沥青混合料的结构及强度形成机理

沥青混合料的结构及强度形成机理目录一、沥青混合料的材料组成二、结构类型及构成原理三、沥青混合料性能及强度形成原理四、与沥青性能的关系和工程中的表现形式一、沥青混合料的材料组成沥青混合料通常用做沥青路面的面层，它承受着各种车辆荷载和环境因素的直接作用。沥青混合料是一种复合材料，主要由沥青、粗集料、细集料、填充料组成，有的还加入聚合物和木纤维素；由这些不同质量和数量的材料混合形成不同的结构，并具有不同的力学性质。具体的材料组成如下：1）沥青我国行业标准《城镇道路工程施工与质量验收规范》CJJ1-2008规定：城镇道路路面层宜优先采用A级沥青(即能适用于各种等级、任何场合和层次)。其品种有道路石油沥青、软煤沥青和液体石油沥青、乳化石油沥青等，但不宜使用煤沥青。各种沥青在使用时，应根据交通量、气候条件、施工方法、沥青面层类型、材料来源等情况选用。一般来说，用于沥青混合料的沥青应具有下述性能：适当的稠度,较大的塑性，足够的温度稳定性，较好的大气稳定性，较好的水稳定性。当多层面层选用沥青时，一般上层宜用较稠的沥青，下层或连接层宜用较稀的沥青。2）粗集料不同用途粗细集料粒径的划分采用不同的划分尺寸，在沥青混合料中，粗细集料的分界尺寸是2.36mm，粒径大于该分界尺寸（包括该尺寸）的颗粒是粗集料，其余则是细集料。用于沥青面层的粗集料包括碎石、破碎砾石、筛选砾石、矿渣等粗集料,应由具有生产许可证的采石场生产。粗骨料与沥青有良好的粘附性，具有憎水性。粗骨料应具有良好的颗粒形状，接近立方体，多棱角，针片状含量不大于15%。用于城镇快速路、主干路的沥青表面层粗集料的压碎值不大于26%；吸水率不大于2.0%。3）细集料细集料是一种与粗骨料相对，一种直径相对较小的骨料。混凝土中起骨架或填充作用的粒状松散材料。细集料应是中砂以上颗粒级配，含泥量小于3%~5%，不应有草根、树叶、树枝、煤块和矿渣等杂物，有足够的强度和耐磨性能，表面应洁净、干燥、无风化。热拌沥青混合料的细集料宜采用优质的天然砂或机制砂，在缺砂地区，也可使用石屑，但用于高速公路、一级公路沥青混凝土面层及抗滑表面的石屑用量不宜超过天然砂及机制砂4）填充料粒径小于0.075mm的材料称为填充料，由于沥青和填料混合形成胶浆，是沥青混合料形成强度的重要因素，故填充料品质要求较严格。沥青混合料的填充料宜采用岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉，原石料中的泥土杂质应除净。矿粉要求干燥、洁净、能自由流出矿粉仓，其质量应符合规范的技术要求。当采用水泥、石灰、粉煤灰作填料时，其用量不宜超过矿料总量的2%。5）纤维稳定剂在现代沥青路面技术领域中，纤维作为一种特殊的添加材料，纤维稳定剂具有良好的分散性，它能使沥青、矿粉等组份在混合料中分散均匀，可以较好的改善沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、提高抗车辙能及抗滑能力和耐久性。通常使用的纤维材料主要是木质素纤维，聚酯纤维，聚丙烯纤维等。二、沥青混合料的结构类型和构成原理按结合料分类·石油沥青混合料以石油沥青为结合料的沥青混合料(包括粘稠石油沥青、乳化石油沥青及液体石油沥青)。·煤沥青混合料以煤沥青为结合料的沥青混合料。·彩色沥青混合料以无色粘结剂和色粉及矿料组成的混合料。按施工温度分类·热拌热铺沥青混合料沥青与矿料在热态拌和、热态铺筑的混合料，简称热拌沥青混合料。·常温沥青混合料以乳化沥青或稀释沥青与矿料在常温状态下拌制，铺筑的混合料。·温拌沥青混合料以沥青及矿料在常温及热拌之问的温度下（通常100℃左右）拌制而成的混合料。按矿质集料级配类型分类·连续级配沥青混合料沥青混合料中的矿料是按级配的原则，从大到小各粒径都有，按比例相互搭配组成的混合料。·间断级配沥青混合料连续级配沥青混合料矿料中缺少一个或两个档次粒径的沥青混合料。按混合料密实度分类·密级配沥青混凝土混合料按密实级配原则设计的连续密级配沥青混合料，但其粒径递减系数较小，剩余空隙率小于10％。·开级配沥青混凝土混合料按级配原则设计的连续级配混合料，但其粒径递减系数较大，剩余空隙率大于15％。亦有将剩余空隙率介于密级配和开级配之间的(即剩余空隙率10％～15％)混合料称为半开级配沥青混合料。按最大粒径分类按照沥青混凝土混合料的集料最大粒径可分为下列4类：·粗粒式沥青混合料集料最大粒径等于或大于26.5mm(圆孔筛30mm)的沥青混合料。·中粒式沥青混合科集料最大粒径为16mm或19mm(圆孔筛20或25mm)的沥青混合料。·细粒式沥青混合料集料最大粒径为9.5mm或13.2mm(圆孔筛10或15mm)的沥青混合料。·砂粒式沥青混合料集料最大粒径等于或小于4.75mm(圆孔筛5mm)的沥青混合料，也称为沥青石屑或沥青砂。沥青碎石混合料除上述4类外，尚有特粗式沥青碎石混合料，即集料最大粒径37.5mm{圆孔筛40mm)以上。沥青混合料组成结构的现代理论随着对沥青混合料组成结构研究的深入，目前对传统的理论提出不同的看法。因此，对沥青混合料组成结构有以下两种互相对立的理论：⑴表面理论；⑵胶浆理论表面理论(SurfaceTheory)按传统的理解，沥青混合料是由粗集料，细集料和填料经人工组配成密实的级配矿质骨架，此矿质骨架由稠度较稀的沥青结合料分布其表面，而将它们胶结成为一个具有强度的整体。这种理论认识可图解如图所示。胶浆理论(MortarTheory)近代某些研究从胶浆理论出发，认为沥青混合料是一种多级网状结构的分散系。其以粗集料为分散相而分散在沥青砂浆的介质中的一种粗分散系；同样，砂浆是以细集料为分散相而分散在沥青胶浆的介质中的一种细分散系；而胶浆是以填料为分散相而分散在沥青的介质中的一种微分散系。这种理论认识可图解如图所示。沥青混合料结构组成沥青混合料是一种复杂的含多种成分的材料，其“结构”概念也是极其复杂的。矿料颗粒的大小及不同粒径的分布，颗粒的相互位置，沥青闭合空隙与连通空隙的比值等因素有关，这些都是沥青混合料“结构”中的部分．它们的数值的不同，对混合料的性质都会产生很大的影响。因此，进一步改善沥青混合料性质的问题，与根本改变它的结构有关。特别是矿料与粘结料相互作用状况的改变，使两种材料之间产生化学键，能使沥青混合料成为具有较高强度的凝聚结构。在通常的状况下，沥青混合料的空间结构为胶凝结构，在这种结构中．矿料的颗粒通过沥青薄膜粘结在一起，沥青混合料的结构强度在很大程度上取决于混合料的内摩阻力和粘结力。沥青混合料结构组成沥青混合料，按其强度构成原则的不同可分为按嵌挤原则构成的结构和按密实级配原则构成的结构两大类。按嵌挤原则构成的沥青混合料的结构强度，是以矿质颗粒之间的嵌挤力和内摩阻力为主、沥青结合料的粘结作用为辅而构成的。沥青贯入式路面、沥青表面处治、以及沥青碎石路面均属此类结构。这类结构是以较粗的、颗粒尺寸均匀的矿料构成骨架，沥青结合料填充其空隙，并把矿料粘结成一个整体。这类沥青混合料结构强度受自然因素（温度）的影响较小。按密实级配原则构成的沥青混合料的结构强度，是以沥青与矿料之间的粘结力为主，矿质颗粒间的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成的。沥青混凝土路面和沥青碎石混合料路面属于此类。这类沥青混合料的结构强度受温度的影响较大。沥青混合料结构组成按密实级配原则构成的沥青混合料，其结构通常可按下列三种方式组成：⑴悬浮密实结构；⑵骨架空隙结构；⑶骨架密实结构悬浮密实结构由连续级配矿质混合料组成的密实混合料，由于材料从大到小连续存在，并且各有一定数量，实际上同一档较大颗粒都被较小一档颗粒挤开，大颗粒犹如以悬浮状态处于较小颗粒之中。这种结构通常按密实级配原则进行设计，其密实度与强度较高，水稳定性、低温抗裂性、耐久性都比较好，但由于受沥青材料的性质和物理状态的影响较大故稳定性较差。骨架空隙结构沥青混合料的粗颗粒集料彼此紧密相连，石料和石料能够形成相互嵌挤的骨架。但较细粒料的数量较少，不足以充分填充骨架空隙，混合料的空隙较大，这种结构是按嵌挤原则构成的。在这种结构中，粗骨料之间的内摩阻力与嵌挤力起着重要的作用，其结构强度受沥青的性质和物理状态的影响较小，因而高温稳定性较好。但由于空隙较大，其透水性、耐老化性能、低温抗裂性、耐久性较差。骨架密实结构是综合以上两种方式组成的结构，一方面混合料中有足够数量的粗集料形成骨架，又根据粗集料空隙的多少加入足够的沥青填料，形成较大的密实度和较小的残余孔隙率，因此矿料级配是一种非连续的间断级配。这种结构具备上述两种结构的优点，是一种较为理想的结构类型。沥青混合料三种典型结构各自的优缺点如表：三、沥青混合料的强度形成机理1.沥青混合料的高温强度和稳定性原理2.影响沥青混合料高温强度的因素沥青混合料的高温强度和稳定性原理1.沥青混合料属于分散体系，在较高的温度领域范围内是由强度很高的矿质粒料和粘结力相对较弱的沥青结合料所构成的混合体，目前一般倾向于采用库伦的内摩擦角理论分析沥青混合料在高温状态下的强度和稳定性。2.沥青混合料的抗剪强度。在高温条件下对圆柱形试件进行三轴剪切试验，按摩尔圆可以得到材料中的应力分布情况如右图所示沥青混合料的强度由矿物间嵌锁力（内摩擦阻力，用内摩擦角表示）及沥青与矿料交互作用产生的黏聚力C构成。根据库仑定律，外力作用下不发生剪切滑动应满足下列条件：Ctg式中:—外荷载作用时，在某一面上产生的剪应力，MPa；C—沥青混合料的黏聚力，MPa；—外荷载产生的正应力，MPa；—内摩擦角，rad；沥青混合料的抗剪强度主要取决于黏聚力C和内摩擦角两个参数。131()cos2131311()()cos2213131[()()sin]2cosCmax1max()2costgC从摩尔圆示意图中可得：（1）（2）或者：将式1和式2带入中得到：Ctg或者：（3）（4）式3和式4称为沥青路面材料强度与稳定性的判别式，左边的计算结果称为活动剪应力，当活动剪应力等于粘聚力C时处于极限平衡状态，当活动剪应力大于粘聚力C时则产生塑性变形。根据实测的路面所处的应力状态，可以求得沥青混合料应具备的C和这种强度理论在实用上有一定的局限性，它主要适用于沥青混合料温度较高时评价高温稳定性的状况，当温度较低或者很低时，混合料的内摩擦角所占的比例越来越小，粘结力的贡献越来越大，低温状态下采用三轴试验来分析是很困难的，而且通过抗压和抗拉实验求得C和的方法也难以实现，现在直接采用沥青混合料的高温劲度模量指标作为沥青混合料的高温状态下的设计参数和性能评价指标。影响沥青混合料强度的内因一，矿物的级配类型、粒度、表面性质1级配：连续级配黏聚力C及内摩阻角φ均小间断级配黏聚力C及内摩阻角φ均大2粒径:粒径D↑→内摩阻角φ↑3粒形及粗糙度:近似正方形且粗糙有棱角→C及φ大→τ大二，沥青黏度沥青粘度↑→粘聚力C↑→抗剪强度τ↑三,沥青与矿物化学性质沥青与矿料相互作用的程度，不仅与沥青的化学性质有关，而且与矿料的性质有关，对石灰石和石英石两种典型的矿粉进行研究，结果表明，在不同性质的矿粉表面形成不同成分和不同厚度的吸附融化膜，石灰石表面形成较为扩散的吸附熔化膜而石英石表面形成比较致密的吸附融化膜，所以在沥青混合料中采用石灰石矿粉，矿粉之间更有可能通过结构沥青来连接，从而具有较高的粘聚力。不同矿粉的吸附融化膜示意图沥青与矿料相互作用后，沥青在矿料表面产生化学组分的重新排列，在矿料表面形成一层厚度为δ0的扩散结构膜如下图a)所示，在此膜厚度以内的沥青称为结构沥青，此膜以外的沥青称为自由沥青。结构沥青与矿料之间发生相互作用，并且沥青的性质有所改变；而自由沥青与矿料发生相互作用，仅将分散的矿料粘结起来，并保持原来性质。如果颗粒之间接触处由扩散结构膜所联结如下图b)，则促成沥青具有更高的粘滞度和更大的扩散结构膜的接触面积，从而可以获得更大的颗粒粘着力。反之，如颗粒之间接触处为自由沥青所联结如下图c)，则具有较小的粘着力。四，矿物比表面积矿料比面积（单位质量矿料的表面积）影响:沥青用量一定，矿料比面积↑→结构沥青多→C↑五，