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沥青混合料

第一节沥青混合料的技术性质

1.沥青路面的分类和优缺点沥青路面：

所有以沥青结合料来粘结矿料铺筑而成的不同路面结构，均为沥青路面。

沥青表处理和沥青贯入式：

属于次高级路面，矿料级配没有严格要求，一般以现场进行矿料摊铺并洒热沥青后进行碾压成型的

沥青碎石属于次高级路面：

有厂拌和路拌之分，前者质量与性能稳定。

沥青碎石中矿料级配有一定要求，但没有沥青混凝土的严格，其中没有或较少使用矿粉，孔隙率较大。

沥青混凝土组成特点是：

级配要求严格、使用矿粉（填料）较多、拌和要求严格（厂拌）。

其级配有连续级配、间断级配之分，近年来沥青路面中出现了许多新的结构形式：

如SMA、OGFC、SUPERPAVE等。

沥青路面的优缺点主要优点：

①优良的结构力学性能和表面功能特性：

一般沥青路面均具有良好的受力特性；路面平整、无裂缝或接缝、柔韧舒适、货物损失率低、噪音小等优点

②表面抗滑性能好：

沥青路面既平整、表面又粗糙，有一定的粗、细纹理构造，能保证车辆高速安全行驶③施工方便：

沥青路面可以集中拌和（厂拌）、机械化施工（摊铺、碾压等），完全可以实现大面积施工，质量能够得以保障，开放交通早

经济耐久性好：

与水泥路面相比，沥青路面一次性投资要低④得多，但其使用寿命一般在高速公路和机场到面中以15年计，实际使用中只要施工质量好、养护保养及时有的可以使用20年⑤便于再生利用：

沥青再生利用已成为发达国家一项热门的可持续发展和能源再生利用的新型课题，我国目前也在进行这方面的研究和技术开发；可以有利于分期修建

⑥其它，如抗震性好、日照下不反射引起眩光、晴天无扬尘、雨后不泥泞等

主要缺点：

①沥青易老化：

沥青是多组分有机材料，随着使用期的延长，沥青的胶体结构和组成成分发生变化，使沥青粘性变差、塑性降低、沥青路面易表面松散、整体性降低，从而导致结构破坏；一般可以添加抗老化剂，如添加碳黑可以起到抗氧化的作用，增强沥青的老化特性，还有其他材料如阻酚类、氨基甲酸酯类、钙盐、胺类等，但研究不成熟。

②温度敏感性较差：

夏季高温易流淌，高温稳定性差；低温易发脆，抗裂性能差。

可质沥青或采取改性措施等。

2.沥青混合料的分类沥青混合料：

一般是由矿质混合料（包含粗、细集料，矿粉）和沥青组成，有时还有外加剂，其性能好坏与其组成材料有关。

通常根据沥青混合料中材料的组成特性、施工的方式等沥青混合料有以下几种分类方法：

1）根据矿质混合料的级配类型进行划分矿料由适当比例的粗集料、细集料和填料组成，根据矿料级配组成的特点及压实后剩余空隙率的大小，可以将沥青混合料分为以下几类：

①连续密级配沥青混凝土混合料特点：

级配为连续密级配，空隙率较低。

主要代表沥青混合料：

AC和ATB类。

前者设计空隙率通常为3%～6%，具体、应根据不同的交通类型、气候特点而定，可见P110页表3-16所示，可适用于任何面层结构；后者设计空隙率也为3%～6%，但粒径为粗粒式及特粗式，一般称为密级配沥青稳定碎石混合料（ATB），主要适用于基层。

②连续半开级配沥青混合料特点：

空隙率较大，一般采用10％左右，粗细集料含量相对密级配要多，填料较少或不加填料主要代表混合料：

沥青碎石混合料AM，适用于三级及三级以下公路、乡村公路，此表面应设置致密的上封层。

③开级配沥青混合料特点：

矿料级配主要由粗集料组成，细集料和填料较少；沥青结合料粘度要求较高。

主要代表混合料：

排水式沥青磨耗层混合料OGFC，排水式沥青稳定碎石基层ATPB。

④间断级配沥青混合料特点：

采用间断级配，即矿料级配组成中缺少一个或几个档次而形成的级配，粗集料和填料含量较多，中间集料含量较少。

代表混合料：

沥青玛蹄脂SMA。

2）按矿料的公称最大粒径分类集料最大粒径：

指筛分试验中，通过百分率为100％的最小标准筛孔尺寸，如AC-1大粒径为19mm；集料公称最大粒径：

指全部通过或允许少量不通过的最小一级标准筛筛孔尺寸，如AC-16，其公称最大粒径为16mm，实际上沥青混合料名称中的数值即为公称最大粒径。

沥青混合料一般按公称最大粒径的大小可分为特粗式、粗粒式、中粒式、细粒式和砂粒式，与之相对应的最大粒径和公称最大粒径见表3-1所示。

3）根据结合料的类型分类根据沥青混合料中所用沥青结合料的不同，可分为石油沥青混合料和煤沥青混合料，但煤沥青对环境污染严重，一般工程中很少采用煤沥青混合料。

（4）根据沥青混合料拌合与铺筑温度分类按照这种分类方法，可以将沥青混合料分为热拌热铺沥青混合料和常温沥青混合料。

前者主要采用粘稠石油沥青作为结合料，需要将沥青与矿料在热态下拌合、热态下摊铺碾压成型；后者则采用乳化沥青、改性乳化沥青或液体沥青在常温下与矿料拌合后铺筑5）根据强度形成原理分类沥青混合料的组成材料不同，其强度形成原理也不同，一般可以分为嵌挤原则则两大类。

按嵌挤原则构成的沥青混合料的结构强度主要是以矿料颗粒之间的嵌挤力和内摩阻力为主，以沥青结合料的粘结力为辅形成的，如沥青贯入式、沥青表处和沥青碎石等路面结构均属于此类。

按密实原则构成的沥青混合料则主要是以沥青与矿料之间的粘结力为主，矿料间的嵌挤力和内摩阻力为辅，一般的沥青混凝土都属于此类。

二、沥青混合料的组成结构沥青混合料主要有沥青、粗集料、细集料、矿粉填料和外加剂（如抗剥离剂、抗老化剂、聚合物改性剂等）组成影响混合料性能的因素：

矿料颗粒的大小和不同粒径的分布；颗粒组成的空间位置关系；沥青的分布特征和矿料颗粒表面沥青层的性质；沥青混合料空隙率的大小；空隙的分布与空隙间的连通情况；外加剂与其他材料的配伍相容性及外加剂对沥青与矿料性能的改善情况等。

本部分主要讨论沥青混合料的结构形成理论和其组成结构类型。

二）沥青混合料结构类型由于材料组成分布、矿料与矿料及矿料与沥青间的相互作用、剩余空隙率的大小等不同，混合料可分为悬浮密实结构、骨架空隙结构、骨架密实结构三大类。

（1）悬浮密实结构

该结构组成的基本特点：

采用连续级配，矿料颗粒连续存在，而且细集料含量较多，将较大颗粒挤开，使大颗粒不能形成骨架，而较小颗粒与沥青胶浆比较充分，将空隙填充密实，使大颗粒悬浮于较小颗粒与沥青胶浆之间，形成“悬浮-密实”结构。

代表类型：

按照连续密级配原理设计的AC型沥青混合料是典型的这种悬浮密实结构。

力学特点：

大颗粒未形成骨架，内摩阻力ф值较小；小颗粒与沥青胶浆含量充分，粘结力C值较大。

路用性能特点：

由于压实后密实度大，该类混合料水稳定性、低温抗裂性和耐久性较好；但其高温性能对沥青的品质依赖性较大，由于沥青粘度降低，往往导致混合料高温稳定性变差。

（2）骨架空隙结构该结构组成的基本特点：

采用连续开级配，粗集料含量高，彼此相互接触形成骨架；但细集料含量很少，不能充分填充粗集料件的空隙，形成所谓的“骨架-空隙”结构。

代表类型：

沥青碎石AM和开级配磨耗层沥青混合料OGFC等。

力学特点：

大颗粒形成骨架，内摩阻力ф值较大；小颗粒与沥青胶浆含量不充分，粘结力C值较低。

路用性能特点：

粗集料的骨架作用，使之高温稳定性好；由于细集料含量少，空隙未能充分填充，耐水害、抗疲劳和耐久性能较差，所以一般要求采用高粘稠沥青，以防止沥青老化和剥落。

（3）骨架密实结构其结构组成特点：

采用间断级配，粗、细集料含量较高，中间料含量很少，使得粗集料能形成骨架，细集料和沥青胶浆又能充分填充骨架间的空隙，形成“骨架-密实”结构。

代表类型：

沥青玛蹄脂碎石混合料SMA。

力学性能特点：

粗集料的骨架作用，内摩阻力ф值较大；小颗粒与沥青胶浆含量充分，粘结力C值也较大，综合力学性能较优。

路用性能特点：

该类混合料高低温性能均较好，具有较强的疲劳耐久特性；但间断级配在施工拌合过程中易产生离析现象，施工质量难以保证，使得混合料很难形成“骨架-密实”结构。

随着施工技术的发展，这类结构得以普遍使用，但一定防止混合料拌合生产、运输和摊铺等施工过程中防止混合料产生离析。

三、沥青混合料强度形成原理及其影响因素沥青混合料结构强度构成

（1）路面破坏原因分析：

高温时，由于沥青混合料抗剪强度不足，引起塑性变形过大（塑性变形为不可恢复变形，随着时间产生累积），使路面产生波浪、车辙、拥包与推移等高温变形破坏。

低温时，抗拉强度或抗变性能力不足，由于混合料收缩受阻产生的拉应力超过了混合料的抗拉强度，而在混合料内产生裂缝。

2）环境因素对沥青路面破坏产生的影响气温下降材料产生收缩，路面边界约束下，收缩受阻混合料内产生拉应力拉应力超过抗拉强度，裂缝产生雨水渗入裂缝引起下卧层水损坏，承载力下降裂缝扩展路面结构破坏。

在春融季节，水从裂缝下渗，进入路基内，使路基强度下降，而沥青路面不具有刚性，汽车在路面上行驶，是路基内的静态水变为动态水，在路基内产生冲刷，使路基内的水涌出，沥青层下陷发生翻浆现象。

3）疲劳破坏疲劳破坏是在车辆反复作用下引起的，路面材料和路基的疲劳作用，产生变形累积，这在路面工程中专门讲述，本课程主要讲述材料因素。

总之，沥青路面必须具备一定的抗剪切破坏的能力。

沥青路面设计中抗剪强度，抗剪强度可以用摩尔-库伦理论进行分析，即沥青混合料的结构强度由矿料之间的嵌锁力（内摩阻力）以及沥青与矿料的粘结力及沥青自身的内聚力构成，可由下式表征：

2．沥青混合料结构强度的影响因素

（1）沥青结合料的粘度沥青结合料的粘度反映沥青自身的内聚力。

由胶浆理论可知，沥青-矿粉形成的微分散系其主要作用。

一般η越大，C值越大，因为η越大，沥青胶团抗位错能力增强，使沥青混合料的粘滞阻力增大，保持了矿质集料的相对嵌锁作用。

沥青粘度增大，沥青混合料粘结力明显增大，内摩阻角稍有增加。

2）矿质混合料性能的影响矿料的岩石种类、级配组成、颗粒形状和表面粗糙度等特性对沥青混合料的嵌锁力或内摩阻角影响较大。

级配影响：

连续密级级配多是悬浮密实结构，沥青的内聚力大，矿料间的内摩阻力相对较小；骨架空隙结构的沥青混合料以嵌锁力为主，沥青内聚力为辅形成结构强度；在以嵌挤原则设计的骨架密实结构中，粗集料作用下嵌锁力较大，细料与沥青胶浆填充空隙，粘结力较好，故该结构整体强度高，稳定性好。

矿料表面特性影响：

矿料尺寸近似立方体，粗糙，多棱角，矿料间嵌挤索结能力好，φ较大；采用碱性石料，混合料中矿料间粘结力大，混合料强度高。

矿料比面的影响：

矿料比面越大，“结构沥青”的比例越大；矿粉比表面所占比例最大，矿粉用量和性质，可以影响沥青膜厚度和“结构沥青”所占比例。

沥青用量的影响：

含量较少时，沥青不足敷裹集料颗粒表面，沥青混合料整体强度较低；随着沥青用量增加，沥青逐渐敷裹矿料表面，使得结构沥青用量增加，矿料间的粘结力增强，混合料整体强度增高，直到整个矿料表面被“结构沥青”所敷裹；当沥青用量进一步增加，此时过多的沥青形成“自由沥青”，这部分沥青在矿料间主要起润滑作用，并将矿料“推开”，从而使沥青混合料的整体强度下降。

（5）使用条件的影响环境温度和荷载作用特性对混合料的强度影响也较大。

温度升高，沥青粘度降低，混合料的粘结力也下降，矿料间的约束减小使得矿料间的内摩阻力也降低，从而混合料整体强度都下降荷载作用体现在荷载作用时间或变形速率上，一般沥青粘度随变形速率增加而增加，混合料的内摩阻力随变形速率则变化较小，那么变形速率增加，沥青混合料的粘结力也增大，整体强大则增高。

四、沥青混合料的路用性能沥青混合料受自然环境因素和交通荷载作用，要求混合料必须具有高温稳定性、低温抗裂性、耐久性、抗渗性、抗滑性和施工和易性。

1.高温稳定性定义：

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。

提出高温稳定性的意义：

高温条件下或长时间承受荷载作用混合料会产生显著的变形，其中不能恢复的部分成为永久变形，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，重车比例高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。

1）高温稳定性的评价方法和评价指标评价试验方法：

圆柱体试件的单轴静载、动载、重复荷载试验；三轴静载、动载、重复荷载试验；简单剪切的静载、动载、重复荷载试验等。

马歇尔稳定度、维姆稳定度和哈费氏稳定度等工程试验，以及反复碾压模拟试验如车辙试验等。

我国最常用评价方法是：

马歇尔试验和车辙试验。

2）影响高温稳性的主要因素分析沥青混合料高温稳定性的形成主要来源于矿质集料颗粒间的嵌锁作用及沥青的高温粘度。

在沥青混合料的组成材料中，矿料性质对沥青混合料高温性能影响是至关重要的。

采用表面粗糙、多棱角、颗粒接近立方体的碎石集料，沥青的高温粘度越大，与集料的粘附性越好，相应的沥青混合料的抗高温变形能力就越强。

可以使用合适的改性剂来提高沥青的高温粘度，降低感温性，提高沥青混合料的粘从而改善了沥青混合料的高温沥青用量的影响，随着沥青用量的增加，沥青膜增厚，自由沥青比例增加，在高温条件下，易发生明显的流动变形，从而导致沥青混合料抗高温变形能力降低。

随着沥青膜厚度的增加，车辙深度随之增加。

细粒式和中粒式密级配沥青混合料，适当减少沥青用量有利于抗车辙能力的提高，当采用马歇尔试验进行沥青混合料配合比设计时，沥青用量应选择最佳沥青用量范围的下限。

但对于粗粒式或开级配沥青混合料，不能简单的靠采用减少沥青用料来提高抗车辙能力。

2.低温抗裂性定义：

低温抗裂性，保证沥青路面在低温时不产生裂缝的能力。

原因：

当冬季气温将低时，沥青面曾将产生体积收缩，而在基层结构与周围材料的约束作用下，沥青混合料不能自由收缩，将在结构层中产生温度应力。

由于沥青混合料具有一定的应力松弛能力，当降温速率较慢时，所产生的温度温度应力会随着时间之间松弛减小，不会对沥青路面产生较大的危害。

但当气温骤降时，所产生的温度应力来不及松弛，当温度应力超过沥青混合料的容许应力值时，沥青混合料被拉裂，导致沥青路面出现裂缝造成路面的损坏。

因此有求沥青混合料具备一定的低温抗裂性能，即要求沥青混合料具有较高的低温强度或较大的低温变形能力1）低温抗裂性的评价方法和评价指标目前用于研究和评价沥青混合料低温抗裂性的方法可以分为三类：

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弛能力；评价沥青混合料断裂能。