沥青混合料：成果和性能分析

沥青混合料是由沥青和矿质材料（砂、石子、填充料等）在加热或常温时按适当比例配制而成的混合料的总称。沥青混合料经浇筑或铺筑成形，硬化后具有一定强度的固体，称为沥青混凝土。沥青混凝土主要用作道路路面和水利工程中的防水、防渗及排水层材料。

由沥青和一定级配颗粒的粗集料组成的混合物称为沥青碎石混合料，其孔隙率大于10%；没有粗集料，只有细集料（砂子）、矿粉填料和沥青组成的混合物，称为沥青砂浆；由沥青和微细的矿粉填料组成的混合物，称为沥青胶浆。

沥青混合料的种类很多。按集料的级配类型和沥青混合料的密实度，可分为密级配（孔隙率3%～6%）、开级配（孔隙率6%～10%）和沥青碎石（孔隙率大于10%）。密级配沥青混合料多用于道路面层和水工结构物中的防渗层，开级配沥青混合料多用于道路基层、防渗层底部的整平胶结层，而沥青碎石渗透性强，多用于排水层和护坡等。

按集料的最大粒径，沥青混合料分为粗粒式（集料的最大粒径为35mm或30mm）、中粒式（集料的最大粒径为25mm或20mm）、细粒式（集料的最大粒径为15mm或10mm）和砂粒式（集料的最大粒径为5mm）。其中粗粒式和中粒式多用作道路面层的底层，而细粒式和砂粒式多作为道路面层的上层。

按沥青混合料施工温度，可分为热拌沥青混合料和常温沥青混合料。

7.5.1　热拌沥青混合料

热拌沥青混合料的特点是在施工过程中，将沥青加热至150～170℃，矿质集料加热至160～180℃，在热态下拌制成沥青混合料，并在热态下摊铺、压实。由于热拌沥青混合料具有良好的工程性能，故在工程中得到广泛应用。目前在高等级公路和城市干道中多采用热拌沥青混合料。

7.5.1.1　热拌沥青混合料的组成材料

1.石油沥青

沥青混合料用的沥青材料，应根据气候条件、建筑物工作条件、沥青混合料的种类和施工方法等条件选择。炎热的气候区，繁重的交通，细粒式或砂粒式的混合料应采用稠度较高的沥青；反之，采用稠度较低的沥青。

2.矿质材料

矿质材料包括粗集料、细集料和矿粉填料。

沥青混合料用粗集料，可以采用碎石、破碎砾石和矿渣等，要求质地坚硬、密实、清洁、不含过量有害杂质、级配良好的碱性岩石（如石灰岩、白云岩、玄武岩、辉绿岩等）。

细集料可采用天然砂或人工砂，均应级配良好、清洁、干燥、坚固、耐久、不含有害杂质。其作用是填充粗骨料孔隙。

填充料又称矿粉，是指碱性矿粉（如石灰石粉、白云石粉、大理石粉、水泥等）。矿粉要求洁净、干燥，其含水率应小于1%且不含团块。由于矿粉填料颗粒微细，具有很大的表面能，与沥青混合后，将产生物理吸附和化学吸附作用，提高沥青混凝土的温度稳定性和黏滞性，使沥青混凝土的性能得到改善。

3.外加剂

为改善沥青混合料的性能而掺入的少量物质，称为外加剂。常用的有石棉、消石灰、聚酰胺树脂及其他物质。掺入石棉可提高沥青混合料的热稳定性、抗弯强度、抗裂性等，一般选用短纤维石棉，掺量为矿质材料的1%～2%。掺入消石灰、聚酰胺树脂可提高沥青与酸性矿料的黏聚性、水稳定性。消石灰掺量为矿质材料的2%～3%，聚酰胺树脂掺量为沥青用量的0.02%。

7.5.1.2　沥青混合料的技术性质

沥青混合料的技术性质应满足工程的实际要求，具有与施工条件相适应的和易性。其主要技术性质包括和易性、抗渗性、热稳定性、柔性、大气稳定性、耐水性。

1.和易性

和易性是指沥青混合料在拌和、运输、摊铺及压实过程中具有与施工条件相适应，既保证质量又便于施工的性能。沥青混合料和易性目前尚无成熟的测定方法，多凭经验判定。

沥青混合料的和易性与组成材料的性质、用量及拌和质量有关。使用黏滞性较小的沥青，能配制成流动性高、松散性强、易于施工的沥青混合料；当使用黏滞性大的沥青时，流动性及分散性较差；沥青用量过多时易出现泛油，使运输时卸料困难，并难于铺平。矿质混合料中，粗细集料的颗粒大小相差过大，缺乏中间颗粒，则容易产生离析分层；使用未经烘干的矿粉，易使沥青混合料结块、质地不均匀，不易摊铺；矿粉用量过多，使沥青混合料黏稠，但矿粉用量过少，则会降低沥青混合料的抗渗性、强度及耐久性等。

拌和质量对沥青混合料的性能影响较大。一般应采用强制式搅拌机拌制。

2.热稳定性

热稳定性又称耐热性，是指沥青混合料在高温下抵抗塑性流动的性能。当温度升高时，沥青的黏滞性降低，使沥青与矿料的黏结力下降。因此，沥青混合料的强度降低，塑性增加。对于暴露在大气中的沥青混合料，它的温度可比气温高出20～30℃，所以，沥青混合料必须具有良好的热稳定性。

影响沥青混合料热稳定性的因素主要是:沥青的性质和用量、矿质混合料的性能和级配、填充料的品种及用量。一般使用软化点较高的沥青，可提高沥青混合料的热稳定性。在沥青用量相同的情况下，使用粒径较粗且级配良好的碎石、填充料适宜均能获得较好的热稳定性。在沥青混合料中填充料较少，矿料表面的沥青层较厚，会降低热稳定性；填充料过多，矿料表面的沥青层太薄，黏结性减弱，也会降低热稳定性。

沥青混合料的热稳定性一般多采用马歇尔稳定度和流值表示，通过马歇尔稳定仪测定（见图7-4）。将沥青混合料在规定的加热条件下搅拌、成型试件，做成φ101.6mm×63.5mm的圆柱形标准试件，并在60℃下保温45min，然后侧放在加荷压头内，对试件以50±5mm/min的变形速度加载，达到破坏时的最大荷载（N）值即为马歇尔稳定度，达到最大荷载的瞬间试件的流动变形数值，称为流值（单位为1/100cm）。

图7-4　马歇尔稳定仪示意图

1—试件；2—流值表；3—百分表；4—应力环；5—压力架；6—半圆形压头(www.xing528.com)

3.柔性

柔性是指沥青混合料在自重或外力作用下，适应变形而不产生裂缝的性质。柔性好的沥青混合料适应变形能力大。

沥青混合料的柔性主要取决于沥青的性质及用量。用延伸度大的沥青，配制的沥青混合料的柔性较好；增加沥青用量、采用较细的及连续级配的集料、减少填充料的用量，均可提高沥青混合料的柔性。采用增加沥青用量并减少填充料用量的方法，是解决用低延伸度沥青配置具有较高柔性沥青混合料的一个有效方法。

4.大气稳定性

在大气综合因素作用下，沥青混合料保持物理力学性质稳定的性能，称为大气稳定性。沥青混合料的大气稳定性，与其密实度和所处的工作条件有关。实践证明，对水上部分孔隙率在5%以下的沥青混合料及长期处于水下部分的沥青混合料，一般不易老化，大气稳定性较好，较耐久。沥青混合料的大气稳定性，可根据沥青针入度及软化点随时间变化的情况来判断，变化较小者，其大气稳定性较高。

5.水稳定性

水稳定性是指沥青混合料长期在水作用下，其物理力学性能保持稳定的性质。沥青混合料长期处于水中，由于水分侵入会削弱沥青与集料之间的黏结力，使沥青与集料剥离而逐渐破坏，或遭受冻融作用而破坏。因此，沥青混合料的水稳定性，取决于沥青混合料的密实程度及沥青与矿料间的黏结力，沥青混合料的空隙率越小，水稳定性越高，一般认为孔隙率小于4%时，其水稳定性是有保证的。采用黏滞性大的沥青及碱性矿料都能提高沥青混合料的水稳定性。

6.抗渗性

沥青混合料的抗渗性用渗透系数（mm/s）来表示。防渗用沥青混合料的渗透系数为10—9～10—6mm/s；排水层用沥青混合料的渗透系数一般为1.0～0.1mm/s。渗透系数越小，表明沥青混合料的抗渗性越好。

沥青混合料的抗渗性取决于矿质混合料的级配、沥青用量，以及压实后的密实程度。一般矿料的级配好、沥青用量较多、密实度较大的沥青混合料，其抗渗性较强。当孔隙率小于4%时，渗透系数可小于10—6mm/s。因此，在设计和施工中，常以4%的孔隙率作为控制防渗沥青混合料的控制指标。

7.抗滑性

随着现代社会交通流量的增大，车速的提高，要求沥青混合料路面有更高的抗滑能力，并且这种抗滑能力不至于很快降低，以保证车辆的安全行驶。

影响沥青混合料路面抗滑能力的主要因素有沥青的用量、矿质集料的颗粒形态、粗糙程度、微表面性质等。选用硬质、有棱角的集料有利于提高混合料的抗滑性，但是这种质地的集料往往呈酸性，与沥青的黏附性差，所以，采取适当的复合集料，并掺入抗剥剂等措施有利于提高路面的抗滑性。

7.5.2　沥青混合料的配合比设计

沥青混合料配合比设计就是按照工程的性能要求，确定各组成材料的最优配合比例，包括初步配合比设计、试验室配合比设计和施工配合比设计三个阶段。初步配合比设计可分为矿质混合料的组成设计和沥青最佳用量的确定两部分。

1.矿质混合料的组成设计

矿质混合料组成设计的目的是选配一个具有足够密实度，并且具有较大内磨阻力的矿质混合料，并根据级配理论，计算出需要的矿质混合料的级配范围。为了应用已有的研究成果和实践经验，通常是采用推荐的矿质混合料级配范围来确定，依下列步骤进行:

（1）根据沥青混合料的使用要求、工程部位，选择沥青混合料类型。例如用于防渗层的沥青混合料采用密级配，用于排水层则采用开级配。

（2）根据已确定的沥青混合料类型，查阅规范推荐的矿质混合料级配范围表，即可确定所需的级配范围。

（3）矿质混合料的原始数据测定。根据现场取样，对粗集料、细集料和矿粉进行筛分试验，按筛分结果分别绘出各组成材料的筛分曲线，同时测出各组成材料的相对密度。

（4）计算组成材料的配合比。根据各组成材料的筛分试验资料，采用图解法或数解法，计算符合要求级配范围的各组成材料用量比例。

2.确定沥青最佳用量

以矿质混合料（粗、细集料和矿粉填料）总量为100，沥青用量按其占矿质混合料总重的百分率计。对一定级配的矿质混合料而言，沥青用量就成为唯一的配比参数。为了确定级配，对一组级配的矿质混合料按0.5%的间隔选取4～5组沥青用量，在试验室初步配制混合料，制成马歇尔试件，测定各组试件的马歇尔稳定度、流值、表观密度和孔隙率，将试验结果是否满足设计要求计入表格，如表7-20所示。选取各项指标均满足要求、又比较经济合理的沥青用量作为最佳沥青用量，确定一个合适的满足设计要求的初步配合比。

表7-20　不同沥青用量的混合料性能指标测试结果

根据表7-20试验结果，沥青用量为7.5%和8.0%均满足设计要求，取7.5%作为最佳沥青用量。

3.配比验证试验，确定试验室配合比

对初步选定的配合比，再根据设计规定的技术要求，如水稳定性、热稳定性、渗透系数、柔性等指标全面进行验证，若各项技术指标均能满足要求，则该配合比即可确定为试验室配合比，否则须另选沥青用量进行验证试验。

4.现场铺筑试验，确定施工配合比

试验室配合比必须经过现场铺筑试验加以检验，必要时作出相应的调整。最后选定出来技术性质能符合设计要求，又能保证施工质量的配合比，即为施工配合比。