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(jī)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(jī)場(chǎng)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(xué)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(chē)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

第七章瀝青及瀝青混合料

瀝青是高分子碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌锝M成的極其復(fù)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(jī)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(yè)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(dòng)性。

2．樹(shù)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(diǎn)等.

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（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(duì)瀝青工程性質(zhì)的影響。瀝青各組分相對(duì)含量的多少?zèng)Q定了瀝青的性能。若飽和分適量，且芳香分含量較高時(shí)，瀝青通常表現(xiàn)為較強(qiáng)的可塑性與穩(wěn)定性；當(dāng)飽和分含量較高時(shí)，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(lái)越好，但其施工時(shí)的可塑性卻越來(lái)越差。

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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(duì)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(biāo)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小；反之，溫度敏感性越大。石油瀝青的溫度敏感性常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是軟化點(diǎn)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(shí)，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(lái)減小瀝青的溫度敏感性。

第七章瀝青及瀝青混合料

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(shí)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(shù)脂含量較多，而其他組分含量又適當(dāng)時(shí)，則瀝青延展性較大。當(dāng)瀝青化學(xué)組分不協(xié)調(diào)，膠體結(jié)構(gòu)不均勻，含蠟量增加時(shí)，都會(huì)使瀝青的延度相對(duì)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(píng)價(jià)瀝青技術(shù)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。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(jí)共分5個(gè)等級(jí)，5級(jí)最好，1級(jí)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(yáng)光、氧氣和潮濕等因素的長(zhǎng)時(shí)期綜合作用下抵抗老化的性能。大氣穩(wěn)定性的評(píng)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(lái)評(píng)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(qiáng)，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(shí)必須加熱，但是當(dāng)加熱達(dá)到一定溫度時(shí)，石油瀝青中的油分就會(huì)揮發(fā)。若加熱達(dá)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(guò)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(kāi)始燃燒，從而引發(fā)火災(zāi)。閃點(diǎn)和燃點(diǎn)是保證瀝青加熱質(zhì)量和施工安全的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

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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(biāo)劃分為40號(hào)、30號(hào)和10號(hào)三個(gè)標(biāo)號(hào)。

建筑石油瀝青針入度較?。ㄕ承暂^大），軟化點(diǎn)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(hào)、130號(hào)、110號(hào)、90號(hào)、70號(hào)、50號(hào)、30號(hào)等7個(gè)標(biāo)號(hào)。道路石油瀝青等級(jí)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(jí)和交通特點(diǎn)再將瀝青劃分為1～3個(gè)不同的針入度等級(jí)；同時(shí)，按照技術(shù)指標(biāo)將瀝青分為A、B、C三個(gè)等級(jí)，分別適用于不同范圍工程，由A至C，質(zhì)量級(jí)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(gè)等級(jí)。快凝液體瀝青按粘度分為AL(R)-1和AL(R)-2兩個(gè)標(biāo)號(hào)，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(gè)標(biāo)號(hào)。

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(shí)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(yīng)由試驗(yàn)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(guò)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(diǎn)，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(diǎn)。橡膠改性瀝青克服了傳統(tǒng)瀝青材料熱淌冷脆的缺點(diǎn)，提高了瀝青材料的強(qiáng)度和耐老化性。。

第七章瀝青及瀝青混合料（二）改性瀝青

3.樹(shù)脂改性瀝青在瀝青中摻入適量的樹(shù)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(shù)脂和石油瀝青的相容性較差，而且可利用的樹(shù)脂品種也較少，常用的樹(shù)脂改性材料有古馬隆樹(shù)脂、聚乙烯、聚丙烯等。

4.橡膠和樹(shù)脂改性瀝青在瀝青材料中同時(shí)摻入橡膠和樹(shù)脂，使瀝青同時(shí)具有橡膠和樹(shù)脂的特性。且樹(shù)脂比橡膠便宜，橡膠和樹(shù)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(jī)理為：瀝青中摻加礦物填充料后，由于瀝青對(duì)礦物填充料有良好的潤(rùn)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(dāng)，以形成恰當(dāng)?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?yàn)r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(diǎn)有：冷態(tài)施工，節(jié)約能源；施工便利，節(jié)約瀝青；保護(hù)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(guò)長(zhǎng)（一般不超過(guò)三個(gè)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(guò)快，乳化瀝青結(jié)膜快，會(huì)導(dǎo)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(diǎn)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(shí)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(shí)，再加入余下的溶劑攪拌均勻?yàn)橹?。?chǔ)存時(shí)應(yīng)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(bǔ)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(jí)配組成分類

（1）連續(xù)密級(jí)配瀝青混凝土混合料（2）連續(xù)半開(kāi)級(jí)配瀝青混合料（3）開(kāi)級(jí)配瀝青混合料（4）間斷級(jí)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(xì)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(shí)結(jié)構(gòu)

2.骨架空隙結(jié)構(gòu)

3.骨架密實(shí)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(qiáng)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(shí)由于抗剪強(qiáng)度不足或塑性變形過(guò)剩而產(chǎn)生推擠等現(xiàn)象以及低溫時(shí)抗拉強(qiáng)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(qiáng)度和穩(wěn)定性理論，主要是要求瀝青混合料在高溫時(shí)必須具有一定的抗剪強(qiáng)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(guó)城市道路瀝青路面設(shè)計(jì)方法中，對(duì)瀝青路面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算，要求在瀝青路面面層破裂面上可能產(chǎn)生的應(yīng)力不大于瀝青混合料的許用剪應(yīng)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(shí)過(guò)程中猶如潤(rùn)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(shí)后形成的瀝青混凝土具有一定的強(qiáng)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(jí)公路對(duì)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(shí)，可對(duì)集料摻入消石灰、水泥或石灰水處理或摻加耐水耐熱和長(zhǎng)期性能好的抗剝落劑。

3.細(xì)集料

瀝青路面的細(xì)集料包括天然砂、機(jī)制砂和石屑。它應(yīng)潔凈干燥、無(wú)雜質(zhì)并有適當(dāng)顆粒級(jí)配，并且與瀝青具有良好的粘結(jié)力。對(duì)于高等級(jí)公路的面層或抗滑表層，石屑的用量不宜超過(guò)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(jí)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(qiáng)堿性巖石等憎水性石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉，原石料中的泥土雜質(zhì)應(yīng)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(qiáng)度的因素

1.礦料的形狀和級(jí)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(chē)轍試驗(yàn)

（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(shè)計(jì)

瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)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(jí)配設(shè)計(jì)和最佳瀝青用量確定。包括目標(biāo)配合比（實(shí)驗(yàn)室配合比）設(shè)計(jì)、生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)和試拌試鋪配合比調(diào)整三個(gè)階段。本節(jié)著重介紹國(guó)內(nèi)常用的馬歇爾設(shè)計(jì)法用于分析熱拌瀝青混合料的具體過(guò)程。

第七章瀝青及瀝青混合料

（一）實(shí)驗(yàn)室配合比（目標(biāo)配合比）設(shè)計(jì)

1.礦質(zhì)混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

2.確定混合料的最佳瀝青用量

3.馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析

4.水穩(wěn)定性檢驗(yàn)

5.抗車(chē)轍能力檢驗(yàn)

6.低溫抗裂性能檢驗(yàn)

7.鋼渣活性檢驗(yàn)

第七章瀝青及瀝青混合料

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