沥青路面的材料试验及检测

沥青路面试验、施工及检测太原理工大学轨道交通研究所前言•沥青路面质量要求•1、沥青路面应具有足够的承载能力•沥青路面的承载能力，主要用以平衡车辆荷载反复作用下在路面结构层所产生的过量应力而引起的路面破坏。2、沥青路面应具有良好的抗疲劳特性•沥青路面在其设计使用年限内，应能承受大量行车荷载的反复作用而不致过早地产生疲劳破坏。•影响沥青混合料疲劳寿命的主要因素：•沥青混合料的压实度、劲度、沥青含量、集料特性（矿料级配、矿料表面、纹理和形状）、温度、（指确定沥青混合料劲度模量时的温度）和进行疲劳试验的加荷速度。3、沥青路面应具有良好的高温稳定性•高温稳定性是指沥青混合料抵抗车辆反复压缩变形及侧向流动的能力。•（1）取决于矿料骨架，尤其是粗集料的相互嵌挤作用及集料的级配；•（2）沥青结合料的性质与用量也起到阻碍混合料发生剪切变形的牵制作用。4、沥青路面应具有良好的低温抗裂性•沥青混合料的低温抗裂性主要取决于：•（1）沥青结合料的低温拉伸变形能力；•（2）沥青混合料的温度收缩系数、抗拉强度、劲度模量等。5、沥青路面应具有良好的抗滑性能•影响抗滑性能的主要因素有：•（1）微观构造；•（2）宏观构造；•（3）防止滑溜性污染。•微观构造与沥青混合料中矿料的磨光值PSV有关，与表面层的级配及结构类型有关。•宏观构造与沥青路面表面层的结构、平整度、空隙率等有关。一、沥青路面简介1、沥青路面的基本特性•沥青路面是用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。•由于沥青路面使用沥青结合料，因而增强了矿料间的粘结力，提高了混合料的强度和稳定性，使路面的使用质量和耐久性都得到提高。•与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建等优点，因而获得越来越广泛的应用。•沥青路面属柔性路面，其强度与稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性。沥青路面的抗弯强度较低，因而要求路面的基础应具有足够的强度和稳定性，所以，在施工时必须掌握路基土的特性进行充分的压实。•对软弱土基或翻浆路段，必须预先加以处理。在低温时，沥青路面的抗变形能力很低，在寒冷地区为了防止土基的不均匀冻胀而使沥青路面开裂，需设置防冻层。沥青路面修筑后，由于它的透水性小，从而土基和基层内的水分难以排出，在潮湿路段易发生土基和基层变软，导致路面破坏。因此，必须提高基层的水稳性，尽可能采用结合料处治的整体性基层。•对交通量较大的路段，为使沥青路面具有一定的抗弯拉和抗疲劳开裂的能力，宜在沥青面层下设置沥青混合料的联结层。采用较薄的沥青面层时，特别是在旧路面上加铺面层时，要采取措施加强面层与基层之间的粘结，以防止水平力作用而引起沥青面层的剥落、推挤、拥包等破坏。2、沥青路面的分类•1）按强度构成原理分•密实类：（强度主要取决于混合料的粘聚力和内摩阻力）•开式（混合料中小于0.5mm颗粒较少，空隙率大于6%，热稳性较好）•闭式（含有较多的0.5mm和0.075mm颗粒，空隙率小于6%，耐久性较好，热稳定性差）•嵌挤类：（强度主要依靠骨料颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力，粘聚力起着次要的作用）•特点是热稳定性较好，但空隙率大，易渗水，耐久性差。•（2）按施工工艺不同分•层铺法•路拌法•厂拌法（目前均采用此方法）•（3）根据沥青路面的技术特性分•沥青混凝土•热拌沥青碎石•乳化沥青碎石混合料•沥青贯入式•沥青表面处治•沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）•3、沥青路面类型的选择•选择沥青路面的类型应根据以下条件进行：••（1）道路等级、交通量、使用年限、修建费用等•（2）施工季节、施工期限、基层状况等•（3）材料供应情况、施工机具、劳力和施工技术条件等•★热拌沥青混合料要求施工时气温不低于5℃二、沥青路面材料的力学特性与温度特性•1、沥青混合料的强度特性•（1）抗剪强度：•采用三轴剪切试验来确定其粘结力c和内摩阻角φ。•沥青混合料的抗剪强度主要取决于沥青与矿料相互作用而产生的粘结力，以及矿料在沥青混合料中相互嵌挤而产生的内摩阻角。•粘结力取决于许多因素，重要是沥青的粘滞度，沥青含量与矿粉含量的比值，以及沥青与矿料相互作用的特性。•矿料的级配、颗粒的形状和表面特性都会对沥青混合料的内摩阻力产生影响。•（2）抗拉强度：•沥青混合料的抗拉强度可采用直接拉伸试验或间接—劈裂试验拉伸试验，目前大多采用后者进行试验，以检验其性能。•沥青混合料在低温下的抗拉强度同沥青的性质、沥青含量、矿质混合料的级配、测试时的温度等因素有关。•（3）抗弯拉强度：•在行车重复荷载的作用下，往往因路面弯曲而产生开裂破坏，因此，必须验算沥青混合料的抗弯拉强度。•其抗弯拉强度取决于所用材料的性质（沥青的性质、沥青的用量、矿料的性质、混合料的均匀性）及结构破坏过程的加荷状况（重复次数、应力增长速度等），此外，温度状况对抗弯拉强度也有较大的影响。•2、沥青混合料的应力—应变特性•沥青混合料是一种弹性—粘塑性材料，在应力—应变关系中呈现出不同的性质。有时仅呈现弹性性质，有时则主要呈现粘塑性性质。在大多数情况下，几乎同时综合呈现上述性质。••蠕变、松弛。•3、沥青混合料的疲劳特性•影响因素：材料的性质（种类、组成等），环境（温度、湿度等），加荷方式和沥青混合料的劲度等。••4、沥青路面的温度状况•外因：气候条件（气温、太阳辐射、风力、降水量、蒸发量和冷凝作用等）。•内因：路面材料和地基的热传导率、热容量、对辐射热的吸收能力等。•5、沥青路面的高温稳定性•影响因素：沥青和矿料的性质及其相互作用的特性，矿料的级配组成等。•一般是通过车辙试验来表征其高温稳定性——动稳定度。•6、沥青路面的低温抗裂性•影响因素：路面所用沥青材料的性质，当地的气温状况、沥青的老化程度、路基的种类、路面层次的厚度、沥青面层与基层的粘着状况、基层所用材料的特性、行车的状况等。7、沥青路面的水稳定性•一般采用沥青混合料的残留稳定度和沥青与矿料的粘结力试验来判定，对于寒冷地区还应进行冻融劈裂残留强度试验来检验其水稳定性。三、沥青路面材料的要求•1、原材料•（1）沥青•沥青的性质决定于它内部主要成分、碳氢化合物的分子成分（化学成分）和结构（物理构造）。成分和结构的任何一方面或两者均有变化就会改变沥青的性质。•沥青主要有以下元素组成，碳（82%~88%）、氢（8%~11%）、硫（0%~6%）、氧（0%~1.5）、氮（0%~1%）。•沥青是一种高分子化合物，确切了解沥青的结构是十分困难的，一般可以按性质相近分为几个组。•三组分（溶解—吸附法）：地沥青质（A）、树脂（R）、油分（O）；•四组分（色谱分析法）：饱和分（S）、芳香分（Ar）、胶质（R）、沥青质（As）；•五组分（化学沉淀分析法）：沥青质（A）、氮基（N）、第一酸性分（A1）、第二酸性分（A2）、链烷分（P）。•沥青的胶体结构有溶胶、溶—凝胶、凝胶三种。•溶胶结构：这种结构沥青的沥青质含量少，同时由于树脂作用，沥青质完全胶溶分散于介质中，胶团之间没有吸引力或吸引力极小，液体属溶胶结构。•溶—凝胶结构：这种结构沥青的沥青质含量适当，并有较多的树脂作为保护物质，它所组成的胶团之间相互有一定的吸引力，大多数优质沥青属溶—凝胶结构。•凝胶结构：这种结构沥青的沥青质含量很多，并且相当数量的树脂保护，胶团间形成空间网络结构，油分分散在网络空间，这类沥青具有明显的弹性效应，这种胶体结构的沥青温度感应性小，但低温变形能力差。•优质路用沥青应该是化学组分比例适当，蜡含量少，化学结构环数多，特别是芳环多，烷侧链少，胶体结构是溶—凝胶结构。•（1）沥青•针入度；•延度；•软化点；•密度；•溶解度；•含蜡量；•闪点；•粘度；•薄膜加热试验（质量损失、针入度比、延度）等。•（2）粗集料•抗压强度；•磨耗率；•压碎值；•磨光值；•级配组成；•视比重；•含水量；•吸水率；•土与杂质含量；•针片状颗粒含量；•与沥青粘结力；•坚固性等。•（3）细集料•砂当量；•筛分；•视比重等。••（4）填料•亲水系数；•密度；•细度；•加热安定性等。•2、沥青混合料的级配组成设计••（1）沥青混合料的技术要求•击实次数；•稳定度；•流值；•空隙率；•饱和度；•残留稳定度。•（2）矿料级配组成设计•☆组成设计的目标•△高温稳定性•沥青混合料的强度和抗变形能力随温度的变化而变化。温度高时沥青的粘滞度降低，矿料之间的粘结力削弱，导致强度与抗变形能力降低。高温季节会出现车辙、波浪推移等病害。•*改进的方法有：增加粗集料的含量、适当提高沥青的稠度、控制油石比；采用改性沥青等。•*评定沥青混合料高温稳定性的指标：马歇尔稳定度和流值、车辙试验、蠕变、三轴试验等。•△低温抗裂性•影响因素：沥青的性质、气候状况、路基类型、路面结构及层间结合状况。•△耐久性•*病害：过早出现裂缝、沥青膜剥落、松散等。•*影响因素：沥青性质、矿料的矿物成分、沥青混合料的组成结构（残留空隙率、沥青空隙率）等。•*评定指标：空隙率（或饱水率）、饱和度（沥青填隙率）、残留稳定度等。•△抗滑性•抗滑性与矿料的微表面性质、混合料的级配组成、沥青用量等因素有关。应对表面层沥青混合料所用集料的磨光值进行检测，油石比不宜过大。•△抗疲劳性•影响因素：沥青的质量与含量、混合料的空隙率、矿料的性质及级配等。•△工作度（施工和易性）•影响因素：混合料的级配、沥青的等级、混合料中沥青用量、气温、施工条件等。•☆混合料的组成设计•任务：选择合格的材料、确定各种粒径矿料和沥青的配比。•目标：确定混合料的最佳组成，使之满足路用性能要求，而且经济。•△矿料的最大粒径•按相应的技术规范确定。•△矿料配合比设计•☆确定级配曲线•按规范选用。•☆计算各种矿料的配比•◇试算法•◇图解法•◇正规方程法•（3）马歇尔试验•根据配合比计算结果称取各矿料，放入烘箱中保温，按预定的5种油石比拌和沥青混合料，按规定的温度成型马歇尔试件，应十试件的高度在规定的范围之内，量取试件的高度，称其空气中重和水中重，试件保温60℃、30~40min，测试其稳定度和流值，计算各物理指标。（4）最佳油石比的确定•根据马歇尔试验结果及规范要求的技术指标综合确定•★绘制沥青用量（油石比）与视密度、空隙率、饱和度、稳定度和流值之间的关系曲线。•★确定最佳沥青用量初始值OAC1•OAC1=（a1+a2+a3）/3•a1----稳定度最大值时的沥青用量；•a2----密度最大值时的沥青用量；•a3----空隙率范围中值的沥青用量。•★根据和各项技术指标的沥青用量范围确定最佳沥青用量初始值OAC2•OAC2=(OACmin+OACmax)/2•★根据OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量OAC:检查各项指标是否符合要求，同时检查VMA是否符合要求，如符合要求可以综合确定OAC,否则应调整级配重新进行试验。级配计算实例马歇尔各指标与油石比关系曲线•★组成材料的原始数据测定•原材料的筛分试验•绘制各组成材料的筛分曲线•测定各组成材料的相对密度•★计算组成材料的配合比•采用图解法或试算法，计算符合级配范围的各组成材料的用量比例。•★调整配合比(按下列要求进行)•合成级配曲线宜尽量接近设计级配中值，尤其使0.075、2.36和4.75筛孔的通过量尽量接近级配范围的中值；•对高速公路、一级公路、城市快速路、主干公路等交通量大、轴载重的道路易偏向级配范围的下限（粗）；对一般道路、中小交通量或人行道路等易偏向级配范围的上限（细）。•合成级配曲线应接近连续的或合理的间断级配，但不应有过多的犬牙交错。当经过再三的调整仍有两个以上的筛孔超出级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新进行试验。四、沥青混合料生产过程的检验•1、生产配合比的确定•根据目标配合比，确定各冷料仓的上料速度，应使各热料仓矿料均衡。从各热料仓中取样、筛分、进行马歇尔试验、确定施工用的油石比。•2、沥青混合料的试拌•(1)确定适宜的施工机械和机械组合方式；•(2)通过试拌，确定拌和机的上料速度、拌和数量、拌和时间、生产能力、拌和温度等，验证沥青