第九讲(1)沥青混合料案例

沥青混合料沥青混合料的优点?沥青路面越来越多地被应用于不同等级的公路，其原因何在？地方道路高速公路城市道路1．沥青混合料是一种粘弹性材料，具有良好的力学性能，铺筑的路面平整无缝，振动小，噪音低，行车舒适。2．路面平整且有一定的粗糙度，耐磨好，无强烈反光，有利于行车安全。3．施工方便，施工时不需要养护，能及时开通交通。4．维修简单，旧沥青混合料可再生利用。1．沥青路面容易老化。2．温度稳定性差。但是！在长期的大气因素作用下，因沥青塑性降低，脆性增强，粘聚力减小，导致路面表面产生松散，引起路面破坏。沥青路面老化现象老化定义？夏季高温沥青易软化，路面易产生车辙、波浪；冬季低温时易脆裂，在车辆重复作用下易产生开裂。温度稳定性差的表现：车辙波浪泛油（1）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。（2）沥青路面分类：主要有沥青表面处治、沥青贯入式、沥青碎石、沥青混凝土等路面结构形式。沥青表处和沥青贯入式：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：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、一般拌和要求严格（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。本课程主要介绍常规沥青混合料的性能、结构、强度特性（3）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：沥青路面平整、表面粗糙，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④经济耐久性好：与水泥路面相比，沥青路面一次性投资要低得多，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；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。可采用优质沥青或采取改性措施等。目前公路与城市道路路面多采用复合类的沥青混合料，如AC-16F既属于热拌沥青混合料、又属于密级配的、中粒式沥青混合料。材料级配组成及空隙率大小分材料组成及结构分制造工艺分公称最大粒径分1.特粗式沥青混合料2.粗粒式沥青混合料3.中粒式沥青混合料4.细粒式沥青混合料5.砂粒式沥青混合料1.连续级配沥青混合料2.间断级配沥青混合料1.密级配沥青混合料2.半开级配沥青混合料3.开级配沥青混合料1.热拌沥青混合料2.冷拌沥青混合料3.再生沥青混合料沥青混合料一、沥青混合料的类型及组成结构1、沥青混合料的组成结构的现代理论2、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。2、沥青混合料结构类型（1）悬浮密实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DAC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。1、沥青混合料的强度形成原理沥青混合料在常温和较高温度下，由于沥青的粘结力不足而产生变形或由于抗剪切强度不足而破坏，一般采用库仑理论来分析其强度和稳定性。二、沥青混合料的结构强度及其影响因素路面破坏原因分析：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．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。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。（3）沥青与矿料在界面上的交互作用碱性石料的沥青混合料强度和稳定性比酸性石料的好。（4）矿料比面和沥青用量的影响混合料强度取决于：嵌挤密实的矿料骨架，高粘度的沥青结合料，适宜的沥青用量，采用能产生化学吸附作用的活性矿料。（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，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。三、沥青混合料的路用性能1、高温稳定性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。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。⑴高温稳定性的评价方法及指标①马歇尔稳定度试验马歇尔稳定度试验方法迄今已经历了半个多世纪。马歇尔试验设备简单、操作方便，被世界上许多国家所采用，是目前我国评价沥青混合料的高温性能的主要试验之一。②车辙试验目前我国的车辙试验是采用标准方法成型的沥青混合料板块状试件，在规定的温度条件下，试验轮以42±1次/min的频率，沿着试件表面同一轨迹上反复行走，测试试件表面在试验轮反复作用下所形成车辙深度（2）影响高温稳性的主要因素分析提高沥青的高温粘度：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。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结力，从而改善了沥青混合料的高温稳定性。碎石集料：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。集料结构：粗集料嵌锁骨架结构。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。2、低温抗裂性低温收缩开裂主要有两种形式：材料低温收缩裂缝、低温收缩疲劳裂缝⑴低温抗裂性的评价方法和评价指标评价方法可以分为三类：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驰能力；评价沥青混合料断裂能①预估沥青混合料的开裂温度②低温蠕变试验蠕变变形曲线可分为三个阶段，第一阶段为蠕变迁移阶段，第二阶段为蠕变稳定阶段，第三阶段为蠕变破坏阶段。蠕变速率越大，沥青混合料在低温下的变形能力越大，松弛能力越强，低温抗裂性能越好。③低温弯曲试验在试验温度-10℃±0.5℃的条件下，以50mm/min速率，对沥青混合料小梁试件跨中施加集中荷载至断裂破坏，记录试件跨中荷载与挠度的关系曲线。沥青混合料在低温下破坏弯拉应变越大，低温柔韧性越好，抗裂性越好。④约束试件的温度应力试验测定在降温冷却过程中试件内部的温度应力变化曲线，直至试件断裂破坏。冻断温度与沥青性能、沥青路面抗裂性能的相关性最好，冻断强度也有较好的相关性。（2）影响沥青混合料低温性能的主要因素沥青的低温劲度的影响，取决于沥青粘度和温度敏感性。在寒冷地区，可采用稠度较低、劲度较低的沥青，或选择松弛性能较好的橡胶类改性沥青来提高沥青混合料的低温抗裂性。级配的影响：密级配的低温抗拉强度高于开级配的沥青混合料，但是粒径大、空隙率大的沥青混合料内部微空隙发达，应力松弛能力略强，温度应力有所减小，两方面的影响相互抵消，故级配类型与沥青路面开裂程度之间没有显著关系。同时环境因素对沥青混合料的开裂也有一定影响。3、沥青混合料的耐久性定义：耐久性是指沥青混合料在使用过程中抵抗环境因素及行车和在反复作用的能力，它包括沥青混合料的抗老化性、抗疲劳性等综合性制。（1）沥青混合料的抗老化性老化原因：在沥青混合料使用过程中，受到空气中氧、水、紫外线等介质的作用，促使沥青发生诸多复杂的物理化学变化，逐渐老化或硬化，致使沥青混合料变脆易裂，从而导致沥青路面出现各种与沥青老化有关的裂纹或裂缝。影响因素：沥青的老化程度、外界环境因素和压实空隙率等。在气候温暖、日照时间较长的地区，沥青的老化速度快，而在气温较低、日照时间短的地区，沥青的老化速率相对较慢。沥青混合料的空隙率越大，环境介质对沥青的作用就越强烈，其老化程度也越高。压实空隙率的增大，回收沥青针入度减小，老化程度增加。道路中部车辆作用次数较高，对路面的压密作用较大，中部的沥青比边缘部位沥青的老化程度轻些。解决措施：选择耐老化沥青，有足量的沥青含量。施工过程中，应控制拌合加热温度，并保证沥青路面的压实密度。（2）水稳定性水稳定性是沥青混合料抵抗由于水侵蚀而逐渐产生沥青膜剥离、松散、坑散等破坏的能力。水稳定性差的沥青混合料在有水存在的情况下，会发生沥青与矿料颗粒表面的局部分离，同时在车辆荷载作用下加剧沥青和矿料的剥落，形成松散薄弱块，飞转的车轮带走局部剥离的矿粒或沥青，从而造成路面的缺失，并逐渐形成坑槽，即所谓的沥青路面“水损害”。当沥青混合料的压实空隙率较大，路面排水系统不完善时，会加速沥青路面的“水损害”。水稳定性的评价方法与评价指标：①沥青与集料的粘附性试验：水煮法、水浸法、光电比色法及搅动水净吸附法等。②浸水试验：浸水马歇尔试验、浸水车辙试验、浸水劈裂强度试验和浸水抗压强度试验等。以浸水前后的马歇尔稳定度比值、车辙深度比值、劈裂强度比值和抗压强度比值的大小评价沥