道路建筑材料教案

一、本課程的地位作用、任務(wù)道路建筑材料是路橋及其相關(guān)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是研究道路與橋梁建筑用各種材料的組成、性能和應(yīng)用的一門課程。它為學(xué)習(xí)后面相繼而來的其它課程如路面工程結(jié)構(gòu)、橋梁工程結(jié)構(gòu)、工程管理、工程概預(yù)算以及施工、監(jiān)理等奠定了重要的基礎(chǔ)。道路建筑材料講述了常用筑路材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、技術(shù)性能、性能測試、合理使用及評定驗(yàn)收、運(yùn)輸儲(chǔ)存等基本知識(shí)、基本理論和基本技能。二、對課程內(nèi)容的基本要求通過對本大綱中課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，應(yīng)到達(dá)下列要求：1、掌握砂石材料的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)要求，掌握級配理論和組成設(shè)計(jì)方法，會(huì)用圖解法和試算法設(shè)計(jì)礦質(zhì)混合料的配合比2、掌握石灰消化和硬化過程以及質(zhì)量評定方法；硅酸鹽水泥熟料各礦物成分特性、凝結(jié)硬化的機(jī)理和技術(shù)性質(zhì)檢驗(yàn)方法；其它水泥的特性和應(yīng)用。3、掌握普通水泥混凝土的主要技術(shù)性質(zhì)及其影響因素，現(xiàn)行配合組成設(shè)計(jì)方法和質(zhì)量評定。同時(shí)對其它混凝土的特性也有一定的了解。4、掌握石油瀝青的化學(xué)組分、膠體結(jié)構(gòu)、技術(shù)性質(zhì)和評價(jià)方法。同時(shí)對其它各類；瀝青的組成和性質(zhì)也有一般的了解。5、掌握瀝青混合料的強(qiáng)度形成原理、技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)要求；并能按現(xiàn)行方法設(shè)計(jì)瀝青混合料的組成；掌握瀝青混合料技術(shù)質(zhì)量的檢驗(yàn)方法。同時(shí)對其它各類瀝青混合料也有一般的了解。6、了解工程高聚物材料的一般結(jié)構(gòu)和性能；幾種常用高聚物的特性；會(huì)應(yīng)用高聚物材料改善水泥混凝土和瀝青混合料性能的基本方法。7、掌握鋼材和木材的主要技術(shù)性能和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并能按設(shè)計(jì)要求選用相應(yīng)規(guī)格的鋼材和木材。三、

對能力培養(yǎng)的要求通過對本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生具備如下的能力：掌握各種常用筑路材料的原料、生產(chǎn)、組成、構(gòu)造、性質(zhì)、應(yīng)用、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、驗(yàn)收和儲(chǔ)存等各個(gè)方面，為后繼課程及將來在設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量檢驗(yàn)等方面打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、

課程內(nèi)容緒論第一章

石料與集料

第一節(jié)

石料

第二節(jié)

集料

第三節(jié)

礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)

第四節(jié)

石料與集料的工程應(yīng)用第二章

瀝青材料

第一節(jié)

石油瀝青

第二節(jié)

石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)

第三節(jié)

改性瀝青

第四節(jié)

乳化瀝青第三章

瀝青混合料

第一節(jié)

瀝青混合料的技術(shù)性質(zhì)

第二節(jié)

普通熱拌瀝青混合料的組成設(shè)計(jì)

第三節(jié)

間斷級配－SMA混合料

第四節(jié)

常溫瀝青混合料第四章

水泥與石灰

第一節(jié)

硅酸鹽水泥

第二節(jié)

摻混合料的硅酸鹽水泥

第三節(jié)

其它水泥

第四節(jié)

石灰第五章

水泥混凝土和砂漿

第一節(jié)

水泥混凝土的技術(shù)性質(zhì)

第二節(jié)

普通水泥混凝土的組成設(shè)計(jì)

第三節(jié)

混凝土外加劑與摻和料

第四節(jié)

路面水泥混凝土的組成設(shè)計(jì)第六章

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類混合料

第一節(jié)

穩(wěn)定混合料的技術(shù)性質(zhì)

第二節(jié)

穩(wěn)定類混合料的組成設(shè)計(jì)

第三節(jié)

土壤固化劑第七章

建筑鋼材六、

課程教材及主要參考書1.教材：同濟(jì)大學(xué)嚴(yán)家及編著.人民交通出版社。2.主要參考書：[1]重慶建工學(xué)院、南京工學(xué)院編著.混凝土學(xué).中國建筑工業(yè)出版社，1981年[2]張登良.瀝青路面.人民交通出版社，1998年12月[3](JTJ030—2）公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范[S][4]李業(yè)蘭建筑材料北京中國建筑材料出版社1991[5]薄尊彥建筑材料北京中國環(huán)境科學(xué)出版社1991[6]沈旦申現(xiàn)代混凝土設(shè)計(jì)上海上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社1987[7]沈金安瀝青材料流變學(xué)石油瀝青1988.1[8]林高安高分子化學(xué)北京科學(xué)出版社1982第一章

石料與集料

學(xué)習(xí)目的與任務(wù)：介紹石料的巖石學(xué)特征、闡述石料與集料的主要技術(shù)性能及主要評價(jià)方法和評價(jià)指標(biāo)；討論集料的級配概念和級配理論，并以此為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)礦料的配合比設(shè)計(jì)方法。通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生了解石料和集料的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，掌握級配理論和組成設(shè)計(jì)方法。計(jì)劃課時(shí)與上課手段：本章計(jì)劃用8個(gè)授課課時(shí)，同時(shí)輔以2~4個(gè)試驗(yàn)課時(shí)和一定的課后習(xí)題作業(yè)。介紹“道路建筑材料”課程在專業(yè)學(xué)習(xí)和路橋工程中起到的積極作用，課程主要涉及的內(nèi)容及特點(diǎn)，課程重點(diǎn)、內(nèi)容安排和學(xué)習(xí)方法。第一章內(nèi)容介紹和關(guān)注的重點(diǎn)。從石料的巖石學(xué)特征入手，了解構(gòu)成石料的巖石分類、類型和化學(xué)組成，引出石料將要討論的石料性質(zhì)——物理性質(zhì)之一：物理常數(shù)。石料一、石料的巖石學(xué)特性石料定義：在建筑結(jié)構(gòu)工程中，所使用的石料通常指由天然巖石經(jīng)機(jī)械加工制成的，或者由直接開采得到的具有一定形狀和尺寸的石料制品。1．造巖礦物不同造巖礦物和成巖條件使得各類天然巖石具有不同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。石料的物理力學(xué)性質(zhì)在很大程度上取決于天然巖石的礦物成分，以及這些礦物在巖石中的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。所謂的造巖礦物是具有一定化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特性的天然化合物或單質(zhì)，簡稱礦物，由一種或兩種以上的礦物組成不同的巖石。由于各種礦物具有確定的化學(xué)組成與特有的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，對石料的物理力學(xué)特性有著不同的影響。下表為幾種代表性的礦物。

2．巖石分類

巖石的性質(zhì)除了與構(gòu)成巖石的礦物有關(guān)之外，還取決于不同的成巖條件。根據(jù)成巖條件將巖石分成三類：巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。3．常見巖石種類

路橋工程中常用巖石類型見表1—3。另外，根據(jù)石料組成中二氧化硅成分含量的多少，將巖石分成不同酸堿性石料。表中的親水系數(shù)表明石料對水親和力的大小。親水系數(shù)越大，說明石料與水的結(jié)合程度越高，相對應(yīng)與瀝青的結(jié)合力就越弱，所以石料的酸堿性直接影響到石料和瀝青構(gòu)成的混合料的性質(zhì)。二、石料的物理性質(zhì)

1．物理常數(shù)

物理常數(shù)主要指石料的密度和孔隙率，此類常數(shù)能夠直接影響到石料的力學(xué)性質(zhì)，也是將石料用于混合料配合比設(shè)計(jì)的參數(shù)之一。

（1）密度

密度定義為在規(guī)定條件下（大多指規(guī)定的溫度），石料礦質(zhì)實(shí)體單位體積的質(zhì)量。由于石料在組成結(jié)構(gòu)上或多或少存在著孔隙，而孔隙又分為與外界連通的開口孔隙和與外界不連通的閉口孔隙，所以石料（包括集料）的密度就有數(shù)種不同形式。圖1—1

石料組成部分的質(zhì)量與體積關(guān)系示意圖a)石料結(jié)構(gòu)剖面圖；b）石料的體積與質(zhì)量的關(guān)系

1）真實(shí)密度

真實(shí)密度是指在規(guī)定條件下，烘干石料礦質(zhì)實(shí)體單位真實(shí)體積（不包括孔隙體積）的質(zhì)量，按照公式（1-1）計(jì)算。

（1-1）式中：——石料的真實(shí)密度，g/cm3；ms——石料礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量，g；Vs——石料礦質(zhì)實(shí)體的體積，cm3。2）表觀密度表觀密度是指在規(guī)定條件下，烘干石料礦質(zhì)實(shí)體包括閉口孔隙在內(nèi)的單位表觀體積的質(zhì)量，由公式（1-2）計(jì)算。

（1-2）式中：——石料的表觀密度，g/cm3；——石料礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量，g；——石料礦質(zhì)實(shí)體的體積,cm3；——石料礦質(zhì)實(shí)體中閉口孔隙的體積，cm3。

3）毛體積密度

毛體積密度是指在規(guī)定條件下，烘干石料礦質(zhì)實(shí)體包括孔隙（閉口、開口孔隙）體積在內(nèi)的單位毛體積的質(zhì)量，由公式（1-3）計(jì)算。

（1-3）式中：——石料的毛體積密度，g/cm3；——石料礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量，g；——石料礦質(zhì)實(shí)體的體積，cm3；——石料礦質(zhì)實(shí)體中閉口孔隙的體積，cm3；——石料礦質(zhì)實(shí)體中開口孔隙的體積，cm3。（2）孔隙率孔隙率是指石料孔隙體積占石料總體積（包括開口孔隙和閉口孔隙體積）的百分率，由公式（1-4）計(jì)算。

（1-4）式中：——石料的孔隙率，%；——石料礦質(zhì)實(shí)體中閉口孔隙的體積，cm3；——石料礦質(zhì)實(shí)體中開口孔隙的體積，cm3；——石料的毛體積（含礦質(zhì)實(shí)體、開口孔隙和閉口孔隙體積）,cm3。將式（1-1）和式（1-3）代入式（1-4）可得式（1-5），即采用石料的真實(shí)密度和毛體積密度計(jì)算其孔隙率。

（1-5）式中：n——石料的孔隙率，%；——石料的真實(shí)密度，g/cm3；——石料的毛體積密度，g/cm3。第二課時(shí)：復(fù)習(xí)：回顧砂石材料的第一種形式——石料的基本概念，從概念上闡述由于石料體積涉及的內(nèi)容不同使石料具有若干不同形式的密度，引出石料其它技術(shù)性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)，以及標(biāo)準(zhǔn)劃分的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。2．吸水性吸水性是指石料吸水能力的大小，這一性質(zhì)用吸水率和飽水率兩種形式表示。前者指常溫、常壓條件下石料最大吸水質(zhì)量是干燥試樣質(zhì)量的百分率；而后者是在一定真空條件下石料最大吸水質(zhì)量是干燥試樣質(zhì)量的百分率。顯然后者往往要大于前者。兩者可采用下試計(jì)算：

（1-6）式中：——石料試樣的吸水率或飽水率，%；m1——烘至恒重時(shí)的試樣質(zhì)量，g；

m2——吸水（或飽水）至恒重時(shí)試樣質(zhì)量，g。3．抗凍性抗凍性是指石料在飽水狀態(tài)下,能夠經(jīng)受反復(fù)凍結(jié)和融化而不破壞,并不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的能力，這一性質(zhì)優(yōu)劣的判定采用直接凍融法和硫酸鈉法兩種方式。分別利用低溫時(shí)結(jié)冰產(chǎn)生的凍脹和硫酸鈉從液態(tài)離子狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w結(jié)晶狀態(tài)產(chǎn)生的晶脹來考驗(yàn)石料的抗凍性，而后者的考驗(yàn)程度要比前者更為顯著一些，兩者試驗(yàn)檢測結(jié)果都可用式（1—7）和（1—8）來計(jì)算：

（1-7）

（1-8）式中：凍，——經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，石料的質(zhì)量損失率和耐凍系數(shù)，%；——試驗(yàn)前烘干石料試件的質(zhì)量，g；——經(jīng)歷若干次凍融循環(huán)作用后，烘干石料試件的質(zhì)量，g；——試驗(yàn)前石料試件的飽水抗壓強(qiáng)度，MPa；——經(jīng)歷若干次凍融循環(huán)作用后，石料試件的飽水抗壓強(qiáng)度，MPa。

上述物理性質(zhì)具體表現(xiàn)，在一定程度上都與石料的孔隙率有相應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)孔隙率高，特別是與外界相通且較粗大的開口孔隙發(fā)達(dá)時(shí)，使石料的表觀密度和毛體積密度減小，相應(yīng)的吸水性加大，抗凍性能變差。因此通過石料物理指標(biāo)的了解，可以在一定程度上預(yù)測石料一些工程性質(zhì)的好壞，認(rèn)知石料力學(xué)性質(zhì)的表現(xiàn)。三、石料的力學(xué)性質(zhì)

所謂石料的力學(xué)性質(zhì)是指石料在工程應(yīng)用中，所表現(xiàn)出的抗壓、抗剪、抗彎拉強(qiáng)度的能力，以及抵抗荷載沖擊、剪切和摩擦作用的能力。實(shí)踐中石料的這一性質(zhì)常用抗壓強(qiáng)度和磨耗率兩項(xiàng)指標(biāo)來表示。

1．石料的抗壓強(qiáng)度

以單軸加荷的方法對規(guī)定形狀的石料試樣以標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行抗壓試驗(yàn)所得出的結(jié)果即為石料的抗壓強(qiáng)度。強(qiáng)度結(jié)果用式（1—9）來計(jì)算

（1-9）式中：——石料的抗壓強(qiáng)度，MPa；——試驗(yàn)時(shí)石料試件破壞時(shí)的極限荷載，N；——石料試件的受力截面積，mm2。

石料的抗壓強(qiáng)度受多種因素的影響，其中包括礦物組成、結(jié)構(gòu)及其孔隙構(gòu)造，以及石料試件的尺寸和吸水率等。如石料結(jié)構(gòu)疏松及孔隙率較大，其質(zhì)點(diǎn)間的聯(lián)系較弱，有效面積較小，故強(qiáng)度值較低；試件尺寸較小時(shí)，由于高度小，承壓板與試件端面之間的摩軍長較大，使得試件內(nèi)應(yīng)力分布極不均勻，試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性受到影響；當(dāng)巖石的孔隙裂隙較大、含較多親水礦物或較多可溶礦物時(shí)，飽水時(shí)的抗壓強(qiáng)度會(huì)有明顯的降低。

2．磨耗率砂石材料磨耗率是指其抵抗撞擊、邊緣剪力和摩擦等聯(lián)合作用的能力。石料的磨耗率常采用洛杉磯磨耗試驗(yàn)進(jìn)行測定。經(jīng)過規(guī)定的擱板式磨耗機(jī)試驗(yàn)后，石料的磨耗率采用下式來計(jì)算：

（1-10）式中：——石料的磨耗率，%；——裝入試驗(yàn)機(jī)圓筒中的石料試樣質(zhì)量，g;——試驗(yàn)后洗凈洪干的篩上試樣質(zhì)量，g。實(shí)踐種還存在另一種磨耗試驗(yàn)——狄法爾磨耗試驗(yàn)，由于該試驗(yàn)耗時(shí)較長，且對石料的考驗(yàn)程度不如擱板式磨耗機(jī)試驗(yàn)，目前已采用不多。四、石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工程實(shí)際中所采用的石料必須滿足一定的技術(shù)要求，該要求就是石料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)指定思路是：首先根據(jù)石料所屬巖石類型，將石料分成四大類——巖漿巖、石灰?guī)r、砂巖或片麻巖以及礫巖；再依據(jù)石料的抗壓強(qiáng)度的高低和磨耗率的大小將每種類型巖石劃分成四個(gè)等級。其中：I級——最堅(jiān)強(qiáng)的巖石；

II級——堅(jiān)強(qiáng)的巖石；

III級——中等強(qiáng)度巖石；

IV級——較軟的巖石。小結(jié)石料的基本性質(zhì)，指出石料的兩大重要性質(zhì)的意義所在。進(jìn)入本章重點(diǎn)——集料的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的討論。強(qiáng)調(diào)集料性質(zhì)關(guān)注的重點(diǎn)——集料的體積參數(shù)、力學(xué)性質(zhì)。第二節(jié)

集料概述：籠統(tǒng)的說集料就是粒狀石質(zhì)材料。1．集料分類（1）總分類：包括天然砂、人工砂、卵石、碎石，另有工業(yè)冶金礦渣。（1）根據(jù)集料形成的過程不同，分為卵石（又稱礫石）和碎石；（2）根據(jù)粒徑大小的不同，分為粗集料和細(xì)集料；2．粗細(xì)集料粒徑的界限水泥混凝土用集料的粗細(xì)界限尺寸為4.75mm，瀝青混合料用集料粗細(xì)界限尺寸為2.36mm。大于或等于該尺寸的顆粒為粗集料，余為細(xì)集料。3．最大粒徑這是一個(gè)較為重要但又容易引起混淆的概念，集料的最大粒徑這一概念由兩個(gè)不同定義構(gòu)成，即集料最大粒徑和集料公稱最大粒徑。（1）集料最大粒徑：指集料100%都要求通過的最小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸。（2）集料公稱最大粒徑:指集料可能全部通過或允許有少量不通過(一般容許篩余不超過10%)的最小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸。這兩個(gè)定義涉及的粒徑有著明顯區(qū)別，通常集料公稱最大粒徑比最大粒徑要小一個(gè)粒級。但在實(shí)際使用過程中、甚至在一些書本資料上也經(jīng)常不加嚴(yán)格區(qū)別，容易引起混淆。實(shí)際上工程中所指的最大粒徑往往是指公稱最大粒徑，這一點(diǎn)在今后的應(yīng)用中要加以區(qū)分。

1.瀝青路面及各類基層集料用標(biāo)準(zhǔn)篩均以方孔篩為準(zhǔn)，相應(yīng)的篩孔尺寸依次為75mm、63mm、53mm、37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm；2.水泥混凝土用集料標(biāo)準(zhǔn)篩的孔徑當(dāng)大于或等于2.5mm時(shí)，以圓孔篩為標(biāo)準(zhǔn)小于2.5mm時(shí)以方孔篩為準(zhǔn)。相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)篩的篩孔尺寸依次為100mm、80mm、63mm、50mm、40mm、31.5mm、25mm、20mm、16mm、10mm、5mm、2.5mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16mm、0.075mm。不同用途采用不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)套篩，是我國多年以來的一種特有的做法。隨著與國際通用方式的接軌，全部采用方孔篩成為一種必然趨勢。2003年頒布并實(shí)施的新一版《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》就已開始采用方孔篩標(biāo)準(zhǔn)。一、集料的物理性質(zhì)

1．物理常數(shù)

（1）密度考慮到集料顆粒自身的孔隙和顆粒之間的空隙，集料的密度也有幾種不同形式。1）表觀密度、毛體積密度、毛體積密度與石料相應(yīng)密度在概念上相同，僅在實(shí)際的密度測定方法上有所區(qū)別。2）表干密度集料的表干密度又稱作飽和面干毛體積密度，它的計(jì)算體積與毛體積密度相同，但計(jì)算質(zhì)量為集料顆粒的表干質(zhì)量（飽和面干狀態(tài)，包括了吸入開口孔隙中的水），由式（1-11）計(jì)算。

（1-11）式中：——集料的表干密度,g/cm3；——集料顆粒的表干質(zhì)量（礦質(zhì)實(shí)體質(zhì)量與吸入開口孔隙水的質(zhì)量之和），g；——集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體的體積，cm3；、——分別為集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體中閉口孔隙和開口孔隙的體積，cm3。3）裝填密度裝填密度根據(jù)裝樣方法的不同可為堆積密度、振實(shí)密度和搗實(shí)密度。該密度是指烘干集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體的單位裝填體積（包括集料顆粒間空隙體積、集料礦質(zhì)實(shí)體及其閉口、開口孔隙體積）的質(zhì)量，按式（1-12）計(jì)算。

（1-12）式中：——礦質(zhì)集料的裝填密度,g/cm3；——集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體的質(zhì)量，g；——集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體的體積，cm3；、——分別為集料顆粒礦質(zhì)實(shí)體中閉口孔隙和開口孔隙的體積，cm3；——集料顆粒間的空隙體積，cm3；

（2）空隙率空隙率是指集料在某種裝填狀態(tài)下的空隙體積（含開口孔隙）占裝填體積的百分率，按式（1-13）計(jì)算。

（1-13）式中：——集料的空隙率，%；——集料顆粒的裝填體積，，cm3；、——分別為集料顆粒間空隙與礦質(zhì)實(shí)體中開口孔隙的體積，cm3。將式（1-2）和式（1-12）代入式（1-13），則空隙率可用式（1-14）計(jì)算：

（1-14）式中：——集料的裝填密度，g/cm3；——集料的表觀密度,g/cm3。小結(jié)：石料和集料涉及多種密度，現(xiàn)將這些密度歸納在下表中。

（3）粗集料的骨架間隙率粗集料骨架間隙率通常指4.75mm以上粗集料顆粒間的空隙體積的百分含量，由式（1-15）計(jì)算。粗集料骨架間隙率的大小用于確定混合料中細(xì)集料和結(jié)合料的數(shù)量，并評價(jià)集料的骨架結(jié)構(gòu)。

（1-15）式中：——粗集料骨架間隙率，%；——粗集料的裝填密度，在水泥混凝土中用粗集料的振實(shí)密度；在瀝青混合料中用粗集料的搗實(shí)密度，g/cm3；——粗集料的表觀密度或毛體積密度，g/cm3。（4）細(xì)集料的棱角性細(xì)集料的棱角性由在一定條件下測定的空隙率表征，按式（1-16）計(jì)算。天然砂、人工砂和石屑等細(xì)集料的棱角性對瀝青混合料的內(nèi)摩擦角和抗流動(dòng)性變形能力及對水泥混凝土的和易性有著顯著的影響。當(dāng)空隙率較大時(shí)，意味著細(xì)集料有著較大的內(nèi)摩阻角。

（1-16）式中：——細(xì)集料的空隙率，即棱角性，%；——細(xì)集料的堆積密度，g/cm3；——細(xì)集料的毛體積密度，g/cm3。

2．集料的級配級配是指集料中各種粒徑顆粒的搭配比例或分布情況。級配對水泥混凝土及瀝青混合料的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及施工和易性有著顯著的影響，級配設(shè)計(jì)也是水泥混凝土和瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的重要組成部分。（關(guān)于集料的級配分析、級配理論和級配設(shè)計(jì)方法的有關(guān)內(nèi)容。見本章第三節(jié)）

3．集料的顆粒形狀與表面特征集料的性質(zhì)除了與形成集料的巖石特征和孔隙結(jié)構(gòu)等有直接關(guān)系之外，還與集料的顆粒形狀和表面特征有一定的關(guān)系。因?yàn)榧系男螤詈捅砻嫣卣鞫紝⒂绊懠项w粒間的內(nèi)摩阻力、集料顆粒與結(jié)合料粘結(jié)性及吸附性等方面。（1）理想的集料顆粒形狀是球狀或立方體，而扁平、薄片、細(xì)長狀的顆粒不僅增加集料的空隙率，還對施工的和易性和混凝土強(qiáng)度造成不利影響；針片狀顆粒的定義：最大長度與厚度之比大于3的顆粒。（2）集料表面特征指集料的粗糙程度和孔隙特征。表面粗糙的集料顆粒有較顯著的摩阻力，同時(shí)也會(huì)影響集料的施工和易性；粗糙且有吸收水泥漿和瀝青輕組分的孔隙特征的集料與結(jié)合料的粘結(jié)能力較強(qiáng)。

4．含泥量和泥塊含量存在于集料中或包裹在集料顆粒表面的泥土?xí)档退嗟乃磻?yīng)速度，也會(huì)妨礙集料與水泥（或?yàn)r青）間的粘結(jié)能力，顯著影響混合料的整體強(qiáng)度與耐久性，應(yīng)對其含量加以限制。泥是指砂中粒徑小于0.075mm的顆粒，泥塊是指粗集料原尺寸大于4.75mm（或細(xì)集料大于1.18mm），但經(jīng)水浸洗、手捏后小于2.36mm（細(xì)集料小于0.6mm）的顆粒含量。二、集料的力學(xué)性質(zhì)在結(jié)構(gòu)層或混合料中，粗集料起骨架作用，應(yīng)具備一定的強(qiáng)度、耐磨、抗磨耗和抗沖擊性能等，這些性能用壓碎值、磨光值、磨耗值和沖擊值等指標(biāo)表示。1．壓碎值壓碎值是指按規(guī)定的方法測得石料抵抗壓碎的能力，也是集料強(qiáng)度的相對指標(biāo)，用以鑒定集料品質(zhì)。壓碎值是對石料的標(biāo)準(zhǔn)試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行加荷，測試石料被壓碎后，標(biāo)準(zhǔn)篩上篩余質(zhì)量的百分率。2．磨光值磨光值是反映石料抵抗輪胎磨光作用能力的指標(biāo)，它是采用加速磨光機(jī)磨光石料，并用擺式磨擦系數(shù)測定儀濁得的磨光后集料的磨擦系數(shù)。用高磨光值的石料來鋪筑道路路面表層，可以提高路表的抗滑能力，保障車輛的安全行駛。試驗(yàn)測出的磨光值以表示，該值越大，表明集料的抗磨光性能越好。3．沖擊值沖擊值反映石料抵抗沖擊荷載的能力。由于路表集料直接承受車輪荷載的沖擊作用，這一指標(biāo)對道路表層用集料非常重要。試驗(yàn)測出的沖擊值以表示，該值越小，表明集料的抗沖擊性能越好。4．磨耗值磨耗值用于確定石料抵抗表面磨損的能力，適用于對路面抗滑表層所用集料抵抗車輪磨耗值。試驗(yàn)測出的磨耗值以表示，該值越小，表明集料的抗磨耗能力越好。三、

巖石集料的技術(shù)要求

同樣，只有滿足了一定技術(shù)要求的集料才能確保相關(guān)混合料的各項(xiàng)性能，以粗細(xì)兩種類型的集料分別提出各自的技術(shù)要求。1．粗集料的技術(shù)要求

2．細(xì)集料的技術(shù)要求總結(jié)有關(guān)石料和集料需要重視的內(nèi)容，分析石料和集料二者之間的異同點(diǎn)；重點(diǎn)討論第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容——篩分、級配概念、礦料配合比設(shè)計(jì)方法等。第三節(jié)

礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)

所謂的礦質(zhì)混合料就是能夠滿足級配要求的各種粒徑材料的集合體，簡稱礦料。在水泥混凝土或?yàn)r青混合料中，所用集料顆粒的粒徑尺寸范圍較大，而天然或人工軋制的一種集料往往僅有幾種粒徑尺寸的顆粒組成，難以滿足工程對某一混合料的目標(biāo)設(shè)計(jì)級配范圍的要求，因此需要將兩種或兩種以上的集料配合使用。確定幾種集料混合時(shí)各自比例的過程就是礦料的組成設(shè)計(jì)，進(jìn)行礦質(zhì)混合料組成設(shè)計(jì)，必須道先明確目標(biāo)級配范圍，為此首先應(yīng)掌握級配組成為礦料技術(shù)性能的影響。一、礦料的級配1．集料級配的表示方法（1）篩分試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)套篩對集料進(jìn)行過篩分析，以確定集料粗細(xì)顆粒的分布即級配就是所謂篩分試驗(yàn)。通過篩分試驗(yàn)，求得集料試樣的級配參數(shù)。以細(xì)集料的篩分為例：在篩分試驗(yàn)中，分別稱量500g砂樣充分過篩，根據(jù)砂樣存留在各篩上的篩余質(zhì)量，分別計(jì)算出分計(jì)篩余百分率、累計(jì)篩余百分率、通過百分率。分計(jì)篩余百分率是指某號篩上的篩余質(zhì)量占試樣總質(zhì)量百分率，按式（1-27）計(jì)算：

（1-27）式中：——存留在某號篩上的試樣質(zhì)量，g；——集料風(fēng)干試樣的總質(zhì)量，g。累計(jì)篩余百分率是指某號篩的分計(jì)篩余百分率和大于該號篩的各篩分計(jì)篩余百分率之總和，可按式（1-28）求得：

（1-28）式中：——各篩的分計(jì)篩余非分率，%。通過百分率是指通過某號篩的試樣質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分率，即100與某號篩累計(jì)篩余百分率之差，按式（1-29）求得：

（1-29）式中：——某號篩累計(jì)篩余百分率，%。（2）細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)細(xì)度模數(shù)是用于評價(jià)細(xì)集料粗細(xì)程度的指標(biāo)，是細(xì)集料篩分試驗(yàn)中各號篩上的累計(jì)篩余百分率之和，按式（1-30）計(jì)算（以水泥混凝土用細(xì)集料為例）：

（1-30）式中：——砂的細(xì)度模數(shù)；、、……——分別為4.75mm、2.36、……0.15mm各篩的累計(jì)篩余百分率，%。細(xì)度模數(shù)愈大，表示細(xì)集料愈粗。砂按細(xì)度模數(shù)分為粗、中、細(xì)三種規(guī)格，相應(yīng)的細(xì)度模數(shù)分別為：粗砂：=3.7~3.1；中砂：=3.0~2.3；細(xì)砂：=2.2~1.6。（3）集料的級配曲線1）級配曲線的繪制為了直觀形象地表示礦料各粒徑的顆粒分布狀況，常常采用級配曲線的方式來描述礦料級配。做法是以通過量的百分率為縱坐標(biāo)，篩孔尺寸（也表示礦料不同顆粒的粒徑）為橫坐標(biāo)，將各篩上的通過量繪制在坐標(biāo)圖中，然后用曲線將各點(diǎn)連接起來，成為所謂的級配曲線。由于標(biāo)準(zhǔn)套篩的篩孔分布是按1/2遞減的方式設(shè)置，在描繪橫坐標(biāo)的篩孔位置時(shí)，造成前疏后密的問題，以至到小孔徑時(shí)無法清楚的將其位置確定。所以在繪制級配曲線的橫坐標(biāo)時(shí)采用對數(shù)坐標(biāo)（而相應(yīng)縱坐標(biāo)上的通過量仍采用常坐標(biāo)），以方便級配曲線圖的繪制。見圖1-3。圖1-3

集料級配曲線示意圖a）常數(shù)坐標(biāo)；b）半對數(shù)坐標(biāo)2）級配曲線類型粗細(xì)不同的粒徑按照一定的比例組合搭配在一起，以達(dá)到較高的密實(shí)程度，根據(jù)搭配組成的結(jié)果，可得到以下幾種不同級配形式。

①連續(xù)級配：連續(xù)級配是某一礦料在標(biāo)準(zhǔn)套篩中進(jìn)行篩分后，礦料的顆粒由大到小連續(xù)分布，每一級都占有適當(dāng)?shù)谋壤?。這種由大到小逐級粒徑都有，并按比例互相搭配組成的礦質(zhì)混合料，稱為連續(xù)級配混合料。

②間斷級配：在礦料顆粒分布的整個(gè)區(qū)間里，從中間剔除一個(gè)或連續(xù)幾個(gè)粒級，形成一種不連續(xù)的級配，成為所謂的間斷級配。

③連續(xù)開級配：整個(gè)礦料顆粒分布范圍較窄，從最大粒徑到最小粒徑僅在數(shù)個(gè)粒級上以連續(xù)的形式出現(xiàn)，形成所謂的連續(xù)開級配。

不同級配類型的級配曲線如下圖所示。圖1—4不同級配類型的級配曲線2．級配組成對礦料性能的影響

礦料的級配組成直接決定礦料的兩大特點(diǎn)：礦料密實(shí)度和礦料顆粒間內(nèi)摹阻力。從而影響到水泥混凝土或?yàn)r青混合料的強(qiáng)度、耐久性和施工和易性。

在混合料中是以結(jié)合料（水泥或?yàn)r青）來填充集料的空隙并包裹集料。所以，集料空隙越大，填充集料顆?？障端璧慕Y(jié)合料越多；集料的總表面積越大，包裹集料顆粒所需的結(jié)合料越多。從節(jié)約結(jié)合料的角度考慮，最好采用空隙較小，總表面積也較小的集料。此外，若各粒級集料顆粒在相互排列時(shí)，能夠互相嵌鎖又不互相干涉，形成緊密多級嵌擠的空間骨架結(jié)構(gòu)，則集料顆粒間將具有較最大的內(nèi)摩阻力。

3．礦料連續(xù)級配的計(jì)算實(shí)踐中針對連續(xù)級配各級粒徑礦料數(shù)量的計(jì)算大多采用最大密度曲線理論，該理論認(rèn)為當(dāng)?shù)V料的顆粒級配曲線愈接近拋物線，則其密度愈大。根據(jù)該理論，當(dāng)?shù)V料的級配曲線為拋物線時(shí)，最大密度理想曲線可用顆粒粒徑與通過量按下式表示：

（1—31）式中：——各級顆粒粒徑集料的通過量（%）；

——礦料各級顆粒粒徑（mm）；

——常數(shù)。當(dāng)顆粒粒徑等于最大粒徑時(shí)，則通過量，即時(shí)，。所以：

（1—32）當(dāng)希望計(jì)算任何一級顆粒粒徑的通過量時(shí)，則計(jì)算公式為

（1—33）或

（1—34）式中：——希望計(jì)算的某級集料粒徑（mm）；

——礦質(zhì)混合料的最大粒徑（mm）；

——希望計(jì)算的某級集料的通過量（%）。

上式是最大密度理想曲線的級配組成計(jì)算公式，根據(jù)此公式可以計(jì)算出某礦料達(dá)到最大密度時(shí)各級顆粒粒徑的通過量。

但在實(shí)際應(yīng)用過程中，這一公式的指數(shù)并不一定固定為0.5。對于瀝青混合料，當(dāng)指數(shù)是0.45時(shí)的密度最大；對于水泥混凝土指數(shù)在0.25~0.45時(shí)工作性更好。因此，礦料的級配計(jì)算公式的指數(shù)通常在0.3~0.7之間，允許礦料的級配曲線在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)，所以上述最大密度曲線公式采用n次冪的通式來表達(dá)。即：

（1—35）所以當(dāng)某一礦料的最大粒徑、相應(yīng)的指數(shù)確定時(shí)，則該礦料在各級上的顆粒數(shù)量就可通過此公式計(jì)算得到。

由于礦料在軋制生產(chǎn)過程中的不均勻性，以及混合料在配制時(shí)的波動(dòng)誤差等原因，使所配制的混合料難以與理論級配完全吻合一致。因此，必須允許配料時(shí)的合成級配可以在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，從而提出級配范圍的概念。即分別根據(jù)兩個(gè)不同的指數(shù)和所確定的級配結(jié)果，以及由各級配所繪制的級配曲線，構(gòu)成級配范圍。實(shí)際級配合成操作時(shí)，只要得出的合成級配結(jié)果位于要求的級配范圍之間，則認(rèn)為該合成級配基本滿足設(shè)計(jì)級配的要求。二、礦料配合比設(shè)計(jì)方法

礦料配合比設(shè)計(jì)就是根據(jù)實(shí)際工程中現(xiàn)有的各種集料的級配參數(shù)（即篩分結(jié)果），針對設(shè)計(jì)要求或技術(shù)規(guī)范要求，采用一定的方法確定各規(guī)格集料在合成礦料中所占有比例的操作過程。

常用的設(shè)計(jì)方法有：試算法、圖解法（修正平衡面積法）。兩種方法各有特點(diǎn)，前者操作簡便、快捷，但要熟練掌握級配參數(shù)的含義，對三種以內(nèi)的礦料設(shè)計(jì)較適宜；后者簡單易掌握，適合多種礦料操作，但操作稍嫌麻煩。

1．?dāng)?shù)解法——試算法設(shè)計(jì)步驟

（1）建立基本計(jì)算方程

設(shè)有、、三種集料在某一篩孔上的分計(jì)篩余百分率分別為、、，打算配制礦質(zhì)混合料，混合料在相應(yīng)篩孔上的分計(jì)篩余百分率為。設(shè)、、三種集料在混合料中的比例分別是、、，則得到下面兩式：

（1—36）

（1—37）

（2）基本假設(shè)

在礦質(zhì)混合料中，假定混合料中某一級粒徑的顆粒僅由三種集料中的一種集料來提供，而其它兩種集料中不含有這一粒徑的顆粒，此時(shí)這兩種集料相應(yīng)的分計(jì)篩余百分率為0。例如設(shè)在粒級上僅集料在此粒級上存在分計(jì)篩余，其它兩個(gè)集料和的分計(jì)篩余全部是0，從而簡化計(jì)算過程。

（3）計(jì)算根據(jù)上述假設(shè)，（4—7）式成為：

（1—38）則集料在混合料中所占的比例為：

（1—39）

同理，按此假設(shè)在計(jì)算集料在混合料中的比例時(shí)，在粒級上其它兩個(gè)集料和在該粒徑上的分計(jì)篩余百分率也是0，則有：

（1—40）即集料在混合料中比例是：

（1—41）

最后得到集料在混合料中的比例：

（1—42）

（4）校核調(diào)整

對以上計(jì)算得到的各集料的比例即配合比進(jìn)行驗(yàn)算，如得到的合成級配不在所要求的級配范圍，應(yīng)調(diào)整初步配合比重新驗(yàn)算，直到滿足級配要求為止。如經(jīng)數(shù)次調(diào)整仍不能達(dá)到要求，可摻加單粒級集料或調(diào)換其它集料。

2．圖解法設(shè)計(jì)步驟（1）準(zhǔn)備工作對所使用的各集料進(jìn)行篩分，并計(jì)算出各自的通過量百分率。明確設(shè)計(jì)級配要求的級配范圍，并計(jì)算出該要求級配范圍的中值。（2）繪制框圖按比例（通?？v橫邊各為100mm和150mm）繪制一矩形框圖，從左下向右上引對角線作為合成級配的中值，見圖1—7。按常數(shù)標(biāo)尺在縱坐標(biāo)上標(biāo)出通過量百分率刻度，橫坐標(biāo)則表示篩孔位置，而各篩孔的具體位置則根據(jù)合成級配要求的通過量百分率中值，在縱坐標(biāo)上找出該值的位置，然后從縱坐標(biāo)引平行線與對角線相交，再從交點(diǎn)處向下作垂線，垂線與橫坐標(biāo)的相交點(diǎn)即為各篩孔相應(yīng)位置。圖1—7

設(shè)計(jì)級配范圍中值（P30）（3）確定各集料用量將參與級配合成的各集料的通過量繪制在框圖中，用折線的形式連成級配曲線。假設(shè)以四種集料進(jìn)行級配合成為例，見圖1—8。根據(jù)框圖中相鄰兩條曲線的關(guān)系，確定各集料在混合料中的摻配比例。1）重疊關(guān)系：相鄰兩條曲線相互重疊，圖1—8中集料的級配曲線下部與集料的級配曲線上部搭接。在兩條級配曲線之間引一條垂線，要求該垂線與集料、的級配曲線截距相等，即。此時(shí)垂線與對角線相交于點(diǎn)，再通過點(diǎn)作一水平線與縱坐標(biāo)交于點(diǎn)，線段的幾何長度（以mm計(jì)）就是集料的用量比例（%）。圖1—8

圖解法用圖（P30）2）相接關(guān)系：相鄰兩條曲線首尾相接，圖4—2中集料的末端與集料的首端正好相接。此時(shí)只需從集料的首端向集料的末端引垂線，該垂線與對角線相交于點(diǎn)，過點(diǎn)作水平線與縱坐標(biāo)交于點(diǎn)，則線段的幾何長度就是集料的用量（%）。

3）分離關(guān)系：相鄰兩條曲線分離，圖4—2中集料的級配曲線與集料的級配曲線在水平方向彼此分離。此時(shí)作一條垂線平分這段水平距離，要求。垂線與對角線交于點(diǎn)，通過該點(diǎn)作一水平線與縱坐標(biāo)交于點(diǎn)，則線段的幾何長度就代表集料的用量（%）。剩余的即為集料的用量。

可以說，框圖中相鄰集料級配曲線的關(guān)系只可能是這三種情況，但實(shí)際操作過程中以第一種關(guān)系即重疊關(guān)系為最常見。

4）合成級配的計(jì)算與校核

同試算法相同，根據(jù)圖解過程求得的各集料用量比例，計(jì)算出合成級配的結(jié)果。當(dāng)合成級配超出級配范圍時(shí)，說明圖解法得到的比例不很合適，所以要調(diào)整各集料的用量，直到滿足設(shè)計(jì)級配的要求為止。如經(jīng)數(shù)次調(diào)整仍不能達(dá)到要求，可摻加單粒級集料或調(diào)換其它集料。第二章

瀝青材料學(xué)習(xí)目的與任務(wù)：本章應(yīng)掌握石油瀝青的組成、技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上了解聚合物改性瀝青和乳化瀝青的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)劃課時(shí)與上課手段：本章計(jì)劃用8個(gè)課時(shí)。以課堂授課、習(xí)題練習(xí)和試驗(yàn)室操作相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)，其中課堂教學(xué)6學(xué)時(shí)。前言導(dǎo)入概念：強(qiáng)化瀝青的應(yīng)用概念：瀝青路面的歷史；瀝青路面與水泥路面的優(yōu)缺點(diǎn):參網(wǎng)上論文。瀝青定義：瀝青是黑色或暗黑色固體、半固體或粘稠狀物，由天然或人工制造而得，主要為高分子烴類所組成，完全溶解于二硫化碳。瀝青分類：瀝青

石油瀝青：結(jié)合生產(chǎn)工藝講解。補(bǔ)充：舊教材：P139圖。天然瀝青：當(dāng)?shù)叵略屯ㄟ^巖石裂縫滲透到地表后并長期暴露在大氣中時(shí)，其中所含輕質(zhì)部分蒸發(fā)，而殘留物經(jīng)氧化后成為天然瀝青，一般存在于巖石裂縫中、地面上或形成湖泊，如著名的特立尼達(dá)湖瀝青。焦油瀝青：是煤、木材、頁巖等有機(jī)物經(jīng)干餾加工而得到的焦油再加工所得的產(chǎn)物。）補(bǔ)充天然瀝青：鏈接——(1).拉丁美洲取之不盡的瀝青湖“人不可貌相，海水不可斗量”。一個(gè)面積僅有0.47平方公里的小湖，居然在世界上頗有名氣。這個(gè)湖位于拉丁美洲加勒比海的東南端的一個(gè)叫特立尼達(dá)和多巴哥的小島上，湖中滴水不見，魚蝦絕跡，以盛產(chǎn)黑乎乎的天然瀝青聞名于世，被人們稱為“瀝青湖”。早在世界上還不懂得從提煉石油取得瀝青之前。這里一直是世界天然瀝青的主要來源。1870年開始開采瀝青，本世紀(jì)70年代以來，年產(chǎn)瀝青10萬噸以上。一百多年來，從這個(gè)湖中挖走了多少瀝青，已無記錄可查、鉆探數(shù)據(jù)表明，湖底最深處是83米，就是說，瀝青的最大厚度是83米，據(jù)此計(jì)算，這個(gè)湖的瀝青容量是1200萬噸。但是湖里能容納多少瀝青是一回事，這里究竟有多少瀝青又是另一回事。因?yàn)闉r青可以不斷從湖底“長”出來，你挖走了多少，湖底又能“長”出多少，人們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長時(shí)間以來的持續(xù)開采，湖面并無明顯升降。那么，瀝青是怎么從湖底“長”出來的呢？科學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)湖的位置上處在一個(gè)巨大的儲(chǔ)油構(gòu)造即穹隆或背斜構(gòu)造的上方，由于內(nèi)力作用與地殼運(yùn)動(dòng)，使巖層發(fā)生張裂或斷裂，深層的石油不斷自地下沿巖石裂縫滲出到湖里來，石油中較輕的組分揮發(fā)掉了，留下較粘重的組分，不斷氧化成瀝青。新疆克拉瑪依烏爾禾發(fā)現(xiàn)天然瀝青礦新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)7師137團(tuán)在克拉瑪依烏爾禾發(fā)現(xiàn)天然瀝青礦。該礦是中國目前發(fā)現(xiàn)唯一的天然瀝青礦。據(jù)當(dāng)?shù)毓賳T介紹說，全世界也僅有3處。烏爾禾的天然瀝青具有耐高溫、色澤好、防腐抗酸堿、防老化等特性，是生產(chǎn)高級黑油漆的天然原料。今年計(jì)劃開采1000噸。四川省青川縣境內(nèi)天然瀝青礦資源豐富,目前已探明儲(chǔ)量在140萬噸以上,遠(yuǎn)景儲(chǔ)量超過了3000萬噸,被專家譽(yù)為“中國乃至世界罕見的瀝青天然礦體”,儲(chǔ)藏量位居全國第一。

青川縣十分重視對瀝青礦的開發(fā)利用,先后聘請國家石油部、四川地質(zhì)局、川北石油勘探指揮部、四川大學(xué)等7家單位進(jìn)行詳細(xì)勘測、化驗(yàn)和普查評審,探明了資源儲(chǔ)量,掌握了資源的組成部分,為開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。優(yōu)越的資源優(yōu)勢和寬松的政策環(huán)境,吸引了各地客商紛紛到青川投資。今年經(jīng)過實(shí)地考察、洽談,該縣引進(jìn)了青島偉東置業(yè)有限公司,首期投資4000多萬元,組建了青川中能信天然石油礦開發(fā)有限公司,對天然瀝青進(jìn)行綜合開發(fā)。天然瀝青特點(diǎn)與應(yīng)用：如北京二環(huán)路的罩面、我國進(jìn)口的天然瀝青顆粒。

第一節(jié)

石油瀝青的組成一、元素和組分1.石油瀝青的元素組成石油瀝青是十分復(fù)雜的烴類和非烴類的混合物，是石油中相對分子量最大、組成及結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。主要原子：C、H，雜原子：S、N、O。微量金屬元素：V、Ne、Fe、Na、Ca、Cu等。不同產(chǎn)地瀝青性質(zhì)差異非常大，但元素組成相近?！氐臄?shù)量組成與瀝青性質(zhì)關(guān)系不明確。

元素組成與性質(zhì)無明顯關(guān)聯(lián)。2．瀝青的化學(xué)組分（1）石油瀝青的化學(xué)組成為研究組成，將混合物——瀝青進(jìn)行分離?；瘜W(xué)組分：將瀝青按物理、化學(xué)性質(zhì)接近的化合物集中為一個(gè)組分的分離方法。①三組分分離法，吸附法：吸附法：以瀝青在吸附劑上的吸附性和在抽提溶劑中溶解性的差異為基礎(chǔ)。例如先用低分子烷烴沉淀出瀝青質(zhì)，再用白土吸附可溶分，將其分成吸附部分——膠質(zhì)和未被吸附部分——油分，這樣，可將瀝青分成三組分。②四組分分離法色譜法：該方法分為兩大步驟。第一步，用正庚烷使瀝青中的瀝青質(zhì)沉淀并定量；第二步，對可溶分用中性氧化鋁為吸附劑，在液固色譜柱中，以正庚烷（或石油醚）、甲苯、甲苯一乙醇（1：1）、甲苯—乙醇為沖劑，梯度沖洗出飽和分、芳香分和膠質(zhì)餾分，分別除去溶劑后定量。對于低瀝青質(zhì)含量（小于10%）的瀝青可以省略第一步，直接在色譜柱中進(jìn)行沖洗。由此得到飽和分（S）、芳香分（Ar）膠質(zhì)（R）和瀝青質(zhì)（At）共四組分，又稱為SARA分析。這一分析方法得到廣泛應(yīng)用，如美國ASTMD4124—97和我國SH/T0509—92（1998）就是瀝青四組分分析的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，其分析流程如圖2-1。

（2）四組分的結(jié)構(gòu)和特性①瀝青質(zhì)瀝青質(zhì)：是不溶于正庚烷而溶于苯（或甲苯）的黑色或棕色的無定型固體，除含有碳和氫外，還有一些氮、硫、氧。形態(tài)：固體粉末分離：在正庚烷中沉淀分子量：1000～100000顆粒粒徑：5～30mm原子：C/H:1.6～2.8，絕大部分由C、H組成。含量：5～25％，石蠟基原油1％，中東原有生產(chǎn)的瀝青>5％。特點(diǎn)：極性很強(qiáng)。隨著瀝青質(zhì)含量的增加，瀝青的粘結(jié)力、粘度增加，溫度穩(wěn)定性、硬度提高。針入度小、軟化點(diǎn)高。②膠質(zhì)膠質(zhì)：也稱為樹脂，有很強(qiáng)的極性。這一突出的特性使膠質(zhì)有很好的粘結(jié)力。膠質(zhì)是瀝青的擴(kuò)散劑或膠溶劑，膠質(zhì)與瀝青質(zhì)的比例在一定程度上決定瀝青是溶膠或是凝膠的特性。膠質(zhì)賦予瀝青以可塑性、流動(dòng)性和粘結(jié)性，對瀝青的延性、粘結(jié)力有很大的影響。形態(tài)：深棕色固體或半固體，極性很強(qiáng)。具有很好的粘附力。分離：溶解于正庚烷。分子量：1000～50000顆粒粒徑：1～5mm原子：C/H:1.3～1.4，大多由C、H組成，含少量的O、S、N。③芳香族芳香族：是由瀝青中最低的分子量的環(huán)烷芳香化合物組成，是膠溶瀝青質(zhì)的分散介質(zhì)的主要部分。形態(tài)：深棕色的粘稠液體。含量：占瀝青總量的20％～50％。分子量：300～2000結(jié)構(gòu)：分子量最低，環(huán)烷芳香化合物組成，是膠融瀝青質(zhì)的分散介質(zhì)的組要成分。非極性碳鏈，溶解力很強(qiáng)。。④飽和分飽和分：是由直鏈或支鏈脂肪屬烴以及烷基環(huán)烴和一些烷基芳香烴組成的，它們是非極性稠狀油類，呈稻草色或白色。形態(tài)：稻草色或白色，非極性稠狀油類。含量：占瀝青總量的5％～20％。分子量：300～2000結(jié)構(gòu)：直鏈和支鏈脂肪屬烴及烷基環(huán)烴和一些烷基芳香烴組成。作用：軟化膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。芳香分和飽和分都為油分，在瀝青中起著潤滑和柔軟作用。油分含量愈多，瀝青的軟化點(diǎn)愈低，針入度愈大，稠度降低。

⑤蠟分蠟：是指瀝青除去瀝青質(zhì)和膠質(zhì)后，在油分中含有的、經(jīng)冷凍能結(jié)晶析出的，熔點(diǎn)在25℃以上的混合組分，其主要是高熔點(diǎn)的烴類混合物結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)較簡單，正構(gòu)烷烴及長烷基側(cè)鏈的少環(huán)烴類為主。特點(diǎn)：高溫易軟化，低溫延展性降低，影響瀝青與礦料粘結(jié)，水穩(wěn)性差。原因：原油，石蠟基。二、瀝青的膠體結(jié)構(gòu)膠體理論：大多數(shù)瀝青屬于膠體體系，它是由相對分子量很大，芳香性很高的瀝青質(zhì)分散在分子質(zhì)量較低的可溶性介質(zhì)中形成的。瀝青中不含瀝青質(zhì)，只有單純的可溶質(zhì)時(shí)，瀝青則只具有粘性液體的特征而不成為膠體體系。瀝青質(zhì)分子由于對極性強(qiáng)大的膠質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附力，因而形成了以瀝青質(zhì)為中心的膠團(tuán)核心，而極性相當(dāng)?shù)哪z質(zhì)吸附在瀝青質(zhì)周圍形成中間相。由于膠團(tuán)的膠溶作用，而使膠團(tuán)彌散和溶解于分子量較低、極性較弱的芳香分和飽和分組成分散介質(zhì)中，形成了穩(wěn)固的膠體。根據(jù)膠團(tuán)粒子大小、數(shù)量及其在連續(xù)相中的分散狀態(tài)，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)可分為三種類型。1．溶膠型瀝青概念：當(dāng)瀝青質(zhì)的含量不多（小于10%），相對分子量不很大，或分子尺寸較小，與膠質(zhì)的相對分子質(zhì)量相近時(shí)，飽和分和芳香分的溶解能力很強(qiáng)，分散相和分散介質(zhì)的化學(xué)組成比較接近，這樣的瀝青分散度很高，膠團(tuán)可以在連續(xù)相中自由移動(dòng)，近似真溶液，具有牛頓流動(dòng)特性，粘度與應(yīng)力成比例，稱之為溶膠型瀝青。特點(diǎn)：這類瀝青對溫度的變化敏感，高溫時(shí)粘度很小，低溫時(shí)由于粘度增大而使流動(dòng)性變差，冷卻時(shí)變?yōu)榇嘈怨腆w。溶膠型瀝青結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-5。2．凝膠型瀝青概念：當(dāng)瀝青質(zhì)含量很大，達(dá)到或超過25%~30%時(shí)，膠質(zhì)的數(shù)量不足以包裹在瀝青質(zhì)周圍使之膠溶，瀝青質(zhì)膠團(tuán)會(huì)相互連結(jié)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膠團(tuán)在連續(xù)相中移動(dòng)比較困難，此時(shí)就形成了凝膠型瀝青，見圖2-6。特點(diǎn)：這類瀝青在常溫下呈現(xiàn)非牛頓流動(dòng)特性，并具有粘彈性和較好的溫度穩(wěn)定性。隨著溫度的升高，連續(xù)相的溶解能力增強(qiáng)，瀝青質(zhì)膠團(tuán)可逐漸解締，或膠質(zhì)從瀝青質(zhì)吸附中心脫附下來。當(dāng)溫度足夠高時(shí)，瀝青的分散度加大，瀝青則又可近似真溶液而具有牛頓流特性。3．溶—凝膠型瀝青概念：當(dāng)瀝青或?yàn)r青質(zhì)中含有較多的烷基側(cè)鏈，生成的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)比較松散，可能含有一些開式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成與溫度密切相關(guān)，在常溫時(shí)，在變形的最初階段表現(xiàn)出明顯的彈性效應(yīng)，但在變形增加至一定階段時(shí)，則表現(xiàn)為牛頓液體狀態(tài)。特點(diǎn)：高溫時(shí)具有較低的感溫性，低溫時(shí)又具有較好的形變能力。有的學(xué)者不采用膠體結(jié)構(gòu)學(xué)說，而采用高分子溶液學(xué)說進(jìn)行研究。高分子溶液學(xué)說理論認(rèn)為，瀝青是以高分子量的瀝青質(zhì)為溶質(zhì)，以低分子量的軟瀝青質(zhì)（樹脂和油分）為溶劑的高分子溶液。當(dāng)瀝青質(zhì)含量很小，瀝青質(zhì)與軟瀝青質(zhì)溶解度參數(shù)很小時(shí)能夠形成穩(wěn)定的真溶液。這種高分子溶液的特點(diǎn)是對電解質(zhì)穩(wěn)定性較大，而且是可逆的，也就是說，在瀝青高分子溶液中，加入電解質(zhì)并不能破壞瀝青的結(jié)構(gòu)。當(dāng)軟瀝青質(zhì)減少，瀝青質(zhì)增加時(shí)，為濃溶液，即凝膠型瀝青；如果瀝青質(zhì)減少，軟瀝青質(zhì)增加時(shí)則為稀溶液，溶膠型瀝青即可視為稀溶液。介乎二者之間的即溶凝膠型瀝青。瀝青的膠體結(jié)構(gòu)與瀝青的技術(shù)性質(zhì)有密切關(guān)關(guān)系，但從化學(xué)角度來評價(jià)瀝青的膠體結(jié)構(gòu)是很困難的，常采用針入度指數(shù)（PI）法、容積度法、絮凝比一稀釋度法等來評價(jià)膠體結(jié)構(gòu)類型及其穩(wěn)定性。第二節(jié)石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)

導(dǎo)入：從路用角度分析瀝青所需性能。一、瀝青的物理性質(zhì)1．概念：瀝青密度是在規(guī)定溫度下單位體積所具有的質(zhì)量，單為為t/m3或g/cm3，我國現(xiàn)行試驗(yàn)方法（JTJ052T0603—1993）規(guī)定的溫度條件為15℃影響因素：瀝青的相對密度與瀝青的化學(xué)組成有密切的關(guān)系，它取決于瀝青各組分的比例及排列的緊密程度。瀝青中含硫量大、芳香族含量高、瀝青質(zhì)含量高則相對密度較大；蠟分含量較多則相對密度較小。粘稠瀝青的密度多在0.97～1.04g/cm3范圍。

用處：瀝青的密度是瀝青在質(zhì)量與體積之間互相換算以及瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)必不可少的重要參數(shù)。在瀝青使用、貯存、運(yùn)輸、銷售和設(shè)計(jì)瀝青容器時(shí)也是不可缺少的數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：密度隨溫度的升高而降低，體積膨脹。測定：結(jié)合試驗(yàn)多媒體講解。2．體膨脹系數(shù)概念：當(dāng)溫度上升時(shí)，瀝青材料的體積發(fā)生膨脹。作用：對于瀝青與儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和瀝青作為填縫、密封材料是十分重要的數(shù)據(jù)，與瀝青路面的路用性能也有密切的關(guān)系，體膨脹系數(shù)越大，瀝青路面在夏季易泛油，冬季因收縮而產(chǎn)生裂縫。計(jì)算：瀝青的體膨脹系數(shù)可以通過測定不同溫度下的密度，由式（2-2）計(jì)算。(2-2)式中：A——瀝青的體膨脹系數(shù)；T1,T2——密度測試溫度，℃；DT1,DT2——分別為溫度T1和T2時(shí)的密度，g/cm3。3．介電常數(shù)概念：瀝青的介電常數(shù)與瀝青對氧、雨、紫外線等的耐候性（耐老化性）有關(guān)，介電常數(shù)定義為：英國道路研究所（TRRL）研究認(rèn)為，瀝青路面的抗滑阻力的改善與介電常數(shù)有關(guān)，因此英國標(biāo)準(zhǔn)對道路用瀝青介電常數(shù)提出了要求。

二、瀝青的路用性能1.粘滯性（1）瀝青粘滯性的定義粘滯性：是指瀝青材料在外力作用下瀝青粒子產(chǎn)生相互位移的抵抗剪切變形的能力。瀝青作為膠結(jié)材料，應(yīng)將松散的礦質(zhì)材料膠結(jié)為一整體而不產(chǎn)生位移。如圖2-7所示，在金屬板中夾一瀝青層，當(dāng)其受到簡單剪切變形時(shí)，瀝青在高溫時(shí)表現(xiàn)為牛頓流狀態(tài)，按牛頓粘度公式表征瀝青層抵抗移動(dòng)的抗力由式（2-3）表示。（2-3）式中：F——引起瀝青層移動(dòng)的力（亦即等于瀝青抵抗移動(dòng)的抗力），N；A——瀝青層的面積，m2；——速度變化梯度（即剪變率），s-1；——瀝青的內(nèi)摩阻系數(shù)（即瀝青的動(dòng)力粘度），pa·s。由于，代入式（2-3），瀝青的粘度由式（2-4）表示。（2-4）式中：——瀝青的動(dòng)力粘度，pa?s?！魬?yīng)力，N/m2；——剪變率，s-1。（2）瀝青粘度的測定方法瀝青的粘度隨溫度而變化，變化的幅度很大，因而需采用不同的儀器和方法來測定。為了確定瀝青60℃粘度分級，國際普遍采用真空減壓毛細(xì)管粘度計(jì)測定其動(dòng)力粘度（pa·s），還有布洛克菲爾德粘度計(jì)方法用以測定其表觀粘度。①毛細(xì)管法毛細(xì)管法是測定瀝青運(yùn)動(dòng)粘度的一種方法（JTJ052T0619——1993）該法是瀝青試樣在嚴(yán)密控溫條件下，于規(guī)定溫度（通常為135℃），通過選定型號的毛細(xì)管粘度計(jì)（通常采用的有坎-芬式，如圖2-8），流經(jīng)規(guī)定體積所需的時(shí)間（以s計(jì)），按式（2-7）計(jì)算運(yùn)動(dòng)粘度。（2－7）式中：——在溫度T℃時(shí)測定的瀝青運(yùn)動(dòng)粘度，mm2/s；c——粘度計(jì)標(biāo)定常數(shù)mm2/s2；t——瀝青流經(jīng)規(guī)定體積所需時(shí)間，s。②真空減壓毛細(xì)管法真空減壓毛細(xì)管法是測定瀝青動(dòng)力粘度的一種方法（JTJ052T0619—2000）。該法是瀝青試樣在嚴(yán)密控制的真空裝置內(nèi)，保持一定的溫度（通常為60℃），通過規(guī)定型號毛細(xì)管粘度計(jì)（通常采用的有美國瀝青學(xué)會(huì)式，即AI式，如圖2-9），流經(jīng)規(guī)定的體積所需要的時(shí)間（以s計(jì)），按式（2-8）計(jì)算動(dòng)力粘度。（2-8）式中：——在溫度T℃時(shí)測定的瀝青運(yùn)動(dòng)粘度，mm2/s；k——粘度計(jì)常數(shù)，pa·s；t——瀝青流經(jīng)規(guī)定體積時(shí)間,s。真空減壓毛細(xì)管法測定60℃瀝青粘度直接關(guān)聯(lián)瀝青路面的抗車轍能力，在各國得到較廣泛采用。此外，在測定瀝青軟化點(diǎn)附近的粘度常采用雙筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，錐板旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，在常溫條件下，較多采用滑板式粘度計(jì)。③布洛克菲爾德法（Brookfield）美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃（SHRP）在瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范中采用布洛克菲爾德法（Brookfield）粘度計(jì)測量道路瀝青在45℃以上溫度范圍內(nèi)的表觀粘度，以帕·秒（Pa·s）計(jì)，可以看成簡化的雙筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，見圖2-10。該法適用于測定牛頓流體或非牛頓流體的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比。試驗(yàn)方法：將少量瀝青樣品盛于恒溫控制的試樣筒中，轉(zhuǎn)子在瀝青試樣中轉(zhuǎn)動(dòng)，測定相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力所反映出來的扭矩。扭矩計(jì)讀數(shù)乘以儀器參數(shù)即可得到以Pa·s表示的瀝青的粘度。

上面這些測定粘度的方法，都是采用儀器為絕對粘度單位的粘度計(jì)，也可以稱為絕對粘度法。另一類則采用一些經(jīng)驗(yàn)的方法測定試驗(yàn)單位粘度，如恩格拉粘度計(jì)法，賽氏粘度計(jì)法。道路瀝青標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)法等。此外，針入度試驗(yàn)也可表征瀝青的相對粘度。下面對瀝青標(biāo)準(zhǔn)粘度針入度和軟化點(diǎn)等試驗(yàn)介紹如下。

④瀝青標(biāo)準(zhǔn)粘度試驗(yàn)概念：我國現(xiàn)行試驗(yàn)法（JTJ052T0621-93）規(guī)定液體石油瀝青、煤瀝青和乳化瀝青等的粘度，采用道路標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)法，試驗(yàn)?zāi)Ｊ揭妶D2-11。

試驗(yàn)方法：液體狀態(tài)的瀝青材料，在標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)中，于規(guī)定的溫度條件下，通過規(guī)定的流孔直徑，流出50ml體積所需的時(shí)間，以s計(jì)。試驗(yàn)條件：以GT,d表示，其中C表示粘度，腳標(biāo)表示試驗(yàn)條件，其中T表示試驗(yàn)溫度，d為流孔直徑。試驗(yàn)溫度和流孔直徑根據(jù)液體狀態(tài)瀝青的粘度選擇，常用的孔徑有3mm、4mm、5mm、10mm等四種。在相同溫度和相同流孔條件下，流出時(shí)間愈長，表示瀝青粘度愈大。其它國家多采用恩格拉粘度計(jì)法或賽波特粘度試驗(yàn)。⑤針入度法概念：是國際上普遍采用測定粘稠瀝青稠度的一種方法，也是劃分瀝青標(biāo)號采用的一項(xiàng)指標(biāo)。試驗(yàn)方法：是瀝青材料在規(guī)定的溫度條件下，以規(guī)定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)針經(jīng)過規(guī)定時(shí)間貫入瀝青式樣的深度，以0.1mm計(jì)。試驗(yàn)條件：針入度以Pt,m,t表示，P表示針入度，腳標(biāo)表示試驗(yàn)條件，其中T為試驗(yàn)溫度，m為標(biāo)準(zhǔn)針（包括連桿及砝碼）的質(zhì)量，t為貫入時(shí)間。我國現(xiàn)行試驗(yàn)法（T0604—93）規(guī)定：常用的試驗(yàn)條件為P25℃,100g,5s。此外，在計(jì)算針入度指數(shù)時(shí)，針入度試驗(yàn)溫度常為5℃，15℃，25℃35℃等，但標(biāo)準(zhǔn)針質(zhì)量和貫入時(shí)間仍為100g和5s。指標(biāo)特性：針入度值愈大，表示瀝青愈軟（稠度愈?。?。實(shí)質(zhì)上，針入度是測量瀝青稠度的一種指標(biāo)。通常稠度高的瀝青，其粘度亦高。⑥軟化點(diǎn)概念：瀝青材料是一種非晶質(zhì)高分子材料，它由液態(tài)凝結(jié)為固態(tài)，或由固態(tài)熔化為液態(tài)時(shí)，沒有明確的固化點(diǎn)或液化點(diǎn)，通常采用條件的硬化點(diǎn)和滴落點(diǎn)來表示，瀝青材料在硬化點(diǎn)至滴落點(diǎn)之間的溫度階段時(shí)，是一種粘滯流動(dòng)狀態(tài)，在工程實(shí)用中為保證瀝青不致由于溫度升高而產(chǎn)生流動(dòng)的狀態(tài)，因此，取滴落點(diǎn)和硬化點(diǎn)之間溫度間的87.21%作為軟化點(diǎn)。試驗(yàn)方法：軟化點(diǎn)的數(shù)值隨所采用的儀器不同而異，我國現(xiàn)行試驗(yàn)（T0604—93）是采用環(huán)與球法軟化點(diǎn)，見圖2-13。該法是瀝青試樣注于內(nèi)徑為18.9mm的銅環(huán)中，環(huán)上置一重3.5g的鋼球，在規(guī)定的加熱溫度（5℃/min）下進(jìn)行加熱，瀝青試樣逐漸軟化，直至在鋼球荷重作用下，使瀝青產(chǎn)生25.4mm垂度（即接觸底板）時(shí)的溫度，稱為軟化點(diǎn)，以℃計(jì)。指標(biāo)特性：研究認(rèn)為：多種瀝青在軟化點(diǎn)時(shí)的粘度約為1200Pa·s或相當(dāng)于針入度值為800（0.1mm）。軟化點(diǎn)試驗(yàn)實(shí)際上是測量瀝青在一定外力（鋼球）作用下開始產(chǎn)生流動(dòng)并達(dá)到一定變形時(shí)的溫度，可以認(rèn)為軟化點(diǎn)是一種人為的“等粘溫度”。由此可見，針入度是在規(guī)定溫度下測定瀝青的條件粘度，而軟化點(diǎn)則是瀝青達(dá)到規(guī)定條件粘度時(shí)的溫度。所以軟化點(diǎn)既是反映瀝青材料熱穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)，也是瀝青條件粘度的一種量度。2．瀝青的低溫性能瀝青的低溫性能與瀝青路面的低溫抗裂性有密切的關(guān)系，瀝青的低溫延性與低溫脆性是重要的性能，多以瀝青的低溫延度試驗(yàn)和脆點(diǎn)試驗(yàn)來表表征。（1）延性概念：瀝青的延性是指當(dāng)其受到外力的拉伸作用時(shí)，所能承受的塑性變形的總能力，是瀝青的內(nèi)聚力的衡量，通常是用延度作為條件延性指標(biāo)來表征。延度試驗(yàn)方法：將瀝青試樣制成8字形標(biāo)準(zhǔn)試件（最小斷面1cm2），在規(guī)定拉伸速度和規(guī)定溫度下拉斷時(shí)的長度，以cm計(jì)，稱為延度。瀝青的延度采用延度儀來測度，見圖2-14。我國國家標(biāo)準(zhǔn)（瀝青路面施工及驗(yàn)收規(guī)范）（GB50092—96）對重交通道路石油瀝青規(guī)定延度試驗(yàn)溫度采用15℃，對中、輕交通道路石油瀝青規(guī)定延度試驗(yàn)溫度為25℃，拉伸速度v=5±0.25cm/min。指標(biāo)特性：瀝青的延度與瀝青的流變特性、膠體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分等有密切的關(guān)系。研究表明，當(dāng)瀝青化學(xué)組分的不協(xié)調(diào)，膠體結(jié)構(gòu)的不均勻，含蠟量的增加時(shí)，都會(huì)使瀝青的延度值相對降低。有的研究指出，瀝青的延度試驗(yàn)與路面瀝青的拉伸狀態(tài)不符，延度試驗(yàn)試件尺寸太大，路面中的瀝青為薄膜狀態(tài)，曾設(shè)想采用“微延度”試驗(yàn)，但未能成功。（2）脆性概念：瀝青材料在低溫下受到瞬時(shí)荷載作用時(shí)，常表現(xiàn)為脆性破壞。脆點(diǎn)：是測量瀝青在低溫不引起破壞時(shí)的溫度。瀝青脆性的測定極為復(fù)雜，通常采用A·弗拉斯脆點(diǎn)試驗(yàn)方法可以求出瀝青達(dá)到臨界硬度發(fā)生開裂時(shí)的溫度作為條件脆性指標(biāo)。脆點(diǎn)試驗(yàn)的方法：（T0613—93）是將瀝青試樣0.4g在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的金屬片上攤成薄層，此金屬片置于有冷卻設(shè)備的脆點(diǎn)儀內(nèi)，搖動(dòng)脆點(diǎn)儀的曲柄，能使涂有瀝青薄膜的金屬片產(chǎn)生彎曲。隨著冷卻設(shè)備中致冷劑溫度以1℃/min的速度的降低，瀝青薄膜的溫度亦逐漸降低，當(dāng)降低至某一溫度時(shí)，瀝青薄膜在規(guī)定彎曲條件下產(chǎn)生斷裂時(shí)的溫度，即為瀝青的脆點(diǎn)。指標(biāo)特性：脆點(diǎn)實(shí)質(zhì)上反映瀝青由粘彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)閺棿囿w即玻璃態(tài)的溫度，即達(dá)到臨界硬度時(shí)發(fā)生脆裂的溫度，也意味著瀝青達(dá)到等勁度時(shí)的溫度，瀝青出現(xiàn)脆裂時(shí)的勁度約為2.1×109Pa。（3）彎曲梁流變試驗(yàn)（BBR）概念：一種能準(zhǔn)確評價(jià)瀝青勁度和蠕變速率的方法，即彎曲梁流變試驗(yàn)（BendingBeanRheome-ter簡稱BBR）。可采用瀝青模擬經(jīng)過施工的熱老化，先經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱RTFOT，再經(jīng)過壓力老化試驗(yàn)（PAV）模擬瀝青路面經(jīng)過5年的使用期老化。試驗(yàn)方法：在彎曲流變儀器（BBR）上進(jìn)行（見圖2-15）。彎曲流變儀應(yīng)用在工程上梁的理論來測量瀝青小梁試件在蠕變荷載作用下的勁度，用蠕變荷載模擬溫度下降時(shí)路面中可產(chǎn)生的應(yīng)力，試驗(yàn)曲線見圖2-16。通過試驗(yàn)獲得兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)：①蠕變勁度模量S（彎拉模量），要求不超過300MPa；如果瀝青材料的蠕變勁度太大，則呈現(xiàn)脆性，路面容易開裂，因此要求不超過300MPa。而表征瀝青低溫勁度時(shí)間變化率的m值越大，則瀝青開裂的可能性會(huì)隨之減少，即m值越大越好。②蠕變曲線的斜率要求不小于0.3。

（4）直接拉伸試驗(yàn)（DTT）概念：直接拉伸試驗(yàn)是SHRP為測試瀝青的拉伸性能而開發(fā)的，用以測試瀝青在低溫時(shí)的極限拉伸應(yīng)變。試驗(yàn)方法：試驗(yàn)溫度0~36℃，瀝青試件如啞鈴狀（見圖2-17），試件重約2g，兩端粗，中間細(xì)，長40mm，有效標(biāo)準(zhǔn)長度為27mm，截面積為36mm2。一只試件僅需3g瀝青，試驗(yàn)溫度為設(shè)計(jì)最低溫度以上10℃，拉伸速率為1mm/min，較延度試驗(yàn)（5cm/min）慢得多，測得的結(jié)果是試件拉斷時(shí)的荷載和伸長變形，試件的應(yīng)力和應(yīng)變由式（2-9）和式（2-10）計(jì)算。（2-9）（2-10）圖2-18示出了不同溫度下直接拉伸試驗(yàn)的破壞應(yīng)變及試驗(yàn)應(yīng)力關(guān)系圖，相應(yīng)于低溫狀態(tài)脆性破壞的試件的應(yīng)變通常不大于1%，因此SHRP規(guī)范要求直接拉伸試驗(yàn)的破壞應(yīng)變不得大于1%。

3．瀝青的感溫性概念：瀝青是復(fù)雜的膠體結(jié)構(gòu)，粘度隨溫度的不同而產(chǎn)生明顯的變化，這種粘度隨溫度變化的感應(yīng)性稱為感溫性。意義：對于路用瀝青，溫度和粘度的關(guān)系是極其重要的性能。瀝青混合料在施工過程中的拌和、攤鋪和碾壓以及鋪筑后的使用期間，都要求瀝青的粘度在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，否則將影響瀝青路面的質(zhì)量。評價(jià)參數(shù)：（1）針入度指數(shù)（PI）針入度指數(shù)（PI）：是應(yīng)用針入度和軟化點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果來表征瀝青感溫性的一種指標(biāo)。同時(shí)也可采用針入度指數(shù)值來判別瀝青的膠體結(jié)構(gòu)狀態(tài)。①針入度—溫度感應(yīng)性系數(shù)A瀝青的粘度隨溫度而變化，當(dāng)以對數(shù)縱坐標(biāo)表示針入度，以橫坐標(biāo)表示溫度時(shí)，可以得到圖2-19所示的直線關(guān)系，此關(guān)系由式（2-11）表示。1gP=AT+K（2-11）式中：P——瀝青的針入度，0.1mm；A——針入度—溫度感應(yīng)性系數(shù)，可由針入度和軟化點(diǎn)確定；K——回歸系數(shù)。

根據(jù)對多種瀝青的研究發(fā)現(xiàn)，瀝青在軟化點(diǎn)溫度時(shí)，針入度在600~1000之間，假定為800（0.1mm）。由此針入度—溫度感應(yīng)性系數(shù)A可由式（2-12）表示。（2-12）式中：P（25℃，100g,5s）——在25℃，100g,5s條件下測定的針入度值，0.1mm；TR&B——環(huán)球法測定的軟化點(diǎn)溫度，℃。由于軟化點(diǎn)溫度時(shí)的針入度常與800相距甚大，因此斜率A應(yīng)根據(jù)不同溫度的針入度值確定，常采用的溫度為15℃，25℃及30℃（或5℃），由式（2-13）計(jì)算。（2-13）通過回歸求取針入度—溫度感應(yīng)性系數(shù)A值，由3個(gè)溫度的針入度回歸的相關(guān)系數(shù)R應(yīng)在0.997以上，由4個(gè)溫度針入度回歸的系數(shù)應(yīng)不小于0.995，否則說明試驗(yàn)誤差過大，此試驗(yàn)結(jié)果不能采用。②針入度指數(shù)（PI）的確定普費(fèi)等人在制定針入度指數(shù)時(shí)，假定感溫性最小的瀝青其針入度指數(shù)（PI）為20，感溫性最大的瀝青為-10，在圖2-20中將軟化點(diǎn)從標(biāo)25與針入度坐標(biāo)800連成一線，將斜線劃成30等分，軟化點(diǎn)與針入度連線同斜率交點(diǎn)定為PI值。此PI值將斜線分為兩段，根據(jù)上式長度比，即為斜率A。由于A值很小，為使PI值在+20~-10之間，A值乘以50，得式（2-14），并由式（2-14）推導(dǎo)出針入度指數(shù)PI計(jì)算式（2-15）如下：（2-14）（2-15）按針入度指數(shù)可將瀝青劃分為三種膠體結(jié)構(gòu)類型：針入度指數(shù)值<-2者為溶膠型瀝青；針入度指數(shù)值>+2者為凝膠型瀝青；針入度指數(shù)值=-2~+2者為溶凝膠型瀝青；當(dāng)PI<-2時(shí)，瀝青的溫度敏感性強(qiáng)，當(dāng)PI>+2時(shí)有明顯的凝膠特征，耐久性差，一般認(rèn)為選用-1~+1的溶凝膠型瀝青適宜修筑瀝青路面。表2-3列出幾種瀝青采用3個(gè)溫度針入度測定的PI的計(jì)算結(jié)果。

③當(dāng)量軟化點(diǎn)T800與當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2當(dāng)量軟化點(diǎn)T80和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2分別定義為與瀝青針入度800和1.2對應(yīng)的溫度，它們可以代替軟化點(diǎn)和脆點(diǎn)映瀝青高溫性能和低溫性能。當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2分別由式（2-16）和式（2-17）計(jì)算：（2-16）(2-17)式中：A，K——意義同式（2-11）。當(dāng)量軟化點(diǎn)T800與當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2以及針入度指數(shù)PI也可以由殼牌諾謨圖2-21確定。具體方法為：測試瀝青在2個(gè)溫度T1和T2下的針入度P1和P2，在圖2-21中確定點(diǎn)A（T1、P1）和B（T2、P2）的位置，以直線連接AB兩點(diǎn)并延長，延長線與針入度800對應(yīng)的溫度為當(dāng)量軟化點(diǎn)T800，與針入度1.2對應(yīng)的溫度為當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2。將直線平等移動(dòng)至圖中的O點(diǎn)，與PI標(biāo)尺的交點(diǎn)為瀝青的針入度指數(shù)PI。

（2）針入度—溫度指數(shù)（PTI）針入度—溫度指數(shù)是根據(jù)不同溫度條件下的針入度值的比率來評價(jià)瀝青的感溫性。針入度—溫度指數(shù)由式（2-18）~（2-20）表達(dá)。（2-18）（2-19）（2-20）式中：P——為不同溫度、不同荷重、不同針入時(shí)間的針入度值。計(jì)算得出的PTI值越小表明瀝青的感溫性越小，即溫度穩(wěn)定性越好。（3）針入度—粘度指數(shù)（PVN）針入度指數(shù)值（PI）通常僅能表征低于軟化點(diǎn)溫度的瀝青感溫性，瀝青在道路使用中或在施工時(shí)，還需要了解高于軟化點(diǎn)溫度時(shí)的瀝青的感溫性。N·W·麥克里奧德（Mcleod）提出了“針入度—粘度指數(shù)”（PVNPVN）法。該法是應(yīng)用瀝青25℃時(shí)的針入度值和135℃（或60℃）時(shí)的粘度值與溫度的關(guān)系來計(jì)算瀝青感溫性的方法。①PVN；已知25℃時(shí)的針入度值P（1/10mm）和135℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度值v（mm2/s）時(shí)，按式（2-21）計(jì)算針入度—粘度指數(shù)。（2-21）②PVN2已知25℃時(shí)針入度值P（0.1MM）和60℃絕對粘度（Pa·s）時(shí)，可按式（2-22）計(jì)算針入度—粘度指數(shù)。（2-22）針入度—粘度指數(shù)愈大，表示瀝青的感溫性愈低。根據(jù)麥克里奧德公式計(jì)算所得的針入度—粘度指數(shù)值，可按表2-4進(jìn)行感溫性評價(jià)。第三章瀝青混合料

學(xué)習(xí)的目的與任務(wù)：本章應(yīng)掌握熱拌瀝青混合料的組成結(jié)構(gòu)、體積特征參數(shù)、強(qiáng)度形成原理及其影響因素，熟練掌握瀝青混合料的路用性能、影響路用性能的因素和評價(jià)方法，特別要重點(diǎn)把握普通熱拌瀝青混合料的組成設(shè)計(jì)方法（包括組成材料的選擇、礦料配合比設(shè)計(jì)和最佳瀝青用量確定方法），了解其他瀝青混合料（如SMA、常溫瀝青混合料和橋面鋪裝等）的技術(shù)特點(diǎn)、組成材料及配合比設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和基本要求。計(jì)劃課時(shí)與上課手段：本章計(jì)劃用8~10個(gè)課時(shí)。以課堂授課、習(xí)題練習(xí)和試驗(yàn)室操作相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)，其中課堂教學(xué)8學(xué)時(shí)。第一節(jié)瀝青混合料的技術(shù)性質(zhì)課程導(dǎo)入：從什么是瀝青路面和瀝青路面的優(yōu)缺點(diǎn)入手，引入什么是瀝青混合料的概念，及瀝青混合料的組成、結(jié)構(gòu)、施工等與瀝青混合料路用性能之間的關(guān)系，提出本節(jié)課應(yīng)掌握的內(nèi)容。一、概述1.瀝青路面的分類和優(yōu)缺點(diǎn)（1）瀝青路面：所有以瀝青結(jié)合料來粘結(jié)礦料鋪筑而成的不同路面結(jié)構(gòu)，均為瀝青路面。（2）瀝青路面分類：主要有瀝青表面處治、瀝青貫入式、瀝青碎石、瀝青混凝土等路面結(jié)構(gòu)形式。瀝青表處和瀝青貫入式屬于次高級路面，礦料級配沒有嚴(yán)格要求，一般以現(xiàn)場進(jìn)行礦料攤鋪并灑熱瀝青后進(jìn)行碾壓成型的。瀝青碎石屬于次高級路面，有廠拌和路拌之分，前者質(zhì)量與性能穩(wěn)定。瀝青碎石中礦料級配有一定要求，但沒有瀝青混凝土的嚴(yán)格，其中沒有或較少使用礦粉，孔隙率較大。瀝青混凝土組成特點(diǎn)是：級配要求嚴(yán)格、使用礦粉（填料）較多、一般拌和要求嚴(yán)格（廠拌）。其級配有連續(xù)級配、間斷級配之分，近年來瀝青路面中出現(xiàn)了許多新的結(jié)構(gòu)形式：如SMA、OGFC、SUPERPAVE等。本課程主要介紹常規(guī)瀝青混合料的性能、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度特性和配合比設(shè)計(jì)等。（3）瀝青路面的優(yōu)缺點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：①優(yōu)良的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和表面功能特性：一般瀝青路面均具有良好的受力特性；路面平整、無裂縫或接縫、柔韌舒適、貨物損失率低、噪音小等優(yōu)點(diǎn)②表面抗滑性能好：瀝青路面既平整、表面又粗糙，有一定的粗、細(xì)紋理構(gòu)造，能保證車輛高速安全行駛③施工方便：瀝青路面可以集中拌和（廠拌）、機(jī)械化施工（攤鋪、碾壓等），完全可以實(shí)現(xiàn)大面積施工，質(zhì)量能夠得以保障，開放交通早④經(jīng)濟(jì)耐久性好：與水泥路面相比，瀝青路面一次性投資要低得多，但其使用壽命一般在高速公路和機(jī)場到面中以15年計(jì)，實(shí)際使用中只要施工質(zhì)量好、養(yǎng)護(hù)保養(yǎng)及時(shí)有的可以使用20年⑤便于再生利用：瀝青再生利用已成為發(fā)達(dá)國家一項(xiàng)熱門的可持續(xù)發(fā)展和能源再生利用的新型課題，我國目前也在進(jìn)行這方面的研究和技術(shù)開發(fā)；可以有利于分期修建⑥其它，如抗震性好、日照下不反射引起眩光、晴天無揚(yáng)塵、雨后不泥濘等主要缺點(diǎn)：①瀝青易老化：瀝青是多組分有機(jī)材料，隨著使用期的延長，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)和組成成分發(fā)生變化，使瀝青粘性變差、塑性降低、瀝青路面易表面松散、整體性降低，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞；一般可以添加抗老化劑，如添加碳黑可以起到抗氧化的作用，增強(qiáng)瀝青的老化特性，還有其他材料如阻酚類、氨基甲酸酯類、鈣鹽、胺類等，但研究不成熟。②溫度敏感性較差：夏季高溫易流淌，高溫穩(wěn)定性差；低溫易發(fā)脆，抗裂性能差?？刹捎脙?yōu)質(zhì)瀝青或采取改性措施等。2.瀝青混合料的分類瀝青混合料一般是由礦質(zhì)混合料（包含粗、細(xì)集料，礦粉）和瀝青組成，有時(shí)還有外加劑，其性能好壞與其組成材料有關(guān)。通常根據(jù)瀝青混合料中材料的組成特性、施工的方式等瀝青混合料有以下幾種分類方法：（1）根據(jù)礦質(zhì)混合料的級配類型進(jìn)行劃分礦料由適當(dāng)比例的粗集料、細(xì)集料和填料組成，根據(jù)礦料級配組成的特點(diǎn)及壓實(shí)后剩余空隙率的大小，可以將瀝青混合料分為以下幾類：①

連續(xù)密級配瀝青混凝土混合料特點(diǎn)：級配為連續(xù)密級配，空隙率較低。主要代表瀝青混合料有：DAC和ATB類。前者設(shè)計(jì)空隙率通常為3%~6%，具體應(yīng)根據(jù)不同的交通類型、氣候特點(diǎn)而定，可見P110頁表3-16所示，可適用于任何面層結(jié)構(gòu)；后者設(shè)計(jì)空隙率也為3%～6%，但粒徑為粗粒式及特粗式，一般稱為密級配瀝青穩(wěn)定碎石混合料（ATB），主要適用于基層。②

連續(xù)半開級配瀝青混合料特點(diǎn)：空隙率較大，一般采用10％左右，粗細(xì)集料含量相對密級配要多，填料較少或不加填料主要代表混合料：瀝青碎石混合料AM，適用于三級及三級以下公路、鄉(xiāng)村公路，此時(shí)表面應(yīng)設(shè)置致密的上封層。③開級配瀝青混合料特點(diǎn)：礦料級配主要由粗集料組成，細(xì)集料和填料較少；瀝青結(jié)合料粘度要求較高。