第九章沥青和沥青混合料1.ppt

第九章 沥青、防水材料和沥青混合料,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:,§9-1 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 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-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 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,2、常用的改性剂 高聚物如树脂类、橡胶类和树脂橡胶合金共聚物。 微填料炭黑、高钙粉煤灰、或火山灰、页岩粉等，采用的微填料应经活化、芳化等预处理，否则反而会劣化沥青性能。 纤维类聚乙烯纤维、聚酯纤维等人工合成纤维和矿质石棉纤维等。 硫磷改性剂硫在沥青中能提高沥青的高温抗变形能力，具有所谓“硫桥”作用，掺加低剂量（0.51.0%）即有明显效果。,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,3、改性沥青的效果,我国房屋建筑防水现状,§9-2 防水材料,屋面防水等级,1999年全国销售量 沥青防水卷材： 万平方米 改性沥青防水卷材：5600万平方米 高分子防水卷材：3100万平方米,应用一 防水卷材,一、沥青 防水卷材 油毡：防水 高软化点沥青， 胎体 油纸、玻璃纤维布， 防粘隔离 滑石粉、云母片。 优点：防水性能较好、资源丰富、价格低廉。 缺点：低温脆裂、高温流淌， 抗拉强度低，延伸率小， 热施工毒气大，耐久性差。,二、改性沥青防水卷材,主要品种 国内销售量比例 SBS改性沥青防水卷材 8 APP改性沥青防水卷材 2,1、SBS改性沥青防水卷材 防水 苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS) 橡胶改性石油沥青 胎体 沥青浸渍聚脂纤维无纺布， 防粘隔离 细沙、矿物粒片、聚乙烯膜 优点：90高温不流淌、-20低温不脆裂、 抗拉强度高(600N) 、延伸率大(30%) 、 优异的弹性、常温施工。,2、APP改性沥青防水卷材 防水 无规聚丙烯(APP)改性石油沥青 胎体 沥青浸渍的聚脂纤维无纺布， 防粘隔离 细沙、矿物粒片、聚乙烯膜 优点：-10低温不脆裂、120高温不流淌 抗拉强度高(600N)、延伸率大(30%)、 优良的耐老化性、常温施工。,三、合成高分子 防水卷材,1999年全国销售量 三元乙丙橡胶防水卷材：400万平方米 氯化聚乙烯防水卷材：800万平方米 聚乙烯丙纶复合防水卷材：750万平方米 聚氯乙烯防水卷材：300万平方米 橡塑共混防水卷材：400万平方米,1、聚氯乙烯(PVC)防水卷材 产品：以增塑聚氯乙烯为基料的塑性卷材 特性：强度高(10MPa) 延伸率大(200%) 耐低温(-20)、耐老化。,2、三元乙丙橡胶防水卷材 产品：以三元乙丙橡胶为主的防水片材 特性：耐老化、高温、耐低温(-30)， 抗拉强度较高(2.2MPa)、 延伸率大(200%)。 应用：耐日光、耐腐蚀的屋面或地下工程,3、氯化聚乙烯橡胶共混防水卷材 产品：以氯化聚乙烯橡胶共混、 无织物增强的硫化型防水卷材 特性：较高的强度(6-7MPa)、耐老化， 高延伸率(250-400%)、高弹性、 低温柔顺性。,应用二 防水涂料,应用：复杂表面 缺点：膜层厚度难保持均匀一致 一、沥青基防水涂料 冷底子油： 沥青+汽油 乳化沥青： 水+乳化剂+沥青 应用： 沥青类防水施工打底,使亲水基层具有憎水表面，利于亲水材料与憎水材料结合。,乳化沥青将粘稠沥青加热至流动态，高速搅拌，形成微滴，分散在有乳化剂+稳定剂的水中，形成均匀稳定的乳状液。 应用 建筑屋面、混凝土地下室和卫生间防水。道路工程中，用于修筑路面，拌制沥青混凝土或沥青碎石，拌制加固土。,二、聚合物改性沥青防水涂料 特性：柔韧性、抗裂性、拉伸强度、 耐高低温性能、使用寿命好 产品：再生橡胶改性、SBS橡胶改性、 水乳型氯丁橡胶沥青防水涂料,三、合成高分子防水涂料 成膜物质：合成橡胶、合成树脂 特性：高弹性、高耐久、耐高低温 产品：聚氨脂防水涂料 有机硅防水涂料,应用三 建筑密封材料,一、性能要求 水密性、粘结性、弹塑性 耐高低温性、耐老化性 二、分类 按形态不定型的密封膏 定型的密封条 按性能弹性、非弹性,三、密封膏 1、沥青嵌缝油膏 配制：沥青+改性材料+稀释剂+填充料 应用：填缝、粘结油毡 2、有机硅橡胶密封膏（硅酮密封膏） 特性：耐热、耐寒、耐候、 广谱粘结性、耐拉压疲劳好,3、丙烯酸脂密封膏 粘结性好、耐老化、耐腐蚀； 弹性、延性较小。 四、密封条 由塑料、橡胶经挤出成型而得,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料拌合压实后空隙率10%的沥青混合料,§9-3 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 按最大粒径分类 （1）粗粒式沥青混合料（Dm为26.6mm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,按路面压实度分类 密实式沥青混合料剩余空隙率5%； 半密实式空隙率为5%10%； 半开式剩余空隙率10%；（沥青碎石) 开级配剩余空隙率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）； 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”。,自由沥青,结构沥青,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的厚度与矿粉的化学性质有关： 沥青石灰石粉（碱性集料）界面的0 厚度大，矿粉之间更有可能通过结构沥青联结。 沥青石英粉（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,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，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)马歇尔稳定度试验 (2)车辙试验,(1)马歇尔稳定度三项指标,101.6×63.5mm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： 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 DS 800次/mm 高速公路，城市快速路 DS 600次/mm 一级公路、城市主干道,2、低温抗裂性,定义：沥青混合料抵抗低温开裂的能力。 目前末列入技术指标，简单评估。,3、耐久性,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 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，一般空隙率保留36%；以备夏季沥青膨胀； 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，体积膨胀，力学强度下降，路面破坏。,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 力学指标：击实次数、稳定度MS、DS、流值FL 耐久性指标：空隙率VV、沥青饱和度VFA、残留稳定度MS0 、矿料间隙率VMA,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 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。,3、细集料天然砂、人工砂，应符合级配要求。 4、填料石灰粉或岩浆岩中强碱性（憎水性）岩石磨细的矿粉。,