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1、第五章 沥青和沥青混合料,沥青的定义:一系列分子量不等的高分子 聚合物组成的有机混合物质。 沥青的分类:地沥青、焦油沥青 沥青特点: 粘结性、塑性、憎水性、不透水性 不导电性、耐蚀性 沥青的应用:道路工程、防水工程、防腐工程,(一)、石油沥青的生产、组丛和结构 生产:,5-1 石油沥青,分类: 按原油基属:石蜡基、环烷基、中间基 按加工方式:直馏、蒸馏、氧化、裂化、酸洗等 按状态:粘稠沥青、液体沥青 按用途: 道路石油沥青 建筑石油沥青 普通石油沥青,三组分分析法(溶解-稀释法) 油分:黄色液体,赋予沥青流动性。 树脂:褐色粘稠体,赋予沥青塑性和粘结性 地沥青质:黑色固体,赋予沥青温度稳定性
2、石蜡:有害组丛 四组分分析法 饱和分、芳香分、胶质、沥青质,组丛:,沥青中物理力学性质相近的成分,结构: 结构形式:胶体结构 胶体结构类型: 溶胶型结构 - 油分树脂多,地沥青质少 凝胶型结构 - 油分树脂少,地沥青质多 溶凝胶型结构 - 三者适中 土木工程常用沥青结构 胶体结构划分依据:针入度指数,(二)、沥青技术性能,指标: 粘稠沥青:针入度(0.1mm),P(25,100g,5s) 液体沥青:粘度(s),CdT 针入度、粘度粘性小,1、粘性(粘滞性),定义:沥青内部阻碍其发生相对流动的性质,影响因素:地沥青质,油份粘滞性 温度粘滞性,2、塑性(延展性),定义:在外力作用下产生变形而不破坏
3、的能力 影响因素: 油分、树脂含量塑性 温度塑性,指标:延度(mm) 延度大 塑性好,3、温度稳定性(温度敏感性),定义:粘性和塑性随温度升降而变化的性能,改善:增塑剂、橡胶、树脂、填料,指标:软化点Tm 、脆化点Tg,影响因素:地沥青质、油份树脂 Tg 、Tm,实际要求:软化点高,脆化点低。,针入度指数 评价原理:针入度(P)随温度变化(T)而变化 lgP=AT+K A针入度-温度敏感系数 A值的计算原理:已知直线上两点,即可求得斜率值。,缺陷:A值为小数,应用不方便。,针入度指数(PI)概念的建立 原理:以针入度指数PI表示沥青的温度敏感性,假设20为最佳值,-10为最差值。则: (20-
4、PI)/(PI+10)可评价温度敏感性 针入度指数的计算: PI=30/(1+50A)-10 针入度指数与沥青胶体结构类型: PI2,凝胶结构 PI-2,溶胶结构 -2 PI 2,溶凝胶结构,土木工程用沥青针入度指数的选择: 道路沥青: 通常: -2 PI 路面:-1 PI 1, 0.5 PI 1 灌浆材料: -3 PI 1 胶结剂: -2 PI 5 PI越大,高温稳定性越好。低温性能需做改性处理,4、粘附性,定义: 石油沥青与其他材料界面粘结性能或抗剥落的能力。 影响因素: 沥青的组丛、被粘结材料的表面物理、化学性质 评价方法: 13.2mm骨料,水煮法 13.2mm骨料,水浸法,5、大气稳
5、定性,定义: 沥青在光、热、水、气等环境因素作用下抵抗老化的性质。 老化原因: 油分 树脂地沥青质 老化结果: 变硬、变脆、易开裂 评价方法: 蒸发质量损失率、加热前后针入度比、加热前后延度变化,6、施工安全性,定义:石油沥青在加热使用时,不易发生闪火或燃火的性质。 评价指标: 闪点: 燃点:,石油沥青组分、结构与性能之间的关系,三、石油沥青分类、标准与选用,1、分类 道路、建筑、普通石油沥青 2、标号 按针入度划分,并保证其他性能,3、选用依据: 工程性质、施工方法、环境温度 4、应用: 道路石油沥青 拌制混凝土、用于路面 和地坪,或防水防潮工程 建筑石油沥青 建筑防水、防腐 普通石油沥青
6、性能较差,少用,1、改性的目的改善性能,延长使用寿命 屋面防水:高温不流淌,抗老化,抗低温脆断。 路面工程:高温抗剪强度高、不拥包、推移、抗车辙等永久变形;抗低温开裂;抗老化;较强的粘附性、抗疲劳应力、抗滑等。,四、沥青的改性及应用,树脂 耐寒性、耐热性、粘性 沥青橡胶 高温变形性 低温柔顺性 填料 粘性、耐热性、温度稳定性,2、改性剂和效果,定义 矿物集料与沥青拌合而成的混合料的总称。包括沥青混凝土混合料和沥青碎石混合料。 沥青混凝土混合料AC适当比例的粗集料、细集料及填料与沥青在严格控制条件下拌合压实后空隙率10%的沥青混合料。 沥青碎石混合料AM适当比例的粗骨料、细骨料及少量填料或不掺填
7、料拌合压实后空隙率10%的沥青混合料,5-2 路面用沥青混合料,沥青混合料的技术特点 物理力学性能较高的抵抗荷载的能力、高温稳定性、低温柔韧性、水稳定性 施工和易性平整无接缝、减震吸声、行车舒适 交通安全具一定粗糙度、无强烈反光 耐久性在环境光、热、水、气等因素作用下保持性能,沥青混合料的分类 按最大公称粒径分类 (1)粗粒式沥青混合料(Dm为26.5mm或31.5mm) (2)中粒式 (Dm为16 mm 或19 mm) (3)细粒式 (Dm为9.5mm或13.2mm) (4)砂粒式沥青混合料(Dm4.75mm) 也称沥青石屑或沥青砂,按矿料级配和路面压实度分类 连续密级配沥青混合料空隙率小于
8、10%; 连续半开级配空隙率大于10%;(沥青碎石) 开级配空隙率15%;(开式) 间断级配,按施工温度分类 热拌热铺沥青混合料(热态拌合、热态铺筑); 常温沥青混合料乳化沥青、稀释沥青, (常温下操作,冷施工),一、沥青混合料的强度理论和组成结构,1、沥青混合料强度理论 沥青路面破坏形式 高温时塑性变形过剩抗剪强度不足 低温脆裂抗拉强度不足,变形能力差 因此研究沥青混合料的抗剪强度和抗变形能力。,摩尔-库伦包络线应力圆的公切线 即为抗剪强度曲线,圆柱形试件 三轴剪切试验得到,决定沥青混合料C与值的摩尔圆包络线,沥青混合料的抗剪强度()公式,正应力(Mpa); C沥青混合料的粘力(Mpa);
9、沥青混合料的内摩擦角。,粘聚力C,内摩擦角 抗剪强度,2影响沥青混合料强度与稳定性的因素,内 因 沥青粘度 沥青与矿物的化学性质 矿粉比表面(细度) 沥青用量 集料的级配类型、粒径、颗粒状态, 沥青粘度,沥青是胶结材料,其粘度大,对集料约束使其嵌锁结构稳定,粘滞阻力大,抗变形能力强。因此 粘聚力C 内摩擦角、抗剪强度, 沥青与矿物的化学性质,沥青与矿物表面形成一层厚度0的“结构沥青”,该沥青化学组分重新排列,粘度,粘聚力,0以外的沥青称“自由沥青”。,讨 论: 以“结构沥青”接触的两颗粒,粘聚力C 以“自由沥青”接触的两颗粒,沥青混合料粘聚力C较小,“结构沥青” 0的厚度与矿料的化学性质有关:
10、 沥青石灰石(碱性集料)界面的0 厚度大,矿料之间更有可能通过结构沥青联结。 沥青石英石(酸性集料)界面的0 厚度小。, 矿粉比表面(细度),沥青用量一定,矿粉比表面积大,形成的“结构沥青”数量,沥青混合料的粘聚力C。 矿粉的性质和用量对沥青混合料的抗剪强度影响很大。掺矿粉的重要性,结论: 配制沥青混凝土时,必须掺适量矿粉 产生“结构沥青”混合料粘结力C抗剪强度高温抗变形能力 提高温度稳定性, 沥青用量,沥青用量适当,可形成足够数量的“结构沥青”,使得粘聚力,且矿料之间以“结构沥青”连接,此时,沥青胶浆有最优的粘聚力。 所以在沥青混合料配合比设计时,要考虑最佳沥青用量。, 集料的级配类型、粒径
11、和颗粒状态,合理级配颗粒间成嵌锁结构,摩擦阻力,近似正方体,表面粗糙的颗粒内摩擦角 较强的力学稳定性沥青混合料抗剪力,外 因 温度沥青属热塑性材料 温度,粘聚力C抗剪强度。 形变速率C,抗剪强度,3.沥青混合料的组成结构和性能,沥青混合料组成结构的胶浆理论,三种沥青混合料的结构常数不同,稳定性有差异。,1、悬浮密实结构 连续型密级配集料密实度高,但各级集料均为次级集料所隔开,有大量的细颗粒,但粗集料不能互相靠拢形成骨架,悬浮于次级集料及沥青胶浆之间。 特点:结构沥青多,粘聚力C大,内摩阻角较小,高温稳定性较差,2、骨架空隙结构 集料组成为连续型开级配。粒径递减系数大,粗集料多,细集料少,甚至没
12、有。粗集料形成骨架后,细集料不能填满其空隙。 特点:结构沥青少,粘聚力C小,内磨阻角高,难以摊铺压实成平整路面。,3、密实骨架结构 集料组成采用间断级配。粗集料形成骨架后,相当数量的细集料填满其空间。 特点:结构沥青多,粘聚力C较高,内磨阻角较高,可摊铺成结构密实、表面平整、物理力学性能比较稳定的路面。,二、沥青混合料的技术性质和标准,路面沥青混合料要求具备的技术性质 力学强度承受交通荷载,抗高温变形,低温脆裂; 耐久性抵抗自然因素作用; 抗滑性交通安全; 施工和易性摊铺和压实,1、高温稳定性 定义:高温条件下承受重复荷载没有很大变形(60夏季温度不产生车辙、拥包和波浪)。 评价方法: (1)
13、马歇尔稳定度试验 (2)车辙试验,(1)马歇尔稳定度三项指标,101.663.5mm圆柱体试件 稳定度(MS)规定温度和加荷速率时破坏荷载(kN); 流值(FL)破坏时,试件的垂直变形(0.1mm); 马歇尔模数(T),(kN/mm),(2)车辙试验,高速公路、一级公路、城市快速路、主干路要求此项试验。 试件: 30030050 mm 温度: 60 方法:车轮反复行走。,指标:动稳定度(DS) 试件变形1mm深时,车轮行走次数。 GBJ50092-96规定 60时动稳定度 高速公路,城市快速路 DS 800次/mm 一级公路、城市主干道 DS 600次/mm 新规定见表3-18,2、低温抗裂性
14、,定义:沥青混合料抵抗低温开裂的能力。 评价方法 低温蠕变试验、低温弯曲试验 未列入规范,3、耐久性(水稳定性),定义:抵抗自然因素和车载长期作用,保持原有性能的能力。 沥青老化、集料破坏、水导致沥青与集料粘附性降低而出现剥落 试验方法:浸水马歇尔试验 浸水车辙试验 冻融劈裂试验 评价指标:残留稳定度MS0(%)、空隙率VV 、饱和度VFA 、矿料间隙率VMA,耐久性影响因素, 化学性质:沥青、集料的化学性质 混合料的组成结构空隙率。 空隙率,防阳光及渗水, 空隙率,沥青-集料之间粘结力差,饱水后集料剥离,颗粒相互推移,力学强度下降,路面破坏。 一般空隙率保留36%;以备夏季沥青膨胀 压实度,
15、4、抗滑性,沥青路面抗滑性与下列因素有关: 集料表面特性选择硬质有棱角; 混合料级配合理 沥青用量及沥青含蜡量最佳沥青用量,路面含蜡量3% 规范中对抗滑层集料有磨光值、道瑞磨耗值和冲击值的要求,5施工和易性,易于拌和、摊铺和碾压。 与气温、施工条件及混合料性质有关,骨料级配具有直接影响。 目前凭经验,无测定方法。,路面热拌沥青混合料的技术标准 不同等级道路、不同类型混合料具有不同的指标要求。 主要指标(表5-2) 力学指标:击实次数、MS、 FL、DS 耐久性指标:空隙率VV、沥青饱和度VFA、矿料间隙率VMA、残留稳定度MS0,三、沥青混合料组成材料的技术要求,1、沥青 根据气候条件、施工季节、路面类型、施工方法和矿料类型选取(表5-3) 高稠度(标号小)沥青热气候、重交通量、细粒式、砂粒式集料 沥青稠度大,混合料力学强度大,稳定性好。,2、粗集料 防滑表层不宜用软质集料,应符合石料磨光值等指标。 酸性岩石(花岗岩、石英岩)用作高等级公路时,应采用低标号沥青,并采取抗剥离措施。 填料用石灰粉; 酸性集料用石灰浆处理。 (表5-4、5-5),3、细集料天然砂、人工砂,应符合级配要求。 (表5-7、5-8、5-9) 4、填料石灰粉或岩浆岩中强碱性(憎水性)岩石磨细的矿粉。 (表5-10),
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