沥青路面讲义长安大学张登良编著《沥青路面》讲义文档格式.docx
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少粉尘含量,提高抗冲刷性和抗裂性;
将基层、沥青面层安排在一年内施工,避免层间污染;
加强沥青层间、沥青层与基层之间的接触,做好粘层、透层
和封层等;
做好沥青路面整体包括边沟、拦水带、路面结构层中央分隔
带等部位的防排水设计。
沥青路面工作条件与工作特性
沥青路面优缺点
足够的力学强度
一定的弹性和塑性变形能力
减少扬尘(与砂石路相比)
高度的减振性能
无接缝
维修方便(混凝土龄期长)
可再生利用(今后发展方向)
耐久性差,使用寿命短(12~15年)
工作条件
温度
不同的温度和加荷方式下,沥青路面可具有弹性、粘滞性或塑性性质。
沥青混合料是一种典型的弹、粘、塑性综合体,在低温小变形范围内接近线弹性体,在高温大变形活动范围内表现为粘塑性体,通常温度过渡范围内一般为粘弹性体。
沥青
粘度受温度影响极大:
低温硬脆——常温粘弹性——高温流动
沥青混合料
强度受温度影响很大
温度高于脆化点时:
强度随温度降低急剧增大;
温度低于脆化点时:
强度随温度降低而减小。
脆化点:
表征沥青混合料在一定荷载速率下从粘性转变为弹性,即从流动型破坏转变为脆性破坏的温度。
(评价沥青低温抗裂性能)
沥青混合料低温时虽然强度高,但抗变形能力显著降低。
水
水对沥青路面的影响表现在:
水使沥青和矿料分离,会将沥青中某些可溶性化合物溶解并冲走。
长期浸水会因含水量增加而发生体积膨胀,强度降低。
影响程度取决于:
当地气候、水文情况、路表排水能力、路面渗水性以及沥青路面本身水稳定性。
空气
在阳光、温度和空气等大气因素作用下,沥青路面逐渐“老化”。
“老化”速度取决于当地气候、沥青路面层位、以及沥青和沥青混合料性能。
工作特性
沥青路面承受车辆荷载和环境因素的直接作用。
行车荷载
分类
²
作用方向:
垂直荷载和水平荷载
荷载动力性质:
静荷载和动荷载
作用时间和频率:
长时间作用和瞬时的反复多次作用
行车荷载对路面作用力大致分为:
¶
垂直压力:
弯拉应力和弯拉应变,低温季节沥青路面抗变形能力差,应力或应变超过沥青路面疲劳极限,产生裂缝,导致路面破坏。
水平力:
剪切应力,使路面产生推移、拥包等病害。
冲击力和振动力:
沥青路面刚度较低,对冲击力有一定缓冲或消减作用。
真空吸力:
细料被沥青粘结在一起,真空吸力作用下不会扬尘。
环境因素
水
沥青路面温度与气温不同
沥青路面温度与气温不同,路面不同深度处温度也不同。
决定沥青路面结构层内温度状况的因素有外部和内部两类:
外部:
气候条件(太阳辐射和大气温度)
内部:
结构层热力学参数(热传导率、热容量和辐射热的吸收能等)
沥青路面温度与气温之间一定的关系,以陕西为例:
陕西省处于北纬31°
42′~39°
35′,根据SHRP回归模型可得沥青路表温度高出气温23.6℃~25.5℃。
沥青路面的损坏类型及原因
沥青路面病害分为四大类:
裂缝(横裂、纵裂、龟裂)
变形(沉陷、车辙、推移拥包)
表面损坏(泛油、磨光)
水损坏(松散、坑洞、唧浆)
裂缝
横向裂缝
性状:
沿路面横断面方向出现的规则裂缝
成因:
§
温度裂缝
半刚性基层沥青路面的反射裂缝
薄弱环节所致的横向裂缝
荷载所致的横向裂缝
纵向裂缝
沿着道路纵向投影长度远远大于沿横断方向投影长度
通常由于路基或基层的沉降而产生,或者在沥青混合料分幅摊铺位置产生。
龟裂
一系列多边形小块组成的网状裂纹
行车荷载反复作用的结果
变形
沉陷
路基顶面垂直变形而导致的路面产生的严重下陷变形
由于路基压实不足在荷载作用下路基发生大量的垂直变形
车辙
轮迹带逐渐产生下洼形变,并形成两条纵向的槽
二次压实、车载作用导致剪切形变、磨耗
车辙类型:
结构型车辙、失稳型车辙、磨耗型车辙、压密型车辙
形成过程:
初始压密、侧向流动、集料重排骨架破坏
影响车辙的主要因素:
推移和拥包
路表面出现隆起带
交通量大小、车辆超载情况、路线线型等都有影响
表面损坏
磨光
路面在行车作用下集料棱角被磨成圆滑或平滑状。
路面表面纹理丧失,路面抗滑能力下降。
主要是由于路面抗滑层集料组成设计和采用集料抗磨性能差所造成。
泛油
沥青从内部和下部向上移动使表面有过多沥青
沥青用量过大是泛油产生的主要原因。
使用劣质沥青或沥青用量偏高、稠度太小、集料粘附性差、设计空隙率过小。
混合料拌和、摊铺过程中,离析促使细料过于集中。
混合料生产中沥青用量控制不准而过量。
内因是设计或施工不当,而诱发的直接外因是高温。
水损坏
松散
集料和沥青逐渐脱开并散失
主要原因是沥青与矿料之间粘附性较差,另一种可能性是施工中混合料加热温度过高,致使沥青老化失去粘性。
坑槽
路面上出现坑洞
表面水从损坏处浸入停留基层表面上使其与面层脱落并逐步破坏导致
唧浆
细小颗粒从面层空隙喷射出来
气候条件、路面结构类型、路基路面排水等有关
对沥青路面的基本要求
高温稳定性
破坏现象:
波浪、推移、车辙、泛油、粘轮等
措施:
增加粗集料含量或控制剩余空隙率,使粗集料形成空间骨架结构,提高沥青混合料的内摩阻力;
适当提高沥青材料的稠度,控制沥青与矿粉的比例,严格控制沥青用量,采用活性较高的矿粉,改善沥青与矿料之间的相互作用,从而提高其粘聚力;
掺入聚合物改善沥青性能。
低温抗裂性
J破坏现象:
疲劳开裂;
温缩裂缝或反射裂缝
J措施:
使用稠度较低及温度敏感性低的沥青;
使用抗老化能力强的沥青;
掺加橡胶类高分子聚合物;
沥青路面结构层中铺设沥青橡胶、土工布或塑料格栅等应力吸收薄膜
耐久性
沥青失去粘性、性质变脆、在行车荷载和其他因素作用下碎裂,乃致沥青与矿料脱离,使路面松散破坏。
掺加足够用量的沥青;
减小空隙率。
抗滑能力
要求:
保证在最不利情况下(路面潮湿时),车速能够高速安全行驶,而且在外界因素作用下抗滑能力不致很快降低。
选择硬质有棱角的石料;
控制沥青用量不过多。
防渗能力
影响:
抗渗能力差影响路面本身和基层的稳定性。
控制混合料空隙率。
沥青路面使用性能的气候分区
分区指标
高温指标:
七月平均最高气温
低温指标:
最低气温(30年一遇预期最低气温)
雨量指标:
年降雨量
沥青路面气候分区
沥青路面气候分区由高温和低温组合而成;
沥青及沥青混合料气候分区由高温、低温和雨量组合而成,数字越小表示气候因素的影响越严重。
沥青路面气候分区为二级区划,按最热月平均最高气温和年极端最低气温把全国分为三大区,九种气候,各气候类型用两个数字表示。
沥青及沥青混合料气候分区是在沥青路面气候分区的基础上再增加一级雨量分级,每个气候类型用三个数字表示。
第二章沥青结合料
内容简介
–沥青分类、组分及胶体结构(了解)
–普通石油沥青的技术性质及评价指标(掌握)
–普通石油沥青常规试验方法(掌握)
–我国道路石油沥青的技术标准(熟悉)
–改性沥青、其他沥青的技术性质
–美国SHRP沥青PG分级标准(了解)
学习难点
–针入度、软化点、延度及其测试方法
沥青材料的分类、组成和结构
沥青组成及胶体结构
化学组分
三组分:
油分、树脂和沥青质
四组分:
饱和分、芳香分、胶质、沥青质
石油沥青的胶体结构
溶胶型、凝胶型、溶凝胶型
道路石油沥青的技术性质
物理性质
密度、相对密度,体膨胀系数,介电常数
路用性质
粘滞性
定义:
沥青在外力作用下抵抗变形的能力,反映沥青内部材料阻碍其相对流动的特性,一般采用剪切变形模型描述。
影响因素:
粘滞性的大小与组分、温度有关。
沥青质高,含适量树脂、少量油分时,粘滞性较大。
在一定温度范围内,温度升高时,粘滞性随之降低
表达方式:
绝对粘度、相对粘度
1绝对粘度
动力粘度——真空减压毛细管法,Pa∙s
运动粘度——毛细管法,mm2/s
表观粘度——布洛克菲尔德粘度计Pa∙s
2相对粘度
液体沥青标准粘度试验
粘稠沥青针入度——针入度仪,0.1mm
软化点——软化点仪,℃
3针入度(三大指标之一)规定温度下的条件黏度
作用:
分级指标
试验方法:
在规定的温度和时间内,记录一定质量的标准针垂直贯入试样的深度
表示方法:
PT,m,t.例如:
P25℃,100g,5s=65(0.1mm)
4软化点(三大指标之二)达到规定条件黏度的温度
沥青条件固化点到滴落点的温度间隔的87.21%为软化点。
测试方法:
将沥青试样装入规定尺寸的铜环内试样上放置标准钢球(重3.5g)在水或甘油中,以5℃/min加热沥青软化下垂至25.4mm时的温度
TR&
B
低温性质
沥青在低温下抵抗开裂的能力
将0.4g沥青试样均匀涂在金属片上,置于有冷却设备的脆点仪内,使涂有沥青的金属片重复弯曲,降温速率1℃/min,沥青薄膜产生断裂时的温度为脆点。
脆性、延性
延度(三大指标之三)
指沥青受到外力的拉伸作用时,所能承受的塑性变形的总能力。
沥青试样制成∞字型在规定速度和温度下
拉伸至断时的长度以cm表示
D(cm)
弯曲梁流变试验(BBR)
将沥青先RTFOT短期老化,再PAV压力老化。
弯曲试验在弯曲流变仪器(BBR)上进行,测试沥青小梁试件在在蠕变荷载作用下的劲度,用蠕变荷载模拟温度下降时路面中可产生的应力。
直接拉伸实验(DTT)
测试沥青在低温时的极限拉伸应变。
感温性质
针入度指数(PI)
PI<-2溶胶型沥青;
>+2凝胶型沥青;
=-2~+2溶凝胶型沥青
耐久性
热、氧、光、水
沥青薄膜加热试验(TFOT短期老化):
163℃±
1℃加热5h,测质量损失、残留物的针入度、软化点、延度。
旋转薄膜烘箱试验(RTFOT短期老化):
163℃加热75min
压力老化试验(PAV长期老化):
90~110℃老化20h
粘弹性质
沥青是一种典型的粘弹性物体,具有蠕变和应力松弛行为,还具有瞬时弹性回复和弹性滞后现象(简称弹性后效)
影响沥青性能的因素:
温度、荷载作用方式和荷载作用时间
可采用劲度模量来反应。
黏附性
评价方法:
水煮法(13.2~19mm)、水浸法(9.5~13.2mm)
粘附等级(共5级)
闪点和燃点:
主要是反映施工安全性能。
溶解度:
沥青在三氯乙烯中溶解的百分率-有效物质含量。
含水率:
加热过程中,沥青如果含水量过多,易产生溢锅现象,使材料损失,甚至引起火灾
道路石油沥青的分级方法
针入度分级-P
按所测得的沥青25℃针入度所处水平划分沥青牌号
粘度分级-A
按真空毛细管法测得沥青60℃粘度所处水平划分沥青牌号
☆按原样沥青60℃粘度分级(AC);
☆按薄膜烘箱(TFOT)或旋转薄膜烘箱(RTFOT)试验后残余物60℃粘度分级(AR)两种分级体系
性能分级PG
按沥青所能够适应的最高和最低环境温度来划分沥青牌号
我国粘稠道路石油沥青的技术要求
按照25℃针入度指标进行沥青分级——7个标号
按照技术性能进行沥青分类:
A、B、C
①针入度指数PI
②软化点、60℃粘度、延度(10℃、15℃)
③TFOT或RTFOT
④蜡含量、闪点、溶解度
A级沥青各个等级的公路,适用于任何场合和层次。
B级沥青①高速公路、一级公路沥青下面层及以下的层次,二级及二级以下公路的各个层次;
②用作改性沥青、乳化沥青、改性乳化沥青、稀释沥青的基质沥青。
C级沥青三级及三级以下公路的各个层次。
我国液体沥青的技术要求
按凝固速度可分为快凝AL(R)、中凝AL(M)、慢凝AL(S)三个等级
快凝,按粘度划分为两个标号
中凝和慢凝液体沥青各划分为六个标号
粘度测试方法:
标准粘度计测定
蒸馏馏分含量及残馏物的性质
闪点和含水量
美国SHRP沥青PG分级与标准
我国沥青指标体系就是以三大指标等经验性指标为核心的指标体系。
PG分级:
SHRP标准是唯一的一个基于道路所在地区的气候特点的性能标准,其物理特性要求相同,但是其试验温度随特定条件的改变而改变。
改性沥青
概况
由“沥青的改性”发展为“混合料的改性”,改性方式由“内掺式”转变为“外掺式”。
沥青改性技术与常用改性沥青
沥青改性技术
改性沥青品种的选择
①提高抗永久变形能力:
热塑性橡胶类、热塑性树脂类
②提高抗低温开裂能力:
热塑性橡胶类、橡胶类
③提高抗疲劳开裂能力:
热塑性橡胶类、橡胶类、热塑性树脂类
④提高抗水损害能力:
各类抗剥落剂外掺剂
常用聚合物改性沥青
丁苯橡胶(SBR)改性沥青
SBR对沥青的常温性能影响不大,高温性能有一定的提高,较为
突出的是沥青的低温变形能力大幅度提高
PE改性沥青
提高沥青结合料的常温粘度,改善高温稳定性,有利于提高沥青的强度和劲度
低温性能改善效果不显著
易离析
苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青
SBS的加入可以非常明显的改善沥青的高温和低温性能
环氧树脂改性沥青
从严格意义上讲,环氧沥青不属于一般的改性沥青!
外掺式改性剂
抗车辙改性剂
抗车辙剂专门用于提高沥青混合料抗车辙性能,它大幅提高沥青混合料的高温稳定性,并对混合料的水稳定性也有改善。
高模量改性剂
1、模量高、减薄路面厚度约1/4
2、具有良好的抗高温变形能力和抗疲劳能力,既可作为长寿命路面的抗车辙层,也可作为抗疲劳层,延长路面的使用寿命,综合效益更好。
橡胶沥青改性技术
沥青、回收轮胎橡胶和某些添加剂混合而成的胶结料,橡胶成分最少占到总量的16%,并且与热沥青、橡胶颗粒产生融胀,具有高的弹性性能和低的弹性模量。
①抗老化
②抗裂能力强
③利于环境保护,节约资源
④可用于路面结构层结合料、罩面层、应力吸收层、桥面防水粘接层等
纤维增强技术
①掺加纤维后,沥青混合料具有良好的抗疲劳性能,疲劳寿命显著增加。
②掺加纤维后,沥青混合料具有良好的冲击韧性,特别适合在旧水泥混凝土路面加铺沥青层使用。
③掺加纤维后,沥青混合料耐磨性能提高,特别适用于桥面、坡道、弯道等防滑路面、履带车通行路面等对路面性能要求较高的特殊场所。
改性沥青的技术要求
改性沥青的评价指标
除:
针入度、软化点、延度、粘度等指标外专门针对改性沥青的试验指标有:
①聚合物改性沥青的离析试验
②沥青弹性恢复试验
③沥青粘韧性试验
④测力延度试验
其他沥青
煤沥青
煤沥青的化学组成
可分离为:
油分、软树脂、硬树脂和游离碳
煤沥青的结构
胶体分散系
分散相:
游离碳和硬树脂组成的胶体微粒
分散介质:
油分
稳定介质:
软树脂,吸附于固态分散胶粒,逐渐向外扩散,并溶解于油分中,稳定分散系
煤沥青与石油沥青的差异
a、煤沥青的温度稳定性差
b、煤沥青的大气稳定性差
c、煤沥青塑性较差
d、煤沥青与矿质材料表面粘附性能好
e、煤沥青防腐性能好
f、煤沥青含有对人体有害成分较多,臭味较重
天然沥青
天然沥青粘度大,抗氧化性强,与集料有很好的粘附性及抗剥落性按形成环境可分:
湖沥青、岩沥青和海底沥青等。
将天然沥青与石油沥青混融,可以调和出具有良好高温稳定性、低温抗裂性及耐久性的沥青胶结料。
湖沥青
代表性产品TLA。
湖沥青改性沥青的优点:
与沥青有良好的相容性,生产、存储、运输和使用简便,路用性能优良。
岩沥青
乳化沥青
乳化沥青是将粘稠沥青加热至流动状态,再经高速离心、搅拌及剪切等机械作用,使沥青形成细小的微粒(2~5μm左右),且以此状态均匀分散在含有乳化剂和稳定剂的水中,形成水包油(O/W)型沥青乳液。
乳化沥青的组成材料:
沥青、乳化剂、稳定剂和水
乳化沥青适用范围
沥青表面处治路面、沥青贯入式路面、冷拌沥青混合料路面,修补裂缝,喷洒透层、粘层与封层等。
泡沫沥青
在高温的普通针入度级沥青中加入少量冷水,由于水的急速气化形成爆炸性泡沫,使沥青表面积大量增加,体积膨胀数倍至数十倍,然后在近1min内沥青又恢复原状,这种膨胀成泡沫的沥青称为泡沫沥青。
本章小结
石油沥青是复杂的高分子化合物,可分离为饱和分、芳香分、胶质和沥青质等组分
根据组分含量的不同,可将沥青分为溶胶、凝胶和溶凝胶三种胶体结构
沥青的化学组分、胶体结构与沥青的路用性能有着密切的关系
沥青技术性能包括粘滞性、粘弹性、感温性等一系列特性
可根据沥青技术性能进行分级,并根据工程要求选择合适的标号和等级
沥青PG分级与标准
SBR、PE、SBS等常用聚合物改性沥青,及其性能测试方法
乳化沥青具有可冷态施工的特点,应掌握其组成机理和用途
天然沥青(岩沥青、湖沥青)、泡沫沥青、煤沥青的应用
复习题
1﹑采用沥青化学组分分析方法可将沥青分离为哪几组分,与沥青的技术性质有何关系?
2﹑石油沥青可划分为哪几种胶体结构?
各种胶体结构的石油沥青有何特点?
3﹑石油沥青的“三大指标”表征沥青哪些特征?
简述其主要试验方法与条件。
4﹑美国SHRP的沥青技术规范中沥青的性能提出哪些新的试验方法,各自反映沥青哪些方面的性能?
5﹑沥青的感温性采用哪些指标来表征?
6﹑重交通道路沥青的技术标准有哪几项指标?
7﹑什么是沥青粘弹性,采用什么技术指标对其进行评价?
8﹑为什么对沥青进行改性?
常用的聚合物改性沥青有哪几种?
改性沥青性能的评价方法与指标有哪些?
9﹑试述乳化沥青形成和分裂机理及其在节约能源、保护环境和经济效益等方面的优越性。
10﹑沥青在10℃、25℃和30℃下测定的针入度分别为24、85和125(0.1mm),求出沥青的针入度温度敏感性系数A,由此计算针入度指数PI,并判断沥青的胶体结构类型。
第三章沥青混合料技术特性
沥青混合料的组成与结构(理解)
强度形成原理及其影响因素(理解)
沥青混合料路用性能、评价方法与技术标准(掌握)
普通热拌沥青混合料组成设计方法(掌握)
体积参数、组成设计方法、路用性能评价指标
优点
表面平整无接缝,行车振动小,噪音低
便于机械化施工,开放交通快,养护简便
具有良好的力学性能和路用性能
沥青混合料可再生利用
缺点
沥青路面易老化
温度敏感性较高
施工受气候和季节影响大
沥青混合料的类型与组成结构
沥青混合料的分类
按矿料级配类型
连续级配沥青混合料
间断级配沥青混合料
开级配沥青混合料
按级配类型和空隙率
连续密级配(VV=3~6%)密实型沥青混凝土AC、密级配沥青稳定碎石ATB
连续半开级配~(VV=6~12%)沥青玛蹄脂碎石SMA
开级配~(VV=18~25%)沥青碎石AM
间断密级配~(VV=3~4%)开级配磨耗层OGFC、沥青排水基层混合料ATPB
按公称最大粒径
特粗式、粗粒式、中粒式、细料式、砂粒式
按生产温度
HMA热拌混合料150-180℃
优点:
主流技术,路用性能好
缺点:
环境污染重,能耗大,易老化
WMA温拌混合料110-130℃
环保,节能
技术不成熟
CMA冷拌混合料15-40℃
环保,节能,混合料能储存
路用性能差
按再生工艺
厂拌热再生、就地热再生、就地冷再生、厂拌冷再生
沥青混合料的组成结构
沥青混合料组成结构理论
表面理论:
强调沥青的裹覆作用
胶浆理论:
多级分散体系,强调沥青胶浆的作用
沥青混合料的结构类型
悬浮密实结构
连续型密级配矿料:
粘聚力较高、密实性与耐久性好、内摩阻力较小、高温稳定性较差。
典型代表:
AC
骨架空隙结构
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