【土木建筑】第8章 沥青混合料.ppt
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1、第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,8.1 概述 刚性路面:水泥混凝土路面(水泥混凝土) 道路路面 柔性路面:沥青路面(沥青混合料),第8章 沥青混合料,Ten Year Old SMA 10年的SMA路面,PAVED WITH REGULAR MIX, AGE 2 YEAR,使用一般混合料铺面,8.1.1 基本概念 (1)沥青混合料: 矿质混合料 + 粘结材料 沥青混合料 (粗集料+细集料+填料)(沥青) (适当比例拌和) 通常定义: 沥青混合料为沥青混凝土混合料和沥青碎石混合料的总称,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,沥青混凝土混合料(Asphalt concrete mixtu
2、re) : 由适当比例的粗集料、细集料及填料与沥青在严格控制条件下拌和而成的沥青混合料,简称AC。 沥青碎石混合料(Asphalt macadan mixture): 由适当比例的粗集料、细集料及填料(或不加填料)与沥青拌和而成的沥青混合料,简称AM 。,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,8.1.2 分类 (1)按结合料分类:石油沥青混合料 煤沥青混合料 (2)按沥青混合料施工的拌制和摊铺温度分类: 热拌热铺沥青混合料 常温沥青混合料 (3)按矿质集料级配类型分类: 连续级配沥青混合料 间断级配沥青混合料,第8章 沥青混合料,(4)按混合料密实度分
3、类:,开级配沥青混凝土混合料:连续型级配混合料,粒径递减系 数较大,空隙率大于15%,密级配沥青混凝土混合料:连续型密级配沥青混合料,粒径 递减系数较小,空隙率小于10%,半开级配沥青混合料:空隙率介于密级配和开级配之间,为 10%15%。,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,100,0,50,0.08,0.3,1.18,4.75,19,间断级配,开级配,密级配,三种类型矿料级配曲线,(5)按最大粒径分类 粗粒式沥青混合料:集料最大粒径等于或大于26.5mm 中粒式沥青混合料:集料最大粒径为16mm或19mm 细粒式沥青混合料:集料最大粒径为9.5mm或13.2mm 砂粒式沥青混合料(沥青
4、石屑或沥青砂):集料最大粒径 等于或小于4.75mm 特粗式沥青碎石混合料:集料最大粒径37.5mm以上。,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,Pavement Structure路面结构,40 mm Surface / PG 88-10 75 mm Open Graded PG 82-16 75 mm Base PG 64-22 150 mm drain 400 mm Lime modified Soil,8.2 热拌沥青混合料 8.2.1 沥青混合料的组成结构和强度形成原理 1.沥青混合料的组成结构 沥青混合料的组成结构通常按其矿质混合料的组成分为三种结构类型 (1)悬浮-密实结构:连
5、续型密级配 (2)骨架-空隙结构:连续型开级配 (3)密实-骨架结构:间断型密级配,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,100,0,三种类型矿料级配曲线,50,0.08,0.3,1.18,4.75,19,间断级配,开级配,密级配,第8章 沥青混合料,图8.1 沥青混合料结构组成示意图 a) 悬浮-密实结构;b) 骨架-空隙结构;c) 密实-骨架结构,第8章 沥青混合料,沥青混合料的结构,Active Particles 颗粒,Voids,第8章 沥青混合料,沥青混合料的结构,Voids,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,2.沥青混合料的强度形成原理,第8章 沥青混合料,(1)沥青路面
6、的主要破坏形式 高温产生车辙高温时由于抗剪强度不足或塑性变形 过大而产生推挤等现象 低温出现裂缝由于低温时抗拉强度不足或变形能力 较差而产生裂缝现象,第8章 沥青混合料,(2)强度理论:要求沥青混合料在高温时必须具有一定的 抗剪强度和抵抗变形的能力。 沥青混合料的抗剪强度主要取决于: 粘聚力和内摩擦角两个参数,第8章 沥青混合料,式中:沥青混合料的抗剪强度,MPa; c 沥青混合料的粘聚力, MPa; 沥青混合料的内摩擦角,rad。,第8章 沥青混合料,摩尔库仑包络线:, =c+tg,c,第8章 沥青混合料,悬浮-密实结构:较高的粘聚力C,较低的内摩擦角, 骨架-空隙结构:较低的粘聚力C,较高
7、的内摩擦角, 密实-骨架结构:较高的粘聚力C,较高的内摩擦角,,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,TRUCKING OPERATIONS,Begin with One Truck on September 2, 2003 Phase in All Trucks by October 1, 2003 Target Completion by September 30, 2005,汽车载荷试验,第8章 沥青混合料,2003 RESEARCH PLAN2003,Structural Experiment结构试验,第8章 沥青混合料,STRUCTURAL SECTION LAYOUT,6英寸厚的
8、密级配碎石基层,最佳沥青含量下的改性沥青混合料,最佳沥青含量+05%情况下的改性沥青混合料,Strain Gauges Between HMA Layers,在HMA层面之间安装应变仪,Layout of Gauges仪器布置,Pressure Cells压力盒,Strain Gauges应变仪,Completed Instrumentation 完工的仪器站,Gauge Locations 仪器位置,Data Collection Box 数据采集器,Solar Power太阳能,(3)影响沥青混合料抗剪强度的因素 1)影响沥青混合料抗剪强度的内因 沥青粘度的影响: 沥青混合料的粘聚力随沥青
9、粘度的增加而增加,同时内摩擦角稍有提高。 沥青与矿料化学性质的影响: 沥青与矿料相互作用与沥青的化学性质和矿粉性质有关。,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,图8.2 沥青在矿粉表面重排结构示意图,第8章 沥青混合料,当矿粉颗粒之间由结构沥青膜所联结时: 可以获得更大的粘聚力。 若颗粒之间是自由沥青所联结时: 则具有较小的粘聚力。 沥青用量的影响:,不同沥青用量时的沥青混合料结构和C,值变化示意图 a) 沥青用量不足;b) 沥青用量适中;c) 沥青用量过量,第8章 沥青混合料, 矿料比表面积的影响: 矿料的比表面积越大,形成的沥青膜越薄,结构沥青所占的比例越大,凝聚力越大。,第8章 沥青混
10、合料,矿质集料的级配类型、粒度、表面性质的影响,Surface (5 to 8 cm) renewed every 15 to 20 years 每15年更新58cm的面层 Structure designed to last 50 years 使用寿命期为50年的路面结构设计,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,2)影响沥青混合料抗剪强度的外因 温度的影响: 抗剪强度随温度的升高而降低, 粘聚力随温度的升高而显著降低,温度变化对内摩擦角的影响较小。 抗剪强度随温度的升高而降低, 粘聚力随温度的升高而显著降低,温度变化对内摩擦角的影响较小。 形变速率的影响:变形速率对沥青混合料的内摩擦角(
11、)影响较小,而对沥青混合料的粘聚力 (c)影响则较为显著。,第8章 沥青混合料,温度对沥青混合料抗剪强度的影响,400,300,200,100,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,10,20,30,40,50,60,T(C),c,=f(T),c=f(T),第8章 沥青混合料,形变速率对沥青混合料抗剪强度的影响,400,300,200,100,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,1,2,3,4,5,c,c=f(v),=f(v),V,A PAVEMENT WITH SOME PROBLEMS,一条存在一些问题的路面,At end,At end of race,第8章 沥青混合料,8.2.2
12、 沥青混合料的组成材料 1.道路石油沥青 (1)道路石油沥青的质量:应满足表7.3的要求 (2)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。 (3)道路石油沥青贮存:必须按品种、标号分开存放,沥青在储罐中的贮存温度宜在130170的范围内。沥青在贮运、使用和存放过程中要注意做好防水措施。,第8章 沥青混合料,2.粗集料 (1)选用要求:碎石、破碎砾石、筛选砾石、钢渣和矿渣 等 均可选用,但高速公路和一级公路不得 使用筛选砾石和矿渣。 (2)质量要求 1)级配:粗集料的级配应满足表8.1的规定。
13、2)综合性质:物理、力学、化学质量应符合表8.2、表8.3 的要求。 3)破碎砾石的要求:应采用粒径大于50mm、含泥量不大于 1%的砾石轧制,破碎砾石的破碎面应 符合表8.4的要求。,表8.1 沥青混合料用粗集料规格,表8.2 沥青混合料用粗集料技术要求,注: 坚固性试验根据需要进行。 用于高速公路、一级公路时,多孔玄武岩的视密度可放宽至2.45t/m3,吸水率可放宽至3%,但须得到建设单位的批准,且不得用于SMA路面。 对S14规格的粗集料,针片状颗粒含量可不予要求,0.075mm颗粒含量可放宽到3%。,表8.3 粗集料与沥青的粘附性、磨光值的技术要求,表8.4 粗集料对破碎面的要求,第8
14、章 沥青混合料,3.细集料 (1)选用要求:天然砂、机制砂、石屑。 (2)物理、化学性质要求:质量应符合表8.5的规定。 (3)级配:通常宜采用粗、中砂,规格应符合表8.6、表8.7 的规定。,表8.5 沥青混合料用细集料质量要求,表8.6 沥青混合料用天然砂规格,表8.7 沥青混合料用机制砂或石屑规格,第8章 沥青混合料,4.填料 (1)选用要求:矿粉必须采用石灰岩或岩浆岩中的 强基性岩石等憎水性石料磨细得到 的矿粉。 (2)质量要求:应符合表8.8的规定。 (3)其他要求:拌和机的粉尘可作为矿粉的一部分回 收,但每盘用量不得超过填料总量的 25 %,掺有粉尘填料的塑性指数不得 大于4%。,
15、表8.8 沥青混合料用矿粉质量要求,第8章 沥青混合料,8.2.3 沥青混合料的技术性质和技术标准 1、沥青混合料的技术性质 (1)高温稳定性 1)定义: 是指沥青混合料在夏季高温(通常为60)条件下,经车辆荷载长期重复作用后,不产生车辙和波浪等病害的性能。 2)评价方法:马歇尔稳定度、动稳定度等,第8章 沥青混合料,3)马歇尔试验 三项指标:马歇尔稳定度、流值和马歇尔模数。 稳定度:指标准试件在规定温度和加荷速度下,在马歇 尔仪中最大的破坏荷载,单位:kN。 流值:达到最大破坏荷重时试件的垂直变形,单位:mm。 马歇尔模数:由稳定度和流值计算得到,即为稳定度除 以流值的商。可以间接地反映沥青
16、混合料的抗 车辙能力。,第8章 沥青混合料,第8章 沥青混合料,式中:T马歇尔模数,kN/mm; MS稳定度,kN; FL流值,mm 。,第8章 沥青混合料,4)车辙试验 动稳定度: 将沥青混合料制成30Omm30Omm50mm的标准试件,在60的温度条件下,以一定荷载的轮子(轮压0.7MPa),在同一轨迹上作一定时间的反复行走,形成一定的车辙深度,然后计算试件变形1mm所需试验车轮行走的次数。,第8章 沥青混合料,式中:DS沥青混合料动稳定度,次/mm; d1、d2时间和的变形量,mm; 42每分钟行走次数,次/min; c1试验机修正系数,曲柄连杆驱动试件的变速行 走方式为1.0;链驱动试
17、验轮的等速方式为1.5; c2试验修正系数,试验室制备的宽300mm的试件 为 1.0;从路面切割的宽150mm的试件为0.8。,第8章 沥青混合料,(2)低温抗裂性 沥青混合料要具有低温的抗裂性,以保证路面在冬季低温时不产生裂缝。 (3)疲劳特性,第8章 沥青混合料,(4)耐久性 1)影响沥青混合料耐久性的因素 材料的影响:沥青的化学性质、沥青用量、矿料 的矿物成分、沥青混合料的组成结构等。 沥青混合料的组成结构:主要以其空隙率和饱和 度表征。沥青混合料水稳定性与空隙率有关。 2)耐久性评价指标:采用空隙率、矿料间隙率、饱和 度和残留稳定度等指标。 (5)抗滑性 (6)施工和易性,第8章 沥
18、青混合料,2.沥青混合料的技术标准 (1)密级配沥青混凝土混合料马歇尔试验技术标准 我国现行标准JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范对热拌沥青混合料马歇尔试验的技术要求如表8.9。重载交通是指设计交通量在1000万辆以上的路段,长大坡度的路段按重载交通考虑。 (2)沥青混合料高温稳定性车辙试验的技术标准 按规定方法进行车辙试验,动稳定度应符合表8.10的要求。,表8.9 密级配沥青混凝土混合料马歇尔试验技术标准,注: 对空隙率大于5%的夏炎热区重载交通路段,施工时应至少提高压实度1个百分点。 当设计的空隙率不是整数时,由内插确定要求的VMA最小值。 对改性沥青混合料,马歇尔试验的流
19、值可适当放宽。,表8.10 沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求,表8.11 沥青混合料水稳定性检验技术要求,第8章 沥青混合料,(4)沥青混合料低温抗裂性能检验技术标准 宜对密级配沥青混合料在温度-10、加载速率5Omm/min的条件下进行弯曲试验,测定破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量,并根据应力应变曲线的形状,综合评价沥青混合料的低温抗裂性能。沥青混合料的破坏应变宜不小于表8.12的要求。,表8.12 沥青混合料低温弯曲试验破坏应变()技术要求,第8章 沥青混合料,(5)沥青混合料渗水系数检验技术标准 渗水试验检验的渗水系数宜符合表8.13的要求。 表8.13 沥青混合料试件渗水系数 /ml
20、min-1技术要求,第8章 沥青混合料,8.2.4 热拌沥青混合料配合比设计方法 沥青混合料配合比设计包括: 试验室配合比设计(目标配合比) 生产配合比设计 生产配合比验证(试拌试铺配合比调整) 1.试验室配合比设计 密级配沥青混合料的目标配合比设计流程图如图8.5所示, 采用马歇尔试验配合比设计方法。,图8.5 密级配沥青混合料的目标配合比设计流程图,第8章 沥青混合料,(1)矿质混合料配合组成设计 1)选择热拌沥青混合料种类 热拌沥青混合料(HMA)适用于各种等级公路的沥青路面。 种类应考虑集料公称最大粒径、矿料级配、空隙率等因素选择 分类见表8.14。,表8.14,第8章 沥青混合料,2
21、)确定工程设计级配范围 沥青混合料设计级配范围由工程设计文件或招标文件规定,级配沥青混合料的设计级配宜根据公路等级、气候及交通条件按表8.15、表8.16规定确定。,表8.15,表8.16,第8章 沥青混合料,3)矿质混合料配合比设计计算 材料选择与准备 矿料配合比设计 对高速公路和一级公路,宜在工程设计级配范围内计算13组粗细不同的配合比,绘制设计级配曲线,分别位于工程设计级配范围的上方、中值及下方。设计合成级配不得有太多的锯齿形交错,且在0.30.6mm范围内不出现“驼峰”。当反复调整不能满意时,宜更换材料设计。,第8章 沥青混合料,(2)确定最佳沥青用量 1)预估油石比或沥青用量 计算矿
22、料混合料的合成毛体积相对密度 计算矿料混合料的合成表观相对密度 预估沥青混合料适宜的油石比或沥青用量。 确定矿料的有效相对密度 2)制备马歇尔试件 以预估的油石比为中值,按一定间隔(对密级配沥青混合料通常为0.5%,对沥青碎石混合料可适当缩小间隔为0.3%0.4%),取5个或5个以上不同的油石比分别成型马歇尔试件。每一组试件的试样数按现行试验规程的要求确定,对粒径较大的沥青混合料,宜增加试件数量。,第8章 沥青混合料,3)测定计算物理指标 测定试件的毛体积相对密度和吸水率 确定沥青混合料的最大理论相对密度 在成型马歇尔试件的同时,采用真空法实测各组沥青混合料的最大理论相对密度。当只对其中一组油
23、石比测定最大理论相对密度时,也可按式(8.11)计算其他不同油石比时的最大理论相对密度。 计算试件的空隙率、矿料间隙率、有效沥青的饱和度等体积指标,第8章 沥青混合料,4)测定力学指标 采用马歇尔试验仪,测定马歇尔稳定度及流值 5)确定最佳沥青用量(或油石比) 绘制沥青用量与物理-力学指标关系图 根据试验曲线,确定沥青混合料的最佳沥青用量OACl 确定沥青混合料的最佳沥青用量OAC2 确定最佳沥青用量OAC 通常情况下取OACl及OAC2的中值作为计算的最佳沥青用量OAC。,图8.6,图8.6,图8.6,图8.6,第8章 沥青混合料,从图8.6中得出所对应的空隙率值和矿料间隙率值,检验是否能满
24、足热拌沥青混合料规定的最小值的要求。OAC宜位于凹形曲线最小值的贫油一侧。当空隙率不是整数时,按最小内插法确定,并将其画入图8.6中。 检查图8.6中相应于此OAC的各项指标是否均符合马歇尔试验技术标准。 根据实践经验和公路等级、气候条件、交通情况,调整确定最佳沥青用量OAC。,第8章 沥青混合料,6)检验最佳沥青用量时的粉胶比和有效沥青膜厚度 计算沥青结合料被集料吸收的比例及有效沥青含量 计算最佳沥青用量时的粉胶比和有效沥青膜厚度 7)配合比设计检验 高温稳定性检验 水稳定性检验 低温抗裂性能检验 渗水系数检验,第8章 沥青混合料,2.生产配合比设计阶段 目标配合比确定之后,进入第二个设计阶
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