热拌合沥青混合料.doc

热拌沥青混合料热拌沥青混合料是经人工组配的矿料与沥青在专门设备中加热拌和而成，用保温运输工具运至施工现场，在热态下进行摊铺和压实的混合料。通常将热拌热铺沥青混合料简称为“热拌沥青混合料”。热拌沥青混合料是沥青混合料中最典型的品种，其他各种沥青混合料均由其发展而来的品种。沥青混合料是一种复合材料，是由沥青、粗集料、细集料、填料等矿料与沥青结合料拌和而成的混合料。由于组成材料质量的差异和数量的多寡，可形成不同的组成结构，并表现为不同的力学性能。我国的现行国家标准规定如表10-9所示。该标准按交通性质可分为： 高速公路、一级公路、城市快速路、主干路； 其他等级公路和城市道路； 行人道路。各等级道路对马歇尔试验指标（包括稳定度、流值、空隙率、沥青饱和度及残留稳定度等）提出不同要求。而对不同组成结构的混合料（如沥青混合料或沥青碎石混合料；型沥青混凝土和型沥青混凝土等）按类别分别提出不同的要求。这是我国近年科学研究和实践经验的总结，对我国沥青混合料的生产、应用都有指导意义。表面理论：按传统的理解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，在其表面分布着沥青结合料，将他们胶结成为一个具有强度的整体。胶浆理论：近代某些研究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，分散在沥青砂浆介质中的一种粗分散系；同样，沥青砂浆是以细集料为分散相，分散在沥青胶浆介质中的一种细分散系；沥青胶浆是以填料为分散相，分散在沥青介质中的一种微分散系。该分散系以沥青胶浆最为重要，它的组成结构决定沥青混合料的高温稳定性和低温变形能力。目前这一理论比较集中于研究填料（矿粉）的矿物成分、填料的级配（以0.080mm为最大粒径）以及沥青与填料的交互作用等因素对于混合料性能的影响等。同时这一理论的研究比较强调采用高稠度的沥青和大的沥青用量，以及采用间断级配的矿料。悬浮密实结构：当连续型密级配矿料（如图10-12中曲线a）与沥青组成沥青混合料时，按粒子干涉理论，为避免次级集料对前级集料密排的干涉，前级集料之间必须留出比次级集料粒径稍大的空隙供次级集料排布。按此组成的沥青混合料，经过多级密垛虽然可以获得很大的密实度，但是各级集料均为次级集料所隔开，不能直接靠拢而形成骨架，有如悬浮于次级集料及沥青胶浆之间，其结构组成示意如图（10-13中a）。这种结构的沥青混合料虽然具有较高的粘聚力c，但摩擦角 较低，因此高温稳定性较差。骨架空隙结构：当连续型开级配矿料（如图10-12中曲线b）与沥青组成沥青混合料时，由于这种矿料递减系数较大，粗集料所占的比例较高，细集料则很少，甚至没有。按此组成的沥青混合料，粗集料可以互相靠拢形成骨架，但由于细集料数量过少，不足以填满粗集料之间的空隙，因此形成“骨架-空隙”结构（如10-13中b）。这种结构的沥青混合料，虽然具有较高的内摩擦角 ，但粘聚力c较低。密实骨架结构：当间断型密级配矿质混合料（如图图10-12中曲线c）与沥青组成沥青混合料时，由于这种矿料没有中间尺寸粒径的集料，即较多数量的粗集料可形成空间骨架，同时有相当数量的细集料可填充骨架的空隙，因此形成“密实骨架”结构（如10-13中c）。这种结构的沥青混合料，不仅具有较高的粘聚力c，而且具有较高的内摩擦角。沥青混合料抗剪强度的材料参数，沥青混合料在路面结构中破坏，主要是在高温时由于抗剪强度不足或塑性变形过剩而产生推挤等，以及低温时抗拉强度不足或变形能力较差而产生裂缝。目前沥青混合料的强度和稳定性理论，主要是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。设计时为了防止沥青路面产生高温剪切破坏，在验算沥青混凝土路面抗剪强度时，要求沥青混合料的许用剪切应力应大于或等于沥青混凝土破裂面上可能发生的剪应力。即：（10-12）而沥青混合料的许用剪应力R取决于沥青混合料的抗剪强度，即：（10-13）式中K2为系数（即沥青混合料许用应力与实际强度的比值）。沥青混合料的抗剪强度，可通过三轴试验方法应用莫尔一库仑包络线，如图10-14所示，方程按式（10-12）求得：（10-14）式中：沥青混合料的抗剪强度（MPa）；正应力（MPa）；c沥青混合料的粘聚力（MPa）； 沥青混合料的内摩擦角。由式（10-14）可知，沥青混合料的抗剪强度主要取决于粘聚力c和内摩擦角两个参数，即：（10-14'）沥青粘度的影响：沥青混凝土作为一个具有多级空间网络结构的分散系，从最细一级网络结构来看，它是各种矿质集料分散在沥青中的分散系，因此它的抗剪强度与分散相浓度和分散介质粘度有着密切的关系。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。由于沥青粘度的原因，沥青内部沥青胶团相互位移时，其分散介质具有抵抗剪切作用，所以沥青混合料受到剪切作用，特别是受到短暂的瞬时荷载时，具有高粘度的沥青能赋予沥青混合料较大的粘滞阻力，具有较高的抗剪强度。沥青与矿料化学性质的影响：沥青混合料中，对沥青与矿料交互作用的物理化学过程，多年来许多学者曾做了大量研究工作。JI.A.列宾捷尔等研究认为：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0的扩散溶剂化膜，如图10-15a所示。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”。如果矿粉颗粒之间接触处是由结构沥青膜所联结，如10-15b所示，这样促成沥青具有更高的粘度和更大的扩散溶化膜的接触面积，因而可以获得更大的粘聚力。反之，如颗粒之间接触处是自由沥青所联结，如10-15c所示，则具有较小的粘聚力。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。H.M.鲍尔雪曾采用紫外线分析法对两种最典型的矿粉进行研究，在石灰石粉和石英石粉的表面上形成一层吸附溶化膜，如图10-16所示。研究认为，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发育较好的吸附溶化膜；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。矿料比表面积的影响：由前述沥青与矿粉交互作用的原理可知，结构沥青的形成主要是由于矿料与沥青的交互作用，而引起沥青化学组分在矿料表面的重分布。所以在相同的沥青用量条件下，与沥青产生交互作用的矿料表面积愈大，形成的沥青膜愈薄，在沥青中结构沥青所占的比率愈大，因而沥青混合料的粘聚力也愈高。在沥青混合料中矿粉用量虽只占7%左右，但其表面积却占矿料总表面积的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。为增加沥青与矿料物理化学作用的表面积，在沥青混合料配料时，必须有适量的矿粉；提高矿粉细度可增加矿粉比表面积，所以对矿粉细度也有一定的要求。希望小于0.075mm粒径的矿粉含量不宜过少；但是小于0.005mm粒径的矿粉含量亦不宜过多，否则将使沥青混合料结成团块，不易施工。沥青用量的影响：在沥青和矿料选定的条件下，沥青与矿料的比例（即沥青用量）是影响沥青混合料抗剪强度的重要因素，不同沥青用量的沥青混合料结构示意如图10-17。当沥青用量很少时，沥青不足以形成结构沥青薄膜来粘结矿料颗粒。此时，随着沥青用量的增加，结构沥青逐渐增多，较好地包裹在矿料表面，使沥青与矿料间的粘附力随着沥青的用量增加而增大。当沥青用量足以形成薄膜并充分粘附矿料颗粒表面时，沥青胶浆具有最优的粘聚力。随后如果沥青用量继续增加，则由于沥青用量过多逐渐将矿料颗粒推开，在颗粒间形成未与矿料交互作用的“自由沥青”，所以沥青胶浆的粘聚力随着自由沥青的增加而降低。当沥青用量超过某一用量后，沥青混合料的粘聚力主要取决于自由沥青，所以抗剪强度几乎不变。随着沥青用量的增加，沥青不仅起着粘结剂的作用，而且起着润滑剂的作用，降低了粗集料的相互密排作用，因而降低了沥青混合料的内摩擦角。总之，沥青用量不仅影响沥青混合料的粘聚力，同时也影响沥青混合料的内摩擦角。通常当沥青薄膜达到最佳厚度（亦即主要以结构沥青粘结）时，具有最大粘聚力；随着沥青用量的增加，沥青混合料的内摩擦角逐渐降低。矿质集料的级配类型、粒度、表面性质的影响：沥青混合料的抗剪强度与矿质集料在沥青混合料中的分布情况有密切关系。沥青混合料有密级配、开级配和间断级配等不同组成结构类型，矿料级配类型是影响沥青混合料抗剪强度的因素之一。此外，沥青混合料中，矿质集料的粒度、形状和表面粗糙度对沥青混合料的抗剪强度都具有极为明显的影响。因为颗粒形状及其粗糙度，在很大程度上将决定混合料压实后颗粒间的相互位置特性和有效接触面积的大小。通常具有显著的面和棱角，各方向尺寸相差不大，近似正方体，以及具有明显粗糙表面的矿质集料，在碾压后能相互嵌挤锁结而具有很大的内摩擦角。在其他条件相同的情况下，这种矿料所组成的沥青混合料较之形状圆且表面平滑的颗粒组成的沥青混合料具有更高的抗剪强度。许多试验证明，要想获得具有较大内摩擦角的矿质混合料，必须采用粗大、均匀的颗粒。在其他条件相同的情况下，矿质集料颗粒愈粗，所配制的沥青混合料内摩擦角愈大。温度的影响：沥青混合料是一种热塑性材料，它的抗剪强度（）随着温度（T）的升高而降低。在材料参数中，粘聚力c值随温度升高而显著降低，但是内摩擦角受温度变化的影响较少。其变化规律示意，如图10-18a所示。变形速率的影响：沥青混合料是一种粘弹性材料，它的抗剪强度（）与变形速率（d/dt）有密切关系。在其他条件相同的情况下，变形速率对沥青混合料的内摩擦角（）影响较小，而对沥青混合料的粘聚力（c）影响则较为显著。试验资料表明，c值随变形速率的增大而显著提高，而值随变形速率的变化很小。其变化规律如图10-18b所示。高温稳定性：沥青混合料是一种典型的流变性材料，它的强度和劲度模量随着温度的升高而降低。所以沥青混凝土路面在夏季高温时，在重交通的重复作用下，由于交通的渠化，轮迹带逐渐变形下凹，两侧鼓起出现所谓“车辙”，这是现代高等级沥青路面最常见的病害。沥青混合料的高温稳定性，是指沥青混合料在夏季高温（通常为60）条件下，经车辆荷载长期重复作用后，不产生车辙和波浪等病害的性能。我国现行国家标准规定，采用马歇尔稳定度试验（包括稳定度、流值、马歇尔模数）来评价沥青混合料高温稳定性；对高速公路、一级公路、城市快速路、主干路所用沥青混合料，还应通过动稳定度试验检验其抗车辙能力。1）马歇尔稳定度：马歇尔稳定度试验方法自B.马歇尔（Marshall）提出，迄今已半个多世纪，经过许多研究者的改进，目前普遍测定马歇尔稳定度（MS）、流值（FL）和马歇尔模数（T）三项指标。稳定度是标准尺寸试件在规定温度和加荷速度下，在马歇尔仪中最大的破坏荷载（kN）；流值是达到最大破坏荷载时试件的垂直变形（以0.1mm计）；马歇尔模数为稳定度除以流值的商，即：（10-15）式中：T马歇尔模数（kN/mm）； MS稳定度（kN）； FL流值（0.1mm）。2）车辙试验：车辙试验的方法是用标准成型方法，制成300mm×300mm×50mm的沥青混合料试件，在60的温度条件下，以一定荷载的轮子在同一轨迹上作一定时间的反复行走，形成一定的车辙深度，然后计算试件变形1mm时车轮行走的次数，即为动稳定度。DS=42（t2-t1）/(d2-d1)c1c2   式中：DS为沥青混合料动稳定度（次/mm）；d1、d2为时间t1和t2的变形量（mm）；42:每分钟行走次数（次/min）；c1、c2为试验机或试样修正系数。我国现行国家标准规定：用于上面层、中面层沥青混凝土混合料其60时的动稳定度，高速公路和城市快车路应不小于800次/mm；对一级公路、城市主干道应不小于600次/mm。低温抗裂性，沥青混合料不仅应具备高温稳定性，同时还应具有低温抗裂性，以保证路面在冬季低温时不产生裂缝。沥青混合料低温抗裂性的指标，目前尚处于研究阶段，尚未列入技术标准。许多研究者曾提出过不同的指标，但是多数人所采纳的方法是测定混合料在低温时的纯拉劲度和温度收缩系数，用上述两参数作为沥青混合料在低温时的特征参数。用温度应力与抗拉强度对比的方法，预估沥青混合料的断裂温度。有的研究认为，沥青路面在低温时开裂与沥青混合料的抗疲劳性能有关。建议采用沥青混合料在一定变形条件下，达到试件破坏时所需的荷载作用次数来表征沥青混合料的疲劳寿命。此破坏时的作用次数称为柔度。根据研究认为，柔度与沥青混合料纯拉试验的延伸度有明显关系。抗滑性，随着现代高速公路的发展，对沥青混合料路面的抗滑性提出更高的要求。沥青混合料路面的抗滑性与矿质集料的表面性质、混合料的级配组成以及沥青用量等因素有关。为保证长期高速行车的安全，配料时要特别注意粗集料的耐磨性，应选择硬质有棱角的集料。硬质集料往往属于酸性集料，与沥青的粘附性差，为此，在沥青混合料施工时，必须在当地产的软质集料中掺加外运来的硬质集料组成复合集料，并采取掺加抗剥离剂等措施。我国现行国家标准沥青路面施工及验收规范（GB50092-96）对抗滑层集料提出了磨光值、道瑞磨耗值和冲击值等三项新指标。沥青用量对抗滑性非常敏感，沥青用量超过最佳用量的0.5%即可使抗滑系数明显降低。含蜡量对沥青混合料抗滑性有明显的影响，我国现行交通行业标准规定，重交通量道路用石油沥青的含蜡量应不大于3%。沥青来源确有困难时，对路面下面层含蜡量可加大至4%5%。耐久性，影响沥青混合料耐久性的因素很多，诸如：沥青的化学性质、矿料的矿物成分和沥青混合料的组成结构（残留空隙、沥青填隙率）等。沥青的化学性质和矿料的矿物成分，对耐久性的影响已如前述。就沥青混合料的组成结构而言，首先是沥青混合料的空隙率。空隙率的大小与矿质骨料的级配、沥青材料的用量以及压实程度等有关。从耐久性角度出发，希望沥青混合料空隙率尽量减少，以防止水的渗入和日光中紫外线对沥青的老化作用等，但是一般沥青混合料中均应残留3%6%空隙，以备夏季沥青材料膨胀。沥青混合料空隙率与水稳定性有关。空隙率大，且沥青与矿料粘附性差的混合料，在饱水后矿料与沥青粘附力降低，易发生剥落，同时颗粒相互推移产生体积膨胀以及强度显著降低等，引起路面早期破坏。此外，沥青路面的使用寿命还与混合料中的沥青含量有很大的关系。当沥青用量较正常的用量减少时，则沥青膜变薄，混合料的延伸能力降低，脆性增加；如沥青用量过少，将使混合料的空隙率增大，沥青膜暴露较多，加速老化作用。同时增加了渗水率，增大了水对沥青的剥落作用。有研究认为，沥青用量较最佳沥青用量少0.5%的混合料能使路面使用寿命减少一半以上。我国现行规范采用空隙率、饱和度（即沥青填隙率）和残留稳定度等指标来表征沥青混合料的耐久性。施工和易性，影响沥青混合料施工和易性的因素很多，诸如当地气温、施工条件及混合料性质等。单纯从混合料性质而言，影响沥青混合料施工和易性的首先是混合料的级配情况。如粗细集料的颗粒大小相差过大，缺乏中间尺寸，混合料容易分层层积（粗粒集中表面，细粒集中底部）；如细集料过少，沥青层就不容易均匀地分布在粗颗粒表面；如细集料过多，使拌和困难。此外当沥青用量过少，或矿粉用量过多时，混合料容易疏松，不易压实。反之，如沥青用量过多，或矿粉质量不好，则容易使混合料粘结成团块，不易摊铺。生产上对沥青混合料的工艺性能，大都凭目测鉴定。有的研究者曾以流变学理论为基础，提出过一些沥青混合料施工和易性的测定方法，但仍处于为试验研究阶段，并未被生产上普遍采纳。其它沥青混合料常温沥青混合料，这类混合料的结合料可以采用液体沥青或乳化沥青。采用乳化沥青为结合料，可拌制乳化沥青混凝土混合料或乳化沥青碎石混合料。我国目前经常采用的常温沥青混合料，主要是乳化沥青碎石混合料。沥青稀浆封层混合料的组成包括结合料、集料、填料、水以及外加剂。沥青稀浆封层混合料的矿料级配组成和沥青用量列于表10-31。沥青稀浆封层混合料的配合比设计可以根据理论的矿料表面吸收法，即按单位质量的矿料表面积，裹覆8m厚的沥青膜，计算出最佳沥青用量。目前是采用试验的方法来确定配合比，其主要试验内容包括稠度试验、初凝时间试验、稳定时间、湿轮磨耗试验和轮荷压砂试验。沥青稀浆封层混合料可以用于旧路面的养护维修，亦可用于路面加铺抗滑层、磨耗层。由于这种混合料施工方便，投入费用少，对路况有明显改善，所以得到广泛应用。