建筑材料第2版:沥青混合料的组成与性质

沥青混合料是由将粗集料、细集料和矿粉经人工合理选择级配组成的矿质混合料与沥青经拌和而成的均匀混合料。特点：①是一种弹－塑－黏性材料，具有良好的力学性能和一定的高温稳定性和低温抗裂性，不需要设置施工缝和伸缩缝；②路面平整且具有一定的粗糙度，即使雨天也有较好的抗滑性；③施工方便快速，能及时开放交通；④经济耐久，并可分期改造和再生利用；⑤存在问题：温度敏感性和老化现象。

按材料组成及结构分：连续级配沥青混合料；间断级配沥青混合料。

按矿料级配组成及空隙率分：密级配沥青混合料；半开级配沥青混合料；开级配沥青混合料。

按公称最大粒径的大小分：特粗式沥青混合料；粗粒式沥青混合料；中粒式沥青混合料；细粒式沥青混合料；砂粒式沥青混合料。

按制造工艺分：热拌沥青混合料；冷拌沥青混合料；再生沥青混合料。

按胶凝材料分：石油沥青混合料；煤沥青混合料。

1）混合料的组成材料

沥青混合料的技术性质取决于组成材料的性质、组成配合的比例和混合料的制备工艺等因素。为了保证沥青混合料的技术性质，首先要正确选择符合质量要求的组成材料。

（1）沥青

拌制沥青混合料用沥青材料的技术性质，随气候条件、交通性质、沥青混合料的类型和施工条件等因素而异。气温常年较高的南方地区，热稳定性要好，宜采用针入度较小、黏度较高的沥青；北方严寒地区，为防止和减少路面开裂，面层宜采用针入度较大的沥青。

（2）粗集料

粗集料应洁净，干燥，表面粗糙，接近立方体，无风化，不含杂质，符合一定的级配要求，具有足够的力学性能，与沥青有较好的黏结性。可以采用碎石、破碎砾石和矿渣等。但高速公路和一级公路不得使用筛选砾石和矿渣。

（3）细集料

用于拌制沥青混合料的细集料，应洁净、干燥、无风化、不含杂质，并有适当级配范围。可采用天然砂、人工砂或石屑。

为保证沥青混合料的强度，应优先选用碱性集料（SiO2含量小于52%）。

（4）矿粉

矿粉应干燥、洁净，能自由地从矿粉仓流出。起填充作用，又称矿粉填料。在沥青混合料中，矿粉与沥青形成胶浆，对混合料的强度有很大的影响。矿粉也应使用碱性石料，如石灰石、白云石磨细的粉料，也可以用高钙粉煤灰部分替代矿粉，用作填料。

（5）纤维稳定剂

沥青混合料中掺加的纤维稳定剂宜选用木质素纤维、矿物纤维等。

2）沥青混合料的组成结构与强度

（1）沥青混合料组成结构的现代理论

沥青混合料组成结构包括沥青结构、矿物骨架结构及沥青－矿物分散系统结构。

表面理论：沥青混合料是由粗集料、细集料和填料经人工配成密实的级配矿质骨架。此矿质骨架由沥青分布其表面，将它们胶结成为一个具有强度的整体。胶浆理论：沥青混合料是一种分级空间网状胶凝结构的分散系。它是以粗集料为分散相而分散在沥青砂浆介质中的一种粗分散系。综上所述，沥青混合料是由矿质骨架和沥青胶结物所构成的、具有空间网络结构的一种多相分散体系。沥青混合料的力学强度，主要由矿质颗粒之间的内摩阻力和嵌挤力，以及沥青胶结料及其与矿料之间的黏结力所构成。

（2）沥青混合料的组成结构（见图10－7）

①悬浮－密实结构

由连续密级配矿质混合料与沥青组成，由于粗集料的数量较少，细集料的数量较多，较大颗粒被小一档颗粒挤开，使粗集料以悬浮状态存在于细集料之间。特点：密实度和强度较高，且连续级配不宜离析而便于施工，但粗集料不能形成骨架，稳定性较差。

②骨架－空隙结构

采用连续开级配矿质混合料与沥青组成，粗集料较多，彼此紧密相接，细集料的数量较少，不足以充分填充空隙，形成骨架空隙结构。粗骨架能充分形成骨架，骨架之间的嵌挤力和内摩阻力起重要作用，因此这种沥青混合料受沥青材料性质的变化影响较小，因而热稳定性较好，但沥青与矿料的黏结力较小、空隙率大、耐久性较差。

③密实－骨架结构

采用间断型级配矿质混合料与沥青组成，是综合以上两种结构之长的一种结构。既有一定数量的粗骨料形成骨架，又根据粗集料空隙的多少加入细集料，形成较高的密实度。特点：密实度、强度和稳定性都较好，是一种较理想的结构类型。

图10－7　三种典型沥青混合料结构组成示意图

（3）沥青混合料的强度形成原理及影响沥青混合料强度的因素

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剩而产生推挤等现象，以及低温时抗拉强度不足或变形能力较差而产生裂缝现象。沥青混合料强度和稳定性理论，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。

沥青混合料的抗剪强度主要取决于黏结力和内摩擦角两个参数。

沥青混合料的强度由两部分组成：矿料之间的嵌挤力与内摩阻力和沥青与矿料之间的黏结力。

影响沥青混合料强度的内因有沥青的黏度；沥青与矿料化学性质、矿料比面、沥青用量、矿质集料的级配、沥青与初生矿物表面的相互作用、表面活性物质及其作用等。

影响沥青混合料抗剪强度的外因有温度及形变速度。

3）沥青混合料技术性能

沥青混合料应具有抗高温变形、抗低温脆裂、抗滑、耐久性等技术性质以及施工和易性。

（1）沥青混合料的技术性质(www.xing528.com)

①高温稳定性

沥青混合料的高温稳定性是指在高温条件下，沥青混合料承受多次重复荷载作用而不发生过大的累积塑性变形的能力。高温稳定性良好的沥青混合料在车轮引起的垂直力和水平力的综合作用下能抵抗高温的作用，保持稳定而不产生车辙和波浪等破坏现象。其常见的损坏形式主要有以下几点：

a．推移、壅包、搓板等类损坏主要是由于沥青路面在水平荷载作用下抗剪强度不足所引起的，它大量发生在表面处治、贯入式、路拌等次高级沥青路面的交叉口和变坡路段。

b．路面在行车荷载的反复作用下，会由于永久变形的累积而导致路表面出现车辙。车辙致使路表过量变形，影响了路面的平整度。轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，从而易于诱发其他病害。

c．泛油是由于交通荷载作用使沥青混合料内集料不断挤紧，空隙度减小，最终将沥青挤压到道路表面的现象。

我国公路沥青路面施工技术规范（JTG　F40—2004）规定，采用马歇尔稳定度试验（包括稳定度、流值、马歇尔模数）来评价沥青混合料高温稳定性；对用于高速公路、一级公路和城市快速路等沥青路面的上面层和下面层的沥青混凝土混合料，在进行配合比设计时应通过车辙试验对抗车辙能力进行检验。

马歇尔稳定度试验通常测定的是马歇尔稳定度和流值，马歇尔稳定度是指标准尺寸试件在规定温度和加荷速度下，在马歇尔仪中的最大破坏荷载（kN）；流值是达到最大破坏荷重时的垂直变形（0．1mm）；马歇尔模数为稳定度除以流值的商，即：

式中：T——马歇尔模数（kN／mm）；

MS——稳定度（kN）；

FL——流值（0．1mm）。

车辙试验测定的是动稳定度，沥青混合料的动稳定度是指标准试件在规定温度下，一定荷载的试验车轮在同一轨迹上，在一定时间内反复行走（形成一定的车辙深度）产生1mm变形所需的行走次数（次／mm）。具体规定见表10－5所示。

表10－5　沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求（JTG　F40—2004）

注：①如果其他月份的平均最高气温高于7月时，可使用该月平均最高气温。
②在特殊情况下，如钢桥面铺装、重载车特别多或纵坡较大的长距离上坡路段、厂矿专用道路，可酌情提高动稳定度的要求。
③对因气候寒冷确需使用针入度很大的沥青（如大于100），动稳定度难以达到要求，或因采用石灰岩等不很坚硬的石料，改性沥青混合料的动稳定度难以达到要求等特殊情况，可酌情降低要求。
④为满足炎热地区及重载车要求，在配合比设计时采取减少最佳沥青用量的技术措施时，可适当提高试验温度或增加试验荷载进行试验，同时增加试件的碾压成型密度和施工压实度要求。
⑤车辙试验不得采用二次加热的混合料，试验必须检验其密度是否符合试验规程的要求。
⑥如需要对公称最大粒径等于和大于26．5mm的混合料进行车辙试验，可适当增加试件的厚度，但不宜作为评定合格与否的依据。

②低温抗裂性

沥青混合料的低温抗裂性是沥青混合料在低温下抵抗断裂破坏的能力。

沥青混合料是黏－弹－塑性材料，其物理性质随温度变化会有很大变化。当温度较低时，沥青混合料表现为弹性性质，变形能力大大降低。在外部荷载产生的应力和温度下降引起的材料的收缩应力联合作用下，沥青路面可能发生断裂，产生低温裂缝。沥青混合料的低温开裂是由混合料的低温脆化、低温收缩和温度疲劳引起的。混合料的低温脆化一般用不同温度下的弯拉破坏试验来评定；低温收缩可采用低温收缩试验评定；而温度疲劳则可以用低频疲劳试验来评定。

③沥青混合料的耐久性

沥青混合料在路面中，长期受自然因素（阳光、热和水分等）的作用，为使路面具有较长的使用年限，必须具有较好的耐久性。

影响沥青混合料耐久性的因素很多，如沥青的化学性质、矿料的矿物成分、沥青混合料的组成结构（残留空隙和沥青填隙率）。

沥青的化学性质和矿料的矿物成分对耐久性的影响前文已叙述。就大气因素而言，沥青在大气因素作用下，组分会产生转化，油分减少，沥青质增加，使沥青的塑性逐渐减小，脆性增加，路面的使用品质下降。从耐久性角度考虑，沥青混合料应有较高的密实度和较小的空隙率，以防止水的渗入和日光紫外线对沥青的老化作用。但是空隙率过小将影响沥青混合料的高温稳定性，所以沥青混合料均应残留3%～6%的空隙，以备夏季沥青膨胀。空隙率大，且沥青与矿料黏附性差的混合料，在饱水后石料与沥青黏附力降低，易发生剥落，水能进入沥青薄膜和集料间，阻断沥青与集料表面相互黏结，从而影响沥青混合料的耐久性。

我国现行规范采用空隙率、饱和度（即沥青填隙率）和残留稳定度等指标来表征沥青混合料的耐久性。沥青混合料耐久性常用浸水马歇尔试验或真空饱水马歇尔试验评价。

④沥青混合料的抗滑性

随着现代交通车速不断提高，对沥青路面的抗滑性提出了更高的要求。沥青路面的抗滑性能与集料的表面结构（粗糙度）、级配组成、沥青用量等因素有关。为保证抗滑性能，面层集料应选用质地坚硬且具有棱角的碎石，通常采用玄武岩。我国现行规范对抗滑层集料提出磨光值、道瑞磨耗值和冲击值指标。采取适当增大集料粒径、减少沥青用量及控制沥青的含蜡量等措施，均可提高路面的抗滑性。

⑤施工和易性

沥青混合料应具备良好的施工和易性，使混合料易于拌和、摊铺和碾压施工。影响施工和易性的因素很多，如气温、施工机械条件及混合料性质等。

从混合料的材料性质看，影响施工和易性的是混合料的级配和沥青用量。如粗、细集粒的颗粒大小相差过大，缺乏中间尺寸的颗粒，混合料容易分层层积；如细集料太少，沥青层不容易均匀地留在粗颗粒表面；如细集料过多，则使拌和困难。如沥青用量过少或矿粉用量过多，混合料容易出现疏松，不易压实；如沥青用量过多或矿粉质量不好，则混合料容易黏结成块，不易摊铺。

（2）沥青混合料技术标准

《公路沥青路面施工技术规范》（JTG　F40—2004）对密级配沥青混合料马歇尔试验技术标准做了规定。该标准按交通性质分为以下几点：高速公路、一级公路，其他等级公路，行人道路三个级，对马歇尔试验指标（包括稳定度、流值、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度和残留稳定度等）提出不同要求。同时，按不同气候条件分别提出不同要求。《公路沥青路面施工技术规范》（JTG　F40—2004）对SMA混合料马歇尔试验技术标准如表10－6所示。此外，《公路沥青路面施工技术规范》（JTG　F40—2004）还对沥青稳定碎石混合料、OGFC混合料的马歇尔试验技术标准提出要求，这对我国沥青混合料的生产、应用都具有指导意义。

表10－6　SMA混合料马歇尔试验配合比设计技术要求（JTG　F40—2004）

注：①对集料坚硬不易击碎，通行重载交通的路段，也可将击实次数增加为双面75次。
②对高温稳定性要求较高的重交通路段或炎热地区，设计空隙率允许放宽到4．5%，VMA允许放宽到16．5%（SMA－16）或16%（SMA－19），VFA允许放宽到70%。
③试验粗集料骨架间隙率VCA的关键性筛孔，对SMA－19、SMA－16是指4．75mm，对SMA－13、SMA－10是指2．36mm。
④稳定度难以达到要求时，容许放宽到5．0kN（非改性）或5．5kN（改性），但动稳定度检验必须合格。

复习思考题

1．石油沥青可划分为几种胶体结构？与其技术性质有何关联？

2．表征沥青黏滞性的试验方法有哪些？

3．沥青针入度、延度、软化点试验反映沥青的哪些性能？简述主要试验条件。

4．沥青混合料按其组成结构可分为哪几种类型？各种结构类型的沥青混合料各有什么优缺点？

5．简述沥青混合料高温稳定性的评定方法和评定指标。

6．采用马歇尔法设计沥青混凝土配合比时，为什么由马氏试验确定配合比后还要进行浸水稳定度和车辙试验？