7土木工程材料-沥青及沥青混合料

第八章沥青及沥青混合料一、石油沥青1、石油沥青的定义2、石油沥青的组成与结构3、石油沥青的技术性质4、石油沥青的牌号与应用1、石油沥青的定义：石油原油经蒸馏等提炼出各种轻质油（如汽油、柴油等）及润滑油以后的残余物，或再经加工而得到的产品。是由多种极其复杂的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属衍生物所组成的混合物。分为建筑石油沥青、道路石油沥青和普通石油沥青三种。（1）石油沥青的组分饱和分（油分）：是沥青中分子量最小和密度最小的组分，呈淡黄色至红褐色的油状液体。赋予石油沥青以流动性。可溶于石油醚、二硫化碳、三氯甲烷、苯、四氯化碳和丙酮等有机溶剂，但不溶于酒精。胶质（树脂）：分子量比油分大，呈黄色至黑褐色的油状液体。大部分属于中性树脂，赋予沥青以粘结性、塑性和可流动性。可溶于三氯甲烷、苯、汽油等有机溶剂。地沥青质（沥青质）：分子量比树脂更大，呈深褐色至黑色固态无定形体（固体粉末）。决定石油沥青温度敏感性、粘性。可溶于三氯甲烷、二硫化碳等有机溶剂，染色力强，对光的敏感性强，感光后不溶。2、石油沥青的组成与结构（2）石油沥青的结构在沥青中，油份和树脂互溶，树脂浸润地沥青质。以地沥青质为核心，周围吸附部分树脂和油份，构成胶团，无数胶团分散在油份中形成胶体结构。溶胶结构凝胶结构溶胶结构：饱和分和胶质数量较多。沥青质较少，流动性、塑性较好，温度敏感性大。凝胶结构：沥青质含量适当，并有较多的胶质分作为保护物质时。弹性、粘性较好，温度敏感性小。溶-凝胶结构：介于两者之间。粘性：粘性是指沥青材料在外力的作用下，沥青粒子产生相互位移时抵抗变形的能力。反映了沥青的软硬、稀稠程度，是划分沥青牌号的主要指标。针入度、标准粘度。3、石油沥青的技术性质（1）粘性（2）塑性（3）温度敏感性（4）大气稳定性（5）其他性质针入度的测定针入度25℃，100g的标准针，在5s内贯入试样的深度表示。针入度越大，沥青越软，粘度越小粘滞度的测定规定温度下，规定直径的孔流出50cm3沥青所需要的时间。3、石油沥青的技术性质塑性：是指石油沥青在外力作用下，产生变形而不破坏，除去外力后，仍保持变形后的形状的性质。用延度表示。（1）粘性（2）塑性（3）温度敏感性（4）大气稳定性（5）其他性质延度的测定延伸度断裂8字型标准试样，在规定的速度和温度下拉断时的伸长长度，以cm为单位。延度越大，沥青塑性越好3、石油沥青的技术性质温度敏感性：是指石油沥青的粘性和塑性随温度升降而变化的性能。用温度软化点表示。（1）粘性（2）塑性（3）温度敏感性（4）大气稳定性（5）其他性质软化点的测定沥青装入规定尺寸的铜环内，试样上放置一个标准钢球，浸入水中或甘油，以规定的升温速度加热，使沥青软化下垂，当沥青下垂25cm时的温度，即为沥青软化点。软化点越高，沥青耐热性就越好。3、石油沥青的技术性质老化：石油沥青随着时间的进展，而流动性和塑性逐渐减少，硬脆性逐渐增大，直至脆裂。大气稳定性：是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素的长期综合作用下抵抗老化的性能。用蒸发损失、蒸发针入度表示。（1）粘性（2）塑性（3）温度敏感性（4）大气稳定性（5）其他性质燃点、溶解度、闪点4、石油沥青的牌号与应用三大指标：针入度、延度、软化点，其中针入度是划分牌号的主要依据。按针入度划分为40、30和10三个牌号。牌号越高，针入度越大(越软），延度越大（塑性越好），软化点越低（耐热性越差）。选用的原则：在满足设计要求的条件下，牌号越大越好。二、煤焦油与石油沥青相比，煤沥青有如下特点：（1）由固态或粘稠态转变为粘流态（或液态）的温度间隔较小，夏天易软化流淌，而冬天易脆裂，即温度敏感性较大。（2）含挥发性成分和化学稳定性差的成分较多，在热、阳光、氧气等的长期综合作用下，煤沥青的组成变化较大，易硬脆，大气稳定性较差。（3）含有较多的游离碳，塑性较差，容易变形开裂。（4）因含有蒽、酚等，故有毒性和臭味，防腐能力较好，适用于木材的防腐处理。（5）含表面活性物质较多，与矿料表面的粘附力较好。三、改性沥青现在土木工程对沥青的要求越来越高：1、在低温条件下有一定的弹性和塑性。2、在高温条件下要有足够的强度和稳定性。3、在加工和使用条件下具有抗“老化”能力。4、与各种矿物和结构表面有较强的粘附力。5、对构件变形的适应性和耐疲劳性。通常橡胶、树脂等称为石油沥青的改性材料。我国目前使用的聚合物改性剂主要有SBS(属热塑性橡胶类)、SBR(属橡胶类)、EVA及PE(热塑性树脂类)三类。I类(SBS热塑性橡胶类)聚合物改性沥青中I—A型及I—B型适用于寒冷地区，I—C型适用于较热地区，I—D型适用于炎热地区及重交通量路段。Ⅱ类(SBR橡胶类)聚合物改性沥青中Ⅱ—A适用于寒冷地区，Ⅱ—B和Ⅱ—C适用于较热地区。Ⅲ类聚合物改性沥青，如乙烯—醋酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯(PE)改性沥青，适用于较热和炎热地区。通常要求软化点温度比最高月使用温度的最大空气温度高20℃左右。第二节沥青混合料一、概述(一)定义沥青混合料是由矿料（如碎石、石屑、砂等）与沥青拌和而成的混合料的总称。1、沥青混凝土混合料：由适当比例的粗集料、细集料及填料组成的符合规定级配的矿料，与沥青结合料拌和而制成的符合技术标准的沥青混合料，简称AC。2、沥青碎石混合料：由适当比例的粗集料、细集料及填料（或不加填料）与沥青拌和的沥青混合料（压实后剩余空隙率大于10％的沥青混合料），简称AM。(二)沥青混合料的特点1、沥青混合料是弹塑性粘性材料，具有一定的高温稳定性和低温抗裂性。2、沥青混合料路面有一定的粗糙度，行车比较安全。3、施工方便，速度快，养护期短。4、沥青混合料路面可分期改造和再生利用。缺点易老化引起路面破坏；温度稳定性差，夏季高温时易软化；冬季低温时易脆裂。(三)沥青混合料的分类1、按胶凝材料分：石油沥青混合料和煤沥青混合料。2、按矿料最大粒径可分为以下几种：(1)特粗式～粒径≥37.5mm。(2)粗粒式～最大粒径为26.5mm或31.5mm。一般用于高级路面的基层，双层式沥青面层的下层。(3)中粒式~最大粒径为16mm或19mm，一般用于路面的面层或双层式沥青面层的下层。(4)细粒式～最大粒径为9.5mm或13.2mm。一般用于双层式沥青路面面层。(5)砂粒式～最大粒径等于或小于4.75mm，也称为沥青石屑或沥青砂。一般用于高级路面上的磨耗层。3、按矿质材料的级配类型分：连续级配沥青混合料和间断级配沥青混合料。二、沥青混合料的组成结构级配良好的矿质骨料（粗集料、细集料、矿粉）、最佳用量的沥青胶结物、外掺材料所构成的具有空间网络结构的一种多相分散体系(1)悬浮一密实结构是指矿质集料由大到小组成连续型密级配的混合料结构，混合料中粗集料数量较少，细集料的数量较多。特点：粘聚力较大，内摩阻角较小，密实度较高，但高温稳定性较差。应用：双层或三层结构的沥青路面，其中至少必须有一层1型密级配沥青混合料。对干燥地区的高等级公路，也可采用这种结构的沥青混合料做表层。(2)骨架一间隙结构是指矿质集料属于连续型开级配的混合料结构，矿质集料中粗集科较多，粗集料互相靠拢可形成矿质骨架，细集料较少。特点：空隙率大，耐久性差，沥青与矿料的粘聚力差，热稳定性较好，其强度主要取决于内摩阻角。当沥青路面采用这种形式的沥青混合料时，沥青面层下必须作下封层。(3)骨架一密实结构间断型密级配的沥青混合料既有一定数量的粗集料形成骨架结构，又有足够的细集料填充到粗骨料之间的空隙中去。特点：较高的粘聚力和内摩阻角，结构的密实度、强度、稳定性都比较好。理想型。三、沥青混合料的技术性质1、高温稳定性定义：是指混合料在高温（通常为60℃）条件下，经车辆荷载长期重复作用后，不产生车撤和波浪等病害的性能。规定：采用马歇尔稳定度试验（包括稳定度、流值、马歇尔模数）来评价沥青混合料高温稳定性，对于高速公路、一级；路、城市快速路、主干路用沥青混合料，还应通过动稳定度试验检验其抗车辙能力。2、低温抗裂性沥青混合料不仅应具备高温稳定性，还要具有低温抗裂性，以保证在冬季低温时不产生裂缝。沥青混合料的低温裂缝是由混合料的低温脆化、低温缩裂和温度疲劳引起的。在混合料组成设计中，应选用稠度较低、温度敏感性低、抗老化能力强的沥青。3、耐久性定义：在外界各种因素的长期作用下，能基本保持原有性能而不出现剥落和松散等损坏的的性质。沥青路面的使用寿命与沥青含量有很大关系。当沥青用量较最终使用量少0.5％的混合料能使路面使用寿命减少一半以上。我国现行规范来用空隙率、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。4、抗滑性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。抗滑措施：选择硬质有棱角的矿料，骨料的颗粒适当大些，沥青用量少些，严格控制沥青中含蜡量。沥青用量超过最佳用量的0.5％，即可使抗滑系数明显降低。5、施工和易性影响混合料施工和易性的主要因素是矿料级配和沥青用量。例如：细颗粒材料不宜过多，则使拌和困难。沥青用量不宜过少，矿粉用量不宜过多，否则混合料容易产生疏松，不易压实；反之，则容易使混合料粘结成块，不易摊铺。另外，气候、机械性能、施工能力等外部条件也会不同程度地影响施工和易性。四、沥青混合料的组成材料的技术要求1、沥青在选择沥青材料时，要考虑交通量、气候条件、沥青混合料的类型及施工条件等因素。一般路面的上层宜用较稠的沥青，下层或联结层宜用较稀的沥青。2、粗集料沥青混合料的粗集料要求洁净、干燥、无风化、无杂质，并且具有足够的强度和耐磨性。沥青混合料用粗集料有碎石、破碎砾石、筛选砾石和钢渣等。对用于沥青表层的粗集料，应选用坚硬、耐磨、韧性好的碎石或破碎砾石。筛选砾石和钢渣只能用于三级或三级以下的公路，而且筛选砾石一般只适用于沥青路面的下层。钢渣应有6个月以上的存放期，并应经过试验合格后方可使用。3、细集料拌制沥青混合料的细集料，可以用天然砂、人工砂或石屑。细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并且与沥青有良好的粘结力。4、矿粉矿粉是由石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石(憎水性石料)经磨制而成的，也可以由石灰、水泥、粉煤灰代替。矿粉要求洁净，干燥，与沥青有较好的粘结性。四、沥青混合料的配合比设计目标配合比设计：沥青最佳用量设计：类型、级配、原始数据、配比矿物混合料组成设计：马歇尔实验法确定最佳用量生产配合比设计：根据施工条件与实验室条件差异调整生产配合比验证：拌合料马歇尔试验与钻心取样实验五、常用沥青制品冷底子油：粘度小，能渗入混凝土、沙浆、木材等的毛细孔中，形成牢固的沥青膜，有憎水性，常用于防水工程的底部乳化沥青：与水的分散系沥青胶（马蹄脂）：沥青与适量粉料或纤维的混合物，用作涂刷或粘结沥青基封逢油膏沥青防水卷材复习思考题从石油沥青组分说明三大指标间的关系，如何获得好的改性沥青使用性能？沥青混合料有哪些类型，各有何优缺点？