第七章-瀝青和瀝青混合料

第七章瀝青及瀝青混合料

瀝青是土木工程中常用的有機膠凝材料，廣泛用于防水、防潮、防腐工程以及各種類別的道路工程。目前常用于土木工程防水材料和道路瀝青混合料的是石油瀝青。采用石油瀝青作膠結(jié)料的瀝青混合料是公路路面、機場道面結(jié)構(gòu)的一種主要材料，也可用于建筑防水或堤壩防滲。它具有良好的力學性能、一定的高溫穩(wěn)定性和低溫柔韌性，用作路面具有抗滑性好、噪音小、行車平穩(wěn)等優(yōu)點。

第七章瀝青及瀝青混合料

瀝青是高分子碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的極其復雜的混合物，在常溫下呈黑色或黑褐色的固體、半固體或液體，能溶于多種有機溶劑，如汽油、煤油、柴油等。瀝青按產(chǎn)源分為地瀝青（包括天然瀝青和石油瀝青）和焦油瀝青（包括煤瀝青和頁巖瀝青）。土木工程中常用的主要是石油瀝青。根據(jù)石油瀝青的生產(chǎn)加工工藝不同，可分別制得直餾瀝青、蒸餾瀝青、氧化瀝青、裂化瀝青、溶劑瀝青等。第一節(jié)瀝青材料

第七章瀝青及瀝青混合料

一、石油瀝青的組分

（一）三組分分析法

1．油分

在石油瀝青中的含量為45%～60%，賦予瀝青流動性。

2．樹脂

在石油瀝青中的含量為15%～30%，它賦予瀝青塑性和粘結(jié)性。

3．地瀝青質(zhì)在石油瀝青中的含量約為5%～30%，決定瀝青的粘結(jié)力、粘度和溫度穩(wěn)定性，以及瀝青的硬度和軟化點等.

第七章瀝青及瀝青混合料

（二）四組分分析法

四組分分析法是將石油瀝青分離為瀝青質(zhì)(At)、飽和分(S)、芳香分(A)和膠質(zhì)(R)四種組分，并分別研究不同組分的特性及其對瀝青工程性質(zhì)的影響。瀝青各組分相對含量的多少決定了瀝青的性能。若飽和分適量，且芳香分含量較高時，瀝青通常表現(xiàn)為較強的可塑性與穩(wěn)定性；當飽和分含量較高時，瀝青抵抗變形的能力就較差，雖然具有較高的可塑性，但在某些環(huán)境條件下穩(wěn)定性較差；隨著瀝青中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的增加，瀝青的穩(wěn)定性越來越好，但其施工時的可塑性卻越來越差。

第七章瀝青及瀝青混合料

二、石油瀝青的膠體結(jié)構(gòu)

石油瀝青的膠體結(jié)構(gòu)是影響其性能的重要原因。溶膠型、凝膠型及溶—凝膠型膠體結(jié)構(gòu)的石油瀝青示意圖下圖所示。

第七章瀝青及瀝青混合料

三、石油瀝青的主要技術(shù)性質(zhì)

1．粘滯性粘滯性是反映石油瀝青抵抗其本身相對變形的能力，常表現(xiàn)為瀝青的軟硬程度或稀稠程度。反映石油瀝青粘滯性的主要技術(shù)指標是石油瀝青的粘度和針入度。液態(tài)石油瀝青的粘性用粘度表示。固態(tài)或半固態(tài)石油瀝青的粘性用針入度表示。

第七章瀝青及瀝青混合料2．溫度敏感性

溫度敏感性是指石油瀝青的粘性和塑性隨溫度的升降而變化的性能。變化程度越小，表示瀝青的溫度敏感性越?。环粗?，溫度敏感性越大。石油瀝青的溫度敏感性常用的評價指標是軟化點和針入度指數(shù)。石油瀝青溫度敏感性與地瀝青質(zhì)含量和蠟含量密切相關(guān)。地瀝青質(zhì)增多，溫度敏感性降低。瀝青含蠟量多時，溫度敏感性大。工程上往往用加入滑石粉、石灰石粉或其他礦物填料的方法來減小瀝青的溫度敏感性。

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3．延展性（塑性）

石油瀝青的延展性又稱為塑性，是指石油瀝青在外力作用時產(chǎn)生變形而不破壞，除去外力后，則仍保持變形后形狀的性質(zhì)。石油瀝青的延展性通常用延度表示。

石油瀝青的延展性與其組分有關(guān)。石油瀝青中樹脂含量較多，而其他組分含量又適當時，則瀝青延展性較大。當瀝青化學組分不協(xié)調(diào)，膠體結(jié)構(gòu)不均勻，含蠟量增加時，都會使瀝青的延度相對降低。

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4.粘附性

粘附性是指石油瀝青與其他材料（主要指集料、基層等）的界面粘結(jié)性能或抗剝落性能。它直接影響瀝青的使用質(zhì)量和耐久性，粘附性是評價瀝青技術(shù)性能的一個重要指標。粘附性不良的瀝青與基層粘接不牢，很容易脫落而喪失使用性能，并使空氣或水滲透到空隙中而加快其老化。粘附性等級共分5個等級，5級最好，1級最差。

第七章瀝青及瀝青混合料5．大氣穩(wěn)定性

大氣穩(wěn)定性是指石油瀝青在熱、陽光、氧氣和潮濕等因素的長時期綜合作用下抵抗老化的性能。大氣穩(wěn)定性的評定方法是利用瀝青試樣在加熱蒸發(fā)前后的“蒸發(fā)損失百分率”、“蒸發(fā)后針入度比”或“老化后延度”來評定。石油瀝青經(jīng)蒸發(fā)后的質(zhì)量損失百分率越小，蒸發(fā)后針入度比和延度越大，表明其抗老化性能愈強，大氣穩(wěn)定性愈好。

第七章瀝青及瀝青混合料6．施工安全性

為獲得良好的施工和易性，在使用粘稠瀝青時必須加熱，但是當加熱達到一定溫度時，石油瀝青中的油分就會揮發(fā)。若加熱達到較高的溫度，這些揮發(fā)油分與空氣混合后的氣體就可能燃燒。其過程是首先出現(xiàn)混合氣體產(chǎn)生閃火現(xiàn)象，此后若繼續(xù)加熱，隨著混合氣體中油分蒸汽飽和度的增加，混合氣體則開始燃燒，從而引發(fā)火災。閃點和燃點是保證瀝青加熱質(zhì)量和施工安全的一項重要指標。

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四、石油瀝青的技術(shù)要求與選用

（一）建筑石油瀝青的技術(shù)要求與選用

建筑石油瀝青按針入度指標劃分為40號、30號和10號三個標號。

建筑石油瀝青針入度較小（粘性較大），軟化點較高（耐熱性較好），但延伸度較?。ㄋ苄暂^差），主要用于屋面及地下防水、溝槽防水與防腐、工程，也可用于制作油紙、油氈、防水涂料和瀝青嵌縫油膏。

第七章瀝青及瀝青混合料

（二）道路石油瀝青的技術(shù)要求與選用

1．粘稠石油瀝青粘稠瀝青分為160號、130號、110號、90號、70號、50號、30號等7個標號。道路石油瀝青等級劃分除了根據(jù)針入度的大小劃分外，還要以瀝青路面使用的氣候條件為依據(jù)，在同一氣候分區(qū)內(nèi)根據(jù)道路等級和交通特點再將瀝青劃分為1～3個不同的針入度等級；同時，按照技術(shù)指標將瀝青分為A、B、C三個等級，分別適用于不同范圍工程，由A至C，質(zhì)量級別逐漸降低。

第七章瀝青及瀝青混合料2．液體石油瀝青液體石油瀝青是指在常溫下呈液體狀態(tài)的瀝青。它可以是油分含量較高的直餾瀝青，也可以是稀釋劑稀釋后的粘稠瀝青。稀釋劑揮發(fā)速度不同，瀝青的凝結(jié)速度也不一樣。液體石油瀝青可以為快凝AL(R)、中凝AL(M)和慢凝AL(S)三個等級?？炷后w瀝青按粘度分為AL(R)-1和AL(R)-2兩個標號，中凝和慢凝液體瀝青按粘度分為AL(M)-1～AL(M)-6和AL(S)-1～AL(S)-6等各6個標號。

第七章瀝青及瀝青混合料

五、瀝青的摻配、改性及主要制品

（一）瀝青的摻配摻配時要注意遵循同源原則，即同屬石油瀝青或同屬煤瀝青(或焦油瀝青)的才可摻配。不同瀝青摻配比例應由試驗決定，兩種瀝青的摻配比例也可用下式估算：

第七章瀝青及瀝青混合料

1．氧化瀝青氧化改性是在250℃～300℃高溫下，向殘留瀝青或渣油中吹入空氣，通過氧化作用和聚合作用，使瀝青分子變大，提高瀝青的粘度和軟化點，從而改善瀝青的性能。

2.橡膠改性瀝青橡膠是瀝青常用的橡膠改性材料有氯丁橡膠、再生橡膠、熱塑性丁苯橡膠（SBS）等。橡膠和瀝青有很好的共混性，并能使石油瀝青兼具橡膠的很多優(yōu)點。橡膠改性瀝青克服了傳統(tǒng)瀝青材料熱淌冷脆的缺點，提高了瀝青材料的強度和耐老化性。。

第七章瀝青及瀝青混合料（二）改性瀝青

3.樹脂改性瀝青在瀝青中摻入適量的樹脂改性材料后，可以改善瀝青的耐寒性、耐熱性、粘結(jié)性和抗老化性。但樹脂和石油瀝青的相容性較差，而且可利用的樹脂品種也較少，常用的樹脂改性材料有古馬隆樹脂、聚乙烯、聚丙烯等。

4.橡膠和樹脂改性瀝青在瀝青材料中同時摻入橡膠和樹脂，使瀝青同時具有橡膠和樹脂的特性。且樹脂比橡膠便宜，橡膠和樹脂又有較好的混溶性，故改性效果較好。常用的有氯化聚乙烯-橡膠共混改性瀝青、聚氯乙烯-橡膠共混改性瀝青等。

第七章瀝青及瀝青混合料5.礦物填充料改性瀝青為了提高瀝青的粘結(jié)能力和耐熱性，降低瀝青的溫度敏感性，經(jīng)常要加入一定數(shù)量的礦物填充料。常用的礦物填充料大多是粉狀的和纖維狀的，主要的有滑石粉、石灰石粉、硅藻土和石棉等。礦物改性瀝青的機理為：瀝青中摻加礦物填充料后，由于瀝青對礦物填充料有良好的潤濕和吸附作用，在礦物顆粒表面形成一層穩(wěn)定、牢固的瀝青薄膜，帶有瀝青薄膜的礦物顆粒具有良好的粘性和耐熱性。礦物填充料的摻入量要適當，以形成恰當?shù)臑r青薄膜層。

第七章瀝青及瀝青混合料

石油瀝青與水在乳化劑、穩(wěn)定劑等的作用下經(jīng)乳化加工制得的均勻瀝青產(chǎn)品，稱乳化瀝青，也稱瀝青乳液。乳化瀝青的主要優(yōu)點有：冷態(tài)施工，節(jié)約能源；施工便利，節(jié)約瀝青；保護環(huán)境，保障健康；提高道路質(zhì)量。乳化瀝青的貯存期不宜過長（一般不超過三個月），否則容易引起凝聚分層而變質(zhì)。貯存溫度不得低于0℃，不宜在0℃以下施工，以免水分結(jié)冰而破壞防水層；也不宜在夏季烈日下施工，因水分蒸發(fā)過快，乳化瀝青結(jié)膜快，會導致膜內(nèi)水分蒸發(fā)不出而產(chǎn)生氣泡。

第七章瀝青及瀝青混合料（三）乳化瀝青

1．冷底子油冷底子油是用建筑石油瀝青加入汽油、煤油、苯等溶劑（稀釋劑）溶合，或用軟化點為50℃～70℃的煤瀝青加入苯溶合而配成的瀝青涂料。

冷低子油常用30%～40%的石油瀝青和60%～70%的溶劑（汽油或煤油）混合而成，施工時隨用隨配，首先將瀝青加熱至108℃～200℃，脫水后冷卻至130℃～140℃，并加入溶劑量10%的煤油，待溫度降至約70℃時，再加入余下的溶劑攪拌均勻為止。儲存時應采用密閉容器，以防溶劑揮發(fā)。

第七章瀝青及瀝青混合料（四）瀝青基制品

2．瀝青膠瀝青膠是用瀝青材料加入礦質(zhì)填充料均勻混合制成。瀝青膠主要用于粘貼各層石油瀝青油氈、涂刷面層油、嵌縫、接頭、補漏以及做防水層的底層等，它與水泥砂漿或混凝土都具有良好的粘結(jié)性。瀝青膠的配置和使用方法分為熱用和冷用兩種。

第七章瀝青及瀝青混合料

一、瀝青混合料的定義和分類

（一）瀝青混合料的定義

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）的有關(guān)定義，瀝青混合料是指由礦料與瀝青結(jié)合料拌合而成的混合料總稱。其中瀝青結(jié)合料是指在瀝青混合料中起膠結(jié)作用的瀝青類材料（含添加的外摻劑、改性劑等）的總稱。第二節(jié)瀝青混合料

第七章瀝青及瀝青混合料

（二）瀝青混合料的分類

1．按礦質(zhì)混合料的級配組成分類

（1）連續(xù)密級配瀝青混凝土混合料（2）連續(xù)半開級配瀝青混合料（3）開級配瀝青混合料（4）間斷級配瀝青混合料

第七章瀝青及瀝青混合料2．按照礦料的最大粒徑分類

根據(jù)集料的公稱最大粒徑,瀝青混合料分為特粗式、粗粒式、中粒式、細粒式和砂粒式。

3．按施工溫度分類

（1）熱拌熱鋪瀝青混合料（2）常溫瀝青混合料

第七章瀝青及瀝青混合料

（一）瀝青混合料的結(jié)構(gòu)組成理論

1.表面理論

2.膠漿理論

（二）瀝青混合料的結(jié)構(gòu)組成形式

1.懸浮密實結(jié)構(gòu)

2.骨架空隙結(jié)構(gòu)

3.骨架密實結(jié)構(gòu)

第七章瀝青及瀝青混合料

二、瀝青混合料的結(jié)構(gòu)組成

（三）瀝青混合料的強度形成原理

瀝青混合料在路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生破壞的情況，主要是在高溫時由于抗剪強度不足或塑性變形過剩而產(chǎn)生推擠等現(xiàn)象以及低溫時抗拉強度不足或變形能力較差而產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象。目前瀝青混合料強度和穩(wěn)定性理論，主要是要求瀝青混合料在高溫時必須具有一定的抗剪強度和抵抗變形的能力。為了防止瀝青路面產(chǎn)生高溫剪切破壞，我國城市道路瀝青路面設計方法中，對瀝青路面抗剪強度驗算，要求在瀝青路面面層破裂面上可能產(chǎn)生的應力不大于瀝青混合料的許用剪應力。

第七章瀝青及瀝青混合料

第七章瀝青及瀝青混合料

三、瀝青混合料的組成材料

1.瀝青

瀝青在混合料壓實過程中猶如潤滑劑，將各種礦料組成的穩(wěn)定骨架膠結(jié)在一起，經(jīng)壓實后形成的瀝青混凝土具有一定的強度和所需的多種優(yōu)良品質(zhì)。

2.粗集料熱拌瀝青混合料用的粗集料包括碎石、破碎礫石、鋼渣、礦渣等。高速公路和一級公路對粗集料磨光值和集料與瀝青的粘附性有所要求，以確保路面不出現(xiàn)磨光和剝落。若粘附性不符合要求時，可對集料摻入消石灰、水泥或石灰水處理或摻加耐水耐熱和長期性能好的抗剝落劑。

3.細集料

瀝青路面的細集料包括天然砂、機制砂和石屑。它應潔凈干燥、無雜質(zhì)并有適當顆粒級配，并且與瀝青具有良好的粘結(jié)力。對于高等級公路的面層或抗滑表層，石屑的用量不宜超過砂的用量，采用花崗巖、石英巖等酸性石料軋制的砂或石屑，因與瀝青的粘結(jié)性較差，不宜用于高等級公路。

4.礦粉瀝青混合料的礦粉必須采用石灰?guī)r或巖漿巖中強堿性巖石等憎水性石料經(jīng)磨細得到的礦粉，原石料中的泥土雜質(zhì)應除凈。

第七章瀝青及瀝青混合料

第七章瀝青及瀝青混合料

四、影響瀝青混合料抗剪強度的因素

1.礦料的形狀和級配

2.瀝青的性質(zhì)和用量

3.礦料表面性質(zhì)的影響

4.礦料比面的影響

5.溫度和剪切速率的影響

第七章瀝青及瀝青混合料

五、瀝青混合料的技術(shù)性質(zhì)

（一）高溫穩(wěn)定性

1.馬歇爾穩(wěn)定度

2.車轍試驗

（二）低溫抗裂性（三）耐久性（四）水穩(wěn)定性（五）抗滑性（六）施工和易性

第七章瀝青及瀝青混合料六、瀝青混合料配合比設計

瀝青混合料的配合比設計就是確定混合料各組成部分的最佳比例，其主要內(nèi)容是礦質(zhì)混合料級配設計和最佳瀝青用量確定。包括目標配合比（實驗室配合比）設計、生產(chǎn)配合比設計和試拌試鋪配合比調(diào)整三個階段。本節(jié)著重介紹國內(nèi)常用的馬歇爾設計法用于分析熱拌瀝青混合料的具體過程。

第七章瀝青及瀝青混合料

（一）實驗室配合比（目標配合比）設計

1.礦質(zhì)混合料級配設計

2.確定混合料的最佳瀝青用量

3.馬歇爾試驗結(jié)果分析

4.水穩(wěn)定性檢驗

5.抗車轍能力檢驗

6.低溫抗裂性能檢驗

7.鋼渣活性檢驗

第七章瀝青及瀝青混合料

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