道路建筑材料汇总.ppt

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1、建筑材料B,绪论,建筑材料及其在工程中的地位 建筑材料的现状和发展趋势 建筑材料的分类本课程内容和学习要点,一、建筑材料及其在工程中的地位,建筑材料指建造各种土木建筑工程水利、房屋、道路、桥梁等所应用的材料。包括房屋建筑材料、道路材料、水工材料、港工材料,材料在建设工程中举足轻重的地位,1.一切建筑工程的物质基础2.与建筑结构和施工相互促进相互依存 3.决定构筑物的功能和使用寿命 4.工程质量很大程度上取决于材料的质量控制5.构筑物的可靠度评价很大程度上依存于材料的可靠度评价“材料构件结构”,万里长城,总长度大约有十万里以上！所用建筑材料：土、石、木料、砖、石灰 关外有关、城外有城，其材料运输

2、量之浩大、工程之艰巨世所罕见。体现我国古代建筑工程的高度成就，表现我国古代劳动人民的聪明才智。,万里长城（200 BC):条石、大砖、石灰砂浆,河北赵州石桥,建于1300多年前（桥长约51m，净跨37m）建造该桥的石材为青白色石灰岩 比意大利人建石拱桥晚400多年,但在主拱肋与桥面间设计“敞肩拱”，比外国早了1200多年,赵州石桥,胡夫金字塔，高146.59m,底部232m建方，用 230多万块、每块重2.5T的岩石砌成，,布达拉宫：石材、石灰砂浆,罗马斗兽场（70-80 AC):石材、石灰砂浆,全球最高建筑前10位（）序号 建筑名称 层数 高度米 竣工年份1 台北台北 101 508 200

3、42 吉隆坡佩特纳斯大厦 88 452 19963 芝加哥西尔斯大厦 108 443 19744 上海金茂大厦 88 421 19985 香港国际金融中心 88 415 20036 广州中信广场 80 391 19977 深圳地王大厦 69 384 19968 纽约帝国大厦 102 381 19319 香港中环广场 78 374 199210 香港中国银行大厦 72 369 1990,绪论,世界最高的建筑(左起)：台北101大楼、芝加哥席尔斯大楼、吉隆坡双子星大楼、上海金茂大厦、香港国际金融中心、纽约帝国大厦,台北101金融大楼508m,物质基础,三峡大坝（Three Gorges Dam）,

4、大坝,建筑材料和施工相互促进相互依存,商品混凝土建筑砌块和板材与粘土砖高强混凝土与高层建筑,二、建筑材料的现状和发展趋势,材料科学的发展标志着人类文明的进步。,人类利用材料的两种方式：以物资为基础的利用方式就地取材需求导向的利用方式研发,人类的历史也是按照制造生产工具所用材料的种类划分的;史前的石器时代，青铜器时代，铁器时代，今天的人工合成材料时代。,最初的建筑材料,石材、木材、粘土、竹材、草,砖、瓦、玻璃、钢铁、混凝土等人工合成材料,穴居巢处高层建筑、智能化建筑,人类的居住环境，生存环境发生巨大的变化,现状,从目前我国的建筑材料现状来看，普通水泥、普通钢材、普通混凝土和普通防水材料是最主要的

5、建筑材料。这是因为这些材料有比较成熟的生产工艺和应用技术，使用性能尚能够满足目前的消费要求。,目前存在的问题,与发达国家相比，目前存在的问题有：品种少；质量档次低；生产和使用能耗大；浪费严重等问题。因此，如何发展和应用新型的建筑材料已经成为现代化建设急待解决的问题。,发展方向 可持续发展,1.原材料充分利用工业废料、能耗低、可循环使用、不破坏生态平衡、有效保护天然资源；2.生产和使用过程不产生环境污染；3.产品可再生循环和回收利用；4.产品性能轻质、高强、多功能，不仅对人畜无害，而且能净化空气、抗菌、防静电、防电磁波等。5.加强材料的耐久性设计和研究。6.主要产品和配套产品同步发展，并解决好利

6、益平衡关系。,三、建筑材料的分类,按使用性能分类1承重结构材料2非承重结构材料3功能材料,按使用部位分类结构材料墙体材料屋面材料地面材料饰面材料基础材料,按化学组成分类,四、本课程内容和学习要点,建筑中常用材料的品种、规格、性能及使用方法，在储运、验收中必须注意的有关问题；常用建筑材料的主要技术性质，材料的组成、结构、构造与性质的关系，以及原料、生产工艺过程及其对材料性质的影响；节约材料、改善性能及防护处理的原则和方法；主要常用建筑材料的质量检验方法及相应的技术标准；建筑材料发展方向。,我国的建筑材料技术标准,国家标准、部颁标准、地方标准和企业标准。国家标准GB。部颁标准建材标准代号：JC建工

7、标准代号：JG交通标准代号：JT石油标准代号：SY化工标准代号：HG水电标准代号：SD冶金标准代号：YJ地方标准（DB）企业标准则仅适用于本企业，代号为QB。,国际标准（ISO）美国材料试验协会标准（ASTM）日本工业标准（JIS）德国工业标准（DIN）英国标准（BS）法国标准（NF）,学习方法,1.掌握材料科学研究的一般规律；2.抓住专业学习的目的，掌握重点；3.重视实验与实践；4.记忆的方法：列表、对比；5.重视自学能力的培养。,继续,材料科学研究的一般规律,建筑材料课程的教学环节,课堂讲授课堂讨论实验作业考试,建筑材料成绩的评定方法,平时成绩占10%(作业、听课)实验占20%课程结束考试

8、占70%,第一章,石 料 与 集 料,主要内容：,石料,1,集料,2,矿质混合料的组成设计,3,小结与习题,4,第一节 石 料,常见岩石,安山岩,花岗岩,玄武岩,石灰岩,白云岩石粉,道路建筑材料石料与集料,道路建筑材料石料与集料,石料,定义：在建筑结构工程中，所使用的石料通常指由天然岩石经机械加工制成的，或者由直接开采得到的具有一定形状和尺寸的石料制品。,物理学性质,物理常数：主要指石料的密度和孔隙率，此类常数能够直 接影响到石料的力学性质，也是将石料用于混 合料配合比设计的参数之一。,吸水性：石料吸水能力的大小，用吸水率和饱水率形式表示,抗冻性：石料在饱水状态下，能够经受反复冻结和融化而不

9、破坏，并不严重降低强度的能力,道路建筑材料石料与集料,物理常数,孔隙率,密度,这些物理性质具体表现，在一定程度上都与石料的孔隙率有相应的关系。当孔隙率高，特别是与外界相通且较粗大的开口孔隙发达时，使石料的表观密度和毛体积密度减小，相应的吸水性加大，抗冻性能变差。因此通过石料物理指标的了解，可以在一定程度上预测石料一些工程性质的好坏，认知石料力学性质的表现。,道路建筑材料石料与集料,重点：1.石料应具备哪些力学性质，采用什么指标来反映这些性质?2.简述道路工程用石料的分类和分级方法?,第二节 集 料,重要但又容易引起混淆的概念,道路建筑材料石料与集料,集料,概述：笼统的说集料就是粒状石质材料。,

10、粗细粒径的界限：水泥混凝土4.75mm，沥青混凝土2.36mm，大于或等于 该尺寸的颗粒为粗集料，余为细集料。,最大粒径：集料最大粒径和集料公称最大粒径,最大粒径：集料的最大粒径这一概念由两个不同定义构成,集料最大粒径:指集料100%都要求通过的最小标准筛筛孔尺寸。集料公称最大粒径:指集料可能全部通过或允许有少量不通过(一般容许筛余不超过10%)的最小标准筛筛孔尺寸。,道路建筑材料石料与集料,这两个定义涉及的粒径有着明显区别，通常集料公称最大粒径比最大粒径要小一个粒级。但在实际使用过程中、甚至在一些书本资料上也经常不加严格区别，容易引起混淆。实际工程中所指的最大粒径往往是指公称最大粒径，这一点

11、在今后的应用中要加以区分。,道路建筑材料石料与集料,沥青路面及各类基层用粗细集料的界限4.75mm,标准方孔筛，相应的筛孔尺寸依次为:,单位(mm),2.水泥混凝土用粗细集料的界限为2.36mm。,单位(mm),返回,道路建筑材料石料与集料,物理常数,密度,1.表观密度、毛体积密度、毛体积密度与石料相应密度在概念 上相同，仅在实际的密度测定方法上有所区别。,2.表干密度：又称作饱和面干毛体积密度,3.装填密度：装样方法不同可为堆积密度、振实密度和捣实密度,空隙率：集料在某种装填状态下的空隙体积(含开口孔隙)占装填体积的 百分率,粗集料的骨架间隙率：通常指4.75mm以上粗集料颗粒间的空隙体积的

12、百 分含量。其大小用于确定混合料中细集料和结合 料的数量，评价集料的骨架结构。,细集料的棱角性：由在一定条件下测定的空隙率表征。,石料和集料涉及多种密度，现将这些密度归纳在下页表中：,道路建筑材料石料与集料,砂石材料密度概念小结,道路建筑材料石料与集料,集料的级配：级配是指集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况。级配对水泥混凝土及沥青混合料的强度、稳定性及施工和易性有着显著的影响，级配设计也是水泥混凝土和沥青混合料配合比设计的重要组成部分。,集料的颗粒形状与表面特征：集料的形状和表面特征将影响集料颗粒间的内摩阻力、集料颗粒与结合料粘结性及吸附性等方面。1.理想集料颗粒形状是球状或立方体。不取用

13、扁平、薄片、细长状的颗粒。针片状颗粒的定义：最大长度与厚度之比大于3的颗粒。2.集料表面特征指集料的粗糙程度和孔隙特征。表面粗糙的集料颗粒有较 显著的摩阻力，同时也会影响集料的施工和易性；粗糙且有吸收水泥浆 和沥青轻组分的孔隙特征的集料与结合料的粘结能力较强。,道路建筑材料石料与集料,含泥量和泥块含量：,存在于集料中或包裹在集料颗粒表面的泥土,降低,妨碍,影响,限制含量,力学性质,1.压碎值 指按规定的方法测得石料抵抗压碎的能力，也是集料强度的相对指标，用以鉴定集料品质。压碎值是对石料的标准试样在标准条件下进行加荷，测试石料被压碎后，标准筛上筛余质量的百分率。2.磨光值(PSV)反映石料抵抗轮

14、胎磨光作用能力的指标。该值越大，表明集料的抗磨光性能越好。采用加速磨光机磨光石料，并用摆式磨擦系数测定仪浊得的磨光后集料的磨擦系数。,道路建筑材料石料与集料,3.冲击值(LSV)反映石料抵抗冲击荷载的能力。该值越小，表明集料的抗冲击性能越好。由于路表集料直接承受车轮荷载的冲击作用，这一指标对道路表层用集料非常重要。4.磨耗值(AAV)确定石料抵抗表面磨损的能力，适用于对路面抗滑表层所用集料抵抗车轮磨耗值。该值越小，表明集料的抗磨耗能力越好。,重点：1.石抖的主要物理常数与集料的主要物理常数有哪几项?它们之间 有何异同?2.什么是集料的装填密度?什么是松装密度?什么是紧装密度?3.压碎值、磨耗值

15、、磨光值及冲击值分别表征粗集料的什么性质，对路面工程有何实用意义?,第三节 矿质混合料的组成设计,矿质混合料的组成设计,道路建筑材料石料与集料,矿质混合料就是能够满足级配要求的各种粒径材料的集合体，简称矿料。确定几种集料混合时各自比例的过程就是矿料的组成设计。,集料级配的表示方法 级配组成对矿料性能的影响 矿料连续级配的计算,一、矿料的级配,二、矿料配合比设计方法,矿料配合比设计就是根据实际工程中现有的各种集料的级配参数（即筛分结果），针对设计要求或技术规范要求，采用一定的方法确定各规格集料在合成矿料中所占有比例的操作过程。,道路建筑材料石料与集料,集料级配的表示方法,筛分试验,细集料的细度模

16、数,集料的级配曲线,采用标准套筛对集料进行过筛分析，以确定集料粗细颗粒的分布即级配就是所谓筛分试验。通过筛分试验，求得集料试样的级配参数。以细集料的筛分为例：,在筛分试验中，分别称量500g砂样充分过筛，根据砂样存留在各筛上的筛余质量，分别计算出分计筛余百分率、累计筛余百分率、通过百率。分计筛余百分率：是指某号筛上的筛余质量占试样总质量百分率 式中：mi 存留在某号筛上的试样质量，g；M 集料风干试样的总质量，g。,道路建筑材料石料与集料,细集料的细度模数,道路建筑材料石料与集料,用于评价细集料粗细程度的指标，是细集料筛分试验中各号筛上的累计筛余百分率之和（以水泥混凝土用细集料为例）：,式中：

17、Mf 砂的细度模数；A4.75,A2.36,A0.15 分别为4.75mm、2.36mm、0.15mm各 筛的累计筛余百分率，%细度模数愈大，表示细集料愈粗。砂按细度模数分为粗、中、细三种规格，相应的细度模数分别为：粗砂 Mf=3.73.1；中砂Mf=3.0 2.3；细砂Mf=2.21.6,集料的级配曲线,道路建筑材料石料与集料,1.级配曲线的绘制 以通过量的百分率为纵坐标，筛孔尺寸（也表示矿料不同颗粒的粒径）为横坐标，将各筛上的通过量绘制在坐标图中，然后用曲线将各点连接起来，成为所谓的级配曲线。,a）常数坐标 b）半对数坐标,道路建筑材料石料与集料,2.级配曲线类型 粗细不同的粒径按照一定的

18、比例组合搭配在一起，以达到较高的密实程度，根据搭配组成的结果，可得到以下几种不同级配形式。,连续级配：连续级配是某一矿料在标准套筛中进行筛分后，矿料的颗粒由大到小连续分布，每一级都占有适当的比例。这种由大到小逐级粒径都有，并按比例互相搭配组成的矿质混合料，称为连续级配混合料。间断级配：在矿料颗粒分布的整个区间里，从中间剔除一个或连续几个粒级，形成一种不连续的级配，成为所谓的间断级配。连续开级配：整个矿料颗粒分布范围较窄，从最大粒径到最小粒径仅在数个粒级上以连续的形式出现，形成所谓的连续开级配。,不同级配类型的级配曲线如下图所示,道路建筑材料石料与集料,a）连续型密集配 b）连续型开级配 c）间

19、断型密集配,道路建筑材料石料与集料,矿料配合比设计常用的方法有：数解法、图解法（修正平衡面积法）,1.数解法试算法设计步骤(1)建立基本计算方程(2)基本假设(3)计算(4)校核调整 2.图解法设计步骤(1)准备工作 筛分并计算各自的通过量百分率、明确设计级配要求(2)绘制框图(3)确定各集料用量(4)合成级配的计算与校核 3.规划求解方法设计 见P1-3.,小 结 与 习 题,本章介绍了石料的岩石学特征、阐述 石料与集料的主要技术性能及主要评价方 法和评价指标；讨论集料的级配概念和级 配理论，并以此为基础，学习矿料的配合 比设计方法。通过学习，要求学生了解石 料和集料的技术性质和技术标准，掌

20、握级 配理论和组成设计方法。,本 章 小 结,1-1 石抖的主要物理常数与集料的主要物理常数有哪几项?它们之间 有何异同?1-2 石料应具备哪些力学性质，采用什么指标来反映这些性质?1-3 简述道路工程用石料的分类和分级方法?1-4 什么是集料的装填密度?什么是松装密度?什么是紧装密度?1-5 压碎值、磨耗值、磨光值及冲击值分别表征粗集料的什么性质，对路面工程有何实用意义?1-6 什么是集料的级配?如何确定集料的级配?用哪几项参数表示集料 的级配?1-7 为什么研究集料的级配?连续级配类型与间断级配类型有何差别?1-8 简述最大密度级配范围计算公式的意义。1-9 常用矿质混合料配合比设计方法有

21、几种?简述设计过程的主要步骤。,课 后 习 题,1-10 级配型碎石与填隙碎石结构层的强度形成有何不同?这种差异对 它们的路用性能会产生什么影响?111 某道路工程沥青混合料用细集料的筛分试验结果见表120。请计算该细集料的“分计筛余百分率”、“累计筛余百分率”、“通过百 分率”及其细度模数，绘制该细集料的级配曲线图，判断该细集料的 粗细程度并分析其级配是否符合设计级配范围的要求。,1-12 某工程用石灰岩石料，经饱水抗压强度检验，平均极限荷载 分别为179kN、182kN、174kN、178kN、189kN和185kN(5mm5m圆柱 体试件)；洛杉矾磨耗值为33。试确定该石料的技术等级。1

22、-13 按照级配计算公式(132)，取级配指数n=0.3，0.5和0.7，计算最大粒径D=16mm集料的通过百分率，并将这些级配绘制在同一 张图上。用贝雷级配分析法计算这些级配的控制粒径、第一、第二 分界尺寸、粗集料比CA、细集料比FAC和细集料比FAF。,1-14 采用“试算法”确定某矿质混合料的配合比。设计资料 碎石、石屑和矿粉的筛分析试验结果以通过百分率列于 表121中第2-4列；设计级配范围要求值列于表1-21中第5列。,设计要求用试算法确定碎石、石屑和矿粉在混合料中的用量；计 算出混合料的合成级配，并校核该合成级配是否在要求的级配范围 中，若有超出应进行调整。1-15 采用规划求解法

23、确定矿质混合料的配合比，设计资料同复习 题1-4。,课 后 习 题,第二章,沥 青 材 料,道路建筑材料沥青,计划课时与上课手段：本章计划用8个课时。以课堂授课、习题练习和试验室操作相结合的方法进行教学，其中课堂教学6学时。,学习目的与任务：本章应掌握石油沥青的组成、技术性质和技术标准，在此基础上了解聚合物改性沥青和乳化沥青的技术性质和技术标准。,道路建筑材料沥青,前言,1,石油沥青的组成,2,石油沥青的技术性质,3,道路建筑材料沥青,第一节 前 言,道路建筑材料沥青,第一课时,道路建筑材料沥青,沥青定义：沥青是黑色或暗黑色固体、半固体或粘稠状物，由 天然或人工制造而得，主要为高分烃类所组成，

24、完 全溶解于二硫化碳。,沥青分类：,石油沥青：地壳中的原油，经开采加工得到的沥 青。可以从生产工艺中考虑。,天然沥青：当地下原油通过岩石裂缝渗透到地表后并长期 暴露在大气中时，其中所含轻质部分蒸发，而 残留物经氧化后成为天然沥青，一般存在于岩 石裂缝中、地面上或形成湖泊，如著名的特立 尼达湖沥青。,焦油沥青：是煤、木材、页岩等有机物经干馏加工而得到 的焦油再加工所得的产物。,第二节 石油沥青的组成,道路建筑材料沥青,一、元素和组分,1.石油沥青的元素组成 石油沥青是十分复杂的烃类和非烃类的混合物，是石油中相对分子量最大、组成及结构最为复杂的部分。主要原子：C、H，杂原子：S、N、O。微量金属元

25、素：V、Ne、Fe、Na、Ca、Cu等。不同产地沥青性质差异非常大，但元素组成相近。元素的数量组成与沥青性质关系不明确。元素组成与性质无明显关联。,道路建筑材料沥青,道路建筑材料沥青,2沥青的化学组分（1）石油沥青的化学组成三组分分离法吸附法：以沥青在吸附剂上的吸附性和在抽提溶剂中溶解性的差异为基 础。例如先用低分子烷烃沉淀出沥青质，再用白土吸附可溶分，将其分成吸附部分胶质和未被吸附部分油分，这样，可 将沥青分成三组分。四组分分离法色谱法：该方法分为两大步骤。第一步，用正庚烷使沥青中的沥青质沉淀并定量；第二步，对可溶分用中性氧化铝为吸附剂，在液固色谱柱中，以正庚烷（或石油醚）、甲苯、甲苯一乙醇

26、（1：1）、甲苯乙醇为冲 剂，梯度冲洗出饱和分、芳香分和胶质馏分，分别除去溶剂后定 量。对于低沥青质含量（小于10%）的沥青可以省略第一步，直 接在色谱柱中进行冲洗。由此得到饱和分（S）、芳香分（Ar）胶质（R）和沥青质（At）共四组分，又称为SARA分析。这一分 析方法得到广泛应用，如美国ASTM D 412497和我国SH/T 050992（1998）就是沥青四组分分析的标准试验方法。,道路建筑材料沥青,（2）四组分的结构和特征,沥青质沥青质：是不溶于正庚烷而溶于苯（或甲苯）的黑色或棕色的无定型固体，除含有碳和氢外，还有一些氮、硫、氧。形态：固体粉末分离：在正庚烷中沉淀分子量：100010

27、0000 颗粒粒径：530mm原子：C/H:1.62.8，绝大部分由C、H组成。含量：525，石蜡基原油1，中东原有生产的沥青5。特点：极性很强。随着沥青质含量的增加，沥青的粘结力、粘度增加，温度稳定性、硬度提高。针入度小、软化点高。,道路建筑材料沥青,胶质胶质：也称为树脂，有很强的极性。这一突出的特性使胶质有很好的粘结力。胶 质是沥青的扩散剂或胶溶剂，胶质与沥青质的比例在一定程度上决定沥青 是溶胶或是凝胶的特性。胶质赋予沥青以可塑性、流动性和粘结性，对沥 青的延性、粘结力有很大的影响。形态：深棕色固体或半固体，极性很强。具有很好的粘附力。分离：溶解于正庚烷。分子量：100050000颗粒粒径

28、：15mm原子：C/H:1.31.4，大多由C、H组成，含少量的O、S、N。,芳香族芳香族：是由沥青中最低的分子量的环烷芳香化合物组成，是胶溶沥青质的分 散介质的主要部分。形态：深棕色的粘稠液体。含量：占沥青总量的2050。分子量：3002000结构：分子量最低，环烷芳香化合物组成，是胶融沥青质的分散介质的组要成 分。非极性碳链，溶解力很强。,道路建筑材料沥青,饱和分饱和分：是由直链或支链脂肪属烃以及烷基环烃和一些烷基芳香烃组成的，它们是非极性稠状油类，呈稻草色或白色。形态：稻草色或白色，非极性稠状油类。含量：占沥青总量的520。分子量：3002000结构：直链和支链脂肪属烃及烷基环烃和一些烷

29、基芳香烃组成。作用：软化胶质和沥青质。,蜡分蜡分：是指沥青除去沥青质和胶质后，在油分中含有的、经冷冻能结晶析出的，熔点在25以上的混合组分，其主要是高熔点的烃类混合物结构：结构较简单，正构烷烃及长烷基侧链的少环烃类为主。特点：高温易软化，低温延展性降低，影响沥青与矿料粘结，水稳性差。原因：原油，石蜡基。,道路建筑材料沥青,道路建筑材料沥青,道路建筑材料沥青,二、沥青的胶体结构,胶体理论：大多数沥青属于胶体体系，它是由相对分子量很大，芳香性很高的沥青质分散在分子质量较低的可溶性介质中形成的。沥青中不含沥青质，只有单纯的可溶质时，沥青则只具有粘性液体的特征而不成为胶体体系。沥青质分子由于对极性强大

30、的胶质具有很强的吸附力，因而形成了以沥青质为中心的胶团核心，而极性相当的胶质吸附在沥青质周围形成中间相。由于胶团的胶溶作用，而使胶团弥散和溶解于分子量较低、极性较弱的芳香分和饱和分组成分散介质中，形成了稳固的胶体。,根据胶团粒子大小、数量及其在连续相中的分散状态，沥青的胶体结构可分为三种类型。,第二课时,道路建筑材料沥青,1溶胶型沥青概念：当沥青质的含量不多（小于10%），相对分子量不很大，或分子尺寸较小，与胶质的相对分子质量相近时，饱和分和芳香分的溶解能力很强，分散相和分散介质的化学组成比较接近，这样的沥青分散度很高，胶团可以在连续相中自由移动，近似真溶液，具有牛顿流动特性，粘度与应力成比例

31、，称之为溶胶型沥青。特点：这类沥青对温度的变化敏感，高温时粘度很小，低温时由于粘度增大而使流动性变差，冷却时变为脆性固体。溶胶型沥青结构示意图见图2-5。,2凝胶型沥青概念：当沥青质含量很大，达到或超过25%30%时，胶质的数量不足以包裹在沥青质周围使之胶溶，沥青质胶团会相互连结，形成三维网状结构，胶团在连续相中移动比较困难，此时就形成了凝胶型沥青。特点：这类沥青在常温下呈现非牛顿流动特性，并具有粘弹性和较好的温度稳定性。随着温度的升高，连续相的溶解能力增强，沥青质胶团可逐渐解缔，或胶质从沥青质吸附中心脱附下来。当温度足够高时，沥青的分散度加大，沥青则又可近似真溶液而具有牛顿流特性。,道路建筑

32、材料沥青,3溶凝胶型沥青概念：当沥青或沥青质中含有较多的烷基侧链，生成的胶团结构比较松散，可能含有一些开式网状结构，网状结构的形成与温度密切相关，在常温时，在变形的最初阶段表现出明显的弹性效应，但在变形增加至一定阶段时，则表现为牛顿液体状态。特点：高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的形变能力。,高分子溶液学说理论认为，沥青是以高分子量的沥青质为溶质，以低分子量的软沥青质（树脂和油分）为溶剂的高分子溶液。当沥青质含量很小，沥青质与软沥青质溶解度参数很小时能够形成稳定的真溶液。这种高分子溶液的特点是对电解质稳定性较大，而且是可逆的，也就是说，在沥青高分子溶液中，加入电解质并不能破坏沥青的结构

33、。当软沥青质减少，沥青质增加时，为浓溶液，即凝胶型沥青；如果沥青质减少，软沥青质增加时则为稀溶液，溶胶型沥青即可视为稀溶液。介乎二者之间的即溶凝胶型沥青。沥青的胶体结构与沥青的技术性质有密切关关系，但从化学角度来评价沥青的胶体结构是很困难的，常采用针入度指数（PI）法、容积度法、絮凝比一稀释度法等来评价胶体结构类型及其稳定性。,有的学者不采用胶体结构学说，而采用高分子溶液学说进行研究。,道路建筑材料沥青,第三节 石油沥青的技术性质,道路建筑材料沥青,第三课时,道路建筑材料沥青,一、沥青的物理性质1密度 概念：沥青密度是在规定温度下单位体积所具有的质量，单为为t/m3或g/cm3，我国现行试验方

34、法（JTJ 052 T06031993）规定的温度条件为15。也可用相对密度表示，相对密度是指在规定温度下，沥青质量与同体积的水质量之比值。影响因素：沥青的相对密度与沥青的化学组成有密切的关系，它取决于沥青各组分的比例及排列的紧密程度。沥青中含硫量大、芳香族含量高、沥青质含量高则相对密度较大；蜡分含量较多则相对密度较小。,用处：沥青的密度是沥青在质量与体积之间互相换算以及沥青混合料配合比设计时必不可少的重要参数。在沥青使用、贮存、运输、销售和设计沥青容器时也是不可缺少的数据。特点：密度随温度的升高而降低，体积膨胀。,道路建筑材料沥青,2体膨胀系数概念：当温度上升时，沥青材料的体积发生膨胀。作用

35、：对于沥青与储罐的设计和沥青作为填缝、密封材料是十分重要的数据，与沥青路面的路用性能也有密切的关系，体膨胀系数越大，沥青路面在夏季易泛油，冬季因收缩而产生裂缝。计算：沥青的体膨胀系数可以通过测定不同温度下的密度，由式（2-2）计算。(2-2)式中：A沥青的体膨胀系数；T1,T2密度测试温度，；DT1,DT2分别为温度T1和T2时的密度，g/cm3。,3介电常数概念：沥青的介电常数与沥青对氧、雨、紫外线等的耐候性（耐老化性）有关，介电常数定义为：英国道路研究所（TRRL）研究认为，沥青路面的抗滑阻力的改善与介电常数有关，因此英国标准对道路用沥青介电常数提出了要求。,道路建筑材料沥青,二、沥青的路

36、用性能1.粘滞性（1）沥青粘滞性的定义粘滞性：是指沥青材料在外力作用下沥青粒子产生相互位移的抵抗剪切变形的能力。沥青作为胶结材料，应将松散的矿质材料胶结为一整体而不产生位移。如图2-7所示，在金属板中夹一沥青层，当其受到简单剪切变形时，沥青在高温时表现为牛顿流状态，按牛顿粘度公式表征沥青层抵抗移动的抗力由式（2-3）表示。（2-3）式中：F引起沥青层移动的力（亦即等于沥青抵抗移动的抗力），N；A沥青层的面积，m2；dv/dy速度变化梯度（即剪变率），s-1；沥青的内摩阻系数（即沥青的动力粘度），pas。由于，代入式（2-3），沥青的粘度由式（2-4）表示。（2-4）式中：沥青的动力粘度，pas

37、。剪应力，N/m2；剪变率，s-1。,第四课时,道路建筑材料沥青,（2）沥青粘度的测定方法 沥青的粘度随温度而变化，变化的幅度很大，因而需采用不同的仪器和方法来测定。为了确定沥青60粘度分级，国际普遍采用真空减压毛细管粘度计测定其动力粘度（pas），还有布洛克菲尔德粘度计方法用以测定其表观粘度。,真空减压毛细管法 真空减压毛细管法是测定沥青动力粘度的一种方法（JTJ 052 T 06192000）。该法是沥青试样在严密控制的真空装置内，保持一定的温度（通常为60），通过规定型号毛细管粘度计（通常采用的有美国沥青学会式，即AI式，如图2-9），流经规定的体积所需要的时间（以s计），按式（2-5）

38、计算动力粘度。（2-5）式中：T在温度T时测定的沥青运动粘度，mm2/s；k粘度计常数，pas；t沥青流经规定体积时间,s。真空减压毛细管法测定60沥青粘度直接关联沥青路面的抗车辙能力，在各国得到较广泛采用。此外，在测定沥青软化点附近的粘度常采用双筒旋转粘度计，锥板旋转粘度计，在常温条件下，较多采用滑板式粘度计。,道路建筑材料沥青,道路建筑材料沥青,布洛克菲尔德法（Brookfield）美国战略公路研究计划（SHRP）在沥青结合料路用性能规范中采用布洛克菲尔德法（Brookfield）粘度计测量道路沥青在45以上温度范围内的表观粘度，以帕秒（Pas）计，可以看成简化的双筒旋转粘度计，见图2-1

39、0。该法适用于测定牛顿流体或非牛顿流体的剪应力与剪应变之比。试验方法：将少量沥青样品盛于恒温控制的试样筒中，转子在沥青试样中转动，测定相应的转动阻力所反映出来的扭矩。扭矩计读数乘以仪器参数即可得到以Pas表示的沥青的粘度,毛细管法 毛细管法是测定沥青运动粘度的一种方法（JTJ 052 T 06191993）该法是沥青试样在严密控温条件下，于规定温度（通常为135），通过选定型号的毛细管粘度计（通常采用的有坎-芬式，如图2-8），流经规定体积所需的时间（以s计），按式（2-7）计算运动粘度。（26）式中：vT在温度T时测定的沥青运动粘度，mm2/s；c粘度计标定常数mm2/s2；t沥青流经规定体

40、积所需时间，s。,道路建筑材料沥青,上面这些测定粘度的方法，都是采用仪器为绝对粘度单位的粘度计，也可以称为绝对粘度法。另一类则采用一些经验的方法测定试验单位粘度，如恩格拉粘度计法，赛氏粘度计法。道路沥青标准粘度计法等。此外，针入度试验也可表征沥青的相对粘度。下面对沥青标准粘度针入度和软化点等试验介绍如下。,沥青标准粘度试验概念：我国现行试验法（JTJ 052 T 0621-93）规定液体石油沥青、煤沥青和乳化沥青等的粘度，采用道路标准粘度计法，试验模式见图2-11。试验方法：液体状态的沥青材料，在标准粘度计中，于规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50ml体积所需的时间，以s计。试验条件

41、：以GT,d表示，其中C表示粘度，脚标表示试验条件，其中T表示试验温度，d为流孔直径。试验温度和流孔直径根据液体状态沥青的粘度选择，常用的孔径有3mm、4mm、5mm、10mm等四种。在相同温度和相同流孔条件下，流出时间愈长，表示沥青粘度愈大。其它国家多采用恩格拉粘度计法或赛波特粘度试验,道路建筑材料沥青,针入度法概念：是国际上普遍采用测定粘稠沥青稠度的一种方法，也是划分沥青标号采用的一项指标。试验方法：是沥青材料在规定的温度条件下，以规定质量的标准针经过规定时间贯入沥青式样的深度，以0.1mm计。试验条件：针入度以Pt,m,t表示，P表示针入度，脚标表示试验条件，其中T为试验温度，m为标准针

42、（包括连杆及砝码）的质量，t为贯入时间。我国现行试验法（T060493）规定：常用的试验条件为P25,100g,5s。此外，在计算针入度指数时，针入度试验温度常为5，15，25，35等，但标准针质量和贯入时间仍为100g和5s。指标特性：针入度值愈大，表示沥青愈软（稠度愈小）。实质上，针入度是测量沥青稠度的一种指标。通常稠度高的沥青，其粘度亦高。,道路建筑材料沥青,软化点概念：沥青材料是一种非晶质高分子材料，它由液态凝结为固态，或由固态熔化为液态时，没有明确的固化点或液化点，通常采用条件的硬化点和滴落点来表示，沥青材料在硬化点至滴落点之间的温度阶段时，是一种粘滞流动状态，在工程实用中为保证沥青

43、不致由于温度升高而产生流动的状态，因此，取滴落点和硬化点之间温度间的87.21%作为软化点。试验方法：软化点的数值随所采用的仪器不同而异，我国现行试验（T 060493）是采用环与球法软化点，见图2-13。该法是沥青试样注于内径为18.9mm的铜环中，环上置一重3.5g的钢球，在规定的加热温度（5/min）下进行加热，沥青试样逐渐软化，直至在钢球荷重作用下，使沥青产生25.4mm垂度（即接触底板）时的温度，称为软化点，以计。指标特性：研究认为：多种沥青在软化点时的粘度约为1200Pas或相当于针入度值为800（0.1mm）。软化点试验实际上是测量沥青在一定外力（钢球）作用下开始产生流动并达到一

44、定变形时的温度，可以认为软化点是一种人为的“等粘温度”。由此可见，针入度是在规定温度下测定沥青的条件粘度，而软化点则是沥青达到规定条件粘度时的温度。所以软化点既是反映沥青材料热稳定性的一个指标，也是沥青条件粘度的一种量度。,道路建筑材料沥青,2沥青的低温性能 沥青的低温性能与沥青路面的低温抗裂性有密切的关系，沥青的低温延性与低温脆性是重要的性能，多以沥青的低温延度试验和脆点试验来表表征。,（1）延性概念：沥青的延性是指当其受到外力的拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力，是沥青的内聚力的衡量，通常是用延度作为条件延性指标来表征。延度试验方法：将沥青试样制成8字形标准试件（最小断面1cm2），在

45、规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度，以cm计，称为延度。沥青的延度采用延度仪来测度，见图2-14。我国国家标准对A级、B级道路石油沥青规定延度试验温度采用10和15，对C级道路石油沥青规定延度试验温度为15，拉伸速度v=50.25cm/min。指标特性：沥青的延度与沥青的流变特性、胶体结构和化学组分等有密切的关系。研究表明，当沥青化学组分的不协调，胶体结构的不均匀，含蜡量的增加时，都会使沥青的延度值相对降低。有的研究指出，沥青的延度试验与路面沥青的拉伸状态不符，延度试验试件尺寸太大，路面中的沥青为薄膜状态，曾设想采用“微延度”试验，但未能成功。,道路建筑材料沥青,第五课时,（2）脆性概念：沥

46、青材料在低温下受到瞬时荷载作用时，常表现为脆性破坏。脆点：是测量沥青在低温不引起破坏时的温度。沥青脆性的测定极为复杂，通常采用A弗拉斯脆点试验方法可以求出沥青达到临界硬度发生开裂时的温度作为条件脆性指标。脆点试验的方法：是将沥青试样0.4g在一个标准的金属片上摊成薄层，此金属片置于有冷却设备的脆点仪内，摇动脆点仪的曲柄，能使涂有沥青薄膜的金属片产生弯曲。随着冷却设备中致冷剂温度以1/min的速度的降低，沥青薄膜的温度亦逐渐降低，当降低至某一温度时，沥青薄膜在规定弯曲条件下产生断裂时的温度，即为沥青的脆点。指标特性：脆点实质上反映沥青由粘弹性体转变为弹脆体即玻璃态的温度，即达到临界硬度时发生脆裂

47、的温度，也意味着沥青达到等劲度时的温度，沥青出现脆裂时的劲度约为2.1109Pa。,道路建筑材料沥青,（3）弯曲梁流变试验（BBR）概念：一种能准确评价沥青劲度和蠕变速率的方法，即弯曲梁流变试验（Bending Bean Rheome-ter简称BBR）。可采用沥青模拟经过施工的热老化，先经过旋转薄膜烘箱RTFOT，再经过压力老化试验（PAV）模拟沥青路面经过5年的使用期老化。试验方法：在弯曲流变仪器（BBR）上进行（见图2-15）。弯曲流变仪应用在工程上梁的理论来测量沥青小梁试件在蠕变荷载作用下的劲度，用蠕变荷载模拟温度下降时路面中可产生的应力，试验曲线见图2-16。通过试验获得两个评价指标

48、：蠕变劲度模量S（弯拉模量），要求不超过300MPa；如果沥青材料的蠕变劲度太大，则呈现脆性，路面容易开裂，因此要求不超过300MPa。而表征沥青低温劲度时间变化率的m值越大，则沥青开裂的可能性会随之减少，即m值越大越好。蠕变曲线的斜率要求不小于0.3。,道路建筑材料沥青,(4）直接拉伸试验（DTT）概念：直接拉伸试验是SHRP为测试沥青的拉伸性能而开发的，用以测试沥青在低温时的极限拉伸应变。试验方法：试验温度036，沥青试件如哑铃状（见图2-17），试件重约2g，两端粗，中间细，长40mm，有效标准长度为27mm，截面积为36mm2。一只试件仅需3g沥青，试验温度为设计最低温度以上10，拉伸

49、速率为1mm/min，较延度试验（5cm/min）慢得多，测得的结果是试件拉断时的荷载和伸长变形，试件的应力和应变由式（2-7）和式（2-8）计算。（2-7）（2-8）图2-18示出了不同温度下直接拉伸试验的破坏应变及试验应力关系图，相应于低温状态脆性破坏的试件的应变通常不大于1%，因此SHRP规范要求直接拉伸试验的破坏应变不得大于1%。,道路建筑材料沥青,3沥青的感温性概念：沥青是复杂的胶体结构，粘度随温度的不同而产生明显的变化，这种粘度随温度变化的感应性称为感温性。意义：对于路用沥青，温度和粘度的关系是极其重要的性能。沥青混合料在施工过程中的拌和、摊铺和碾压以及铺筑后的使用期间，都要求沥青

50、的粘度在适当的范围之内，否则将影响沥青路面的质量。评价参数：,评价参数：（1）针入度指数（PI）针入度指数（PI）：是应用针入度和软化点的试验结果来表征沥青感温性的一种指标。同时也可采用针入度指数值来判别沥青的胶体结构状态。,道路建筑材料沥青,第六课时,针入度温度感应性系数A 沥青的粘度随温度而变化，当以对数纵坐标表示针入度，以横坐标表示温度时，可以得到图2-19所示的直线关系，此关系由式（2-9）表示。1gP=AT+K（2-9）式中：P沥青的针入度，0.1mm；A针入度温度感应性系数，可由针入度和软化点确定；K回归系数。根据对多种沥青的研究发现，沥青在软化点温度时，针入度在6001000之间