9沥青材料（课件）- 《建筑材料》同步教学（电工版·2016版）

9.沥青材料 9.1 石油沥青及煤沥青 9.2 沥青混合料 9.0 概述 9.0 概述 复杂的高分子的碳氢化合物及其非金属（氧、硫、氮）的衍生物所组成的混合物。 黑色(黑褐色)；固态、半固态或液态。 性质：粘结性（有机胶凝材料）、憎水性、塑性、耐腐蚀。 用途：路面、屋面、防水、耐腐蚀等工程材料。 沥青： 沥青的分类: 土木建筑工程主要应用石油沥青。 沥青 地沥青 焦油沥青 天然沥青：沥青湖，砂岩、砂中提炼。 石油沥青：石油原油蒸馏后残留物加工。 煤沥青：煤焦油蒸馏后残留物加工。 页岩沥青：油页岩炼油工业的副产品。 9.沥青材料 9.1 石油沥青及煤沥青 9.2 沥青混合料 9.0 概述 9.1 石油沥青与煤沥青 石油沥青的组成与结构 石油沥青的技术性质 石油沥青的选用 石油沥青产品和技术标准 煤沥青简介 石油沥青的掺配与改性 乳化沥青 一、石油沥青的组成和结构 不能直接得到沥青元素含量与性能之间的关系。 通过分析组分研究沥青的性能。 组分：性质相近，与其工程性质有一定联系。 组分 含量（％） 比密度 特征 在沥青中作用 油份 45~60 0.7～1.0 无色至淡黄色粘性液体 流动性 树脂 15~30 1.0～1.1 红褐至黑褐色的粘稠半固体，熔点低于100℃ 塑性 地沥青质 5~30 1.1~1.5 黑褐至黑色的硬而脆的固体微粒 粘性、脆性，高温稳定性好（耐热性） 1.石油沥青的组分 沥青中的蜡 降低沥青高温稳定性，使沥青高温时出现车辙或流淌； 降低低温抗裂性，使沥青低温时变脆硬； 使沥青与石料粘附性降低，使路面石子产生剥落； 使沥青路面抗滑性降低，影响路面行车安全。 我国标准规定：重交通量道路石油沥青的含蜡量不大于3％。 溶-凝胶型结构 粘性小，流动性大，高温稳定性差。 粘性大，塑性差，高温稳定性较好。 大部分优质道路沥青均配成溶～凝胶型结构，具有粘弹性和触变性，故亦称弹性溶胶。 2.石油沥青的（胶体）结构 溶胶型结构 凝胶型结构 二、石油沥青的技术指标 1.粘滞性（粘性）。反映沥青软硬、稀稠的程度。 检测方法： 针入度是目前我国粘稠石油沥青的分级指标。 液体石油沥青：粘滞度（标准粘度） 孔径：3mm、5mm或10mm 温度：20℃、25℃、30℃或60 ℃。 固体、半固体沥青：针入度 100g 0.1mm为1度 针入度越大，粘性越小。 时间越长，粘性越大。 受外力作用，变形但不破坏，外力除去，变形保持。 塑性小的沥青，低温下易开裂；塑性大的沥青，不易开裂，且具有自愈性，防水性也好。 用延度表示。 ∞字形标准试件（中间最小截面面积为1cm2），用延度仪，在规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度，单位：cm。 试验温度有0℃、15℃、25℃三种；拉伸速度有1cm/min、5cm/min两种。 2.塑性（延性） 粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能； 用软化点来衡量。固态转变为膏体的温度。 3.5g 3.温度敏感性 沥青软化点越高，沥青的温度稳定性越好。可加入滑石粉、石灰石粉或其它矿物填料减少沥青的温度敏感性。 加热速度5℃/min 针入度、延度、软化点是评价粘稠石油沥青技术性质最常用的三大指标。 4.大气稳定性 石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能。 老化原因：油份→树脂→地沥青质。 评价方法： 5.其它性质 溶解度； 闪点； 燃点。 三、石油沥青产品及技术标准 《道路石油沥青》（SH/T 0522-2000）：用于中、轻交通量道路。按针入度分为200号、180号、140号、100号和60号五个牌号； 《重交通道路石油沥青》（GB/T 15180-2000）：用于重交通量道路和其它等级道路、机场等。按针入度分为AH-130、 AH-110 、 AH-90、 AH-70和AH-50五个牌号； 《建筑石油沥青》（GB/T 494-1998）：用于建筑屋面和地下防水的胶结料，也可用于制造涂料、油毡和防腐材料。按针入度分为10号、30号和40号三个牌号； 《防水防潮石油沥青》（SH/T 0002-90）：用于油毡的涂覆材料及建筑屋面和地下防水的胶结料。按针入度指数分为3号、4号、5号和6号四个牌号； 四、石油沥青的选用 尽可能选用较高牌号。 屋面用沥青，软化点一般应比当地屋面可能达到的最高温度高出20～25℃，亦即比当地最高温度高出50℃左右。 五、石油沥青的掺配与改性 石油沥青不能与煤沥青相掺。 P1—高软化点沥青用量（%）； P2—低软化点沥青用量（%）； T1—高软化点沥青软化点（℃）； T2—低软化点沥青软化点（℃）。 T—掺配后的石油沥青软化点（℃）； 以估算的掺配比例和其邻近的比例（5％～10％）进行试配（混合熬制均匀），测定掺配后沥青的软化点，然后绘制“掺配比--软化点”关系曲线，确定出所要求的掺配比例。 1.石油沥青的掺配 2.石油沥青的改性 氧化改性； 矿物填充料改性。如滑石粉、石灰石粉、石棉，提高沥青粘结力和耐热性； 聚合物改性。SBS橡胶、APP树脂； 六、煤沥青简介 烟煤干馏得到的煤焦油，经分馏加工提取轻油、中油、重油、蒽油以后所得残渣即为煤沥青，也称柏油。 温度稳定性较差； 气候稳定性较差； 与矿质集料的粘附性较好； 防腐能力强。因含酚、蒽等有毒物质； 含有较多游离碳，塑性差，易开裂。 应用：配制防腐涂料、胶粘剂、防水涂料、油膏、制作油毡。 特点： 七、乳化沥青 沥青以细小的微滴（2～5μm）状态分散于含有乳化剂－稳定剂的水溶液中，形成水包油状的沥青乳液。 常温施工、节约能源; 便于施工、节约沥青; 保护环境、保障健康; 路面粗糙，减少事故。 应用：路面的保护层结构、修补路面或路面抗滑表层。 乳化沥青的优点: 9.沥青材料 9.1 石油沥青及煤沥青 9.2 沥青混合料 9.0 概述 9.2 沥青混合料 基本概念 沥青混合料的组成材料 沥青混合料的技术性质 沥青混合料的组成结构 热拌沥青混合料（HMA）的配合比设计 沥青混合料的强度和稳定性理论 一、基本概念 1.定义 沥青混合料。矿料（粗集料、细集料、矿粉）与沥青拌合而成； 沥青混凝土混合料（Asphalt concrete mixture) 。粗集料、细集料、填料与沥青结合料拌合而成，以AC（圆孔筛用LH）表示。 沥青碎石混合料（Asphalt macadam mixture） 。粗集料、细集料、少量填料（或不加填料）与沥青拌合而成，压实后剩余空隙率在10％以上，以AM （圆孔筛用LS）表示。 ——《沥青路面施工及验收规范》（GB 50092-96） 沥青混凝土混合料 沥青碎石混合料 2.分类。 按结合料分类：石油沥青～、 煤沥青～； 按拌制和摊铺温度分类：热拌热铺～，常温～； 按最大粒径分类：粗粒式～，中粒式～，细粒式～， 砂粒式～，特粗式～； 按混合料密实度分类：密级配～（分Ⅰ型、Ⅱ型 ）、开级配～、半开级配～； 按矿质集料级配类型分类：连续级配～、间断级配～ 。 具有一定的高温稳定性和低温抗裂性； 平整确具有一定的粗糙度； 不反光； 无接缝； 路面有弹性，行车舒适； 施工方便、速度快； 可分期改造和再生利用。 温度敏感性； 老化。 3.沥青混合料的特点 二、沥青混合料的组成材料 ——《沥青路面施工及验收规范》GB 50092-1996 可采用道路石油沥青、煤沥青、乳化石油沥青、液体石油沥青； 选择沥青要考虑交通量、气候条件、施工方法、沥青面层类型、材料来源； GB 50092-1996中规定了重交通道路以及中、轻交通道路对石油沥青的要求，规定了道路用乳化石油沥青、液体石油沥青、煤沥青的质量要求。 1.沥青 2.矿料 粗集料。粒径大于2.36mm，如碎石、破碎砾石、筛选砾石、矿渣等。优先选用碱性集料。 细集料。粒径小于2.36mm，天然砂、人工砂或石屑。 填料。粒径小于0.075mm的磨细矿粉，如石灰石粉。 三、沥青混合料的组成结构 1.沥青混合料的组成结构 悬浮-密实结构 骨架-空隙结构 密实-骨架结构 三种类型矿料级配曲线 100 0 50 0.08 0.3 1.18 4.75 19 间断级配 开级配 密级配 四、沥青混合料的技术性质 1.高温稳定性 评价方法：马歇尔试验、车辙试验。 马歇尔试验指标 马歇尔稳定度MS：最大的破坏荷载（kN）。 流值FL：最大破坏荷载时的垂直变形（0.1mm）。 马歇尔模数T：稳定度除以流值的商。 动稳定度(车辙)试验 300mm×300mm×50mm的标准试件，在60℃的温度条件下，以一定荷载的轮子（轮压0.7 MPa），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所需试验车轮行走的次数。 2.低温抗裂性 3.耐久性 用空隙率VV、饱和度VFA、矿料间隙率（VMA）和残留稳定度MS0体现。 4.抗滑性 5.施工和易性 热拌沥青马歇尔试验指标 试验项目 沥青混合料类型 高速公路、一级公路、城市快速道、主干道 其它等级过路与城市道路 行人道路 稳定度（MS），KN Ⅰ型沥青混凝土 Ⅱ型沥青混凝土、抗滑表层 ＞7.5 ＞5.0 ＞5.0 ＞4.0 ＞3.0 — 流值（FL），0.1mm Ⅰ型沥青混凝土 Ⅱ型沥青混凝土、抗滑表层 20～40 20～40 20～45 20～45 20～50 — 空隙率（VV），％ Ⅰ型沥青混凝土 Ⅱ型沥青混凝土、抗滑表层 沥青碎石 3～6 4～10 ＞10 3～5 4～10 ＞10 2～5 — — 沥青饱和度（VFA），％ Ⅰ型沥青混凝土 Ⅱ型沥青混凝土、抗滑表层 沥青碎石 70～85 60～75 40～60 70～85 60～75 40～60 75～90 － － 残留稳定度（MS0），％ Ⅰ型沥青混凝土 Ⅱ型沥青混凝土、抗滑表层 ＞75 ＞70 ＞75 ＞70 ＞75 － 五、沥青混合料的强度和稳定性理论 1.沥青混合料的抗剪强度主要取决于粘聚力和内摩擦角。  =c +  tg    c 摩尔－库仑包络线 悬浮-密实结构 骨架-空隙结构 密实-骨架结构 C大，φ小 C小，φ大 C大，φ大 2.影响沥青混合料抗剪强度的因素 沥青粘度。沥青粘度的增加，粘聚力Ｃ增加，内摩擦角φ稍有提高。 沥青与矿料化学性质 矿料物理性质。比表面积、级配类型、表面特征 沥青用量的影响 外因 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 10 20 30 40 50 60 T(C) c  =f(T) c=f(T) 温度对沥青混合料抗剪强度的影响 400 300 200 100 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 1 2 3 4 5 c  c=f(v) =f(v) V 形变速率对沥青混合料抗剪强度的影响 六、热拌沥青混合料（HMA）的配合比设计 1.矿料配合比计算 确定沥青混合料类型和集料最大粒径（查表）； 确定矿料级配范围（查表）； 根据各矿料的筛分曲线计算矿料的配合比。 ——《沥青路面施工及验收规范》（GB 50092-96） 沥青路面各层的沥青混合料类型（方孔筛系列） 结构 层次 高速公路、一级公路、城市快速路、主干路 其它等级公路 一般城市道路及其它道路工程 三层式沥青混凝土路面 两层式沥青混凝土路面 沥青混凝土路面 沥青碎石路面 沥青混凝土路面 沥青碎石路面 上面层 AC-13 AC-16 AC-20 AC-13 AC-16 AC-13 AC-16 AM-13 AC-5 AC-10 AC-23 AM-5 AM-10 中面层 AC-20 AC-25 下面层 AC-25 AC-30 AC-20 AC-25 AC-30 AC-20 AC-25 AC-30 AM-25 AM-30 AM-25 AM-30 AC-20 AC-25 AM-25 AM-30 AM-25 AM-30 AM-40 2.确定最佳沥青用量 查表并根据经验估计适宜的沥青用量（油石比）； 以估计沥青用量为中值，按0.5％间隔变化，取5个不同的沥青用量，实测密度，计算出的空隙率、饱和度；实测的稳定度、流值，绘制沥青用量与它们的关系图； 从图中分别取相应于密度最大值、稳定度最大值和规定空隙率范围中值的沥青用量a1、a2和a3，计算最佳沥青用量初始值OAC1。 从图中分别取规定稳定度、流值、饱和度和空隙率范围，确定相应的沥青用量范围，取各沥青用量范围的共同部分，即为沥青最佳用量范围OACmin～ OACmax ,求其中值OAC2。 沥青混合料技术指标与沥青用量关系图 按OAC1在图中求取各项指标，若各指标符合规定要求，则由OAC1和OAC2综合确定最佳沥青用量OAC（可取两者中值）；若不符合，则调整重做，直至符合。 按最佳沥青用量OAC制作马歇尔试件和车辙试验试件，进行水稳定性检验和高温稳定性（车辙）检验。 试验室配合比设计（目标配合比）； 生产配合比设计； 生产配合比验证（试拌试铺配合比调整，标准配合比）。 沥青混合料配合比设计一般按以下三个步骤： 本章结束 $$