沥青与沥青混合料

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 沥青与沥青混合料,天然（地）沥青,地沥青,石油（地）沥青,沥青 煤沥青,木沥青,焦油沥青 ,页岩沥青,第一节 石油沥青,一、石油沥青的生产工艺概述,(一)石油的基属分类,石油是炼制石油沥青的原料，石油沥青的性质首先与石油的基属有关。,我国目前的原油分类是按照“关键馏分特性”和“含硫量”进行分类的,1关键馏分特性分类,石油在半精馏装置中，于常压下蒸得250275的馏分称为“第一关键馏分”；于 5.33kPa的压力下减压蒸馏，取得275300的馏分称为“第二关键馏分”。两个关键馏分的相对密度，决定两个关键馏分的基属，如石蜡基、中间基或环烷基。,2含硫量的分类,含硫量,0.5,者为低硫原油；含硫量高于,0.5,者为含硫原油。,（二）石油沥青生产工艺,从石油炼制各种石油沥青的生产工艺可按图4-1流程简要说明。,二、石油沥青的组成和结构,(一)元素组成,石油沥青是由多种碳氢化合物及其非金属(氧、硫、氮)的衍生物组成的混合物。所以它的组成主要是碳(8087)、氢(1015)，其次是非烃元素，如氧、硫、氮等(18%,空隙率18%,空隙率612%,1定义,沥青混合料：由矿料与沥青结合料拌和而成的混合料的总称。按材料组成及结构分为连续级配、间断级配混合料。按矿料级配组成及空隙率大小分为密级配（空隙率36%）、半开级配（空隙率612%）、开级配混合料（空隙率18%）。,2沥青混合料的分类,1)按结合料分类,(1)石油沥青混合料,(2)煤沥青混合料,2)按施工温度分类,(1)热拌热铺沥青混合料,(2)常温沥青混合料,3)按矿质集料级配类型分类,(1)连续级配沥青混合料 沥青混合料中的矿料是按级配原则，从大到小各级粒径都有,按比例相互搭配组成的混合料，称为连续级配混合料。,(2)间断级配沥青混合料 连续级配沥青混合料矿料中缺少一个或若干个档次粒径的沥青混合料称为间断级配沥青混合料。,4)按混合料密实度分类,(1)密级配沥青混合料 密级配沥青混合料：按密实级配原理设计组成的各种粒径颗粒的矿料与沥青结合料拌和而成，,设计空隙率36%。,(2)开级配沥青混合料 矿料级配主要由粗集料嵌挤组成，细集料及填料较少，,设计空隙率大于18%。,（3）半开级配沥青碎石混合料 由适当比例的粗集料、细集料及少量填料（或不加填料）与沥青结合料拌和而成，,设计空隙率612%,.,5)按最大粒径分类,（1）特粗式：公称最大粒径等于或大于31.5mm。,（2）粗粒式：公称最大粒径26.5,mm,。,（3）中粒式：公称最大粒径为16,mm,或19,mm,。,（4）细粒式：公称最大粒径为9.5,mm或13.2mm,。,（5）砂粒式：公称最大粒径小于,9.5mm,。,一、沥青混合料的组成结构和强度形成原理,(一)沥青混合料的组成结构,1沥青混合料组成结构的现代理论,(1),表面理论 沥青混合料是由粗集料、细集料和填料经人工组配成密实的级配矿质骨架，此矿质骨架由稠度较稀的沥青混合料分布其表面，而将它们胶结成为一个具有强度的整体。,(2),胶浆理论,认为沥青混合料是一种多级空间网状结构的分散系。它是以粗集料为分散相而分散在沥青砂浆的介质中的一种粗分散系；同样，砂浆是以细集料为分散相而分散在沥青胶浆介质中的一种细分散系；而胶浆又是以填料为分散相而分散在高稠度的沥青介质中的一种微分散系。,2沥青混合料的组成结构类型,(1)悬浮-密实结构 当采用连续型密级配矿质混合料.这种结构的沥青混合料，虽然具有较高的粘聚力c；但摩阻角较低，因此高温稳定性较差。,(2)骨架-空隙结构 当采用连续型开级配矿质混合料时，虽然具有较高的内摩阻角，但粘聚力c较低。,(3),密实,-,骨架结构,当采用间断型密级配矿质混合料时，不仅具有较高的粘聚力c，而且具有较高的内摩阻角。,三种典型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,（二）沥青混合料的强度形成原理,1沥青混合料抗剪强度的材料参数,路面高温时由于抗剪强度不足或塑性变形过剩而产生推挤等现象。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。,为了防止沥青路面产生高温剪切破坏，我国城市道路沥青路面设计方法。,R,沥青混合料的抗剪强度：,=c+tg,式中：沥青混合料的抗剪强度(MPa)；,正应力(MPa)；,c沥青混合料的粘结力(MPa)；,沥青混合料的内摩擦角(rad)。,2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,(1)沥青粘度的影响 在其他因素固定的条件下，沥青混合料的粘聚力c是随着沥青粘度的提高而增加的。,(2)沥青与矿料化学性质的影响 沥青与矿粉交互作用后，沥青在矿粉表面产生化学组分的重新排列，在矿粉表面形成一层厚度为乱的扩散溶剂化膜。在此膜厚度以内的沥青称为“结构沥青”，在此膜厚度以外的沥青称为“自由沥青”。,沥青与矿料相互作用不仅与沥青的化学性质有关，而且与矿粉的性质有关。在不同性质矿粉表面形成不同组成结构和厚度的吸附溶化膜，在石灰石粉表面形成较为发育的吸附溶化膜；而在石英石粉表面则形成发育较差的吸附溶化膜。所以在沥青混合料中，当采用石灰石矿粉时，矿粉之间更有可能通过结构沥青来联结，因而具有较高的粘聚力。,(3)矿料比面的影响 “比表面积”(简称“比面”)。在沥青混合料中矿粉用量虽只占7左右，而其表面积却占矿质混合料的总表面积的80以上，所以矿粉的性质和用量对沥青混合料的抗剪强度影响很大。希望0.075mm粒径的含量不要过少；但是0.3mm部分）,；,含泥量（小于0.075mm的含量）,；,砂当量,；,亚甲蓝值,；,棱角性（流动时间）,。,（四）填料,在沥青混合料中起填充作用的粒径,小于0.075mm,的矿质粉末称为填料。填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石(憎水性石料)经磨细得到的矿粉，原石料中的泥土杂质应除净。矿粉要求于燥、洁净，其质量应符合规范要求。,粉煤灰作为填料使用时，烧失量应小于12，塑性指数应小于4。粉煤灰的用量不宜超过填料总量的50。高速公路、一级公路的沥青面层不宜采用粉煤灰做填料。,拌和机采用干法除尘，石粉尘可作为矿粉的一部分回收使用，湿法除尘，石粉尘回收使用时应经干燥粉尘处理，且不得含有杂质。回收粉尘的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,。,四、沥青混合料的矿料级配,密级配沥青混合料宜根据公路等级、气候及交通条件选择采用粗型（,C,型）或细型（,F,型）混合料，并在范围内确定工程设计级配范围，通常情况下工程设计级配范围不宜超出表的要求。其中关键性筛孔对于AC-20，AC-25为4.75mm,其余为2.36mm。,五、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（目标配合比）设计、生产配合比设计和试拌试铺配合比调整（生产配合比调整）等三个阶段。,（一）试验室配合比设计阶段,1.矿质混合料的配合组成设计,通常是采用规范推荐的矿质混合料级配范围来确定。按现行规范(JTG F40-2004)的规定，按下列步骤进行：,1）确定工程设计级配范围,沥青混合料的矿料级配应符合工程设计规定的级配范围。密级配沥青混合料宜根据公路等级、气候及交通条件选择采用粗型（C型）或细型（F型）混合料，确定工程设计级配范围。,2)矿质混合料配合比例计算,(1)组成材料的原始数据测定。,(2)计算组成材料的配合比 矿料配合比设计宜借助电子计算机的电子表格用试配法进行。,(3)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，切在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。,（4）根据当地的实践经验选择适宜的沥青用量，分别制作几组级配的马歇尔试件，测定矿料间隙率（VMA），初选一组满意或接近设计要求的级配作为设计级配。,2马歇尔试验,沥青混合料的最佳沥青用量(,Optimum asphalt content简称OAC),。采用实验的方法确定沥青最佳用量，目前最常用的是马歇尔法。,配合比设计马歇尔试验技术标准按规定执行。,1）计算矿料混合料的合成毛体积相对密度,sb,2,）按式计算矿料混合料的合成表观相对密度,sa,3）预估沥青混合料的适宜的油石比P,a,或沥青用量P,b,4）确定矿料的有效相对密度,对非改性沥青混合料，宜以预估的最佳油石比拌和2组的混合料，采用真空法实测最大相对密度，取平均值。然后由式(4-19)反算合成矿料的有效相对密度,se,5）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%），取5个或5个以上不同的油石比分别成型马歇尔试件。,标准试件：直径101.6mm,高63.51.3mm,6）测定压实沥青混合料试件的毛体积相对密度,f,和吸水率，取平均值。,（1）通常采用表干法测定毛体积相对密度；,（,2,）对吸水率大于,2%,的试件，宜改用蜡封法测定的毛体积相对密度。,7）确定沥青混合料的最大理论相对密度,对非改性的普通沥青混合料，在成型马歇尔试件的同时，按4）的要求用真空法实测各组沥青混合料的最大理论相对密度,ti,。当只对其中一组油石比测定最大理论相对密度时，也可按式,（4-20）,或,（4-21）,计算其他不同油石比的最大理论相对密度,ti,。,8,）计算沥青混合料试件的空隙率、矿料间隙率,VMA,、有效沥青的饱和度,VFA,等体积指标，进行体积组成分析。,9,）进行马歇尔试验，测定马歇尔稳定度及流值。,（1）马歇尔稳定度 试件，在60的条件下，保温3040min，然后将试件放置于马歇尔稳定度仪上，以505mm/min的形变速度加荷，直至试件破坏时的最大荷载(以kN计)称为马歇尔稳定度（简称,MS,)。,(2)流值 在测定稳定度的同时，测定试件的流动变形，当达到最大荷载的瞬间，试件所产生的垂直流动变形值(以mm计)称为流值(简称FL)。,在有X-Y记录仪的马歇尔稳定度仪上，可自动绘出荷载(P)与变形(F)的关系曲线1。,3确定最佳沥青用量（或油石比）,1) 绘制油石比（或沥青用量）与物理-力学指标关系图 。确定均符合规范规定的沥青混合料技术标准的沥青用量范围OAC,min,OAC,max,。,2) 根据试验曲线的走势，按下列方法确定沥青混合料的最佳沥青用量OAC,l,。,从图中取相应于密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率（或中值）、沥青饱和度范围的中值的沥青用量a,1,、a,2,、a,3,、a,4,。求取四者的平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC,1,。即,OAC,1,=(a,1,+a,2,+a,3,+ a,4,)/4,如果在所选择的沥青用量范围未能涵盖沥青饱和度的要求范围，取三者的平均值作为OAC,1,。,OAC,1,=(a,1,+a,2,+a,3,)/3,对所选择试验的沥青用量范围，密度或稳定度没有出现峰值（最大值经常在曲线的两端）时，可直接以目标空隙率所对应的沥青用量a,3,作为OAC,1,，但OAC,1,必须介于OAC,min,OAC,max,的范围内，否则应重新进行配合比设计。,3）以各项指标均符合技术标准（不含VMA）的沥青用量范围OAC,min,OAC,max,的中值作为OAC,2,。,OAC,2,=（OAC,min,+OAC,max,）/2,4）取OAC,1,及OAC,2,的中值作为计算的最佳沥青用量OAC。,OAC=（OAC,1,+OAC,2,）/2,5）按式计算的最佳沥青用量OAC，从图中得出所对应的空隙率和VMA值，检验是否能满足表关于最小VMA值的要求。OAC宜位于VMA凹形曲线最小值的贫油一侧。当空隙率不是整数时，最小VMA按内插法确定，并将其画入图中。,6）检查图中相应于此OAC的各项指标是否均符合马歇尔试验技术标准。,7）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。,（1）调查当地各项条件相接近的工程的沥青用量及使用效果，论证适宜的最佳沥青用量。检查计算得到的最佳沥青用量是否接近，如相差甚远，应查明原因，必要时重新调整级配，进行配合比设计。,（2）对炎热地区公路以及高速公路、一级公路的重载交通路段，山区公路的长大坡度路段，预计有可能产生较大车辙时，宜在空隙率符合要求的范围内将计算的最佳沥青用量减小0.1%0.5%作为设计沥青用量。,（3）对寒区公路、旅游公路、交通量很少的公路，最佳沥青用量可以在OAC的基础上增加0.1%0.3%，以适当减小设计空隙率，但不得降低压实度的要求。,8,）按式计算沥青结合料被集料吸收的比例及有效沥青含量。,9）检验最佳沥青用量时的粉胶比和有效沥青膜厚度。,按式计算沥青混合料的粉胶比，宜符合,0.61.6,的要求。对常用的公称最大粒径为,13.219mm,的密级配沥青混合料，粉胶比宜控制在,0.81.2,范围内。,（2）计算集料的比表面，估算沥青混合料的沥青膜有效厚度。,SA=,（,P,i,FA,i,）,。,4配合比设计检验,1）对用于高速公路和一级公路的密级配沥青混合料，需在配合比设计的基础上按规范要求进行各种使用性能的检验，不符合要求的沥青混合料，必须更换材料或重新进行配合比设计，其他等级公路的沥青混合料可参照执行。,2）配合比检验按计算确定的设计最佳沥青用量在标准条件下进行。,3）高温稳定性检验。对公称最大粒径等于或小于19mm的混合料，按规定方法进行车辙试验，动稳定度应符合要求。对于公称最大粒径大于19mm的混合料，如需检验可加厚试件厚度。,4）水稳定性检验。按规定的试验方法进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，残留稳定度及残留强度比均必须符合规定。,5）低温抗裂性检验。对公称最大粒径等于或小于19mm的混合料，按规定方法进行低温弯曲试验，其破坏应变宜要求。,6）渗水系数检验。利用轮碾机成型的车辙试件进行渗水试验检验的渗水系数宜符合要求。,（二）生产配合比设计阶段,以上决定的矿料级配及最佳沥青用量为目标配合比设计阶段，对间歇式拌和机，必须从二次筛分后进入各热料仓的材料取样进行筛分，以确定各热料仓的材料比例，供拌和机控制室使用。同时反复调整冷料仓进料比例以达到供料均衡，并取目标配合比设计的最佳沥青用量，最佳沥青用量0.3等三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的最佳沥青用量。由此确定的最佳沥青用量与目标配合比设计的结果的差值不宜大于0.2%。,（三）生产配合比验证阶段,拌和机采用生产配合比进行试拌，铺筑试验段，并用拌和的沥青混合料及路上钻取的芯样进行马歇尔试验检验，由此确定生产用的标准配合比。标准配合比应作为生产上控制的依据和质量检验的标准。标准配合比的矿料级配至少应包括0.075mm、2.36mm、4.75mm及公称最大粒径筛孔的通过率接近优选的工程设计级配范围的中值，并避免在0.30.6mm处出现“驼峰”。对确定的标准配合比，宜再次进行车辙试验和水稳定性检验。,