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1、第6章 沥青及沥青混合料,概述,沥青路面的构成种类,热拌沥青混合料种类,1.沥青混合料的定义,由矿料与沥青结合料拌和而成的混合料的总称。Bituminous mixtures(英)或Asphalt mixtures(美) 分类 按组成结构分连续级配、间断级配混合料;,按级配组成及空隙率分: 密级配沥青混合料:按密实原则设计,有连续型密级配和间断密级配沥青混合料,通常设计空隙率6%。 开级配沥青混合料:属连续或间断开级配沥青混合料,主要以粗集料嵌挤组成,细集料和填料较少,通常设计空隙率18%。 半开级配沥青混合料:介于密级配和开级配之间,由适当比例的粗集料、细集料及少量填料(或不加填料)与沥青拌
2、制而成,剩余空隙率为6%12%。,按公称最大粒径分: 特粗式:公称最大粒径37.5 mm 粗粒式:公称最大粒径 26.5或31.5 mm 中粒式:公称最大粒径 16或19 mm 细粒式:公称最大粒径9.5或13.2mm 砂粒式:公称最大粒径为4.75 mm,按制造工艺分 热拌沥青混合料 冷拌沥青混合料 再生沥青混合料,密级配沥青混合料 按密实级配原理设计组成的各种粒径颗粒的矿料与沥青拌和而成,设计空隙率较小的密实式沥青混凝土混合料以AC表示(Asphalt concrete mixture),沥青稳定碎石混合料(简称沥青碎石) 由矿料和沥青组成具有一定级配要求的混合料,按空隙率、集料最大粒径、
3、添加矿粉数量的多少分为:密级配沥青碎石(ATB)、开级配沥青碎石(OGFC表面层及ATPB基层)、半开级配沥青碎石(AM),ATB密级配沥青稳定碎石混合料 OGFC大孔隙开级配排水式沥青磨耗层(Open-graded Friction Courses) ATPB铺筑在沥青层底部的排水式沥青稳定碎石混合料 AM半开级配沥青碎石,沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA) Stone Matrix Asphalt or Stone Mastic Asphalt 由沥青结合料与少量的纤维稳定剂、细集料以及较多量的填料(矿粉)组成的沥青玛蹄脂填充于间断级配的粗集料骨架的间隙,组成一体的沥青混合料,简称SMA。它的
4、最基本的组成是碎石骨架和沥青玛蹄脂结合料两大部分。,改造完成后的沈大高速公路,合徐高速无圩服务区,襄(樊)十(堰)高速公路,湖北省首条山区高速公路,改性湖沥青铺筑的长安街,日本高速路,美国纽约,沥青混凝土生产时的集料加热,沥青混凝土拌合楼 ( 300t/小时),沥青混合料的摊铺,沥青混合料的摊铺,沥青混合料的摊铺,路面碾压施工,彩色沥青 混合料 断面结构,合肥的首条彩色沥青路面,南昌首条彩色沥青路面施工现场,沈阳景观路,日本,彩色人行道,彩色人行道,彩色人行道,彩色人行道的施工,2.沥青混合料分类的意义,不同组成、结构的沥青混合料,各自具有不同的性质,以适应不同的路面结构层的性质要求。 例 早
5、期路面设计方法只确定路面层厚度而不论用的是何种组成材料,多层弹性状体系理论 路面结构层通常划分为“面层、基层、垫层。各结构层有其独自的作用、指标要求、计算方法和典型的用材。 如高速公路沥青层结构分为三层 上层 中粒式 中层 粗粒式 下层 黑色沥青碎石,不同的路面结构层,路面结构特点 承受车载的应力分布为上大下小 结构设置为上强下弱 沥青层为三层结构时的状态分析 上层(三向压缩区) 以满足抗滑、防噪音、抗低温缩裂、排水和抗剪切滑移为主,沥青层为三层结构时的状态分析 中层(竖向压缩区) 以抗车辙、抗低温缩裂和抗渗为主 下层(两向拉伸区) 以抗疲劳和抗渗为主,因沥青层的不同,可相应提出各层不同的技术
6、指标和要求 充分发挥各材料潜力,降低成本 满足全功能要求的同一沥青混合料其实实际上很难做到(如:平整、抗滑抗车辙、抗裂、抗渗、排水、抗疲劳防噪音,3.本节要讨论解决的主要问题,研究对象热拌沥青混合料 沥青混合料的组成结构类型和强度形成原理 沥青混合料的技术性质和标准 沥青混合料的配合比设计方法,一 热拌沥青混合料,针对沥青混合料路面的两种主要病害 高温稳定性不足 低温抗裂性差 研究了解沥青混合料强度形成机理 指导:正确的设计方法 严格的施工操作 优质的黑色路面(多层结构),(一 )组成结构和强度形成机理,1.组成结构 (1)沥青混合料组成结构理论 表面理论:沥青胶结矿质骨架形成整体 胶浆理论:
7、 沥青和矿粉组成的沥青胶浆是沥青混合料高温稳定性和低温抗裂性的关键,胶浆理论: 沥青混合料是一种多级分散体系 粗分散系(沥青砂浆+粗集料) 细分散系(沥青胶浆+细集料) 微分散系(沥青+矿粉),(2)沥青混合料组成结构的构成关系,矿质集料典型的三种级配类型,悬浮密实结构,矿料连续级配 沥青用量较多 粘聚力C较高,内摩擦力 较小,受沥青影响较强,高温稳定性偏差,骨架空隙结构,矿料连续开级配(细集料少,甚至没有,空隙率较大) 沥青用量较少 粘聚力C较低,内摩擦力 较大,高温稳定性较好,但低温抗裂性和耐久性较差,骨架密实结构,矿料间断密级配 沥青用量适中 同时具有较好的粘聚力C和内摩擦力,2.强度形
8、成机理,(1)沥青混合料路面破坏的二种典型情况 高温抗剪强度的不足,塑性变形过大,造成推挤现象 低温时抗拉强度不足,允许变形能力较差,产生开裂裂缝,(2)沥青混合料抗剪强度的材料参数 三轴剪切试验,可由下列公式求出粘聚力C和内摩擦力 式中:I为曲线的截距 S为曲线的斜率 (用最小二乘法求得),摩尔库仑方程 c + tg 即:在外力作用下材料不发生剪切滑动应 具备的条件。 式中:是外荷载作用时,在某一面上产 生的剪应力; c是材料的粘结力; 是外荷载产生的正应力; 是材料的内摩擦阻角;,对圆柱形试件进行三轴剪切试验,从摩尔圆可得材料的应力情况,如图所示。图中应力圆的公切线为摩尔库仑包络线,即抗剪
9、强度曲线。包络线与纵轴相交的截距表示沥青混合料的粘结力C,切线与横轴的交角,表示沥青混合料的内摩擦角 。,(3)影响沥青混合料抗剪强度的因素,粘度的影响,c,化学性质的影响,由于化学吸附作用,在矿粉表面产生沥青组分在一厚度为0的“吸附扩散溶剂化膜”内重新分布,从而形成 “结构沥青”; 在该膜以外的沥青,由于没有受到化学吸附作用,其组分没有重新分布,被称为 “自由沥青”。,沥青组分在矿粉表面的重新分布 活性大的组分 “树脂”更多地被吸附靠近矿粉表面 活性小的组分 “油分”则被排挤在外层,或被矿粉中的毛细孔吸收 因此“结构沥青”表现为粘度增大 粘度不同的沥青都会有这种现象 矿粉的化学成分的影响,矿
10、粉的比表面积的影响,矿粉在沥青混合料中的用量约占7 %,但是总表面积却占到80 %; 矿粉的比表面积 300 2000 m2 / Kg 细度要求:0.075 mm 的不能太少 0.005 mm 的不宜过多 一般越大,形成的结构沥青所占比例越多,粘聚力C越大。,沥青用量q的影响,沥青偏少 矿料表面沥青粘附不足,造成粘聚力C降低 沥青适量 形成一定的结构沥青,粘度和粘聚力C都提高,高温抗剪强度较高 沥青偏多 挤开矿料,形成大量的自由沥青,反起润滑作用,粘聚力C下降,高温抗剪强度降低,C ,0,C,最佳沥青用量的概念 在阶段,自由沥 青越薄,强度越高,q,集料的状态,形状:近似正方、圆、棒针、片状
11、级配:密级配、开级配、间断级配 棱角、纹理、粗糙度 近似正方、坚固、表面粗糙、一定级配的集料,相互间紧密嵌挤,增大内摩擦阻角,从而提高沥青混合料的抗剪强度,温度T的影响,温度T升高 粘聚力C降低 内摩擦阻角不变 沥青混合料的高温抗剪强度下降,形变速率 的影响,(二 )沥青混合料的技术性质和标准,1.技术性质 (1)高温稳定性 马歇尔试验 标准击实法 试件尺寸101.6 mm、h 63.5 mm 试验温度 600C 大型击实法 试件尺寸 152.4 mm、h 95.3 mm,马歇尔试验仪,马歇尔试件,.马歇尔稳定度(MS) 试件在加压时的最大破坏荷载(KN)准确至0.01 KN。 .流值(FL)
12、 试件在最大破坏荷载时的变形(mm)准确至0.1mm。,.马歇尔模数(T) 与车辙深度有关,一般T越大,车辙深度越小(即抵抗变形的能力越强),沥青混合料的车辙试验,试件尺寸 30030050 mm 板块实验室试件 30015050 mm 现场切割试件 试验温度 600C 试验过程 以0.7MPa荷载的轮子在同一轨迹上作一定时间的反复行走,形成一定车辙深度,然后计算试件变形 1 mm 所需试验车轮行走次数。,试件成型,车辙仪,轮子,试件,试验结果被称为“动稳定度”(DS) 式中: d1作用时间t1(45min)的变形量mm; d2作用时间t2(60min)的变形量mm; N试验轮往返碾压速度(4
13、2次/min),式中: c1试验机类型修正系数: 变速行走方式为1.0 等速行走方式为1.5 c2试件系数: 宽300mm的试件为1.0 宽150mm的试件为0.8,动稳定度技术标准: 普通沥青混合料 600-1000次 / mm 改性沥青混合料 1800-2800次 / mm SMA 改性沥青 3000次 / mm SMA 非改性沥青 1500次 / mm OGFC 1500-3000次 / mm,(2)低温抗裂性,沥青混合料是一种粘弹塑性体 高温时:呈粘塑性 低温时:呈弹性,而且变形能力大大 降低 裂缝产生原因 重复荷载作用下的疲劳开裂 低温收缩开裂,低温抗裂性指标 JTG F402004
14、 沥青混合料低温弯曲试验破坏应变技术要求 沥青混合料低温弯曲试验是将按标准方法制作的长250mm、宽30mm、高35mm的试件在低温下(-10)进行抗弯拉强度试验。,由破坏时的跨中挠度求得沥青混合料的破坏弯拉应变,并用该指标对沥青混合料的低温抗裂性能进行评价。 沥青混合料在低温下的破坏弯拉应变越大,说明其低温柔韧性和抗性越好。,式中 B试件破坏时的最大弯拉应变; h跨中断面试件的高度,mm; L试件的跨径,mm。 d试件破坏时的跨中挠度。,(3)耐久性,沥青的化学性质 耐久性 矿料的化学成分 沥青混合料的组成结构,已经讨论,空隙率的影响(体积指标),沥青的老化取决于 这与矿料的级配、沥青用量及
15、密实程度有关 一般留有3% 6%的空隙,以备高温膨胀 当沥青用量少于最佳用量0.5%时,其使用年限缩短 其它体积指标:沥青饱和度和矿料间隙率,水稳定性试验,马歇尔试件在达到规定温度恒温水槽中保温48小时浸水,测其残留稳定度,用以检验其抗剥落能力。,沥青混合料冻融劈裂试验:在规定条件下,对沥青混合料进行冻融循环,测定试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度比,以评价其水稳定性。 沥青混合料渗水试验:检验由于路面渗水而可能导致基层承载力的下降。,JTG F402004 沥青混合料试件渗水系数(ml/min)技术要求,沥青用量的影响,沥青太少,空隙率大,老化快,脆性增加,抗剥落能力下降 沥青太多,高温稳定
16、性下降,容易泛油,抗滑性能下降。,耐久性评价指标,沥青混合料的空隙率VV(%) 沥青混合料的饱和度(即沥青填隙率) VFA(%) 沥青混合料的残留稳定度MS0(%) 沥青混合料冻融劈裂试验 沥青混合料渗水试验,(4)沥青混合料的抗滑性,采用软、硬集料组成的复合集料,并增强其抗剥落措施(抗剥落剂) 技术指标 主要针对集料的有:磨光值、道瑞磨耗值、冲击值; 沥青用量超过沥青最佳用量的0.5%,其抗滑性降低; 含蜡量 3%,(5)施工和易性,沥青的粘度(尤其是改性沥青,并非粘度越大也好) 集料的级配 沥青的用量 矿粉的细度和用量,2.热拌沥青混合料的技术标准,密级配沥青混凝土混合料马歇尔试验技术标准
17、 沥青稳定碎石混合料马歇尔试验配合比设计技术标准(省略) 沥青玛蹄脂碎石(SMA)混合料马歇尔试验配合比设计技术要求(省略) 大孔隙开级配排水式沥青磨耗层(OGFC)混合料技术要求(省略),以密级配沥青混凝土混合料技术标准为例,(三)沥青混合料组成材料 的技术要求,1.沥青的要求 气候条件:沥青路面的温度分区表 交通性质:中、轻交通;重交通; 沥青混合料类型、结构层位; 标准:道路石油沥青技术要求,沥青标号选用要求: 宜根据公路等级、气候条件、交通条件、路面类型及在结构层中的层位及受力特点、施工方法等,结合当地的使用经验,经技术论证后确定。,沥青路面的温度分区表,道路石油沥青技术要求,取自公路
18、沥青路面施工技术规范 Technical Specifications for Construction of Highway Asphalt Pavements JTG F40 2004,2.粗集料的技术要求 粗集料质量要求(技术要求) 粗集料粘附性、磨光值要求 粗集料规格要求,粗集料规格要求,3.细集料技术要求 细集料品种:天然砂、机制砂、石屑。 细集料质量要求指标 表观相对密度、坚固性、含泥量、砂当量、亚甲蓝值、棱角性等。 细集料的级配 与水泥混凝土用砂相同,关于细集料砂当量(SE) 细集料砂当量是评定细集料中小于0.075mm颗粒的塑性部分的一个重要鉴别试验。 用水洗法测定小于0.07
19、5mm颗粒含量可达10.2%11.7%,这是一个不可忽视的数据,这些颗粒是粘土还是矿粉,用水洗法是不能确定的。(砂当量我国标准为60%)。 细集料的洁净程度,天然砂以小于0.075mm含量的百分数表示,石屑和机制砂以砂当量(适用于04.75mm)或亚甲蓝值(适用于02.36mm或00.15mm)表示。,4.填料(矿粉)的技术要求 技术要求 表观密度、含水率、粒度范围、亲水系数、塑性指数、加热安定性等。,(四)矿质混合料的组成设计,1.级配理论,(1)级配曲线,连续级配曲线 定义 是一种各级粒径颗粒均有,由大到小且相互有一定比例关系的平滑曲线。 横坐标用粒径尺寸的对数表示lgdi 纵坐标用通过百
20、分率Pi(%)表示,常用坐标。,筛分析参数: 分计筛余百分率ai(%) 累计筛余百分率Ai(%) 通过百分率Pi(%) 根据集料通过标准筛筛分后的计算关系,通过百分率和累计筛余百分率的和为100%(即Pi+Ai=100)。,间断级配曲线,定义 是一种剔除了一个或几个中间粒径分级,形成一种颗粒尺寸不连续的矿质混合料曲线。,连续级配与间断级配空隙率 随分级数目变化的比较,间断级配的优劣,间断级配具有在较少分级条件下,迅速使集料达到密实的特点; 但在实际应用中,最大粒径Dmax会受到限制,其分级数也会受到限制; 例:(当D2/D1=1/8 时)粒径分布为 320 40 5 0.625 0.078 这
21、会因为颗粒尺寸相差过大时会在流动性较大的拌和物中易产生“离析”现象,造成结构不密实均匀。,间断级配的实用方法,以一个连续级配的粗集料为骨架,在保证骨架不被挤开的条件下,用另一连续级配的细集料来填充粗集料间的空隙,亦可形成一个既具高密实度,又具较高内摩擦阻力的密实骨架结构。,连续级配 (粗集料),连续级配 (细集料),间断级配 混合料,(2)典型级配理论,最大密实度曲线 (富勒公式),理想级配曲线抛物线,最大密度曲线n幂公式 (泰波公式),n实验指数在0.3 0.7 之间 该公式给出了一个较好的骨料级配的实际应用范围。,取=0.35、0.40、0.45、0.50、0.55时五种级配组成见下表,(
22、3)矿料级配曲线图的绘制,半对数横坐标的确定 确定矿料的最大粒径Dmax和横坐标长度L; 求出各粒径尺寸的对数数值 lg di; 求出粒径间距 lg di lg di-1; 求出间距系数 ki; ki与横坐标长度L相乘,求出各粒径间距 Li= KiL; 在横坐标上标出各粒径的相应坐标位置。, 泰勒横坐标法(幂指数坐标法) 公路工程沥青及沥青混合料试验规程规定,按T 0725 (沥青混合料的矿料级配检验方法)执行。 求出各粒径尺寸的0.45次方,即di0.45; 横坐标即为x=di0.45; 统一按一定倍数(如:45倍)放大。 如:0.0750.45=0.312 如:190.45=3.762 (
23、以mm 为单位太小,作图不方便),泰勒横坐标计算表(x=di0.45),现代工程认为沥青混合料的最佳矿料级配是: P=100(d/D)0.45 由公式P=100(d/D)0.45 计算的各粒径di与通过率Pi之间的数值关系如下表。 即可得泰勒横坐标图(主要用于配合比设计),当试验指数 n=0.45 时,泰波公式可写成 p=100(d/D)0.45 当d=D时,p=100;当d=0时,p=0; 从上述分析可知,工程最大密度曲线的横坐标可以用筛孔尺寸的0.45次幂表示,是通过坐标原点和矩形图右上顶点的一条直线(对角线)。 采用幂指数横坐标,取实验指数n=0.35,0.40,0.45,0.50,0.
24、55得到曲线形式如图:,采用幂指数的坐标,便于分析集料级配的技术特性,评价各级配组成结构变化趋势,因而是各种不同级配曲线同最大理论密度曲线联系起来的最佳表述方式。,2.矿质混合料的组成设计方法,问题的提出,问题的提出,要把A、B、C三种不符合级配范围要求的集料,通过按适当比例配合,使其混合料的级配在级配范围的区域内。 用什么方法去配制呢?,级配曲线在图中的位置和形状所反映的集料的级配性质,1,2,3,4,5,级配曲线在图中的位置和形状所反映的集料的级配性质,曲线1:连续级配 曲线2:间断级配 曲线3:粗集料的级配 曲线4:细集料的级配 曲线5:单一粒径集料的级配,目前工程应用上的常用集料分类:
25、,1#料:9.5 13.2 mm 2#料:4.75 9.5 mm 3#料:2.36 4.75 mm 4#料:2.36 mm 矿粉:0.075 mm(占70% 100%),密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围,(1)数解法,试算法 有A、B、C三种集料,要配制成M混合料,求出各自的比例X%、Y%、Z%。,求解特点,利用某一集料在某一粒径上占优势的特点,而忽略其他两种集料在这一粒径上的含量。把三元一次方程化简为二元一次方程。最后求解。,矿料级配曲线示例,某道路工程的“目标配合比”,某道路工程的“生产配合比”,级配曲线的调整方法:,应使0.075mm(控制矿粉量)、2.36mm(控制细集料量)、4.7
26、5mm(控制粗集料量)筛孔在内的较多筛孔的通过百分率接近工程设计级配要求值。 对交通量大、轴载重的公路,宜偏向级配范围的下(粗)限;对中小交通量或人行道路等宜偏向级配范围的上(细)限。,级配曲线的调整方法:,合成的级配曲线应接近连续或合理的间断级配,不得有太多的锯齿形交错。 在0.3 0.6 mm范围内不得出现“驼峰”。 当反复调整不能满意时,宜更换材料重新设计级配配比。 问题:出现0.3 0.6 mm范围内的“驼峰”,意味着什么?,(1)数解法,正规方程法 解线性方程组(电算法) 并不一定能反应真实的情况,也需要调整。 Excel电子表格法 该方法利用试算法原理,可根据矿料级配曲线及时作出试
27、算和调整,直到满足要求。(该方法在此省略),(2)图解法,修正平衡面积法 图解法步骤: 假设有A、B、C、D四种规格的矿质集料和已知的工程级配要求范围。 通过筛分析已知它们各自的通过百分率(%)。 用修正平衡面积法求出满足工程级配要求的矿质混合料配合比。,绘出一矩形框,从0100标出纵坐标。,0,100,50,作一对角线,0,100,50,用级配范围中值PZ( i )经过对角线确定横坐标di的位置,在坐标图中绘出各集料的级配曲线,用作图法确定各集料混合后的百分比用量x%、y%、z%、w%。,作图的确定原则,根据相邻两条曲线的尾和头的位置情况来判定。 相交等分(集料A与B) 相接连分(集料B与C) 相间平分(集料C与D),确定x%、y%、z%、w%;,矿质混合料配合比结果,A集料的配合比为X%; B集料的配合比为Y%; C集料的配合比为Z%; D集料的配合比为W%。,调整校核,在用作图法求出x%、y%、z%、w%后,要用计算表格进行调整校核,使集料混合料的级配曲线应在所要求满足的级配范围之内,并尽量使其曲线平滑。 若不能满足工程级配要求,需要一一进行计算调整。,作图法注意重点,修正平衡面积法的横坐标与级配曲线的横坐标是不同的! 修正平衡面积法的横坐标单位是d=dn;级配中值曲线方程是一直线(对角线); 半对数坐标的级配曲线图的横坐标单位是lgd;其级配中值曲线方程是一条曲线。,
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