单拉压实验确定
ϕ
ϕσϕϕσsin 1cos 2sin 1sin 131-+-+=c k
b b
c k k 2cos sin 121
1
sin =-⨯=+-=ϕϕϕ
沥青混合料的c 、φ值亦可通过测定无侧限抗压强度R 和抗拉强度r 予以换算。

其换算关系可通过推导获得，也可以直接利用摩尔圆求得。

当无侧限抗压时，相当于σ3=0及σ1=R ，得：
简单拉压实验确定沥青混合料的内在参数c 、φ值,是以一项基本假定为前提的。

即：在试验变量（材料组成变量、力学激励变量）相同的条件下，假定沥青混合料在压缩和拉伸两种加载方式下的内在参数值是相同的。

这种实验方法相对于三轴实验来说，在操作上要容易得多，且在一般试验机上均可以实
施，易于推广应用。

但其试验结果的准确性要依赖于实验技术的完善与提高，特别是拉伸实验。

在拉伸实验中，有两个实验技术难关需要克服，即：（1）沥青混合料的拉伸实验技术（拉头问题）；（2）试件的偏心受拉问题。

通过改进实验技术，这两个困难目前都可以克服。

（2）直剪实验确定
r R r R Rr c ctg c c r r tg c c R +-==⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⋅=+=
-==-=⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⋅=-=
=ϕϕπϕϕσσσϕπϕϕσsin 2
1242sin 1cos 20242sin 1cos 23311联立解得
则及当抗拉时相当于
内在参数c、φ值的确定，还可以通过沥青混合料的直剪实验来实现。

这种实验方法与土的直剪实验非常类似，主要是通过测定不同正压力水平σi下的抗剪强度τfi，在τ-σ坐标系中绘制库仑直线，从而获得材料的c、φ值。

沥青混合料的直剪实验相对于三轴实验、简单拉压实验，在c、φ值的原理上更为直观明了，但在操作上可能更不容易实现，比如因剪切挤压而引起的破坏面不均匀问题。

就现有资料来看，目前还没有见到关于沥青混合料直剪实验方面的研究报告。

关于这种实验方法可行性、准确性，以及它的实验结果与三轴实验和简单拉压实验结果之间的可比性等三方面的研究工作，还有待于进一步探讨，以便确定一种较为有效和简便的方法来获得内在参数c、φ值。

§沥青与矿料之间的相互作用
沥青与矿料之间的相互作用是沥青混合料结构形成的决定性因素。

它直接关系到沥青混合料的强度、温度稳定性、水稳定性、以及老化速度等一系列重要性能。

因此，深入研究沥青与矿料之间相互作用的原理，充分认识并积极地利用与改善这个作用过程具有十分重要的意义。

研究表明，沥表与矿料相互作用时，所发生的效应是各种各样和特殊的，主要与表面效应有关。

矿料对沥青的吸附作用
原苏联π.A.列宾捷尔研究认为，沥青与矿料相互作用后，沥青在矿料表面产生化学组分的重新排列，在矿料表面形成一层扩散结构膜（如图6-1a所示），在此膜厚度以内的沥青称为结构沥青。

此膜以外的沥青称为自由沥青。

结构沥青与矿料之间发生相互作用，并且沥青的性质有所改变；而自由沥青与矿料距离较远，没有与矿料发生相互作用，仅将分散的矿料粘结起来，并保持原来性
质。

如果颗粒之间接触处由扩散结构膜所联结(如图6-1b所示），则促成沥青具有更高的粘滞度和更大的扩散结构膜的接触面积，从而可以获得更大的颗粒粘着力。

反之，如颗粒之间接触处为自由沥青所联结(如图6-1c所示），则具有较小的粘着力。

图6-1 沥青与矿粉交互作用的结构图式
按照物理化学观点，沥青与矿料之间的相互作用过程是个比较复杂的、多种多样的吸附过程，它们包括沥青层被矿物表面的物理吸附过程、沥青-矿料接触
面上进行的化学吸附过程、以及沥青组分向矿料的选择性扩散过程。

固体或液体的表面和与它进行接触的液态或气态物质分子的粘结性质，以及对气体或液体的吸着现象称为吸附。

吸附作用分为物理吸附和化学吸附两种形态，当吸附物质（吸附剂）与被吸附物质之间仅有分子作用力（即范德华力）存在时，则产生物理吸附；当接触的两种相（沥青和矿料）形成化合物时则产生化学吸附。

在引力作用下发生的物理吸附作用，会在矿料表面形成沥青的定向层，此时，被吸附的沥青不发生任何化学变化。

在化学吸附的情况下，被吸附的沥青发生化学变化。

但是，化学吸附作用仅触及被吸附物质的一层分子，而物理吸附时，实际上可能形成几个分子厚度的吸附层。

沥青在矿料表面上的吸附强度，很大程度上取决于这些材料之间发生的粘结性质。

当存在化学键时（即产生化学吸附时），沥青与矿料的粘结最为牢固。

当碳酸盐或碱性岩石与含有足够数量酸性表面活性物质的活化沥青粘结时，会发生化学吸附过程。

这种表面活性物质能在沥青与矿料的接触面上，形成新的化合物。

因为这些化合物不溶于水。

所以矿料表面上形成的沥青层具有较高的抗水能力。

而当沥青与酸性岩石（SiO2含量大于65%的岩石）粘结时，不会形成化学吸附化合物，故其间的粘结强度较低，遇水易剥离。

原苏联.雷西娜等人的研究表明，碳酸盐和碱性石料每个单位表面上吸附的沥青多于酸性石料具有更坚固的结构，对于比表面大和吸附力很大的的矿料，更具有特殊意义。

沥青与矿料表面粘结牢固的必要先决条件是沥青能很好地润湿矿料的表面。

由物理化学得知，彼此接触物体相互作用过程的特性和强度主要取决于物体的表面性质，首先是表面自由能。

研究物质内部质点（原子、离子、分子）与位于表面的质点之间的相互作用时，可以得到关于固体或液体表面能的概念。

位于固体或液体内部的每一固体或液体质点，都从各方面承受着围绕它的并和它相类似的质点的引力作用，而位于固体或液体表面的质点，只从一面受到处于固体或液体内部质点的引力作用，而另一面是空气（气相）。

由于气体分子彼此相距甚远，因此只有临近固体或液体表面的气体才产生力场。

气体分子对固体或液体表面质点的作用非常小，不能平衡承受从内部质点方面产生的力的作用。

固体或液体表面未平衡（未补偿）元素质点的存在相当于该表面每单位面积具有一定数量的自由能，其数量等于形成表面所消耗的功。

该自由能称为表面自由能或表面能力。

润湿是自发的过程，在这一过程中，相接触的三相—矿料、水和空气或沥青体系内，于一定的温度条件下会发生体系的表面自由能的降低现象。

大多数的造岩矿物，如氧化物、碳酸盐、硅酸盐、云母、石英等，均属于亲水性的。

所有亲水性矿物都具有离子键（有极性的）的晶格，因此，当它们分裂时在表面层可能有未平衡的离子——带自由价的离子。

憎水性矿物具有共价键（原子键）的晶格，或者具有分子键的晶格。

有些憎水性材料具有离子和分子键的晶格，即元素质点内部有牢固的离子键，质点之间有分子键。

这些元素质点的表面几乎没有未补偿的键。

两种相互接触的物体，例如沥青同矿料的接触表面相互作用所消耗的能量，以粘结作用来表征，这种粘结作用通常简称为粘结力。

能良好地润湿固体干燥表面的液体，并不意味着一定有良好的粘结力。

沥青润湿与粘结潮湿矿料表面的能力，取决于固体表面排挤水分的性质和沥青的个别
组分在边界层中的选择性吸附。

这就相应地减小了体系的表面自由能。

吸附的结果增加了相界面处被吸附物质的浓度，且减小了界面上的表面自由能。

吸附层的性质取决于被吸附物质的数量、被吸附物质与固体相互作用的性质和能量。

这
些因素将构成固体-液体分界面上二相相互联系的特性。

吸附层，特别是在完全饱和的情况下，它类似于很薄的固体膜，具有高的力学强度。

这种性质由于周围液体介质（溶剂-沥青中的油分）的作用，其能力再一次地加强了。

化学吸附是沥青中的某些物质（如沥青酸）与矿料表面的金属阳离子产生化学反应，生成沥青酸盐，在矿料表面构成化学吸附层的过程。

化学相互作用力的强度，超过分子力作用许多倍。

化学相互作用的能量转为化学反应的热量时，其数值为数百焦尔/克分子以上；而物理相互作用的能量转为热量时最大仅为数十焦尔/克分子。

因此，当沥青与矿料形成化学吸附层时，相互间的粘附力远大于物理吸附时的粘附力。

也只有产生化学吸附，沥青混合料才可能具有良好的水稳性。

化学吸附产生与否以及吸附程度，决定于沥青及矿料的化学成分。

例如石油沥青中因含有沥青酸及沥青酸酐能与碱性矿料中的高价金属盐产生化学反应，生成不溶于水的有机酸盐，与低价金属盐反应生成的有机酸盐则易溶于水，而与酸性矿料之间则只能产生物理吸附。

煤沥青中既有酸性物质（如酚类），以有碱性物质（如吡啶类），因而与酸性矿料及碱性矿料均能起化学吸附作用，当然其吸附程度和生成物的性质仍与矿料的化学成分密切相关。

所谓选择性吸附，就是一相物质中的某一特定组分由于扩散作用沿着另一相的微孔渗入到其内部。

当沥青与矿料相互作用时，选择性扩散产生的可能性以及其作用大小，取决于矿料的表面性质、孔隙状况及沥青的组分与活性。

矿料对沥青的选择性吸附作用，主要产生于表面具有微孔（孔隙直径小于）的
矿料，如石灰岩、泥灰岩、矿渣等。

此时沥青中活性较高的沥青质吸附在矿料表面，树脂吸附在矿料表层小孔中，而油分则沿着毛细管被吸收到矿料内部。

因此，矿料表面的树脂和油分相对减少，沥青质增多，结果沥青性质发行变化——稠度提高、粘结力增加，从而在一定程度上改善了沥青混合料的热稳性与水稳性。

沥青与多孔的材料相互作用的特点，一方面取决于表面性质和吸咐物的结构（孔隙的大小及其位置），另一方面与沥青的特性有关（主要是活性和基团组成）。

矿料表面上如有微孔，就会大大改变其与沥青相互作用的条件，微孔具有极大的吸附势能，因而孔中吸附大部分的沥青表面活性组分。

当沥青与结构致密的矿料（如石英岩）相互作用时，上述过程就失去了必要的条件，因而其对沥青的选择性吸附不显著。

沥青与初生矿物表面的相互作用
沥青与初生矿物表面的相互作用是一种特殊的作用形式，因为它决定于化学-力学过程。

并与上面叙述的化学吸附同时发生。

化学-力学是一个比较新的科学领域，它研究力学作用对各种物质所产生的范围极广的现象。

许多研究人员对化学-力学有着特殊兴趣，这与在力学作用时有可能在一定条件下引起化学过程有关。

因此，利用化学-力学手段进行材料机械加工过程的研究具有非常广阔的前景。

远在1873年，卡列·M·里曾经指出，某些化学反应只能在力学作用的条件下才会更有效，或是一般只能在这种作用下才能发生反应。

引起固体中大部分力学化学过程的最重要的因素有：化学活性很大的新表面的产生；受机械力破坏而形成的颗粒表面层的结构变化；初生颗粒表面上进行的化学反应。

固体受机械力作用产生的初生表面的能量状态的研究包括初生表面的带电及其吸附能力的研究，重新形成的颗粒表层结构的研究，以及自由基的产生过程和基的相互反应过程等。

B．B．德拉金指出，颗粒经磨碎后成为带电颗粒，并且电荷的正负与大小取决于颗粒的大小和物质的性质。

初生表面的带电，在矿料的活化过程中起着一定的作用。

决定初生表面具有很高的化学活性的一个因素是由于出现自由基，自由基是借助机械力的破坏作用，使化学健断开而产生的。

化学键在机械力作用下断开的可能性是史塔乌金捷尔最先提出的。

1952年，帕依克和瓦特森证实了在这种情况下可能产主自由基。

自由基是分子的残余部分，或是处于电子受激震状态下的分子，它具有很大的化学活性。

自由基的主要化学特性是，具有很高的反应能力，这种能力与自由化合价有关，自由基易与一般的饱和分子起化学反应。

初生表面很高的活性，也与磨碎过程中形成的颗粒表面层的结构变化有关。

例如，德姆波斯捷尔等人的研究表明，磨碎的石英表面是由变化了的含结晶硅砂层所组成。

阿尔姆斯特朗格观测到磨碎石英颗粒表层的非晶形性，并且某些磨碎破坏的深度约为50-100um。

在磨碎的石英表面上，非晶形层的厚度达40nm。

因磨细而产生的颗粒表面层的松散结构，有助于它的反应能力和吸附能力，从而提高了其活化效果。

顺磁共振试验表明，矿料中自由基的浓度随磨碎时间的增长而增大，试验还证明，当沥青与花岗石或石英进行一般的拌和时，只产生矿料与沥青的物理吸附，而在沥青与花岗石或石英一起磨碎的过程中，沥青和矿料之间发生了化学键。

在沥青与矿料一起磨碎的过程中，沥青与矿料表面的相互作用，与沥青和早先磨细的矿料拌和时的相互作用，有着明显的差别，前者化学吸附的沥青量及其随磨碎时间的增长速率均明显高于后者。

§影响沥青混合料强度的因素
如前所述，沥青混合料的强度由两部分组成：矿料之间的嵌挤力与内摩阻力和沥青与矿料之间的粘聚力。

下面从内因、外因两方面分析沥青混合料强度的影响因素。

影响沥青混合料强度的内因
1、沥青粘度的影响
沥青混凝土作为一个具有多级网络结构的分散系来看待，从最细一级网络结构来看，它是各种矿质集料分散在沥青中的分散系，因此它的强度与分散相的浓度和分散介质粘度有着密切的关系。

在其它因素固定的条件下，沥青混合料的粘聚力是随着沥青粘度的提高而增大的。

因为沥青的粘度即沥青内部沥青胶团相互位移时，其分散介质抵抗剪切作用的抗力，所以沥青混合料受到剪切作用时，特别是受到短暂的瞬时荷载时，具有高粘度的沥青能赋予沥青混合料较大的粘滞阻力，因而具有较高抗剪强度。

在相同的矿料性质和组成条件下，随着沥青粘度的提高，沥青混合料粘聚力有明显的提高，同时内摩擦角亦稍有提高。