第九章 沥青与沥青混合料特性

第九章沥青与沥青混合料特性第一节概述第二节沥青材料性能及试验第三节沥青混合料性能试验第四节沥青混合料配合比设计第五节沥青与沥青混合料新技术第一节概述沥青混凝土是由沥青结料和集料胶结在一起组成的路面材料，胶结料可以是普通沥青，也可以是改性沥青。一沥青胶结料的性能①温度敏感性；②黏弹特性；③老化特性。二矿料的性能分类：天然集料和加工集料①黏聚力和内摩擦角；②抗剪强度；③体积受力膨胀特性；④压碎面比例。三沥青混合料的性能①永久变形；原因：一是作用在土基、底基层、基层和沥青表层的重复应力较大，二是路面面层在重复荷载的作用下的累计变形。②疲劳开裂；③低温开裂。低温开裂主要是因为低温时路面的收缩变形引起。由于路面收缩，路面内出现拉应力，在路面的特点位置，路面的拉应力超过了材料的抗拉强度，路面就出现了开裂。一般路面的低温开裂出现在温度的单一循环中，也有人认为是路面的温度疲劳引起的。第二节沥青材料性能及试验沥青的化学组成方法①三组分法：沥青质；树脂；油分（该方法特点是各组分界限明确）②四组分法：饱和分；芳香分；胶质；沥青质（该方法特点是试验速度快、组分与沥青结构关系密切，但试验操作要求高）③五组分法：沥青质；氮基；第一酸性分；第二酸性分；链烷分。沥青的胶体组成：溶胶、溶-凝胶、凝胶。优质路用沥青应该是化学组分比例适当，含蜡量少，化学结构环数多，胶体结构是溶-凝胶结构。沥青的技术性能1.黏性沥青分子黏聚性的表达式为：2.黏附性测定方法：真空饱水马歇尔残留稳定度试验；静态浸水法；水煮法；光电分光度。3.耐久性测定方法：室内加速老化试验；自然老化试验；薄膜烘箱试验。=式中：剪应力剪切变形速度黏聚性4.感温性5.延性6.脆性一般用弗拉斯脆点仪量测。石油沥青基本试验1.针入度试验针入度试验用以测定沥青的稠度。试验是将一根已知荷重为100g的规定尺寸的针，在固定温度25摄氏度及贯入时间为5S的情况下，垂直地插入试样。试针插入的深度以dmm(0.1mm)为单位，即称针入度。2.软化点试验试验将沥青试样放在黄铜环内，上面放置3.5g的钢球；然后浸悬于水或甘油中，试样软化点不超过80摄氏度可用水，试样软化点高于80摄氏度则用甘油。以每分钟5摄氏度的速度加热，试样受热软化逐渐变形和钢球一起通过铜环往下沉。当沥青和钢球接触到距离环以下25.4mm的底板时，记录水的温度。本实验要重复做两次，把平均值作为记录。如果两次测定值的差值超过1摄氏度，试验必须重做。所记录的温度称为沥青的软化点。3.弗拉斯脆点试验弗拉斯脆点试验是把一块41mm×20mm的钢片涂上一层0.5mm厚的沥青薄膜，使其缓慢地反复弯曲。钢片的温度按每分钟1摄氏度的速度下降直到沥青达到出现裂纹的临界硬度，试样开裂时的温度称为脆点。4.黏度黏度是沥青性能的基本特征，可用于鉴定它在已知温度和一定温度范围内的性能。动力黏度：动力粘度也被称为动态粘度、绝对粘度或简单粘度，定义为应力与应变速率之比，其数值上等于面积为1㎡相距1m的两平板，以1m/s的速度作相对运动时，因之间存在的流体互相作用所产生的内摩擦力。运动粘度：运动黏度即流体的动力粘度与同温度下该流体密度ρ之比。单位为(m^2)/s。用小写字母v表示。沥青运动黏度与动力黏度可由下列公式转换：5.温度敏感性-针入度指数=动力黏度运动黏度质量密度11lglglg80020-5010RBPATKPPIAATTPI＆其中：国外沥青指标体系1.SHPR沥青性能规范1987年美国国会的“地面运输和城市再布置援助法案(STURAA)”正式通过并启动了美国公路战略研究计划(SHRP)，这是一项5年产品为导向的重点在沥青、路面性能、混凝土与结构和公路运输4个领域的研究计划。项目的目标是为21世纪准备更好的公路技术，使公路更安全、更耐久。因为在20世纪80年代末期公路的科研投入已跌入低谷，需要有一个强有力的科研计划来促进产生重大的技术突破。SHRP计划于1993年结束，沥青和路面性能两个领域取得了丰硕的成果，作为沥青的主要研究成果，Superpave技术的沥青性能规范和混合料设计均已被AASHTO采纳，已成为美国沥青路面的常规实践。经过20年的长期观测，路面长期性能数据库已为全世界公路工作者可以共同享用。SHRP沥青混合料设计方法分为Ⅰ级设计(混合料体积设计)、Ⅱ级设计(中级路面性能的混合料设计)、Ⅲ级设计(高级路面性能的混合料设计)。◎2.加拿大沥青新标准加拿大著名学者Mcleod长期以来对沥青的性能做了深入的研究，在以针入度指数PI作为温度敏感性的指标的基础上，又提出了针入度黏度指数PVN指标。1990年8月终于形成了国际上第一个以温度敏感性为主要指标的沥青新标准。3.欧洲CEN沥青新标准继美国SHRP之后，欧洲也开始了他们的公路战略研究计划。他们认为Superpave建立在路用性能基础的规范提出了一个很好的方法，特别是对改性沥青。CEN技术委员会经过多次修改，提出了一个仍然属于经验性的沥青结合料标准建议的最终稿CEN12591，各项指标仍采用常规指标，并按稠度将道路沥青分为3个类型。其中第一类为常用的道路沥青，以25摄氏度针入度为分级指标，其2000年最终建议稿如下表所示。接上表：4.澳大利亚沥青标准澳大利亚自1970年起采用稠度作为沥青的分级指标，之后经过多次修改，修改的主要内容是结合工程提出主要的沥青指标，并进行深入研究，而不是照顾到全面，所以沥青分级很简单，主要考察指标是60摄氏度和135摄氏度稠度、针入度、闪点和老化。我国沥青指标我国道路石油沥青目前仍采用针入度指标对沥青进行等级划分，沥青等级划分除了根据针入度的大小以外，还要以沥青路面使用的气候条件为依据，在同一气候分区内根据道路等级和交通特点，并根据我国的沥青使用和生产水平将沥青划分为A、B、C三个不同的等级。道路石油沥青适用范围如下表。在沥青性能评价指标中仍以传统的三大指标为主，同时加入了针入度指数、60摄氏度黏度及10摄氏度延度等指标；在沥青的选用上，提出了以公路所在气候分区为标准的沥青选用原则。◎沥青的黏弹性分析1.黏性①在交通荷载的作用下，随着车辆速度的增加，沥青黏结料将提供更高的抵抗变形能力。相反，随着速度的降低，黏结料提供的抗变形能力将随之降低。静止荷载将使沥青黏结料抵抗变形的能力处于最小状态。②在抵抗变形期间，黏度的增加将有助于提高沥青黏结料抗变形的能力。③在较小的剪切位移内，位移将基本不影响稠度的数值。2.弹性在交通荷载的作用下，只要不是长时间的作用，则抵抗力会使这些聚合物材料仍然恢复至初始状态，即材料不发生松弛的情况。但在实际情况下，弹性对永久变形产生的作用远远小于黏性，因此，一般情况下应不予考虑。3.黏弹性改性沥青在体现沥青黏弹性特点中具有更好的代表性，随着剪切位移的增加，稠度有继续增加的趋势，这说明改性沥青的稠度是由黏性和弹性两个部分组成的，两者的叠加才是完全的稠度。第三节沥青混合料性能及试验一沥青混合料的应力-应变特性1.应力-应变关系通过沥青混合料三轴试验，在固定应力作用下，可得到应变和应力作用时间的曲线。由曲线可知，沥青混合料在受力较小时，特别是受荷时间短促时，基本处于弹性状态并兼有黏弹性的性质。在应力足够大时，除有瞬时弹性应变和滞后弹性应变而成为塑性应变。这说明沥青混合料受荷达到一定值，特别是受荷时间又较长时，不仅出现弹性应变，而且有随时间而发展的塑性应变。2.劲度反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力-应变关系的参数，称为劲度S，也即：温度和加载时间对劲度影响的这一互换性，是沥青材料的一个重要性质。利用这一性质，可以通过采用变换试验温度的方法，把在有限时间范围内得到的试验结果扩大到很长的时段。,(),tTStT式中：加荷时间和温度VanderPoel对47种不同流变类型的沥青材料在较宽的加载时间和温度范围内做了大量试验，得出了能预估不同加荷时间和温度下沥青劲度的诺模图（见书图9-24）此图根据影响沥青劲度的三项参数查用：1.加荷时间；2.温度T同沥青材料软化点SP的差值；3.针入度指数，并由下式确定。注意：大部分道路用沥青的PI值变化在-1~+1之间。PI越小，沥青材料的温度敏感性越高。煤沥青的PI值可低至-3，比绝大部分沥青更容易受到温度变化的影响。1951.4500lg2050lg120.14ppPSPIPS3.泊松比当温度低时，泊松比低；当温度高时，泊松比高，平均处于0.25~0.50范围内，可根据面层的温度条件取用。二沥青混凝土的疲劳特性试验方法和疲劳方程控制应力试验是在试验过程中保持荷载或应力值始终不变。这时，由于试件内的微裂隙逐步扩展，材料的劲度也在不断下降，因而荷载或应力虽然未变，但应变量的增长速率还在不断增大。控制应变是在试验过程中不断调节所施加的荷载或应力，使应变量始终保持不变，由于在试验中材料的劲度不断下降，维持相同应变量所需要的应力值也不断减小，因而，在前一种试验中材料的疲劳破坏往往以试件出现断裂为标志，而后一种试验并不出现明显的疲劳破坏现象，只有主观地以劲度下降到初始劲度的某一百分率作为疲劳破坏的统一标准。采用控制应力试验得到一回归方程来估计材料的疲劳寿命：将控制应力值通过劲度转换成初始应变，以此代替应力坐标，则不同试验温度下得到的疲劳曲线可以重合在一起，由此得：采用控制应变的试验方法，也可以得到上述方程相似的疲劳方程，但从几个不同试验温度下的疲劳曲线可以看出，它们具有同控制应力试验相反的规律，即随着温度的升高，材料的疲劳寿命反而增加。三变形累计特性1f11()CNK2f211CNK当沥青稠度较低、加载时间长或温度较高时，沥青混合料表现为黏-弹-塑性体，应力重复作用下将会出现较大数量的累计变形。试验方法：静态蠕变试验、三轴压缩试验。密实型沥青碎石混合料经受三轴试验的结果表面，塑性应变量随重复作用次数而增加，温度越高，塑性应变累积量越大。许多试验结果表面，在同一温度条件下，控制累计应变量是总加荷时间，而不是重复作用次数，加荷频率以及应力循环间的停歇时间对累计应变-时间关系的影响都不大。影响因素：温度、作用应力大小、加荷时间、集料、压实方法、侧限应力等。四强度特性一、沥青混合料强度特性表征沥青混合料的力学强度参数有：抗压强度、抗剪强度和抗拉（包括弯拉）强度。沥青路面破坏：1)拉裂，2)滑移开始而逐渐扩展1.抗剪强度摩尔强度理论，材料的抗剪强度包括摩擦阻力和粘结力两部分组成材料在外力作用下不产生剪切破坏条件为：c和φ是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过直接剪切试验，三轴试验或拉、压试验确定。tgctgcmax沥青混合料的抗剪强度不仅同矿料的级配组成、形状和表面特性有关，也同沥青的粘度和用量有关，还与试验温度、加荷速率等因素有关。粘结力取决于：(1)沥青的粘度：粘度越高（针入度越小）混合料受剪时的粘滞阻力就越大，粘结力也越大(2)沥青用量：用量过少时，不足以裹敷矿质颗粒；过多时，沥青会将矿料挤开；都会使粘结力降低。存在最佳沥青用量，使粘结力达到最大。(3)温度和剪切速率：沥青的粘度受温度和应力作用时间影响大。随温度升高和剪切速率的下降，混合料的粘结力下降(4)细料：细料（特别是矿粉）含量增多，有棱角的集料增多，矿粉同沥青的吸附性好等因素，有助于提高粘结力。混合料中的矿质粒料因有沥青涂敷，其摩阻力比纯粒料有所下降。沥青含量越多，摩擦角下降越甚。集料级配良好、富有棱角时，有助于增加摩擦角。2.抗拉强度抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供直接拉伸试验：是将混合料制成圆柱形试件，试件两端粘结在有球形铰结的金属盖帽上，通过安装在试件上的变形传感器，测定试件在各级拉应力下的应变值。间接拉伸试验即劈裂试验，是将混合料制成圆柱形试件，直径为D，高度