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沥青混合料
第一节 沥青混合料概述
一、定义：将一定级配的矿质混合料与具有一定粘度和适当用量的沥青结合料，经充分拌和而形成的混合料。
二、分类：
1、按矿质集料级配类型分类：
1）连续级配沥青混合料：矿料级配组成中从大到小各级粒径都有，按比例相互搭配组成的沥青混合料。
2）间断级配沥青混合料：矿料级配组成中缺少1个或几个粒径档次而形成的沥青混合料
2、按矿料级配组成及空隙率大小分类：
1）密级配沥青混合料：按密实级配原理设计组成的各种粒径颗粒的矿料与沥青结合料拌合而成、设计空隙率较小（3%-6%）的密实式沥青混凝土混合料（以AC表示）和密实式沥青稳定碎石混合料（以ATB表示）。
2）半开级配沥青混合料：由适当比例的粗集料、细集料及少量填料（或不加填料）与沥青结合料拌和而成、压实后剩余空隙率在 6%-12％的半开式沥青碎石混合料（以AM表示）。
3）开级配沥青混合料：矿料级配主要由粗集料嵌挤组成，细集料较少，设计空隙率不小于18％的沥青混合料。
3、按集料公称最大粒径分类：
最大粒径：指要求集料100％通过的最小的标准筛筛孔尺寸。
公称最大粒径：混合料中筛孔通过百分率为90%-100%的最小标准筛孔尺寸。
分类：
1）、特粗式：公称最大粒径大于31.5mm。
2）、粗粒式：公称最大粒径为26.5mm或31.5mm。
3）、中粒式：公称最大粒径为16mm或19mm。
4）、细粒式：公称最大粒径为9.5mm或13.2mm
5）、砂粒式：公称最大粒径小于9.5mm。
4、按制造工艺分类：
1）热拌沥青混合料：经人工组配的矿质混合料与粘稠沥青在专门设备中加热拌和而成，保温运输至施工现场，并在热态下进行摊铺和压实的混合料。
2）冷拌沥青混合料：在常温下拌和、铺筑的沥青混合料，所用结合料通常为液体沥青或乳化沥青。
3）再生沥青混合料：把由路面上清除下来的旧沥青混凝土进行加工处理后的混合料。
第二节 沥青混合料的组成结构与强度理论
2.1沥青混合料组成结构的现代理论
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，利用沥青胶结料的粘聚力，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。
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骨料的骨架作用，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构在混合料中的作用，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。
2.2 沥青混合料的组成结构类型
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三个类型：
1、悬浮-密实结构：当采用连续密级配的沥青混合料时，材料从大到小连续存在，由于粗集料的数量较小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。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。
特点：粘聚力较大，内摩阻角较小，密实度较高，但高温稳定性较差。
2、骨架空隙结构：当采用连续密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。这种结构的沥青混合料，骨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，但沥青与矿料粘结力小、空隙率大、耐久性差。
特点：空隙率大，耐久性差，沥青与矿料的粘聚力差，热稳定性较好，其强度主要取决于内摩阻角。当沥青路面采用这种形式的沥青混合料时，沥青面层下必须作下封层。
３、骨架密实结构：采用间断级配的沥青混合料，综合以上两种结构之长，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。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。
特点：较高的粘聚力和内摩阻角，结构的密实度、强度、稳定性都比较好。理想型。
2.3 沥青混合料的强度理论
路面破坏的主要原因：高温时抗剪强度不足或塑性变形过剩而产生推及低温时抗拉强度不足或变形能力较差而产生裂缝。
沥青混合料的三轴试验表明：沥青混合料的抗剪强度主要取决于粘聚力c和内摩擦角φ。
影响因素
1、沥青性质对粘结力c的影响。
沥青的粘滞度是影响粘结力c的重要因素。粘滞度越大，材料抵抗变形的能力越强，可以保持矿质集料的相对嵌挤作用。
2、矿质混合料级配、矿质颗粒形状和表面特性等对内摩阻角φ的影响。
矿质颗粒的粒径越大，内摩阻角越大，中粒式沥青混凝土的内摩阻角要比细粒式和砂粒式沥青混凝土大得多。
3、矿料与沥青交互作用能力的影响。
列宾捷尔研究认为，沥青与矿料相互作用后，沥青在矿料表面产生化学组分的重新排列，在矿料表面形成一层扩散结构膜（如图6-1a所示），在此膜厚度以内的沥青称为结构沥青。此膜以外的沥青称为自由沥青。结构沥青与矿料之间发生相互作用，并且沥青的性质有所改变；而自由沥青与矿料距离较远，没有与矿料发生相互作用，仅将分散的矿料粘结起来，并保持原来性质。
如果颗粒之间接触处由扩散结构膜所联结(如图6-1b所示），则促成沥青具有更高的粘滞度和更大的扩散结构膜的接触面积，从而可以获得更大的颗粒粘着力。反之，如颗粒之间接触处为自由沥青所联结(如图6-1c所示），则具有较小的粘着力。
沥青与矿料表面的相互作用对沥青混合料的粘结力和内摩阻角有重要影响，矿料与沥青的成分不同会产生不同的效果，石油沥青与碱性石料将产生较多的结构沥青，有较好的粘附性；而石油沥青与酸性石料产生较少的结构沥青，粘附性较差。
4、沥青混合料中矿料比面积和沥青用量的影响
由前述沥青与矿粉交互作用的原理可知，结构沥青的形成主要是由于矿料与沥青的交互作用，而引起沥青化学组分在矿料表面的重分布。所以在相同的沥青用量条件下，与沥青产生交互作用的矿料表面积愈大，则形成的沥青膜愈薄，则在沥青中结构沥青所占的比率愈大，因而沥青混合料的粘聚力也愈高。
例如1kg的粗集料的表积约为0.5-3m2，它的比面即为0.5-3m2/kg，而矿粉用量虽只占7%左右，而其表面积却占矿质混合料的总表面积的80%以上，所以矿粉的性质和用量对沥青混合料的强度影响很大。为增加沥青与矿料物理-化学作用的表面，在沥青混合料配料时，必须含有适量的矿粉。
提高矿粉细度可增加矿粉比面，所以对矿粉细度也有一定的要求。希望<0.075mm粒径的含量不要过少；但是<0.005mm部分的含量亦不宜过多，否则将使沥青混合料结成团块，不易施工。
在固定质量的沥青和矿料的条件下，沥青与矿料的比例（即沥青用量）是影响沥青混合料抗剪强度的重要因素。
在沥青用量很少时，沥青不足以形成结构沥青的薄膜来粘结矿料颗粒。随着沥青用量的增加，结构沥青逐渐形成。沥青更为完满地包裹在矿料表面，使沥青与矿料间的粘附力随着沥青的用量增加而增加。当沥青用量足以形成薄膜并充分粘附矿料颗粒表面时，沥青胶浆具有最优的粘聚力。随后，如沥青用量继续增加，则由于沥青用量过多，逐渐将矿料颗粒推开，在颗粒间形成未与矿料交互作用的“自由沥青”，则沥青胶浆的粘聚力随着自由沥青的增加而降低。
随着沥青用量的增加，沥青不仅起着粘结剂的作用，而且起着润滑剂的作用，降低了粗集料的相互密排作用，因而降低了沥青混合料的内摩擦角。
沥青用量不仅影响沥青混合料的粘聚力，同时也影响沥青混合料的内摩擦角。通常当沥青薄膜达最佳厚度（亦即主要以结构沥青粘结）时，具有最大的粘聚力；随着沥青用量的增加，沥青混合料的内摩擦角逐渐降低。
5、影响沥青混合料强度的外因
1）温度的影响
沥青混合料是一种热塑性材料，它的抗剪强度随着温度的升高而降低。在材料参数中，粘聚力随温度升高而显著降低，但是内摩擦角受温度变化的影响较少。
2）形变速率的影响
沥青混合料是一种粘-弹性材料，它的抗剪强度与形变速率有密切关系。在其他条件相同的情况下，变形速率对沥青混合料的内摩擦角影响较小，而对沥青混合料的粘聚力影响较为显著。试验资料表明，粘聚力随变形速率的减小而显著提高，而内摩擦角随变形速率的变化很小。
提高沥青混合料强度的措施
提高沥青混合料的强度包括两个方面：一是提高矿质骨料之间的嵌挤力与摩阻力；一是提高沥青与矿料之间的粘结力。
为了提高沥青混合料的嵌挤力和摩阻力，要选用表面粗糙、形状方正、有棱角的矿料，并适当增加矿料的粗度。此外，合理地选择混合料的结构类型和组成设计，对提高沥青混合料的强度也具有重要的作用
提高沥青混合料的粘聚力可以采取以下列措施：改善矿料的级配组成，以提高其压实后的密实度；增加矿粉含量；采用稠度较高的沥青；改善沥青与矿料的物理-化学性质及其相互作用过程。
第三节 沥青混合料的技术性质
一、高温稳定性
高温稳定性是指在夏季高温条件下，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。
评价方法
1、马歇尔试验
2、车辙试验
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，对于高速公路、一级公路、城市快速路、主干路用沥青混合料，还应通过动稳定度试验检验其抗车辙能力。
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，在马歇尔仪中所能承受的最大破坏荷载（kN）；
流值是达到最大破坏荷重时试件的垂直变形（以0.lmm计）；
马歇尔模数为稳定度除以流值的商，即
马歇尔模数愈大，车辙深度愈小，高温稳定性好
车辙试验：用标准成型方法，制成300x300x500mm的沥青混合料试件，在600C温度条件下，以一定荷载的轮子在同一轨迹上作一定时间的反复行走，测试试件表面在试验轮反复作用下所形成的车辙深度。
动稳定度：计算试件产生1mm车辙,所需试验车轮行走次数。
沥青混合料高温稳定性的影响因素
矿料性质的影响
矿料级配的影响
矿粉的影响
沥青粘度的影响
沥青用量的影响
沥青混合料剩余空隙率、矿料间隙率的影响
二、低温抗裂性
定义：沥青混合料在低温下抵抗断裂破坏的能力，称为低温抗裂性能。
低温裂缝分类
1、面层低温缩裂
2、温度疲劳裂缝
3、反射裂缝
评价方法
1、间接拉伸试验
2、弯曲试验
3、断裂温度试验
4、弯曲蠕变试验
5、弯曲应力松弛试验
6、收缩试验
沥青混合料低温抗裂性能的影响因素
1、沥青性质
1）沥青的感温性
2）沥青的劲度
3）沥青的粘度
4）沥青的低温延度
5）沥青的感时性
6）沥青的老化性能
7）沥青的含蜡量
2、沥青混合料的组成
1）沥青含量
2）集料类型和级配
3）空隙率
4）剥落率
3、环境的影响
1）温度 2）降温速率 3）路面老化
4、路面结构几何尺寸
1）路面宽度
2）路面厚度
3）沥青混凝土层与基层摩擦系数
4）路基类型
三、水稳定性
耐久性定义：沥青混合料在使用过程中抵抗环境因素及行车荷载反复作用的能力
1.抗老化性
2.水稳定性
3.抗疲劳性
水损害是常见的一种病害
与沥青、集料性能有关
3. 水稳定性试验方法
浸水马歇尔试验
真空饱水马歇尔试验
真空饱水劈裂试验
冻融劈裂试验
浸水车辙试验
（1）浸水马歇尔试验
试件：马歇尔试件
常规马歇尔试验：60℃、40min
浸水马歇尔试验： 60℃、48h
残留稳定度=Sm1/Sm0*100
(3)真空饱水马歇尔实验
采用马歇尔试件，空隙率为7％
试件条件：
一组：60 ℃ 浸水40min， 测劈裂强度R1
二组：25 ℃浸水20min
0.09Mpa浸水抽真空15min
25 ℃水中浸泡1h
60 ℃水浴中恒温24h，测定其冻融劈裂强度R2
残留强度=R2/R1*100％
(4) 冻融劈裂试验
采用马歇尔试件，空隙率为7%
试件条件：
一组：25 ℃ 浸水2h， 测劈裂强度R1
二组：真空饱水15min，放置0.5h；
-18 ℃ 冻16h；60 ℃水中24h； 25 ℃ 2h后测定其冻融劈裂强度R2.
规范要求：《公路改性沥青路面施工技术规范》规定，“采用沥青混合料冻融劈裂试验方法测定的劈裂强度比应不小于80%。
4、影响因素
(1)组成材料性质
A.集料性质
表面化学特性（如Ca、Fe含量等）；
集料颗粒的表面物理特性；
集料表面的洁净程度。
B.沥青的性质
粘度
酸值
C.混合料类型
空隙率、矿料比表面积等
（2）沥青混合料施工条件与施工质量
施工温度、湿度
摊铺均匀程度、压实度
路面排水能力
（3）自然因素
冻融循环频繁地区
5. 提高水稳定性的措施
（1）集料：80%剥离来自于集料，
选用孔隙率小，粗糙，洁净的碱性集料；
（2）沥青：粘度大，酸值大的沥青
（3）掺加抗剥离剂
消石灰
液体抗剥离剂
（4）混合料类型：密实骨架
（5）路面结构防水
（6）严格控制施工质量
（四）抗滑性
沥青路面应具有足够的抗滑能力保证在最不利的情况下(路面潮湿时)车辆能够高速安全行驶，而且在外界因素作用下其抗滑能力不致很快降低。
宏观纹理：集料颗粒之间的空隙和排水能力，水平方向0.5- 50mm,垂直方向0.2-10mm构造，影响高速行车的抗滑性、减少水漂、溅水、反光及降噪等作用；
微观纹理：集料表面水平方向0-0.5mm,垂直方向0-0.2mm的微小构造——主要影响因素，低速和高速抗滑性
3. 影响因素
集料的耐冲击性、耐磨性
混合料的级配：SMA、OGFC、AC
混合料的沥青用量
混合料的空隙率：空隙率大纹理深