第5讲沥青2.docx
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第5讲沥青2
第四讲
沥青概述
沥青是一种结构和组成都十分复杂的有机化合物，相应类型的划分还没有一统一的标准。
这里仅介绍按产源和稠度划分（大致五种）。
1）按产源不同划分成经地质开采加工后得到的地沥青和通过化学加工制造得的焦油沥青，其中地沥青又分为地直接开采的天然沥青和开采石油加工后的石油沥青；而焦油沥青按加工原材料不同又分为煤沥青、木沥青和页岩沥青等。
由于石油沥青的产粮大，可加工改性的程度高，是目前道路工程中最主要的沥青品种，所以本届主要讲石油沥青。
2）按常温下的稠度划分成固体沥青、粘稠沥青和液体沥青。
一、粘稠石油沥青
《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004），将粘稠石油沥青按针入度大小分为30、50、70、90、110、130、160号7个标号（见表4-1）。
对每个标号沥青的适用气候分区、针入度指数、软化点、动力粘度、延度、含蜡量、闪点、溶解度，老化后的质量损失、针入度比、延度等指标都规定了指标值。
同时按针入度指数、软化点、延度、含蜡量等指标又将粘稠石油沥青分为A、B、C3个等级，各等级的适用范围也作了规定（见表4-2）。
道路粘稠石油沥青技术标准表4-1
指标
单位
等级
沥青标号
试验方法
160号[4]
130号[4]
110
90
70
50
30号[4]
针入度（25℃,100g,5s）
0.1mm
140-200
120-140
100-120
80-100
60-80
40-60
20-40
T0604
适用气候分区[6]
注[4]
注[4]
2-1
2-2
3-2
1-1
1-2
1-3
2-2
2-3
1-3
1-4
2-2
2-3
2-4
1-4
注[4]
针入度指数
A
-1.5～-1.0
T0604
B
-1.8～-1.0
软化点（R&B）
不小于
℃
A
38
40
43
45
44
46
45
49
55
T0606
B
36
39
42
43
42
44
43
46
53
C
35
37
41
42
43
45
50
60℃动力粘度[2]
不小于
Pa.s
A
-
60
120
160
140
180
160
200
260
T0620
10℃延度[2]
不小于
cm
A
50
50
40
45
30
20
30
20
20
15
25
20
15
15
10
T0605
B
30
30
30
30
20
15
20
15
15
10
20
15
10
10
8
15℃延度
不小于
cm
AB
100
80
50
C
80
80
60
50
40
30
20
含蜡量（蒸馏法）不大于
%
A
2.2
T0615
B
3.0
C
4.5
闪点不小于
℃
230
245
260
T0611
溶解度不小于
%
99.5
T0607
密度（15℃）
g/cm3
实测记录
T0603
TFOT（或RTFOT）后[5]
T0610或T0609
质量变化不大于
%
±0.8
残留针入度比
不小于
%
A
48
54
55
57
61
63
65
T0604
B
45
50
52
54
58
60
62
C
40
45
48
80
54
58
60
残留延度（10
℃）不小于
cm
A
12
12
10
8
6
4
-
T0605
B
10
10
8
6
4
2
-
残留延度（15
℃）不小于
cm
C
40
35
30
20
15
10
-
注：
[1]试验方法执行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052—2000）。
用于仲裁试验计算PI时的5个温度与针入度关系的相关系数不得小于0.997。
[2]经建设单位同意，表中PI值、60℃动力粘度、10℃延度可作为选择性指标，也可作为施工质量检验指标。
[3]70号沥青可根据需要要求提供商提供针入度范围为60～70或70～80的沥青。
50号沥青可要求提供针入度范围为40～50或50～60的沥青。
[4]30号沥青仅适用于沥青稳定基层。
130号和160号沥青除寒冷地区可直接在中低级公路上使用外，通常用作乳化沥青、稀释沥青、改性沥青的基质沥青。
[5]老化试验以TFOT为准，也可用RTFOT代替。
[6]气候分区见第十章。
表4-1中指标有关项目的解释：
1）针入度指数PI值：
是应用针入度和软化点试验结果来表征沥青感温性的一中指标，它表示软化点之下的沥青感温性，可用下世计算获得。
PI=[30/（1+50A）]-10
PI——针入度指数；
A——针入度温度感应系数,由针入度和软化点确定：
A=（lg800-lgP25℃,100g,5s）/（TR&B-25）
P25℃,100g,5s——25℃、100g、5s条件下的针入度,0.1mm；
TR&B——环球法测定的软化点,℃。
针入度指数愈大，表明沥青对温度的敏感性愈小，也就是说在温度升高时，沥青状态改变的程度较小。
表现为夏季高温时沥青不易变软，有一定的抗车辙变形能力；但另一方面冬季沥青较硬，开裂的可能性增加。
所以沥青PI＞－２时，沥青的温度敏感性大；PI＞＋２时，温度敏感性较低。
为了兼顾高低温要求，一般宜选用针入度指数PI为－１＋～－１的沥青作为录用沥青。
２）60℃动力粘度应为运动粘度，采用真空减压毛细管法测定。
３）含蜡量：
沥青中蜡分是一个对沥青路用性能极为不利的成分目前用于高等级路面的重交通道路石油沥青对蜡含量有严格限制。
一方面由于蜡在低温下结精析出后分散在沥青中，减少沥青分子之间的紧密程度，使沥青的低温延展能力降低；另一方面蜡在温度升高是以融化，使沥青粘度降低，增加沥青的温度敏感性。
蜡还能使沥青与石料的表面的粘附性降低，在水存在的情况下易引起沥青膜从石料表面脱落，造成水对路面的破坏。
同时沥青中蜡的存在易引起沥青路面抗滑性能的降低。
道路粘稠石油沥青的适用范围表4-2
沥青等级
适用范围
A级沥青
各个等级的公路，适用于任何场合和层次
B级沥青
1.高速公路、一级公路沥青下面层及以下的层次，二级及二级以下公路的各个层次；
2.用作改性沥青、乳化沥青、改性乳化沥青、稀释沥青的基质沥青。
C级沥青
三级及三级以下公路的各个层次；
二、改性沥青技术标准
改性沥青有两个技术标准，一个是改性沥青技术标准；另一个是改性乳化沥青技术标准。
（一）、改性沥青技术标准
《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004），将改性沥青按聚合物种类分为3类，即SBS类（热塑性橡胶原料）、SBR类（橡胶原料）、EVA和PE（热塑性树脂）类，每一类又按针入度大小分为3～4个标号，分别适用于不同的气候条件（见表4-3）。
I类（SBS）改性沥青：
I-A、I-B适用于寒冷地区，I-C适用于较热地区，I-D适用于炎热地区及重交通量路段。
Ⅱ类（SBR）改性沥青：
Ⅱ-A适用于寒冷地区，Ⅱ-B、Ⅱ-C适用于较热地区。
Ⅲ类（EVA和PE）改性沥青适用于较热和炎热地区。
同时该规范对其它指标也规定了相应的指标值。
聚合物改性沥青技术要求表4-3
指标
SBS类（I类）
SBR类（Ⅱ类）
EVA、PE类（Ⅲ类）
试验方法
I-A
I-B
I-C
I-D
Ⅱ-A
Ⅱ-B
Ⅱ-C
Ⅲ-A
Ⅲ-B
Ⅲ-C
Ⅲ-D
针入度（250C,100g,5s）（0.1mm）
＞100
80-100
60-80
30-60
＞100
80-100
60-80
＞80
60-80
40-60
30-40
T0604
针人度指数PI，不小于
-1.2
-0.8
-0.4
0
-1.0
-0.8
-0.6
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
T0604
廷度（5℃，5cm／min）（cm）不小于
50
40
30
20
60
50
40
-
T0605
软化点
（℃），
不小于
45
50
55
60
45
48
50
48
52
56
60
T0606
运动粘度[1]（135℃）（Pa·s）不大于
3
T0625
T0619
闪点（℃）不小于
230
230
230
T0611
溶解度（％）不小于
99
99
-
T0607
弹性恢复（25℃）（％）
不小于
55
60
65
75
-
-
T0662
粘韧性（N.m）不小于
-
5
-
T0624
韧性（N.m）不小于
-
2.5
-
T0624
贮存稳定性[2]离析，48h软化点差（℃）不小于
2.5
-
无改性剂明显析出、凝聚
T0661
TFOT（或RTFOT）后残留物
质量变化，（％），
不大于
±1.0
T0610或T0609
针人度比（250C），（％）不小于
50
55
60
65
50
55
60
50
55
58
60
T0604
延度（5℃），cm，
不小于
30
25
20
15
30
20
10
-
T0605
注：
[1]表中135℃运动粘度可采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052—2000）中的布洛克菲尔德旋转粘度计测定，若在不改变改性沥青物理力学性质并符合安全条件的温度下易于泵送和拌和，或经试验证明适当提高泵送和拌和温度时能保证改性沥青的质量，容易施工，可不要求测定。
[2]贮存稳定性指标适用于工厂生产的成品改性沥青，在现场制作的改性沥青对贮存稳定性指标可不作要求，但必须在制作后，保持不间断的搅拌或泵送循环，保证使用前没有明显的离析。
第五讲沥青混合料
一、沥青混合料的种类
沥青混合料是由矿料与沥青结合料拌和而成的混合料的总称。
1．按材料组成及结构分为：
连续级配、间断级配混合料。
1）.连续级配混合料
按级配原则，从大到小各粒级都有，并按比例相互搭配组成的矿料与沥青结合料拌和而成的混合料。
2）.间断级配混合料
连续级配级配组成中缺少1个或几个粒径档次（或用量很少）的矿料与沥青结合料拌和而成的混合料。
3）.沥青马蹄脂碎石混合料
由沥青结合料与少量的纤微稳定剂、细集料以及较多量的填料（矿粉）组成的沥青马蹄脂，填充于间断级配的粗集料骨架间隙组成的沥青混合料。
2．按矿料级配组成及空隙率大小分为：
密级配、半开级配、开级配混合料。
1）.密级配沥青混合料
按密实级配原理设计组成的矿料与沥青结合料拌和而成的、设计空隙率较小（2～6%））的密实型沥青混凝土混合料（以AC表示）和密实型沥青稳定碎石混合料（以ATB表示）。
按关键性筛孔通过率的不同又可分为细型、粗型密级配沥青混合料。
粗集料嵌挤作用较好的也称嵌挤密级配沥青混合料。
2）.半开级配沥青碎石混合料
由适当比例的粗集料、细集料及少量填料（或不加填料）与沥青结合料拌和而成，经马歇尔标准击实成型的试件的剩余空隙率在6%%～12%的沥青混合料（以AM表示）。
3）.开级配沥青混合料
矿料级配主要由粗集料嵌挤组成，细集料及填料较少，设计空隙率为18%的沥青混合料。
4）.沥青稳定碎石混合料（简称沥青碎石）
由矿料和沥青组成具有一定级配要求的混合料，按空隙率、集料最大粒径、添加矿粉数量的多少，分为密级配沥青碎石（ATB）、开级配沥青碎石（OGFC表面层及ATPB基层）、半开级配沥青碎石（AM）。
3．按公称最大粒径分为：
特粗式（公称最大粒径等于或大于31.5mm）、粗粒式（公称最大粒径为26.5mm）、中粒式（公称最大粒径为16mm或19mm）、细粒式（公称最大粒径为9.5mm或13.2mm）、砂粒式（公称最大粒径小于9.5mm）沥青混合料。
4．按制造工艺分为：
热拌沥青混合料、冷拌沥青混合料、再生沥青混合料等。
二、技术性质及标准
（一）、技术性质
沥青路面是暴露在自然界中的结构物，除了直接承受车辆交通荷载作用外，还受到各种自然因素的影响，因此要求路面既要有承受交通荷载作用的稳定性，还要有抵抗自然因素作用的耐久性；同时为了保证行车安全、舒适、高速，要求路面还必须具有特殊表面特性，即抗滑性。
路面的这些性能，都是沥青混合料应该具备的。
1.高温稳定性
沥青混合料的高温稳定性是指在高温季节，在车辆荷载长期作用下，路面不产生车辙和波浪等病害的性能。
沥青混合料的特点是强度和抗变形能力随温度升降而产生变化，温度升高时，沥青的粘滞度降低，矿料之间的粘结力削弱，导致强度降低。
温度降低时情况正好相反。
影响沥青混合料高温稳定性的主要因素一是沥青和矿料的性质及其相互作用的特性，二是矿料的级配组成。
JTGF40--2004规定采用马歇尔稳定度和流值来评价沥青混合料的高温稳定性；对高速公路、一级公路、城市快速路、主干路的沥青混合料，还应通过动稳定度试验检验其抗车辙能力。
1）.马歇尔稳定度（MS）和流值（FL）稳定度是指标准尺寸试件在规定温度和加荷速度下，在马歇尔仪上受压至破坏时的最大荷载（kN）；流值是达到最大破坏荷载时试件的垂直变形（以mm计）。
2）.动稳定度（DS）在规定的试件尺寸、温度和轮压（着地压力）下，试验轮在试板上沿同一轨迹按要求的速度做往复运动，通过变形量测装置测量不同时间轮迹的深度，以每产生1mm深的轮迹变形，试验轮的行走次数作为动稳定度。
动稳定度试验也称车辙试验。
动稳定度是一个验证性指标，即在矿料配合比和沥青用量确定以后，成型车辙试件进行车辙试验，当试验结果满足技术标准要求，则验证试验通过，否则重新进行配合比调整试验。
2.低温抗裂性
在气候寒冷地区，冬季气温下降，特别是急骤降温时，沥青混合料发生收缩，如果收缩受阻就会产生拉应力，该应力超过沥青混合料的抗拉强度，路面就会产生开裂。
因此沥青混合料不仅应具备高温稳定性，同时还要具有低温抗裂性，以保证路面在低温季节不产生裂缝。
影响低温开裂的因素很多，从沥青混合料本身讲，与沥青的性质、沥青含量、矿质混合料的级配等有关。
沥青粘滞度大，或沥青含量较大，沥青混合料具有较高的低温抗裂性。
密级配沥青混合料低温抗裂性较开级配沥青混合料高。
沥青混合料低温抗裂性用低温弯曲试验的破坏应变评价，采用棱柱体试件，在-10℃、加载速率50mm/min的条件下进行弯曲试验，测定破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量，并根据应力应变曲线的形状，综合评价沥青混合料的低温抗裂性能。
该方法主要限于密级配沥青混合料。
3.水稳性
由水引起的沥青路面损坏称为水损坏。
在沥青混合料配合比设计试验阶段，对其抗水损害能力应给予充分的考虑。
沥青混合料的水稳性从两个方面进行评价，一是从原材料方面进行评价；二是从沥青混合料方面进行评价。
1）青与石料的粘附性粗集料表面被沥青膜裹附后，抵抗受水浸蚀造成剥落的能力称为
沥青与粗集料的粘附性。
提高粘附性，可以提高混合料的水稳性。
粘附性试验方法见第四章。
2）留稳定度残留稳定度是验证性试验指标。
马歇尔试验按试验时的浸水条件的不同，
分为标准马歇尔试验、浸水马歇尔试验和真空饱水马歇尔试验，三者均是在60℃的温度下测定马歇尔稳定度，区别在于浸水条件不同。
标准马歇尔试验试件在60℃的水中保持时间为30min～40min；浸水马歇尔试验在60℃的水中保持时间为48h；真空饱水是将试件在规定的真空度下维持一定的时间后，靠负压使试件浸冷水饱和后恢复常压，再在60℃的水中保持48h。
浸水马歇尔稳定度与标准马歇尔稳定度的比值称为残留稳定度；真空饱水马歇尔稳定度与标准马歇尔稳定度的比值称为真空饱水残留稳定度，均用百分数表示，都是表示混合料水稳定性的指标（试验方法见第四节马歇尔试验）。
3）冻融劈裂强度比对年最低平均气温低于-21.5℃寒冷地区，还需要用冻融劈裂强度比检验沥青混合料的水稳性。
该指标比上述残留稳定度条件更苛刻一些。
用两面击实50次的马歇尔试件，常温下浸水20min，在98.3kPa～98.7kPa的真空条件下保持15min，在-18℃的冰箱中冷冻16h，在60℃的水中保持24h完成一个冻融循环，在25℃的水中保持2h后测定劈裂强度，与未进行冻融循环的同温度劈裂强度之比，即为冻融劈裂强度比，用百分数表示。
4）饱水率吸水率和饱水率是反映混合料吸水能力的两项指标，吸水率是试件在常压条
件下，吸水的体积与沥青混合料的体积之比，吸水率的试验方法完全与表干密度试验方法一样。
饱水率是试件在真空条件下吸水的能力，用吸水的质量与试件干质量之比表示。
饱水率不单独作为沥青混合料的性能指标，是针对其它试验有需要对试件进行饱水处理（如冻融劈裂）而设立的方法。
另外，当试件的矿料配合比例和沥青含量未知，测定空隙率有困难时，
用饱水率可大体上反映其空隙率，在旧路调查时常有用。
也可用于沥青混合料生产的质量控制。
4.耐久性
沥青混凝土路面，长期受自然因素的作用，为保证路面具有较长的使用年限，要求沥青混合料必须具有较好的耐久性。
我国现行规范采用粘附性、空隙率、饱和度（即沥青填隙率）和残留稳定度等指标来表征沥青混合料的耐久性。
1）空隙率空隙率是指压实的沥青混合料试件中，空隙体积占试件总体积的百分数，由试件的表干相对密度和最大相对密度计算求得。
就沥青混合料的组成结构而言，耐久性首先取决于沥青混合料的空隙率。
空隙率的大小与矿质骨料的级配、沥青材料的用量以及压实程度等有关。
从耐久性角度出发，希望沥青混合料空隙率尽量小，以防止水的渗入和日光紫外线对沥青的老化作用等，但是一般沥青混合料中均应留有一定的空隙率，以备夏季沥青材料膨胀，引起路面热稳定方面的问题。
沥青混合料空隙率与水稳定性有关。
空隙率大，且沥青与矿料粘附性差的混合料，在饱水后石料与沥青粘附性降低，易发生剥落，同时颗粒相互推移产生体积膨胀以及出现力学强度显著降低等现象，引起路面早期破坏。
2）饱和度压实沥青混合料中，沥青体积占矿料骨架以外的空隙体积的百分率，亦称沥青填隙率。
饱和度和空隙率是沥青混合料配合比设计中要平衡的一对矛盾，饱和度越大，混合料的空隙率越小，混合料的热稳定性相对较差，但低温稳定性较好。
反之亦然。
3）沥青用量沥青路面的使用寿命还与混合料中的沥青含量有很大的关系。
当沥青用量较正常用量小时，则沥青膜变薄，混合料的延伸能力降低，脆性增加；沥青用量偏少还将使混合料的空隙率增大，饱和度降低，沥青膜暴露面积较大，加速了老化作用。
同时增加了渗水率，加强了水对沥青的剥落作用。
有研究认为，沥青用量较最佳沥青用量少0.5％的混合料能使路面使用寿命减少一半以上。
5.抗滑性
随着现代高速公路的发展，对沥青混合料路面的抗滑性提出更高的要求。
沥青混合料路面的抗滑性与矿质集料的微表面性质、混合料的级配组成以及沥青用量等因素有关。
因此从原材料的角度讲，路面的抗滑性通常用石料的磨光值、沥青的含蜡量来评价（见砂石材料、沥青各章）；从混合料配合比例的角度讲取决于沥青用量；从路面结构的角度讲通常用路面的摩擦系数来评价（见路面结构检测）。
1）集料磨光值。
现行施工技术规范（JTGF40--2004）对抗滑层集料提出了磨光值、道瑞磨耗值和冲击值等三项指标，为了使沥青路面有足够的抗滑性，选择原材料时要特别注意粗集料的耐磨光性，应选择硬质有棱角的集料。
但硬质集料往往属于酸性集料，与沥青的粘附性差，可以通过掺加抗剥剂等措施改善粘附性。
2）沥青用量。
沥青用量对抗滑性的影响非常敏感，沥青用量超过最佳用量的0.5％即可使抗滑系数明显降低。
3）含蜡量。
沥青含蜡量对沥青混合料抗滑性有明显的影响，现行施工技术规程（JTGF40--2004）规定，重交通量道路石油沥青含蜡量应不大于2.2％。
6抗老化性
老化试验分为短期老化和长期老化，短期老化采用松散试样，其效果相当于沥青混合料在施工拌和和铺筑过程中的老化；长期老化采用压实的混合料试样，其效果相当于压实的沥青混合料路面在5～7年的使用年限内的全部老化过程。
短期老化的混合料可以用来评价混合料的高温稳定性；长期老化的混合料可以用来评价混合料的低温抗裂、疲劳、水损害等在使用过程中逐渐发生的破坏性性能指标；也适用于与未进行老化试验的混合料的性能比较，以评价混合料的抗老化性能。
但由于现行规范的一系列性能指标都是建立在以新拌沥青混合料为基础的试验上，采用老化后的混合料评价沥青混合料的各项性能，涉及到新的指标体系的建立。
所以在现阶段，主要用于添加抗剥落剂的沥青混合料的试验，以评价抗剥落剂的效果。
据试验证明，一些抗剥落剂在刚加入混合料后效果很明显，但经老化后粘附
性等级显著下降，因此用老化后的沥青混合料评价抗剥落剂的效果不失为一种好方法。
（二）、技术标准
现行《沥青路面施工技术规范》（JTGF40--2004）规定，热拌沥青混合料配合比设计采用马歇尔法，各类混合料的技术标准分别见表5-1～5-8。
密级配沥青混凝土混合料马歇尔试验技术标准表5-1
试验指标
高速公路、一级公路
其他等级公路
行人道路
单
位
夏炎热区（1-1、1-2、1-3、1-4）
夏热区及吓凉区（2-1、2-2、2-3、2-4、3-2）
中轻交通
重载交通
中轻交通
重载交通
击实次数（双面）
次
75
50
50
试件尺寸
mm
φ101.6×63.5
空隙率VV
深约90mm以内
%
3～5
4～6
2～4
3～5
3～6
2～4
深约90mm以下
%
3～6
2～4
3～6
3～6
-
稳定度MS不小于
kN
8
5
3
流值FL
mm
2～4
1.5～4
2～4.5
2～4
2～4.5
2～5
矿料间隙率VMA不小于
设计空隙率（%）
%
相应于以下公称最大粒径（mm）的最小VMA及VFA技术要求（%）
26.5
19
16
13.2
9.5
4.75
2
10
11
11.5
12
13
15
3
11
12
12.5
13
14
16
4
12
13
13.5
14
15
17
5
13
14
14.5
15
16
18
6
14
15
15.5
16
17
19
沥青饱和度VFA
%
55～70
65～75
70～85
注：
1.对空隙率大于5%的夏炎热区重载交通路段，施工时应至少提高压实度1个百分点；
2.当设计空隙率不是整数时，由内插确定要求的VMA最小值；
3.对改性沥青混合料，马歇尔试验的流值可适当放宽。
沥青稳定碎石混合料马歇尔试验技术标准表5-2
试验指标
单位
密级配基层（ATB）
半开级配面层（AM）
排水式开级配磨耗层（OGFC）
排水式开级配基层（ATPB）
公称最大粒径
mm
26.5
等于或大于31.5
等于或小于26.5
等于或小于26.5
所有尺寸
马歇尔试件尺寸
mm
φ101.6×63.5
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