分析沥青混合料抗剪强度的形成原理及影响因素

【任务描述】

本任务是分析沥青混合料抗剪强度的形成原理及影响因素。

【学习目标】

①能叙述沥青混合料的结构类型。

②熟悉构成沥青混合料抗剪强度的指标。

③熟悉影响沥青混合料抗剪强度的因素。

沥青混合料是一种复合材料，它是由沥青、粗集料、细集料、填料等组成。这些组成材料在混合料中，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。

1.沥青混合料的组成结构类型

1）结构理论

（1）传统理论——表面理论

该理论认为，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，由稠度较稀的沥青结合料分布其表面，从而将它们胶结成一个具有强度的整体。该理论较突出矿质骨料的骨架作用，认为强度的关键是矿质骨料的强度和密实度。

（2）近代理论——胶浆理论

该理论把沥青混合料看作是一种多级空间网状结构的分散系，主要分为3个分散系：

①粗分散系：以粗集料为分散相，分散在沥青砂浆的介质中。

②细分散系：以细集料为分散相，分散在沥青胶浆的介质中。

③微分散系：以矿粉填充料为分散相，分散在高稠度的沥青介质中。

这种三级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。矿粉的矿物成分、级配以及沥青与矿粉表层的交互作用对沥青混合料性能有较大影响。

2）沥青混合料组成结构类型

按照沥青混合料强度构成特性的不同，压实沥青混合料可分为3种类型。

（1）悬浮-密实结构

它是由连续级配组成的密实混合料，如图6.1(a)所示。混合料中粗集料数量较少，不能形成骨架。这种沥青混合料黏聚力较大，高温稳定性差，空隙率小，抗疲劳和低温性能强。按照连续密级配原理设计的AC型沥青混合料是典型的悬浮-密实结构。

图6.1　沥青混合料的典型组成结构

（2）骨架-空隙结构

它是指矿质集料属于连续型开级配的混合料结构，如图6.1(b)所示。矿质集料中粗集料较多，可形成矿质骨架，细集料较少，不足以填满空隙。其结构强度受沥青的性质和物理状态影响较小。所以，此结构沥青混合料空隙率大，耐久性差，沥青与矿料的黏聚力差，热稳定性较好，这种结构沥青混合料的强度主要取决于内摩阻角。沥青碎石混合料AM和开级配磨耗层沥青混合料OGFC是典型的骨架-空隙结构。

（3）骨架-密实结构(www.xing528.com)

它是指此结构具有较多数量的粗集料形成空间骨架，同时又有足够的细集料填满骨架的空隙，如图6.1(c)所示。这种结构密实度大，具有较高的黏聚力和内摩阻角，抗水损害、疲劳和低温性能较好，是沥青结合料中最理想的一种结构类型。沥青玛脂碎石混合料SMA是典型的骨架-密实结构。

2.沥青混合料的强度理论

沥青混合料在路面结构中产生破坏的情况，主要是发生在高温时由于抗剪强度不足或塑性变形过大而产生推挤等现象，以及低温时抗变形能力较差而产生裂缝现象。目前，沥青混合料强度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。

对沥青混合料强度构成展开研究，许多学者普遍采用摩尔-库伦理论作为分析沥青混合料的强度理论。摩尔-库伦强度理论认为沥青混合料的抗剪强度是由黏聚力c和表征内摩阻力的内摩阻角φ构成。所以，提高沥青混合料强度的途径为：一是提高沥青与集料的黏聚力c，二是增大集料的内摩阻角φ。

3.影响沥青混合料抗剪强度的因素

沥青混合料抗剪强度的影响因素，主要有材料的组成、材料的技术性质等内因以及车辆荷载、温度、环境条件等外界因素。

1）沥青黏度的影响

沥青混合料作为一个具有多级空间网状结构的分散系，可看作是各种矿质集料分散在沥青中所形成的体系，因此它的黏聚力与分散相的浓度和分散介质黏度有着密切关系。在其他因素固定的条件下，沥青混合料的黏聚力c随着沥青黏度的提高而增加，同时内摩阻角亦稍有提高。因为存在沥青的黏度(沥青内部沥青胶团相互位移时其抵抗剪切作用的力)，所以沥青混合料受到剪切作用时，特别是受到短暂的瞬时荷载时，具有高黏度的沥青能赋予沥青混合料较大的黏滞阻力，因而具有较高的抗剪强度。

2）沥青与矿料之间的吸附作用

（1）沥青与矿料的物理吸附

沥青材料与矿料之间在分子引力的作用下，形成一种定向多层吸附层，即为物理吸附。该吸附作用的大小，主要取决于沥青中的表面活性物质及矿料与沥青分子亲和性的大小。当沥青表面活性物质含量越多，矿料与沥青分子亲和性越大，则物理吸附作用越强烈，混合料的黏聚力也就越强。但是，水会破坏沥青与矿料的物理吸附作用，其不具备水稳定性。

（2）沥青与矿料的化学吸附

沥青中的活性物质与矿料的金属阳离子产生化学反应，在矿料表面构成单分子层的化学吸附层，即为化学吸附。当沥青与矿料形成化学吸附层时，相互之间的黏结力大大提高。研究表明，沥青与矿粉相互作用后，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扩散溶剂化膜(图6.2)。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联结，会具有较大的黏聚力；若为自由沥青联结，则黏聚力较小。

沥青与矿料相互作用不仅与沥青的化学性质有关，而且与矿料的性质有关。试验表明，碱

性石料与沥青的化学吸附作用较强，而酸性矿料与沥青的化学吸附作用较弱。沥青与矿料的化学吸附比物理吸附要强得多，同时具有水稳定性。

图6.2　沥青与矿料交互作用示意图

3）矿料比表面积的影响

在相同的沥青用量条件下，与沥青产生相互作用的矿料表面积越大，则形成的沥青膜越薄，在沥青中结构沥青所占的比例越大，沥青混合料的黏聚力亦越高。所以在沥青混合料配料时，必须含有适量的矿粉，但不宜过多，否则施工时混合料易结团。

4）沥青用量的影响

当沥青用量很少时，沥青不足以形成薄膜黏结矿料颗粒。随着沥青用量的增多，结构沥青逐渐形成，沥青较为完满地黏附于矿料表面，使沥青与矿料间的黏结力随着沥青用量的增多而增大。当沥青用量足以形成薄膜并充分黏结在矿料表面时，沥青混合料具有最优的黏聚力。随后，如沥青用量继续增多，则由于沥青过剩，会将矿料颗粒推开，在颗粒间形成未与矿料相互作用的自由沥青，则沥青胶结物的黏结力随着自由沥青的增加而降低，当沥青用量增加至某一用量后，沥青混合料的黏结力主要取决于自由沥青，所以抗剪强度不变。沥青在混合料中不仅起结合料的作用，而且还起着润滑作用，因此，随着沥青数量的增加，沥青混合料的内摩阻力下降。

5）矿料级配、颗粒几何形状与表面特征的影响

矿料的级配影响矿料在沥青混合料的分布情况，影响矿料颗粒在混合料的相互嵌挤程度，由此对沥青混合料的内摩阻力产生影响；颗粒的几何形状与表面特征同时影响混合料中矿料颗粒间嵌挤作用和相互间的摩擦作用，所以也影响沥青混合料的内摩阻力的大小。通常表面具有棱角、近似正立方体以及具有明显细微凸出的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阻角。另外，颗粒表面粗糙的矿质集料会加强沥青与矿料间的物理黏结作用，有利于沥青混合料的黏聚力。所以，在其他条件相同的情况下，颗粒有棱角、近似立方体、表面粗糙的矿质集料所组成的沥青混合料具有较高的抗剪强度。

6）温度和形变速度的影响

随着温度的升高，沥青混合料的黏聚力c显著降低，但内摩阻角φ受温度变化的影响较小。此外，沥青混合料的黏聚力c还随变形速度的增加而显著提高，而φ随变形速度的变化很小。