土木工程材料课件：第八章 沥青与沥青混合料－n.ppt

1、第 九 章沥青及沥青混合料三问？v沥青及沥青混合料的基本概念；（What?）v沥青及沥青混合料具备哪些基本特质；（Which?）v如何根据土木工程应用选择沥青和配制沥青混合料。（How?）学 习 要 求v一般了解沥青材料及其制品在建筑中的应用；沥青按产源的分类；建筑工程中常用沥青的品种。v掌握石油沥青中油分、树脂、地沥青质等组分的特性，以及由它们构成的胶体结构的特性。掌握当胶体结构中的油分、树脂、地沥青质相对含量发生变化时对沥青性质的影响。v重点掌握石油沥青的技术性质。其中包括：粘性、塑性、温度繁感性及大气稳定性的概念、表示方法及实用意义。要求能分析这四项性质之间的关系。v熟悉石油沥青的技术指

2、标。掌握石油沥青按主要用途的分类；石油沥青牌号划分的依据及表示。 5、了解石油沥青的选用原则。了解建筑石油沥青、道路石油沥青、普通石油沥青的适用。掌握常用两种或两种以上不同牌号的石油沥青的适用。掌握用两种以上不同牌号的石油沥青进行参配的方法。 6、掌握沥青混合料的组成、结构与性能。 7、掌握沥青混合料的配合比设计。概 述v沥青：有机胶凝材料，是高分子碳氢化合物和非金属衍生物的混合物。v沥青的特点热塑性材料，加热就软化；憎水性材料，耐水、不溶于水；良好的粘结性和粘弹性；较强的耐腐蚀性。v种类地沥青：天然沥青，石油沥青焦油沥青：煤沥青，页岩沥青第 一 节石油沥青与煤沥青一、石油沥青 v定义定义：石

3、油原油经蒸馏等提炼各种轻油（如汽油、柴油等）及润滑油后的残留物，或经过加工而得的产品。是一种有机胶凝材料。常温下有固体、半固体或粘性液体三种形态。v种类种类：建筑石油沥青道路石油沥青普通石油沥青Refinery OperationFIELD STORAGEPUMPINGSTATIONLIGHT DISTILLATEHEAVY DISTILLATEPROCESSUNITASPHALTCEMENTSFOR PROCESSING INTOEMULSIFIED ANDCUTBACK ASPHALTSSTILLAIRAIRBLOWNASPHALTSTORAGETOWERDISTILLATIONREFIN

4、ERYRESIDUUMORGASPETROLEUMSAND AND WATERCONDENSERS ANDCOOLERSTUBEHEATERMEDIUM DISTILLATE砂与水石油石油气泵站过滤储存储存蒸馏塔冷凝器加热管轻油中轻油重油沥青空气氧化沥青加工成乳化沥青石油蒸馏过程（一）石油沥青的组分与结构v化学组成：83% 碳；10% 氢； 7% 氧, 氮 和硫； 微量的钒、镍、铝和硅。（一）石油沥青的组分与结构 v组分 l油分（芳香油和饱和油）油分（芳香油和饱和油） 油状液体，密度最小，加热可以挥发，能溶于有机溶剂，它们赋予沥青以流动性。分子量为100 500 。l树脂（沥青脂胶）树脂（沥青

5、脂胶） 粘稠状液体（半固体），密度大于油分，属于中性树脂，能溶于有机溶剂（苯、汽油）。它们赋予沥青以良好的粘结性、塑性和可流动性，分子量为5001000 。l地沥青质（沥青质）地沥青质（沥青质） 固态无定性物质，密度大于1，决定沥青的温度敏感性和粘性，其含量越高，沥青软化点越高，粘性越大，越硬脆。分子量大于10006000。 2、石油沥青的胶体结构 v组分的相溶特性组分的相溶特性 油分与树脂相溶；树脂能浸润地沥青质；地沥青质对油分有憎液性。 v胶体结构胶体结构 以地沥青质为核心构成胶核；胶核周围形成树脂薄膜，薄膜外吸附一层油分构成胶团；无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。 v分散体结构分散体结

6、构 分散相是吸附部分树脂的地沥青质；分散介质是溶有部分树脂的油分。沥青的胶体结构v溶胶结构油分较多，胶团较少，温度稳定性差；胶团相对运动自由，流动性和塑性较好。v溶凝胶结构介于溶胶结构与凝胶结构之间。v凝胶结构油分与树脂较少，地沥青质较多，温度稳定性好；胶团相互连接成不规则空间网状的凝胶结构，弹性和粘性较高，流动性和塑性较低。溶胶结构凝胶结构沥青的胶体结构v粘性（粘滞性）v塑性（延性）v温度敏感性v大气稳定性v其他性能（二）石油沥青的技术性质 石油沥青的技术性质 v粘性（粘滞性）概念： 粘性反映石油沥青材料抵抗外力或自重作用下变形的能力。评价指标：相对粘度和针入度。相对粘度越大或针入度越小，粘

7、性越大。测定方法：标准粘度计和针入度仪法。影响因素：u组成： 地沥青质含量较高，油分含量较小但有时量树脂，则粘性大；u温度： 在一定温度范围内，粘性随温度升高而降低，反之则随之增大。 沥青的针入度试验规定的荷载、时间和温度下进行P针入度开始时5秒后针入度仪针入度等级v道路石油沥青200300150200110150801005080v建筑石油沥青25401025v塑 性 概念概念 塑性指石油沥青在外力作用时产生变形而不破坏，除去外力后，则仍保持变形后的形状的性质。也反映了沥青的自愈合性能。评价指标评价指标 延度（伸长度），延度越大，塑性越好。测定方法测定方法 把沥青试样制成8字型标准试模（中间

8、最小截面积1cm2），在规定拉伸速度（5cm/min）和规定温度（25C）下拉断时的长度，即为延度，用cm为单位表示。影响因素影响因素 u树脂含量较多，其他组分含量适当时，则塑性较大；u温度升高，塑性增大；沥青膜层厚度越厚，则塑性愈大。 石油沥青的技术性质 延度沥青延度试验Ductility延度试验沥青样品模具厘米刻度延度仪在25C下，以5cm/min的速度测量v温度敏感性 概念概念 敏感性是指石油沥青的粘性和塑性随温度升降而改变的程度。评价指标评价指标 软化点，它是沥青材料由固态转变为粘流态时的温度。测定方法测定方法 环球法影响因素影响因素 v地沥青质含量高，软化点高，温度敏感性减小；v沥青

9、中蜡含量高，增大其温度敏感性；v加入矿物粉末填料（滑石粉、石灰石粉等）可减小其温度敏感性。 石油沥青的技术性质 沥青软化点测量开始时终止时钢球温度计钢球样品软化点测量试验装置温度敏感性v沥青的温度敏感性也可用沥青的针入度随温度的变化来评价。Temperature25C (77F)Penetration, 0.1 mmHighMediumLowv大气稳定性 概念概念 指石油沥青在热、光、氧和潮湿等因素长期作用下，抵抗老化使性能稳定的程度。老化现象老化现象 上述因素作用下的变化 沥青各组分发生递变，油分和树脂含量逐渐减小，而地沥青质含量逐渐增多，流动性和塑性降低，硬脆性增大的过程。评价指标评价指标

10、 蒸发后的质量损失或蒸发后的针入度比，蒸发损失愈小或蒸发后针入度比愈大，则大气稳定性愈好，“老化”愈慢。测定方法测定方法 测量在160C下蒸发5小时后，沥青的针入度与蒸发前针入度比值的百分数，即为蒸发后针入度比。影响因素影响因素 石油沥青中油分含量高，则大气稳定性差 石油沥青的技术性质 大气稳定性评价评价针入度比老化后沥青的针入度老化前沥青的针入度蒸发试验Thin Film OvenOutside of OvenRotating ShelfPanThermometer烘箱外观v其他性能溶解度 石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳或笨中溶解的百分率，以表示沥青中有效物质含量，即纯净程度。不溶解的物质会降

11、低沥青的性能，应加以限制。闪点 加热沥青至初次闪火（有蓝色闪光）时的沥青温度。燃点或着火点 加热沥青，并与火接触能持续燃烧5秒以上时的温度。石油沥青的技术性质 Solubility (Purity)溶解度试验（纯度）闪点 试 验（安全性）Flash Point (Safety)ThermometerCup filled with asphaltWand attached to gas line温度计装满沥青的杯子点火的燃气嘴（三）石油沥青的标准、选用与掺配 1、石油沥青的技术标准v道路石油沥青（有七个牌号)牌号越大，粘性越小（针入度越大）；牌号越大，塑性越好（延度越大）；牌号越大，温度敏感性越

12、大（软化点越低）。v建筑石油沥青（有两个牌号）牌号越小，粘性越大（针入度越小）；牌号越大，塑性越差（延度越小）；牌号越大，温度敏感性越小（软化点越高）。v普通石油沥青（有三个牌号）由于含蜡较多，温度敏感性大，粘性较小，塑性较差。 2、石油沥青的选用 选用原则：根据工程性质与要求、适用部位、环境条件等因素选用，在满足适用条件的前提下，应选用牌号较大的石油沥青，以保证使用寿命。 v道路沥青道路沥青拌制沥青混凝土、沥青拌和料或沥青砂浆；密封材料、粘结剂以及沥青涂料。 v建筑石油沥青建筑石油沥青制造油纸，油毡、防水涂料和沥青胶，绝大部分用于屋面、地下防水、沟槽防水防腐蚀及管道防腐等工程。 v普通石油沥

13、青普通石油沥青在建筑上不宜直接使用，可以采用吹气氧化法改善其性能。 3、沥青的掺配 如某一牌号的沥青不能满足工程技术的要求，可以用不同牌号的沥青掺配，实验证明同产源的沥青掺配后可得均匀的沥青，两种沥青得掺配比例可以按下式估算： P1= P2 = 100P1 式中：P1、P2分别为两种沥青的用量（）； T1、T2分别为两种沥青的软化点。(T2T)(T2T1)100%二、煤沥青 v将煤焦油进行蒸馏，蒸去水分和所有的轻油及部分中油、重油和蒽油后所得残渣就是煤沥青。v化学成分: 未饱和芳香烃及非金属衍生物的复杂混合物。v与石油沥青相比，有如下特点： 温度敏感性大，夏天易流淌，冬天易硬脆；大气稳定性较差

14、，可挥发分较多；塑性较差，容易因变形而开裂；防腐能力较好，可用作木材防腐处理；含表面活性物质较多，与矿物表面粘附性较好。密度较大，1.101.26kg/m3。 煤沥青与石油沥青的鉴别方法煤沥青1.1音清脆，韧性差烟呈黄色，有刺激味汽油或煤油溶解后，溶液滴于滤纸上呈内黑外棕或黄色石油沥青1.0音哑，弹韧性好烟无色，无刺激味斑点完全均匀散开，呈棕色。方法密度锤击燃烧溶液颜色三、沥青改性及改性材料土木工程中使用的沥青要求：在低温下应有弹性和塑性；在高温下要有足够的强度和稳定性；在加工和使用中具有抗老化能力；与矿物和结构表面有较强的粘附力；以及对构件变形的适应性和耐疲劳性。沥青材料本身难以满足这些性能

15、要求，需用其他材料改性。（一）用于沥青改性的材料v脂肪胺 改善沥青的湿润性，增加在湿基面上的粘结力。v烃 有机溶剂，改变沥青的粘度。v弹性体再生橡胶粉丁二烯苯乙烯丁二烯嵌段共聚物（SBS树脂）丁二烯苯乙烯橡胶乳液（SBR）天然橡胶乳液v塑性体乙烯醋酸乙烯脂（EVA）苯乙烯脂v矿物粉末 滑石粉、石灰石粉、膨润土、水泥等。（二）性能改善v抗疲劳裂缝 Fatigue cracking resistancev抗热裂缝 Thermal cracking resistancev抗变形能力 Deformation resistancev热敏感性 Temperature susceptibilityv粘结性

16、Impact resistance adhesion - explainv高温粘度 Viscosity at high temperaturev延度 Ductilityv脆性断裂 Brittle fracturev耐久性（抗老化）Durability改性沥青的软化点随老化温度的变化软化点v橡胶改性沥青 橡胶有：氯丁橡胶、丁氰橡胶、再生橡胶等。改性机理：橡胶分子加入到沥青中，改变了沥青中分散介质的组成，促进沥青分子相互排斥，并改变了分散相的结构，形成弹性结构网。改性效果：气密性、低温柔性、耐化学腐蚀性、耐光、耐臭氧、耐气候和耐燃烧性等得到大大改善和提高。掺入方法：溶剂法和乳液法 v树脂改性沥青

17、树脂有： 古马隆树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、酚醛树脂和天然松香等。改性机理：与橡胶相同。改性效果： 气密性、低温柔性、耐化学腐蚀性、耐光、耐臭氧、耐气候和耐燃烧性得到大大改善。 掺入方法：溶剂法或乳液法。 v矿物填充料改性沥青 矿物填充料的品种： 滑石粉、石灰石粉、硅藻土、云母粉、石棉绒、粉煤灰、水泥等。作用机理： 由于沥青对矿物填充料的润湿和吸附作用，沥青分子可能成单分子装排列在矿物颗粒（或纤维）表面，形成结合力牢固的沥青薄膜，因而又称为“结构沥青”。改性作用： 提高了粘性和耐热性等。 三、乳化沥青 v概念概念 将沥青微粒在加热搅拌的条件下，分散在有乳化剂的水中而成的乳胶体。v种类种类 根

18、据所用乳化剂不同有：阴离子型阳离子型胶体乳液。v制作方法制作方法 加热后直接乳化用溶剂溶解后乳化v用途用途 可涂刷或喷涂在表面上作为防潮或防水层；用于拌制冷用沥青砂浆或混凝土。 将沥青微粒在加热搅拌的条件下，分散在有乳化剂的水中而成的乳胶体。负电荷颗粒相互排斥乳化的颗粒不稳定乳液中等稳定乳液稳定乳液用作道路表面修补处理第 五 节沥青混合料概 述 v定义：沥青混合料是将粗、细骨料和填料经人工合理选择级配组成的矿质混合料与适量沥青拌和而成的均匀混合料v沥青混合料：沥青混凝土沥青碎石v用途：道路路面沥青混合料分类v按胶结材分类：石油沥青，混合料v按铺筑和拌和温度分类：热拌、常温v按矿料最大粒径：粗粒

19、式：4.7537.5mm中粒式：4.7526.5mm细粒式：4.759.5mm砂粒式：4.75mmv按照密实度分类密实（）型：剩余孔隙率36空隙（）型：剩余孔隙率410开级配型：剩余孔隙率15半开级配型：剩余孔隙率 1015v按级配类型分类：连续、间断一、沥青混合料v沥青混合料的组成结构和强度理论v沥青混合料的组成材料及其技术要求v沥青混合料的技术要求v沥青混合料组成设计方法（一）沥青混合料的组成结构和强度理论v沥青混合料的组成及其作用l沥青与矿质材料（砂、石）构成具有空间网络结构的分散体系；l沥青为分散介质;l赋予混合料以流动性；l在常温下为固体，起到胶结作用；l矿料在混合料中为分散相，l起

20、骨架和填充作用;l改善混合料的体积安定性;l减少沥青胶结材料用量v沥青混合料的结构悬浮密实结构l结构特征：由连续级配矿质料配制的密实沥青混合料，结构上，大颗粒骨料悬浮在小颗粒骨料之中。l性能特点：密实度和强度较高，稳定性较差。骨架空隙结构l结构特征：较细骨料少，较粗骨料彼此相互接触连接。l性能特点：稳定性较好，粘聚力较差。骨架密实结构l结构特征：粗骨料相互接触，其堆积空隙完全被较细颗粒填充密实。l性能特点：较高的粘聚力和稳定性，较高的内摩擦角沥青混合料的强度理论v沥青混合料的高温强度和稳定性工程应用要求：在高温时，沥青混合料必须具有一定的的抗剪强度与抵抗变形的能力。研究表明：抗剪强度（)主要取

21、决于沥青与矿料的粘结力（c）和矿料骨架作用的内摩阻角（）： = C + tanv沥青的粘度v沥青和矿料的化学性质v矿料的物理性质v沥青用量 抗剪强度的影响因素v沥青粘度的影响沥青粘度越大，沥青内部胶团相互作用力越大，抵抗剪切作用下的变形能力越大。沥青粘度越大，沥青混合料的粘结力越大。沥青混合料的粘聚力越大，其抗剪强度越高。v沥青和矿料的化学性质的影响沥青和矿料在界面上存在化学作用和吸附作用。界面相互作用使得：l结构沥青：矿料颗粒表面厚度为0 的层，粘度由外向里递增，抗剪强度由外向里递增。l自由沥青：矿料颗粒表面0 厚度外，粘结力较小。结构沥青的厚度取决于沥青和矿料的化学性质。v物理性质对抗剪强

22、度的影响矿料的比表面积越大，颗粒表面的沥青膜越薄，结构沥青的比例越大，沥青混合料的粘结力越高。级配的影响l连续型级配，粘结力较高，内摩阻力较小；l粗骨料多，细骨料少的级配，粘结力较低，内摩阻力较大；l间断级配，内摩阻力和粘结力均较高，沥青混合料抗剪强度较大。多面体形状，表面粗糙的骨料比圆形光滑的骨料更有利于抗剪强度的提高。v沥青用量对抗剪强度的影响沥青用量较少时，粘结力随着沥青用量的增加而提高；沥青用量足以饱满地包裹骨料表面，形成薄膜丙粘结骨料时最优沥青用量，抗剪强度最高；沥青用量大于最优沥青用量时，粘结力随着自由沥青用量的增加而降低。vSummary沥青与矿料化学性质 矿料对沥青组分分子的吸

23、附作用越强，沥青混合料的抗剪强度越高。沥青的粘滞性 沥青的粘滞性越大，则沥青与矿料的粘结力就越大，沥青混合料的抗剪强度越高。矿料的物理性质 矿料的表面积越大，沥青与矿料的粘结力越高，抗剪强度提高；粗细骨料的间断级配，可提高抗剪强度提高；矿料表面粗糙越大，内摩阻力越大，其抗剪强度提高。沥青用量 沥青混合料都有一个最佳沥青用量。 （二）、沥青混合料的组成材料与技术要求 v矿 料粗骨料： 碎石、破碎砾石、筛选砾石、矿渣等。基本要求：洁净、干燥、无风化、不含杂质、坚硬、耐磨、韧性好、级配与粒径符合标准要求。细骨料： 天然砂、人工砂和石屑等填料： 以采用石灰岩或岩浆岩磨细的粉末。v沥青应根据气候条件、交

24、通性质、沥青混合料的类型和施工条件选择沥青，并应符合有关标准的规定。 （三）沥青混合料的技术要求 v高温稳定性 定义：在夏季高温下，经受长期交通荷载作用，不产生车辙和波浪等破坏现象的性质。评价指标 马歇尔稳定度和流值。该值越大，稳定性越好。v耐久性耐水性取决于沥青材料与矿料表面的粘结力。评价耐水性的指标是残留稳定度（浸水48小时与未浸水的马歇尔稳定度比值）。v其它性能施工和易性低温抗裂性抗滑性马歇尔稳定度和流值试验v试件：101.6mm63.5mm；v处理：试件在60C的水中浸泡3040min；v测试：侧立在压力试验机中受压；v测量试件破坏的极限荷载（N）马歇尔稳定度v测量极限荷载与其对应的压

25、缩变形值(1/10)mm流值。马歇尔稳定度和流值试验马歇尔稳定度和流值试验影响沥青混合料耐久性的主要因素v孔隙率一定量的空隙率是必要的；空隙率太大对力学性能和耐久性不利。v耐水性耐水性：沥青混合料饱水后，矿料与沥青粘结力降低，剥落，体积膨胀。评定指标：残留稳定度耐水性差，耐久性也差v填隙率沥青用量过少，塑性降低，空隙率增大，耐水性下降；沥青用量过多，降低高温稳定性和抗滑能力。（四）、沥青混合料的组成设计方法v沥青混合料配合比设计试验室配合比设计生产配合比设计试拌试铺配合比设计v要求足够的沥青用量保证耐久性在交通荷载下足够的稳定性足够的空隙l上限：避免环境破坏l下限能容纳由于交通荷载引起的初始密

26、实足够的和易性沥青混合料的组成设计方法 1、矿质混合料组成设计设计目标是选配一个具有足够密实度，并且有较高内摩阻力的矿质混合料。设计步骤：v确定沥青混合料的类型；道路等级、路面类型、结构层次、路面结构等（查表812）。v查表88，确定矿质混合料的级配范围；v矿质混合料配合比计算组成材料原始数据测定；图解法或电算法计算配合比；调整配合比。 沥青混合料的组成设计方法2、确定沥青混合料的最佳沥青用量v制备试样按确定的矿质混合料配合比，计算各种矿质材料的用量；根据表88推荐的沥青用量，选5个不同的沥青用量进行试配；v测定物理指标视密度理论密实空隙率沥青体积百分数矿料间隙率沥青饱和度沥青混合料的组成设计

27、方法确定沥青混合料的最佳沥青用量v测定力学指标马歇尔稳定度流值v马歇尔试验结果分析绘制沥青用量与物理力学指标关系图根据稳定度、密度和空隙率确定最佳沥青用量初始值1根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定最佳沥青用量初始值2根据两个初始值，确定沥青最佳用量根据气候条件和交通特征，调整最佳沥青用量v水稳定性试验残留稳定度试验v抗车撤能力试验混合料性能与沥青用量的关系空隙率空隙率, %沥青用量, %稳定性稳定性单位质量单位质量.最佳沥青用量等于三者的平均值最佳沥青用量等于三者的平均值4%沥青用量, %沥青用量, %沥青用量, %孔隙率与沥青用量的关系最佳沥青用量最佳沥青用量 =空隙率为空隙率为4时的沥

28、青用量时的沥青用量4%空隙率空隙率, %沥青用量, %沥青混合料稳定度与沥青用量的关系检验稳定度检验稳定度OK稳定性稳定性沥青用量, %马歇尔设计的临界值指标FlowAsphalt Content, %VMA, %Asphalt Content, %用最优沥青用量检测这些临界值是否满足用最优沥青用量检测这些临界值是否满足Lower LimitUpper limitMinimumOKOK创新思维题？v为什么现在沥青混合料用的沥青均采用高分子材料改性沥青？v观察沥青路面的沥青混合料情况，说明为什么沥青路面是多孔性的，而混凝土路面是较密实的？v沥青路面的水损害 讨论并予以点拨以相同沥青混合料铺筑的道路，为什么多雨、地下水较多的地段往往损坏更快、更严重。v沥青路面开裂的观察与思考，沥青路面裂缝分析。