道路工程材料5沥青混合料ppt课件.ppt

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1、5.沥青混合料,适当比例的粗集料、细集料及填料组成的符合规定级配的矿料与沥青结合料拌合而成的混合料的总称,沥青路面的种类, 层铺法表面处治：喷洒沥青洒布集料压实 厚度1.03.0cm贯入式：粗集料喷洒沥青洒布填隙细集料压实 厚度4.08.0cm 拌和法沥青混合料拌和摊铺压实,沥青混合料的分类, 按级配组成和曲线类型分类见图连续级配：密级配、半开级配、开级配间断级配 按公称最大粒径分类特粗式、粗粒式、中粒式、细粒式、砂粒式 按照制造工艺分类热拌沥青混合料冷拌沥青混合料再生沥青混合料,矿质混合料的3种典型级配曲线, 密级配沥青混合料dense-graded bituminous mixtures英

2、dense-graded asphalt mixtures 美 密实式沥青混凝土混合料（以AC表示）密实式沥青稳定碎石混合料（以ATB表示） 设计空隙率26%,沥青混合料的分类, 按矿质混合料的级配组成分类, 半开级配沥青混合料half(semi)-open-graded bituminous paving mixtures(英)沥青碎石混合料（以AM表示） 设计空隙率在6%12%,沥青混合料的分类, 按矿质混合料的级配组成分类, 开级配混合料open-graded bituminous paving mixtures(英)open graded asphalt mixtures (美) 开级

3、配沥青碎石OGFC表面层 （Open Graded Friction Course）排水式开级配沥青碎石ATPB基层 （ Asphalt-Treated Permeable Base） 设计空隙率18,沥青混合料的分类, 按矿质混合料的级配组成分类,排水式沥青路面, 间断级配沥青混合料gap-graded bituminous paving mixtures(英)gap-graded asphalt mixtures(美)沥青玛蹄脂碎石SMA混合料Stone Matrix Asphalt,沥青混合料的分类, 按矿质混合料的级配组成分类,SMA（Stone Matrix Asphalt）混合料,

4、沥青稳定碎石混合料（简称沥青碎石） bituminous stabilization aggregate paving mixtures(英) asphalt-treated permeable base(美)密级配沥青碎石(ATB)开级配沥青碎石(OGFC表面层、ATPB基层)半开级配沥青碎石(AM),沥青混合料的分类, 按矿质混合料的级配组成分类,砂粒式：公称最大粒径4.75mm细粒式：公称最大粒径9.5mm、13.2mm中粒式：公称最大粒径16mm、19mm粗粒式：公称最大粒径26.5mm特粗式：公称最大粒径31.5mm,沥青混合料的分类, 按照集料的公称最大粒径分类定义,集料最大粒径与

5、公称最大粒径,最大粒径：通过率为100%的最小标准筛筛孔尺寸公称最大粒径：是指全部通过或允许少量不通过的最小标准筛筛孔尺寸，通常比最大粒径小一个粒级例如：混合料在16mm筛孔的通过率为100%，筛余量为0%；在13.2mm筛孔上的筛余量小于10%，则此集料的最大粒径为16mm，公称最大粒径为13.2mm。,沥青混合料的分类, 按照集料的最大公称粒径分类,沥青混合料的分类, 按照沥青混合料的制造工艺分类, 热拌热铺沥青混合料：粘稠沥青热态施工 冷拌沥青混合料： 液态沥青常温施工 乳化沥青 液体沥青 泡沫沥青 再生沥青混合料：现场再生、场拌再生,沥青混合料的分类,主要内容,沥青混合料的技术性质和技

6、术要求 沥青混合料的组成材料和配合比设计,5.1.1 沥青混合料的组成结构和强度形成原理5.1.2 沥青混合料应具备的技术性质及其评价方法5.1.3 沥青混合料组成材料的技术性质 5.1.4 热拌沥青混合料配合比设计方法,5.1 热拌沥青混合料HMA（Hot Mix Asphalt）,5.1.1 沥青混合料组成结构和强度形成原理沥青混合料的组成结构沥青混合料的抗剪强度影响沥青混合料粘结力C和内摩阻角的因素,5.1.1.1 沥青混合料的组成结构悬浮密实结构 骨架空隙结构 骨架密实结构,沥青混合料的典型组成结构,a) 密实-悬浮结构； b) 骨架-空隙结构； c) 密实-骨架结构 连续密级配 连续

7、开级配 间断级配,5.1.1.1 沥青混合料的组成结构,三种结构类型混合料的级配组成,悬浮密实结构 级配特点：连续密级配，细集料多，粗集料较少，悬浮于细集料中，不能形成嵌挤骨架，空隙率较小 使用特点：密实耐久、高温稳定性较差,5.1.1.1 沥青混合料的组成结构,骨架空隙结构 级配特点：连续开级配，粗集料较多，细集料较少，不足以充分填充粗骨架空隙，空隙率较大 使用特点：温度稳定性好、耐久性较差,5.1.1.1 沥青混合料的组成结构, 骨架密实结构 级配特点：间断密级配，粗集料形成骨架，细集料充分填充骨架空隙，形成密实、骨架嵌挤结构,5.1.1.1 沥青混合料的组成结构,5.1.1.2 沥青混合

8、料的抗剪强度,= tg + C 抗剪强度（MPa）法向压应力（MPa）内摩阻角（）C粘结力（MPa）,5.1.1.3 粘结力和内摩阻角的测试方法, 剪切试验直剪试验（土力学）恒高度剪切试验（Superpave方法）恒高度扫描剪切试验（Superpave方法） 三轴试验压缩试验蠕变试验重复加载试验,直剪试验,三轴试验,=C+ tg,5.1.1.4 影响粘结力C和内摩阻角的因素,1) 沥青的粘度2) 矿质混合料的性质3) 沥青混合料中矿料比面和沥青用量的影响,1) 沥青的粘度 P C,C,影响沥青混合料粘结力C和内摩阻角的因素,2) 矿质混合料的性质 级配：连续密级配C大小 连续开级配C小大 间断

9、级配C大大 颗粒粒径：最大粒径 、C 见表 颗粒表面特征：多棱角、表面粗糙 颗粒相互嵌紧 较大,影响沥青混合料粘结力C和内摩阻角的因素,三轴试验结果,影响沥青混合料粘结力C和内摩阻角的因素,3) 沥青混合料中矿料比面和沥青用量的影响 沥青与矿料的交互作用 矿料的表面性质 矿料比面积 沥青用量,影响沥青混合料粘结力C和内摩阻角的因素, 沥青与矿料的交互作用结构沥青粘度提高，粘结力C较强自由沥青在结构沥青之外的沥青膜,结构沥青连接,影响沥青混合料粘结力C和内摩阻角的因素,自由沥青连接, 矿料表面性质的影响与碱性石料（如石灰石）有较好的粘附性与酸性石料则粘附性较差,石灰石矿粉,石英石砂粉,比面（比表

10、面积）单位质量集料的总表面积A/G粗集料（d5mm）：比面为0.53 m2/kg细集料（d5mm）：比面为3002000 m2/kg比面积沥青膜减薄 结构沥青C值,影响沥青混合料粘结力C和内摩阻角的因素, 矿料比面积, 沥青用量最佳值,沥青膜的完整性沥青膜厚度,C,4) 影响沥青混合料抗剪强度的外因, 温度的影响：温度C 受温度变化影响较少 形变速率的影响：变形速率C值 值随变形速率变化较小,影响沥青混合料粘结力C和内摩阻角的因素,5.1.2 沥青混合料应具备的技术性质 及其评价方法,沥青路面的损坏类型及其破损机理沥青混合料应具备的基本技术性能评价方法与指标改善措施,沥青混合料应具备的技术性质

11、,高温稳定性低温抗裂性耐久性（水、疲劳、老化）表面功能（抗滑、降噪、排水）施工和易性,5.1.2.1 高温稳定性定义：高温条件下，沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力,沥青混合料性能的评价方法与指标,高温稳定性,1）评价方法 马歇尔稳定度稳定度与流值马歇尔试验 车辙试验动稳定度车辙试验 简单性能试验 蠕变试验 重复荷载试验 剪切试验,高温稳定性评价方法与评价指标,高温稳定性评价方法与评价指标,2）评价指标马歇尔方法：稳定度（KN） 流值（0.1mm）轮辙试验：动稳定度（次/mm）,高温稳定性,马歇尔试验示意图,马歇尔稳定度MS：试件破坏时的最大荷载 流值FL ：达到最大荷载时，试件所产生的

12、垂直流动变形值（以0.1mm计）,马歇尔试验仪,马歇尔自动击实仪,沥青路面车辙形成过程,沥青路面车辙形成过程,沥青路面车辙形成过程,压密变形,剪切流动,车辙试验,DS沥青混合料动稳定度(次/mm) d1，d2时间t1和t2的变形量(mm)42每分钟行走次数(次/mm)c1，c2试验机或试样修正系数,动稳定度 DS,APA（Asphalt Pavement Analysis）轮辙试验,轮辙疲劳浸水车辙,沥青路面加速加载试验仪APT,车辙诱因：交通量增大重型车辆和高压轮胎 渠化交通车辙危害：舒适性降低路表变形，平整度下降 危害行车的安全车槽中的积水会引起水飘 方向盘难以控制车辙成因：沥青混合料是粘

13、弹性材料 结构性车辙：路面结构本身的缺陷 压密性车辙：路面压实度过小 失稳性车辙：剪切变形, 材料设计的措施 沥青混合料高温强度的构成：C+tg提高沥青混合料的粘结力C 严格控制沥青用量 选择高粘度沥青（使用改性沥青）提高沥青混合料的内摩阻角： 选择纹理粗糙，多棱角的集料 采用适当的矿料级配，增加粗骨料含量 选择合适公称最大粒径设计时考虑交通组成和环境温度的影响, 提高施工质量与管理水平不恰当地强调平整度而忽视压实度为避免摊铺机停顿影响平整度，而不恰当地强调连续摊铺，以致等待时间过长料温下降而导致严重压实不足,1) 评价方法 预估断裂温度确定方法 抗拉强度 温度应力计算值T 低温弯曲蠕变试验试

14、验方法 蠕变速率 受限试件的温度应力试验试验方法 转折温度 破裂温度 低温弯曲试验 破坏应变,5.1.2.2 低温性能的评价方法与指标,应力与温度的关系, 抗拉强度 直接抗拉强度劈裂抗拉强度试验 温度应力T T=TS(t)(T） 低温拉伸劲度S(t） 直接抗伸试验 弯曲蠕变试验试验 温度收缩系数(T) 低温收缩试验 预估断裂温度Tk,蠕变试验,0 沥青混合料小梁试件下缘的蠕变弯拉应力（MPa）； t1和t2 分别为蠕变稳定期的初始时间和终止时间（s）； 1和2分别与时间t1和t2对应的跨中梁底应变。,第一阶段蠕变迁移阶段第二阶段蠕变稳定阶段第三阶段蠕变破坏阶段,蠕变速率（1/s/MPa）,受限

15、试件温度应力试验,转折点温度破裂温度,低温小梁弯曲试验,试件：试验温度：-10指标：破坏应变,影响因素：沥青混合料劲度模量沥青劲度T=TS(t)(T）沥青劲度：感温性 老化程度 改善措施： 采用劲度模量较低的沥青使用橡胶改性沥青 适当增加沥青用量,2）改善措施,5.1.2.3 耐久性,概念：沥青混合料抵抗长时间自然因素（风、日光、温度、水分等）和行车荷载反复作用的能力 1）现象 沥青的老化或硬化变脆、易裂 集料被压碎、或冻融崩解磨损或级配退化 沥青与集料间的粘附性降低剥落、松散, 浸水马歇尔试验 残留稳定度MS0 式中：MS 试件常规马歇尔稳定度(kN)，浸水0.5h MS1试件浸水48h（或

16、真空饱水后浸水48h） 后的稳定度(kN),2）评价方法, 冻融劈裂强度试验试验 冻融劈裂强度比TSR 1试件经冻融后的劈裂强度（MPa） 0未经冻融试件的劈裂强度（MPa） 浸水劈裂强度试验 浸水车辙试验等,劈裂强度测试,3）耐久性改善措施选择耐老化沥青、坚硬集料降低沥青混合料空隙率插图增加沥青用量插图掺加外加剂插图降低沥青混合料的离析程度插图,透水性大强度降低,沥青路面的压实空隙率过大,沥青用量不足水稳定性降低,空隙率与沥青膜厚度匹配 TSR7.362311.3038沥青膜厚度3.2470空隙率（R0. 8993，n21 ）,沥青与集料的粘附性不足剥落与松散 集料矿物组成 沥青粘度 集料的

17、洁净程度,沥青与集料的粘附性,重视组成材料设计选择适宜的级配组成：AC-IAK-A选择洁净集料使用改性沥青及抗剥落剂提高沥青与集料的粘附性 改善效果：水泥TJ-066抗剥落剂消石灰,提高沥青路面抗早期坑槽破损的对策,5.1.2.4 抗滑性,1）影响因素 集料的表面构造（粗糙度） 集料的级配组成,5.1.2.4 抗滑性,2）评价方法与指标 构造深度铺砂法 摩阻系数摆式摩阻仪,5.1.2.4 抗滑性,2）改善措施 选用坚硬、耐磨(磨光值高)、抗冲击性好的碎石或破碎砾石 对酸性集料采取抗剥措施 严格控制沥青含量,5.1.2.5 施工和易性,混合料易于拌和、摊铺和碾压影响因素 混合料的级配 沥青用量

18、沥青粘度 施工条件：气候温度、风速 施工设备：拌和设备、摊铺机械和压实工具等,1. 设计指标 体积参数指标插图 空隙率（%） 矿料间隙率（%） 沥青饱和度（%） 性能指标 高温稳定性：马歇尔稳定度（KN）、流值（0.1mm） 动稳定度（次/mm） 水稳定性：残留稳定度（%） 冻融劈裂强度比（%） 低温抗裂性：破坏应变（ ） 渗透性：渗水系数（ml/min）,试件的体积参数指标,空隙率VV,沥青体积VA,矿料间隙率VMAVV+VA,油石比Pa：沥青质量占矿质混合料（集料）质量百分含量沥青混合料沥青质量集料质量PaPi Pa 100,试件的体积参数指标,沥青含量Pb ：沥青质量占沥青混合料质量的百

19、分含量沥青混合料质量沥青质量集料质量PbPi100, 空隙率VV 毛体积密度 理论密度,试件的体积参数指标,（JTG F402004）计算理论密度的方法,试件的体积参数指标,“BIG BILL”理论密度仪测试条件： 振动频率为120rpm 抽真空时间为1525 min 试验水温为室温 老化时间为4h 真空度为97.3kPa 振动模式为顺时针逆时针。,改性沥青混合料：计算普通沥青混合料：真空法实测, 矿料间隙率VMAVA+VV 沥青饱和度VFA沥青体积百分率VA,试件的体积参数指标,试件的体积参数指标,（JTG F402004）计算矿料间隙率的方法考虑了沥青吸入量VMA计算值降低,试件的体积参数

20、指标（JTG F402004）,沥青混合料最大密度矿料间隙率VMA沥青饱和度VFA,技术标准考虑因素,气候分区：高温、低温、降雨量 道路等级：高速公路、一级公路 其它公路 行人道路 交通量：中轻交通 重载交通 沥青混合料类型：密级配AC 半开级配AM 开级配OGFC 间断级配SMA,密级配沥青混凝土马歇尔试验技术标准(JTG F402004),沥青碎石混合料马歇尔试验配合比设计技术标准SMA混合料马歇尔试验配合比设计技术要求OGFC混合料技术要求,公路沥青路面施工技术规范(JTG F402004),沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求(JTG F402004),沥青混合料水稳定性检验技术要求(J

21、TG F402004),沥青混合料低温弯曲试验破坏应变( )技术要求(JTG F402004),小梁弯曲试验：试验温度-10 加载速率50mm/min,沥青混合料试件渗水系数（ml/min)技术要求(JTG F402004),沥青混合料组成设计内容,组成材料的选择 配合比设计 性能检验,原材料沥青集料填料其它：抗剥落剂、石灰、纤维,组成材料的的选择,沥青的选择依据：气候条件: 温度交通性质: 渠化交通、重交通、车速结构层位,沥青路用性能气候分区,集料：粗集料与细集料 粗集料碎石、破碎砾石和矿渣骨架、嵌挤 细集料天然砂、人工砂或石屑填充 表面特征：多棱角、粗糙 洁净、干燥、无风化、不含杂质 级配

22、：级配类型 最大粒径,集料应具备的技术性质,粗集料强度压碎值冲击值、磨耗率坚固性针片状含量吸水率磨光值与沥青的粘附性,细集料坚固性砂当量棱角性,矿粉 石灰岩经磨细得到的矿粉 品质要求：干燥、洁净，细度 用量粉胶比,其它材料 抗剥落剂 石灰、水泥 纤维,目的：选配具有足够密实度、并有较高内摩阻力的矿质混合料设计步骤： 1) 确定沥青混合料类型 依据：道路等级、路面类型、所处的结构层位 2) 确定矿质混合料的级配范围插图 3) 矿质混合料配合比设计合成级配插图 合成级配曲线尽量接近设计级配中限 （关键筛孔0.075mm、2.36mm、4.75mm） 交通量大、轴载重的道路：合成级配接近范围下限 中

23、小交通量或人行道路：合成级配接近范围上限,图解法,步骤马歇尔试验法1) 制备试样插图2) 测定与计算试件的体积结构参数毛体积密度空隙率VV矿料间隙率 VMA沥青饱和度VFA3) 测定试件的力学指标马歇尔稳定度流值4)马歇尔试验结果分析插图5)配合比设计检验, 计算各档集料用量根据按矿质混合料配合比 估计适宜沥青用量（或油石比） 成型数组马歇尔试件以估计沥青用量为中值，按0.3%0.5%间隔变化,1) 制备试样,4) 马歇尔试验结果分析, 绘制沥青用量与物理力学指标关系图关系图 沥青用量毛体积密度、空隙率、饱和度、矿料空隙率 稳定度、流值 确定最佳沥青用量初始值OAC1插图1 OAC1 =(a1

24、+a2+a3 +a4)/4 确定沥青最佳用量初始值OAC2插图3 OAC2=(OACmin+OACmax)/2 确定沥青最佳用量OAC, 确定最佳沥青用量初始值OAC1 =(a1+a2+a3 +a4)/4从图中取相应于：稳定度最大值沥青用量a1密度最大值沥青用量a2目标空隙率（或中值）沥青用量a3沥青饱和度范围的中值沥青用量a4, 确定沥青最佳用量初始值OAC2 首先确定各指标均符合技术标准（不含VMA）的沥青用量范围：OACminOACmax, 确定沥青最佳用量初始值OAC2 =(OACmin+OACmax)/2,OACmax,OACmin, 根据OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量OAC,通常情况下：OAC（OAC1OAC2）/ 2 检验在OAC下，VMA和VV是否符合技术要求 OAC宜位于VMA凹形曲线最小值贫油一侧, 对于炎热地区公路、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、城市快速路、主干路 设计沥青用量 OAC（0.10.5） % 空隙率必须符合设计要求范围 对于寒区道路、旅游公路、交通量很少的公路 设计沥青用量OAC（0.10.3） %, 设计沥青用量调整,5)配合比设计检验高温稳定性检验：抗车辙能力检验水稳定性检验低温抗裂性能检验渗水系数检验,我国沥青混合料设计方法 性能检测,