习　题

4）温度稳定性

沥青在外界温度增高时变软，在外界温度降低时变脆。其黏度和塑性随温度的变化而变化的程度就是沥青的温度稳定性。温度稳定性较差的沥青，其黏度和塑性随温度的变化较大。作为屋面柔性防水材料时，就有可能由于日照的作用而产生软化和流淌，从而失去防水作用；而对于沥青路面，则有可能产生车辙，降低路面的使用性能。

沥青的温度稳定性可用软化点或脆点来表示。

①软化点是沥青材料由固体状态转变为具有一定流动性的黏塑状态的一种条件温度。采用“环球法”测定：将沥青试样装入规定尺寸的铜环中，再将规定尺寸和质量的钢球置于其上，然后将两者放入有水或甘油的烧杯中，以5℃/min的加热速度至沥青软化下垂达到25.4mm时的温度就为沥青软化点，如图9.5所示。

②脆点是沥青材料由黏塑状态转变为固体状态并产生脆裂时的温度。试验方法较多，常采用的试验方法是：将一定量的沥青匀布在40mm×20mm的标准金属片上，然后将此片置于脆点仪弯曲器的夹钳上，将其置于温度下降速度为1℃/min的装置内，启动弯曲器，使得温度每降低1℃时，涂有沥青的金属片就被弯曲一次，直至弯曲时薄片上的沥青出现裂缝时的温度即为脆点。

以上所论及的针入度、延度、软化点是评价黏稠石油沥青路面性能最常用的经验指标，所以通称三大指标。

5）大气稳定性

大气稳定性是指石油沥青在大气因素的长期作用下抵抗老化的性能。沥青在大气因素如温度、阳光、空气和水的长期作用下，其组分是不稳定的，各组分之间会不断演变，油分和树脂会逐渐减少，沥青质含量会逐渐增加，从而使其物理性能也逐渐产生变化，如稠度和脆性增加，这个过程称为沥青的老化现象。

沥青的老化分为两个阶段：第一阶段的老化可强化沥青的结构，使沥青与矿料颗粒表面的裹结得到加强；然后到达第二阶段，这时沥青的稠度和脆性进一步增加，沥青结构遭到破坏，最终导致道路沥青面层的破坏。

沥青的大气稳定性除了与沥青本身的性能、大气因素作用的强烈程度有关外，还与其他一些因素有关，如沥青使用过程中的温度状况、沥青混合料面层的密实程度。沥青在长时间加热或在高温下加热会产生氧化和聚合反应，使得沥青结构发生变化，从而失去黏结的性能，同时也使得沥青在将来的使用过程中更容易老化，而且沥青混合料面层中存在的孔隙会促使外界的空气和水的进入，加速沥青的老化过程。

沥青的大气稳定性常以蒸发损失和蒸发后针入度比来评定。其测定方法是：先测定沥青试样的质量和针入度值，然后将试样置于加热损失试验专用烘箱中，在160℃下蒸发5min，待冷却后再测定其质量和针入度值。计算蒸发损失质量占原质量的百分数，称为蒸发损失；计算蒸发后针入度占原针入度的百分数，称为蒸发后针入度比。蒸发损失百分数越小和蒸发后针入度比越大，则表示大气稳定性越高，老化越慢。

6）安全性

沥青材料在使用时需加热进行，当加热至一定温度时，沥青材料挥发的油分蒸气与周围空气组成混合气体，此混合气体遇火焰则易发生闪火。若继续加热，油分蒸气的饱和度增加，由此种蒸气与空气组成的混合气体遇火焰极易燃烧，从而引发火灾。为此，需测定沥青加热后闪火和燃烧的温度，即闪点和燃点。闪点和燃点是保证沥青加热质量和施工安全的一项重要指标。

此外，为评定沥青的品质还应当了解石油沥青的溶解度。溶解度是指石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳或苯中溶解的百分率，以表示石油沥青中有效物质的含量，即纯净程度。

9.1.4　石油沥青的技术标准

根据石油沥青的性能不同，选择适当的技术标准，将沥青划分成不同的种类和标号（等级）以便于沥青材料的选用。目前，石油沥青主要划分为三大类：道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青。

（1）道路石油沥青技术标准

为适应高等级公路建设的需要，枟公路沥青路面施工技术规范枠（JTGF40—2004）中对沥青等级划分除了根据针入度的大小外，还要以沥青路面使用的气候条件为依据，在同一气候分区内根据道路等级和交通特点将沥青划分为1～3个不同的针入度指数等级；同时，在技术指标中增加了反映沥青感温性的指标针入度指数PI、沥青高温性能指标60℃动力黏度等，并选择较低温度时的延度指标评价沥青的低温性能，见表9.2。在技术标准中，依据不同的技术指标，将沥青再划分成3个等级，不同等级的沥青具有不同的适用范围，该范围详见表9.3。

（2）建筑石油沥青技术标准

建筑石油沥青按针入度值可划分为40号、30号和10号3个标号。与道路石油沥青相比，其特性为：针入度较小、延度较小、软化点较高。按枟建筑石油沥青枠的规定，其技术标准见表9.4。

9.1.5　其他沥青

1）煤沥青

煤沥青是由煤干馏的产品煤焦油再加工获得的。根据煤干馏的温度不同，分为高温煤焦油（700℃以上）和低温煤焦油（450～700℃）两类。路用煤沥青主要是由炼焦或制造煤气得到的高温焦油加工而得。以高温焦油为原料可获得数量较多且质量较佳的煤沥青。而低温焦油则相反，获得的煤沥青数量较少，且往往质量也不稳定。

煤沥青的组分主要是芳香族碳氢化合物及其氧、硫和氮的衍生物的混合物，其元素组成主要为C、H、O、S和N。煤沥青化学组分的分析方法与石油沥青的方法相似，是采用选择性溶解将煤沥青分离为几个化学性质相近且与性能有一定联系的组分。

煤沥青中各组分的性质简述如下：

①游离碳：又称为自由碳，是高分子的有机化合物的固态碳质颗粒，不溶于苯，加热不熔，但高温分解。煤沥青的游离碳含量增加可提高其黏度和温度稳定性，但随着游离碳含量的增加，低温脆性亦增加。

②树脂：为环形含氧碳氢化合物，分为：硬树脂，类似石油沥青中的沥青质；软树脂，赤褐色黏塑性物质，溶于氯仿，类似石油沥青中的树脂。

③油分：为液态碳氢化合物，与其他成分比较，为最简单结构的物质。

除了上述的基本成分外，煤沥青的油分中还含有萘、蒽和酚等。萘和蒽能溶解于油分中，在含量较高或低温时能呈固态晶体析出，影响煤沥青的低温变形能力。酚为苯环中含羟物质，能溶于水且易被氧化。煤沥青中酚、萘和蒽均为有害物质，对其含量必须加以限制。

煤沥青与石油沥青相比，在技术性质上有下列差异：温度稳定性较低；与矿质集料的黏附性较好；气候稳定性较差。

煤沥青按其在工程中的应用要求不同，首先是按其稠度分为软煤沥青（液体、半固体的）和硬煤沥青（固体的）两大类。道路工程主要是用软煤沥青，并应满足相应的技术标准。

2）乳化沥青

乳化沥青是将黏稠沥青加热至流动态，再经高速离心、搅拌及剪切等机械作用，形成的细小微粒（粒径为2～5μm）分散在有乳化剂与稳定剂的水中，由于乳化剂与稳定剂的作用而形成均匀稳定的分散系。

（1）乳化沥青优点

其主要优点有：

①可冷态施工、节约能源。黏稠沥青通常要加热至160～180℃施工，而乳化沥青可以冷态施工，现场无需加热设备和能源消耗。扣除制备乳化沥青所消耗的能源后仍然可以达到节约的目的。

②施工便利、节约沥青。乳化沥青不仅与集料有较好的黏结性，而且可以与潮湿集料黏附。乳化沥青与集料组成的混合料，因为乳化沥青黏度低，而混合料中含有水分，施工和易性好，易于拌和，节约劳力。此外，由于乳化沥青混合料中沥青膜较薄，不仅提高沥青的黏聚力（由于沥青膜主要由结构沥青构成，较少自由沥青），而且可节约沥青用量10%。

③保护环境、保障健康。乳化沥青施工不需加热等工作，不污染环境；同时还避免了沥青挥发物对操作人员的毒害。

（2）乳化沥青的组成材料

乳化沥青主要是由沥青、乳化剂、稳定剂和水等组分组成。

①沥青。沥青是乳化沥青组成的主要材料，沥青的质量直接关系到乳化沥青的性能。在选择作为乳化沥青用的沥青时，首先要考虑它的易乳化性。沥青的易乳化性与其化学结构有密切关系。以工程适用为目的，可认为易乳化性与沥青中的沥青酸含量有关。通常认为沥青酸总量大于1%的沥青，采用通用乳化剂和一般工艺即易于形成乳化沥青。一般说来，相同油源和工艺的沥青，针入度较大者易于形成乳液。但是针入度的选择，应根据乳化沥青在路面工程中的用途而决定。

②乳化剂。沥青乳化剂按其亲水基在水中是否电离而分为离子型和非离子型两大类。离子型乳化剂按其离子电性又衍生为阴（或负）离子型、阳（或正）离子型和两性离子型等3类。阴离子型沥青乳化剂在溶于水中时能电离为离子或离子胶束，且与亲油基相连的亲水基团带有阴（负）电荷的乳化剂；带阳（正）电荷的乳化剂为阳离子型乳化剂；既带有阴电荷又带有阳电荷的乳化剂为两性离子型乳化剂。

随着近代乳化沥青的发展，为适应各种特殊的要求，还衍生出许多化学结构更为复杂的复合乳化剂。目前我国常用于乳化沥青的乳化剂见表9.5。

③稳定剂。为使乳液具有良好的贮存稳定性以及在施工中喷洒或拌和的机械作用下的稳定性，必要时可加入适量的稳定剂。稳定剂可分为以下两类：

有机稳定剂：常用的有聚乙烯醇、聚丙稀酰胺、羧甲基纤维素纳、糊精、废液等。这类稳定剂可提高乳液的贮存稳定性和施工稳定性。

无机稳定剂：常用的有氯化钙、氯化镁、氯化铵和氯化铬等。这类稳定剂可提高乳液的贮存稳定性。

稳定剂对乳化剂的协同作用，与它们之间的性质有关，有的稳定剂可在生产乳液时同时加入乳化剂溶液中；但有的稳定剂会影响乳化剂的乳化作用，而须后加入乳液中。因此必须通过实验来确定它们的匹配作用。

④水。水是乳化沥青的主要组成部分，不可忽视水对乳化沥青性能的影响。水常含有各种矿物质或其他影响乳化沥青形成的物质。自然界获得的水可溶融或悬浮各种物质，影响水的pH，或者含有钙或镁的离子等，这些因素都可能影响某些乳化沥青的形成或引起乳化沥青的过早分裂。因此，生产乳化沥青的水应不含其他杂质。

3）改性沥青

现代高等级公路的交通特点是：交通密度大、车辆轴载重、荷载作用间歇时间短以及高速和渠化。由于这些特点造成沥青路面高温出现车辙、低温产生裂缝、抗滑性很快衰降、使用年限不长。为使沥青路面高温不推、低温不裂、保证安全快速行车、延长使用年限，在沥青材料的技术性质方面，必须提高沥青的流变性能、改善沥青与集料的黏附性、提高沥青的耐久性，才能适应现代交通的要求。

改性沥青通过以下措施改善沥青性能：

（1）提高沥青流变性的途径

提高沥青流变性质的途径很多，目前认为改性效果较好的有下列几类改性剂。

①高聚物类改性剂。在沥青中掺加树脂类高聚物、橡胶类高聚物和树脂唱橡胶合成共聚物可以改善沥青的多方面流变性质，例如提高沥青在使用高温（60℃）时的抗流动性、使用低温时的脆性以及抗滑性和耐久性。采用这种改性沥青修筑的路面可防止高温出现车辙、低温产生裂缝，并具有高的抗滑性和延长路面使用年限。

②微填料类改性剂。随着“非水悬浮”研究的发展，许多研究者致力于研究微填料的颗粒级配（例如以0.08mm为最大粒径的级配曲线）、表面性质和孔隙状态（沥青组分在微填料表面和孔隙中的分布）等。研究认为：沥青混合料的性状（例如高温流变特性和低温变形能力等）与微填料的颗粒级配、表面性质和孔隙状态等有密切关系。可以用作沥青微填料的物质，首先是炭黑，其次是高钙粉煤灰，其他还有火山灰和页岩粉等。采用的微填料应经预处理（例如活化、芳化等），才能达到改善沥青的性能的效果，否则会劣化沥青性能。

③纤维类改性剂。常用的纤维物质有：各种人工合成纤维（如聚乙烯纤维、聚酯纤维）和矿质石棉纤维等。这类纤维类物质加入沥青中可显著地提高沥青的高温稳定性，同时可增加低温抗拉强度，但能否达到预期的效果，取决于纤维的性能和掺配工艺。此外，这类物质往往对人体健康有影响，必须在具备有符合规定的防护条件下才能采用这项改性措施。

④硫磷类改性剂。硫在沥青中的硫桥作用能提高沥青的高温抗变形能力，特别是某些组分不协调（例如沥青质含量极低）的沥青掺加低剂量硫（0.5%～1.0%）即有明显效果。但应采用预熔法，否则高温稳定性虽得到改善，低温抗裂性则明显降低。此外，磷同样能使芳环侧链成为链桥而改善沥青流变性质。

（2）改善沥青与集料黏附性的途径

现代高等级路面为保证高速行车的安全对抗滑性提出了更高要求。为保持抗滑层经行车后摩擦系数不致很快衰降，必须采用高强耐磨的岩石轧制的集料，这类岩石多为酸性或基性石料，因此提高石油沥青与酸性石料的黏附性，就成为当前一个更为突出的问题。

①改善沥青与集料黏附性的一般方法：

a.掺加无机类材料、活化集料表面采用水泥、石灰或电石渣等预处理集料表面，以提高沥青与其黏附性。此外，将这类无机材料直接加入沥青中也能取得一定效果。

b.掺加有机酸类提高沥青活性，沥青中最具有活性的组分为沥青酸及其酸酐，各类合成高分子有机酸类掺入沥青也能起到相同的效果。此外，掺加适量焦油沥青也能起到相似的作用。

c.掺加重金属皂类降低沥青与集料的界面张力，最常用的有皂脚铁、环烷酸铝皂等，它们掺入沥青中均能起到改善黏附性的效果。此外，还有的直接采用各种合成表面活性剂，但是需要油溶性和耐高温的表面活性剂才能使用。

以上这些方法，正确使用后都能获得一定的改性效果，但是只能应用于轻、中交通量路面。

②改善沥青与集料黏附性的高效抗剥剂。

对于高等级路面，在黏附性要求很高的情况下，应该采用高效能、低剂量的人工合成化学抗剥剂，即所谓高效抗剥剂。这种抗剥剂的专利商品不下千种，但是必须通过道路修筑的实践才能检验其实际效果。

③延长沥青耐久性的途径。

由前述老化机理可知，沥青在路面中受到各种自然因素（氧、热、光和水）的作用，由于组分移行，而逐渐老化，最后导致路用性能随之衰降。产生老化的原因按已有研究认为主要是沥青受到空气中氧的氧化作用，同时在日光紫外线作用下加之在一定温度条件下加速了反应的进行，水也起着催化的作用。在诸多作用因素中似乎氧化为首要原因，因此许多研究者都曾试图掺加各种抗氧化剂来延缓老化的进程，但是都未得到预期效果。

当前对提高沥青耐久性有实际效果的添加剂为专用炭黑。炭黑粒径细微、表面积大，并弥散于沥青中，易于被热唱氧作用产生的游离基吸附，从而阻止沥青老化的链式反应，使老化进程受到抑制。同时，炭黑是一种屏蔽剂，它能阻止紫外线的进入，减少光对沥青的老化作用。由于炭黑与沥青溶度参数差较大，不能直接加入沥青中，必须先用助剂进行预处理，然后才能配制成炭黑改性沥青。

9.1.6　石油沥青的选用

1）道路石油沥青

通常，道路石油沥青牌号越高，则黏性越小（即针入度越大）、延展性越好，温度敏感性也随之增加。道路石油沥青主要在道路工程中用作胶凝材料，用来与碎石等矿质材料共同配制成沥青混合料。在道路工程中选用沥青材料时，要根据交通量和气候特点来选择。南方高温地区宜选用高强度的石油沥青如50号和70号，以保证在夏季沥青路面具有足够的稳定性，不会出现车辙等破坏形式；而北方寒冷地区宜选用低黏度的石油沥青如90号和110号，以保证沥青路面在低温下仍具有一定的变形能力，避免出现开裂。

2）建筑石油沥青

建筑石油沥青针入度较小（黏性较大）、软化点较高（耐热性较好），但延伸度较小（塑性较小），主要用于制造油纸、油毡、防水涂料和沥青嵌缝膏。它们绝大部分用于屋面及地下防水、沟槽防水防腐蚀及管道防腐等工程，使用时制成的沥青薄膜较厚，增大了对温度的敏感性。同时黑色沥青表面又是好的吸热体，一般同一地区的沥青屋面的表面温度比其他材料的都高，据高温季节测试，沥青屋面达到的表面温度比当地最高气温高25～30℃。为避免夏季流淌，一般屋面用沥青材料的软化点还应比本地区屋面最高温度高20℃以上。例如武汉、长沙地区沥青屋面温度约达70℃，选用沥青的软化点应在90℃左右，低了夏季易流淌；但也不宜过高，否则冬季低温易硬脆甚至开裂。所以选用石油沥青时要根据地区、工程环境及要求而定。

3）普通石油沥青

普通石油沥青含蜡量高达15%～20%，有的甚至达25%～35%。由于石蜡是一种熔点低（为32～55℃）、黏结力差的脂性材料，当沥青温度达到软化点时，蜡已接近流动状态，所以容易产生流淌现象。当采用普通沥青胶结材料时，随着时间的增长，沥青中的石蜡会向胶结层表面渗透，至表面形成薄膜，使沥青黏结层的耐热性和黏结力降低。所以在工程中一般不宜采用普通石油沥青。

4）石油沥青的掺配

当某一牌号的石油沥青不能满足工程技术要求时，可采用两种牌号的石油沥青进行掺配。在进行掺配时，为了不使掺配后的沥青胶结结构被破坏，应选用表面张力相近和化学性质相似的沥青。试验证明，同一产源的沥青容易保证掺配后的沥青胶体的均匀性。所谓同产源是指同属石油沥青或同届煤沥青（或煤焦油）。

两种沥青掺配的比例可用以下公式估算：

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，然后绘制掺配比唱软化点关系曲线，即可从曲线上确定出所要求的掺配比例。同样，也可采用针入度指标按上法估算及试配。当沥青过于黏稠影响使用时，可以加入溶剂进行稀释，但必须采用同一产源的油料作稀释剂。如石油沥青应采用汽油、柴油等轻质油料作稀释溶剂。

9.2　沥青混合料

9.2.1　沥青混合料概述

沥青混合料是由矿料与沥青结合料拌和而成的混合料的总称。矿料是用于沥青混合料的粗集料、细集料、填料的总称。沥青结合料是在沥青混合料中起胶结作用的沥青类材料（含添加的外掺剂、改性剂等）的总称。其中矿料起骨架作用，沥青与填料起胶结填充作用。沥青混合料经摊铺、压实成型后就成为沥青路面。

随着我国公路等级的提高，沥青路面已成为高等级道路路面中占主要地位的路面结构。它具有优良的力学性能、良好的耐久性和抗滑性，并便于分期修筑及再生利用，且修成的路面具有晴天少尘、雨天不泥泞、减震吸声、行车舒适等多方面的优点。

沥青混合料的分类如下：

（1）按结合料分类

①石油沥青混合料是以石油沥青为结合料的沥青混合料（包括黏稠石油沥青、乳化石油沥青及液体石油沥青）。

②煤沥青混合料是以煤沥青为结合料的沥青混合料。

（2）按施工温度分类

①热拌热铺沥青混合料：沥青与矿料经加热后拌和，并在一定温度下完成摊铺和碾压过程的混合料。

②常温沥青混合料：乳化沥青或液态沥青在常温下与矿料拌和，并在常温下完成摊铺和碾压过程的混合料。

（3）按矿质集料级配类型分类

①连续级配沥青混合料：沥青混合料中的矿料是按级配原则，从大到小各级粒径都有，按比例互相搭配组成的连续级配混合料，典型代表是密级配沥青混凝土，以AC表示。

②间断级配沥青混合料：矿料级配中缺少若干粒级所形成的沥青混合料，典型代表是沥青玛蹄脂碎石混合料，以SMA表示。

（4）按混合料密实度分类

①密级配沥青混凝土混合料：按密实级配原则设计的连续型密级配沥青混合料，但其粒径递减系数较小，剩余空隙率小于10%。

密级配沥青混凝土混合料按其剩余空隙率又可分为：

a.Ⅰ型沥青混凝土混合料：剩余空隙率3%～6%；

b.Ⅱ型沥青混凝土混合料：剩余空隙率4%～10%。

②开级配沥青混凝土混合料：按级配原则设计的连续型级配混合料，但其粒径递减系数较大，剩余空隙率大于15%。也有将剩余空隙率介于密级配和开级配之间的（即剩余空隙率10%～15%）混合料称为半开级配沥青混合料。

（5）按矿料的最大粒径分类

①特粗式沥青混合料；矿料的最大粒径为37.5mm。

②粗粒式沥青混合料：矿料最大粒径分别为26.5mm或31.5mm。

③中粒式沥青混合料：矿料最大粒径分别为16mm或19mm。

④细粒式沥青混合料：矿料最大粒径分别为9.5mm或13.2mm

⑤砂粒式沥青混合料：矿料最大粒径不大于4.75mm。

目前，我国在沥青路面中采用最多的是以石油沥青作为结合料、连续级配的密实式热拌热铺型沥青混凝土。

9.2.2　沥青混合料的组成结构

沥青混合料是一种复合材料，它是由沥青、粗集料、细集料和矿粉以及外加剂所组成。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少可形成不同的组成结构，并表现为不同的力学性能。

随着对沥青混合料组成结构研究的深入，目前对沥青混合料的组成结构有下列两种互相对立的理论。

①表面理论认为，沥青混合料是由粗、细集料和矿粉，大小不同粒径组成密实矿质混合料的骨架，利用沥青胶结料的黏聚力，在加热状态下施工，使沥青包裹在矿料的表面经过压实固结后，将松散的矿质颗粒胶结成具有一定强度的整体。

②胶浆理论认为，沥青混合料是一种具有空间网络状结构的多级分散体系。它是以粗集料为分散相，沥青砂浆为分散介质的粗分散系；沥青砂浆又以细浆料为分散相，沥青胶结物为分散介质的细分散系；而沥青胶结物又以矿粉为分散相，沥青为分散介质的微分散系。

两种理论的主要区别是：表面理论重点突出矿质集料的骨架作用，强度的关键首先是矿质骨料的强度和密实度；而胶浆理论则突出沥青胶结物在混合料中的作用，以及沥青与填充料之间的关系，这对沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性的影响尤为重要。

沥青混合料按矿质骨架的结构状况，可将其组成结构分为下述3个类型：

1）悬浮密实结构

当采用连续密级配的沥青混合料时，集料从大到小连续存在，由于粗集料的数量较少而细集料的数量较多，粗集料被细集料挤开，而以悬浮状态存在于细集料之间，如图9.6（a）所示。这种结构的沥青混合料密实度及强度较高，而稳定性较差。一般的沥青混凝土路面都采用这种连续级配型的结构。

2）骨架空隙结构

当采用连续开级配的沥青混合料时，粗集料较多，彼此紧密相接，细集料的数量较少，形成较多空隙，如图9.6（b）所示。这种结构的沥青混合料，集料能充分形成骨架，集料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；但沥青与矿料黏结力小、空隙率大、耐久性差。

3）骨架密实结构

采用间断级配沥青混合料，综合以上两种结构之长，既有一定数量的粗集料形成骨架，又根据粗集料空隙的多少加入细集料，形成较高的密实度，如图9.6（c）所示。这种结构的沥青混合料的密实度、强度和稳定性都较好，是较理想的结构类型。

从上述3种不同的沥青混合料组成结构特点来看，由于其组成的不同，直接影响了混合料的结构稳定性，通过调整其组成来优化材料的内部结构，可以获得所期望的物理力学性能，上述3种典型结构沥青混合料的结构和物理参数见表9.6。通过选择组成结构不同的沥青混合料可以满足工程实际中所需要的物理力学性能。

目前我国最常用的沥青混合料主要有两种：

①沥青混凝土混合料，压实后剩余空隙率应小于10%，其组成结构特征与骨架密实结构相近；

②沥青碎石混合料，压实后剩余空隙率通常大于10%，其组成结构特征与骨架空隙结构相近。

9.2.3　沥青混合料的技术性质

沥青混合料在路面中直接承受车辆荷载的作用，因此应具有一定力学强度。除了交通的作用外，还受到各种自然因素的影响，因此还必须具有抵抗自然因素作用的耐久性。现代交通的作用下，为保证行车安全、舒适，还需要具有特殊表面特性（即抗滑性）。最后为便利施工还应具有施工的工作性。现就这几方面分述如下：

1）强度及其影响因素

沥青混合料在路面结构中产生破坏的情况，主要是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。影响强度的因素有：

①集料的表面性质、颗粒形态与级配；

②沥青结合料的黏度与用量；

③矿物的品种、比表面积与用量；

④温度与形变速率。

2）高温稳定性

沥青混合料高温稳定性是指沥青混合料在夏季高温（通常为60℃条件下），经车辆荷载长期重复作用后不产生车辙和波浪等病害的性能。沥青混合料是一种典型的流变性材料，它的强度和劲度模量随着温度的升高而降低。所以沥青混凝土路面在夏季高温时，在重交通的重复作用下，由于交通的渠化，在轮迹带逐渐形成变形下凹、两侧鼓起的所谓车辙，这是现代高等级沥青路面最常见的病害。

多年来，许多研究者曾致力于“评价沥青混合料高温稳定性的方法”的研究，其中维姆稳定度和马歇尔稳定度被广泛采用，特别是马歇尔稳定度已成为国际上通用的方法，为许多国家所采用。我国现行枟沥青路面施工及验收规范枠（GB50092—1996）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；对高速公路、一级公路、城市快速路、主干路用沥青混合料，还应通过稳定度试验检验其抗车辙能力。

3）低温抗裂性

沥青混合料不仅应具备高温稳定性，同时还要具有低温抗裂性，以保证路面在冬季低温时不产生裂缝。沥青混合料低温抗裂性要求的指标，尚处于研究阶段，未列入技术标准。许多研究者曾提出过不同的指标，但为多数人所采纳的是测定混合料在低温时的纯拉劲度和温度收缩系数，用这两个参数作为沥青混合料在低温时的特征参数，用温度应力与抗拉强度对比的方法来预估沥青混合料的断裂温度。

有的研究认为，沥青路面在低温时的裂缝与沥青混合料的抗疲劳性能有关。建议采用沥青混合料在一定变形条件下，达到试件破坏时所需的荷载作用次数来表征沥青混合料的疲劳寿命，此破坏时的作用次数称为柔度。根据研究认为，柔度与混合料纯拉试验时的延伸度有明显关系。

4）耐久性

沥青混合料在路面中长期受自然因素的作用，为保证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，诸如沥青的化学性质、矿料的矿物成分、沥青混合料的组成结构（残留空隙、沥青填隙率）等。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。

就沥青混合料的组成结构而言，首先是沥青混合料的空隙率。空隙率的大小与矿质骨料的级配、沥青材料的用量以及压实程度等有关。从耐久性角度出发，希望沥青混合料空隙率尽量减少，以防止水的渗入和日光紫外线对沥青的老化作用等，但是一般沥青混合料中均应残留3%～6%空隙，以备夏季沥青材料膨胀。沥青混合料空隙率与水稳定性有关。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，同时颗粒相互推移产生体积膨胀以及出现力学强度显著降低等现象，引起路面早期破坏。

此外，沥青路面的使用寿命还与混合料中的沥青含量有很大的关系。当沥青用量较正常的用量减少时，则沥青膜变薄，混合料的延伸能力降低，脆性增加；如沥青用量偏少，将使混合料的空隙率增大，沥青膜暴露较多，加速了老化作用，同时增加了渗水率，加强了水对沥青的剥落作用。有研究认为，沥青用量较最佳沥青用量少0.5%的混合料能使路面使用寿命减少一半以上。

5）抗滑性

随着现代高速公路的发展，对沥青混合料路面的抗滑性提出了更高的要求。沥青混合料路面的抗滑性与矿质集料的微表面性质、混合料的级配组成以及沥青用量等因素有关。为保证长期高速行车的安全，配料时要特别注意粗集料的耐磨光性，应选择硬质有棱角的集料。硬质集料往往属于酸性集料，与沥青的黏附性差，为此，在沥青混合料施工时，必须在采用当地产的软质集料中掺加外运来的硬质集料组成复合集料和掺加抗剥剂等措施。我国现行枟沥青路面施工及验收规范枠（GB50092—1996）对抗滑层集料提出了磨光值、磨耗值和冲击值3项指标。

沥青用量对抗滑性的影响非常敏感，沥青用量超过最佳用量的0.5%即可使抗滑系数明显降低。含蜡量对沥青混合料抗滑性有明显的影响。规范提出，含蜡量应不大于3%。

6）施工和易性

要保证室内配料在现场施工条件下顺利实现，沥青混合料除了应具备前述的技术要求外，还应具备适宜的施工和易性。影响沥青混合料施工和易性的因素很多，诸如当地气温、施工条件及混合料性质等。

单纯从混合料材料性质而言，影响沥青混合料施工和易性的首先是混合料的级配情况，如粗细集料的颗粒大小相差过大，缺乏中间尺寸，混合料容易分层层积（粗粒集中表面，细粒集中底部）；如细集料太少，沥青层就不容易均匀地分布在粗颗粒表面；细集料过多，则使拌和困难。此外当沥青用量过少或矿粉用量过多时，混合料容易产生疏松不易压实；反之，如沥青用量过多或矿粉质量不好，则容易使混合料黏结成团块，不易摊铺。

生产上对沥青混合料的工艺性能大都凭目力鉴定。有的研究者曾以流变学理论为基础提出过一些沥青混合料施工和易性的测定方法，但仍多为试验研究阶段，并未被生产上普遍采纳。

9.2.4　热拌沥青混合料的技术指标

1）稳定度（MS）

稳定度是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）。稳定度的测定采用马歇尔稳定度仪，将拌好的沥青混合料（实践中一个标准马歇尔试件矿料总量大多为1200g）装入试模中，按马歇尔试验技术标准表中规定的击实次数和击实高度正反面击实，试件击实结束后，用卡尺量取试件的尺寸，以保证高度符合（63.5±1.3）mm（标准试件）的要求。如不符合需调整混合料用量。

调整后混合料的质量＝（要求试件高度×原用混合料质量）/所得试件的高度（9.3）

将制备好的尺寸符合要求的试件（63.5±1.3）mm装入上下压头之间，启动加载设备，使试件承受荷载，当试验荷载达到最大值的瞬间，读取压力环中百分表读数即为稳定度，取下流值计，读取流值计的读数即为流值。

2）流值（FL）

流值是达到最大破坏荷载时试件的垂直变形（以0.1mm计）。

3）空隙率（VV）

空隙率是指压实沥青混合料内矿料及沥青以外的空隙（不包括矿料自身内部的孔隙）的体积占总体积的百分率。空隙率是计算指标，由试件的实测密度和理论密度求得。沥青混合料试件的空隙率按式9.4计算，取1位小数：

（1）沥青混合料试件的实测毛体积相对密度

对于表面较粗但较密实的沥青混凝土试件，其吸水率小于2%时，采用表干法测定，按式9.5计算：

mw——试件的水中质量，g；

mf——试件的表干质量，g（用拧干的湿毛巾擦去试件表面水，不得吸走空隙内的水时称取的表干质量）。

对于吸水率大于2%的沥青混凝土试件，采用蜡封法或体积法测定，按式9.6计算：

（2）沥青混合料试件的最大理论相对密度γti

假定沥青混合料压至绝对密实，而不考虑其内部空隙时试件的密度为理论密度。采用油石比（沥青与矿料的质量比）计算时，试件最大理论相对密度按式9.7计算：

采用沥青含量（沥青质量占沥青混合料总质量的百分率）计算时，试件最大理论相对密度按式9.8计算：

4）矿料间隙率（VMA）

矿料间隙率指压实沥青混合料试件中矿料实体以外的空间体积占试件总体积的百分率。试件中的矿料间隙率可按式9.10计算：

5）沥青饱和度（VFA）

沥青饱和度指压实沥青混合料内沥青部分的体积占矿料骨架以外的空隙部分体积的百分率。试件的有效沥青饱和度按式9.12计算：

9.2.5　热拌沥青混合料配合比设计方法

热拌沥青混合料（简称HMA）是经人工组配的矿质混合料与黏稠沥青在专门设备中加热拌和而成，用保温运输工具运送至施工现场，并在热态下进行摊铺和压实的混合料，通称热拌热铺沥青混合料，简称热拌沥青混合料。热拌沥青混合料是沥青混合料中最典型的品种，其他各种沥青混合料均为由其发展而来的。

沥青混合料配合比设计包括试验室配合比（目标配合比）设计、生产配合比设计和试拌试铺配合比调整（生产配合比调整）3个阶段。

1）试验室配合比设计阶段

试验室配合比设计可分为矿质混合料配合组成设计和沥青最佳用量确定两部分。

（1）矿质混合料的配合组成设计

矿质混合料配合组成设计的目的是选配一种具有足够密实度，并且有较高内摩阻力的矿质混合料。可以根据级配理论计算出需要的矿质混合料的级配范围，但是为了应用已有的研究成果和实践经验，通常是采用规范推荐的矿质混合料级配范围来确定。根据现行规范规定，按下列步骤进行：

①确定沥青混合料类型。沥青混合料的类型，根据道路等级、路面类型、所处的结构层位，根据现行枟沥青路面施工及验收规范枠（GB50092—1996）和枟公路沥青路面设计规范枠（JTGD50—2006）规定，按表9.7选定。

②确定矿质混合料的级配类型。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，见表9.7可确定所需的级配范围。

③矿质混合料配合比计算：

a.组成材料的原始数据测定：根据现场取样，对粗集料、细集料和矿粉进行筛析试验，按筛析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，以供计算物理常数使用。

b.计算组成材料的配合比：根据各组成材料的筛析试验资料，采用图解法或试算（电算）法计算符合要求级配范围的各组成材料用量比例。

c.调整配合比：计算得的合成级配应根据下列要求作必要的配合比调整。

·通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近设计级配中间值，尤其是0.075mm，2.36mm和4.75mm筛孔的通过量尽量接近设计级配范围的中间值。

·对高速公路、一级公路、城市快速路、主干路等交通量大、轴载重的道路，宜偏向级配范围的下（粗）限；对一般道路、中小交通量或人行道路等宜偏向级配范围的上（细）限。

·合成级配曲线应接近连续的或合理的间断级配，但不应过多的犬牙交错。当经过再三调整，仍有2个以上的筛孔超出级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新试验。

（2）沥青混合料的最佳沥青用量确定

沥青混合料的最佳沥青用量（OAC），可以通过各种理论计算的方法求得。但是由于实际材料性质的差异，按理论公式计算得到的最佳沥青用量，仍然要通过实验方法修正，因此理论方法只能得到一个供实验的参考数据。采用实验方法确定沥青最佳用量，目前最常用的是马歇尔法。该法确定沥青最佳用量按下列步骤进行：

①制备试样：

a.按确定的矿质混合料配合比，计算各种矿质材料的用量。

b.根据表9.8推荐的沥青用量范围（或经验的沥青用量范围），估计适宜的沥青用量（或油石比）。

②为确定沥青混合料的沥青最佳用量，需测定沥青混合料压实试件的表观密度、孔隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度、流值。

③马歇尔试验结果分析：

a.绘制油石比或沥青用量与物理力学指标关系图，以油石比或沥青用量为横坐标，以视密度、空隙率、饱和度、稳定度、流值为纵坐标。将试验结果绘制成沥青用量与各项指标的关系曲线，如图9.7所示。

b.根据试验曲线的走势，按下列方法确定沥青混合料的最佳沥青用量OAC1：

·在曲线上求取相应于密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率（或中值）、沥青饱和度范围中值的沥青用量a1、a2、a3、a4。按下式取平均值作为OAC1：

·如果在选择的沥青用量范围未能涵盖沥青饱和度的要求范围，按下式求取三者的平均值作为OAC1：

·以各项指标均符合技术标准（不含VMA）的沥青用量范围OACmin～OACmax的中值作为OAC2：

·通常情况下取OAC1及OAC2的中值作为计算的最佳沥青用量OCA：

按计算的最佳沥青含量OAC，从图9.8中得出所对应的空隙率和VMA，检验是否能满足规范规定的最小VMA的要求。检查对应于此OAC的各项指标是否均符合马歇尔试验技术标准。

·根据气候条件和交通特性调整最佳沥青用量由OAC1和OAC2综合决定最佳沥青用量OAC时，还宜根据实践经验和道路等级、气候条件考虑下述情况进行调整。

对热区道路以及车辆渠化交通的高速公路、一级公路、城市快速路、主干路，预计有可能造成较大车辙的情况时，可以在中值OAC2与下限值OACmin范围内决定，但一般不宜小于中限值OAC2的0.5%。

（3）沥青混合料的性能检验

通过马歇尔试验和结果分析，得到的最佳沥青用量OAC（必要时应包括OAC1和OAC2）还需进一步的试验检验，以验证沥青混合料的关键性能是否满足路用技术要求。

①沥青混合料的水稳定性检验。按最佳沥青用量OAC制作马歇尔试件进行浸水马歇尔试验或冻融劈裂试验，检验其残留稳定度或冻融劈裂强度是否满足要求。如不符合要求，应重新进行配合比设计，或者采用掺加抗剥剂的方法来提高水稳定性。

②沥青混合料的高温稳定性检验。按最佳沥青用量OAC制作车辙试验试件。采用规定的方法进行车辙试验，检验设计的沥青混合料的高温抗车辙能力是否达到规定的动稳定度指标。当动稳定度不符合要求时，应对矿料级配或沥青用量进行调整，重新进行配合比设计。如果试验中除了OAC以外，还要对OAC1和OAC2同时进行相应的试验检测，要通过试验结果综合判断在何种沥青用量条件下，沥青混合料具有更好的性能表现，或能更好地满足特定路用的要求，以此确定最终的最佳沥青用量。

2）生产配合比设计阶段

以上决定的矿料级配及最佳沥青用量为目标配合比设计阶段的数据，对间歇式拌合机，还必须从二次筛分后进入各热料仓的材料取样进行筛分，以确定各热料仓的材料比例，供拌和机控制室使用。同时还需反复调整冷料仓进料比例以达到供料均衡，并取目标配合比设计的最佳沥青用量、最佳沥青用量±0.3%三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的最佳沥青用量。

3）生产配合比调整阶段

拌和机采用生产配合比进行试拌，铺筑试验段，并用拌和的沥青混合料及路上钻取的芯样进行马歇尔试验检验，由此确定生产用的标准配合比。标准配合比应作为生产上控制的依据和质量检验的标准。标准配合比的矿料级配至少应包括0.075mm，2.36mm，4.75mm3档的筛孔通过率接近要求级配范围的中间值。

本章小结

石油沥青划分为油分、树脂和地沥青质三个主要组分。沥青由于各组分的化学结构和含量不同，可形成不同的胶体结构，通常按沥青的流变特性，可分为溶胶、溶胶唱凝胶和凝胶三种结构。针入度、延度、软化点是评价黏稠石油沥青路用性能最常用的经验指标。其他沥青有煤沥青、乳化沥青、改性沥青。

沥青混合料由矿料与沥青结合料拌和而成的混合料的总称。矿料是用于沥青混合料的粗集料、细集料、填料的总称。沥青结合料是在沥青混合料中起胶结作用的沥青类材料（含添加的外掺剂、改性剂等）的总称。其中矿料起骨架作用，沥青与填料起胶结填充作用。

沥青混合料经摊铺、压实成型后就成为沥青路面。沥青混合料按矿质骨架的结构状况，其组成结构分为下述三个类型：悬浮密实结构、骨架密实结构、骨架空隙结构。沥青混合料的技术性质：强度、高温稳定性、低温抗裂性、耐久性、抗滑性、施工和易性，通常采用马歇尔稳定度和车辙试验进行检验和评定。

热拌沥青混合料配合比包括试验室配合比（目标配合比）设计、生产配合比设计和试拌试铺配合比调整（生产配合比调整）三个阶段。

习　题

一、填空题

1.石油沥青的组成结构为＿＿＿、＿＿＿和＿＿＿3个主要组分。

2.沥青混合料是指与沥青拌和而成的混合料的总称。

3.一般同一类型石油沥青随着牌号的增加，其针入度＿＿＿，延度＿＿＿而软化点＿＿＿。

4.沥青的塑性指标一般用＿＿＿来表示，温度感应性用＿＿＿来表示。

5.油纸按＿＿＿分为200、350两个标号。

6.沥青混凝土是由沥青和＿＿＿、石子和＿＿＿所组成。

二、判断题

1.采用一种沥青不能满足配制沥青胶所要求的软化点时，可随意采用石油沥青与煤沥青掺配。（　　）

2.沥青本身的黏度高低直接影响着沥青混合料黏聚力的大小。（　　）

3.夏季高温时的抗剪强度不足和冬季低温时的抗变形能力过差，是引起沥青混合料铺筑的路面产生破坏的重要原因。（　　）

4.石油沥青的技术牌号越高，其综合性能就越好。（　　）

5.石油沥青时，在满足要求的前提下，尽量选用牌号小的，以保证有较长使用年限。（　　）

三、选择题

1.沥青材料属于（　　）结构。

A.散粒结构　B.纤维结构　C.胶体结构　D.层状结构

2.沥青的黏性用（　　）表示。

A.针入度　B.延伸度　C.软化点　D.溶解度

3.（　　）是沥青的安全施工指标。

A.软化点　B.水分　C.闪燃点　D.溶解度

4.石油沥青牌号的主要指标是（　　）。

A.针入度　B.黏滞度　C.延伸度　D.软化点

5.屋面用沥青材料的软化点应比本地区屋面最高气温高出（　　）℃以上。

A.10　B.20　C.30　D.50

6.不同品种的沥青（　　）进行掺配。

A.可以　B.不可以　C.不清楚　D.视具体情况而定

7.煤沥青与石油沥青相比，具有（　　）特点。

A.温度稳定性好　B.塑性好　C.大气稳定性好　D.防腐性好

四、简答题

1.土木工程中选用石油沥青牌号的原则是什么？在地下防潮工程中，如何选择石油沥青的牌号？

2.请比较煤沥青与石油沥青的性能与应用的差别。

3.石油沥青的黏性、塑性、温度感应性及大气稳定性的含义是什么？如何评定？

4.论述沥青混合料的主要技术指标以及评定方法。