公路工程材料检测技术

优点优点

沥青路面越来越多地被应用于不同等级的公路，其原因何在？

地方道路

高速公路

城市道路

1 ．沥青混合料是一种粘弹性材料，具有良好的力学性能，铺筑的路面平整无缝，振动小，噪音低，行车舒适。2 ．路面平整且有一定的粗糙度，耐磨好，无强烈反光，有利于行车安全。3．施工方便，施工时不需要养护，能及时开通交通。4 ．维修简单，旧沥青混合料可再生利用。

1 ．沥青路面容易老化。

2 ．温度稳定性差。

缺点

1-1 概述 --- 沥青路面的特点

沥青路面分类 沥青混凝土组成特点是：级配要求严格、使用矿粉（填

料）较多、拌和要求严格（厂拌）。其级配有连续级配、间断级配之分，近年来沥青路面中出现了许多新的结构形式：如 SMA 、 OGFC 、 SUPERPAVE 等。本课程主要介绍常规沥青混合料的性能、结构、强度特性和配合比设计等。

沥青表处和沥青贯入式：属于次高级路面，矿料级配没有严格要求，一般以现场进行矿料摊铺并洒热沥青后进行碾压成型的

沥青碎石属于次高级路面：有厂拌和路拌之分，前者质量与性能稳定。沥青碎石中矿料级配有一定要求，但没有沥青混凝土的严格，其中没有或较少使用矿粉，孔隙率较大。

沥青路面：所有以沥青结合料来粘结矿料铺筑而成的不同路面结构，均

为沥青路面。

1-2 概述 --- 沥青路面的分类

沥青 混合料

材料级配组成及空隙率大小分

材料组成及 结构分

制造工 艺分

公称最大粒径分

1. 特粗式沥青混合料2. 粗粒式沥青混合料3. 中粒式沥青混合料4. 细粒式沥青混合料5. 砂粒式沥青混合料

1. 特粗式沥青混合料2. 粗粒式沥青混合料3. 中粒式沥青混合料4. 细粒式沥青混合料5. 砂粒式沥青混合料

1. 连续级配沥青混合料2. 间断级配沥青混合料

1. 连续级配沥青混合料2. 间断级配沥青混合料

1. 密级配沥青混合料2. 半开级配沥青混合料3. 开级配沥青混合料

1. 密级配沥青混合料2. 半开级配沥青混合料3. 开级配沥青混合料

1. 热拌沥青混合料2. 冷拌沥青混合料3. 再生沥青混合料

1. 热拌沥青混合料2. 冷拌沥青混合料3. 再生沥青混合料

目前公路与城市道路路面多采用复合类的沥青混合料，如 AC-16F 既属于热拌沥青混合料、又属于密级配的、中粒式沥青混合料。

1-3 概述 --- 沥青混合料的分类

热拌沥青混合料种类

多碎石沥青混凝土

多碎石沥青混凝土

其他沥青混合料

再生沥青混凝土

再生沥青混凝土 沥青稀浆封层

混合料沥青稀浆封层

混合料

沥青玛蹄脂碎石 (SMA)

沥青玛蹄脂碎石 (SMA)

冷拌沥青混合料冷拌沥青混合料

多孔隙沥青混凝土表面层

多孔隙沥青混凝土表面层

桥面铺装材料桥面铺装材料

1-3 概述 --- 其他沥青混合料介绍

（ 1 ）表面理论 传统的表面理论认为混合料是由粗、细集料和填料组配而成的矿质骨架和沥青组成，沥青分布在矿质骨料表面，将矿质骨料胶结成具有强度的整体。其中沥青的胶结作用是一个相当复杂的过程，包括物理吸附、化学吸附过程、选择性作用等。 所谓物理吸附是固 - 液界面产生的表面张力作用下，在矿料表面形成定向吸附和湿润现象，吸附的沥青没有发生任何化学变化； 化学吸附是沥青中的沥青酸及沥青酸酐与矿料表面的金属阳离子间产生的化学反应，生成了沥青酸盐，化学吸附比物理吸附产生的吸附作用更强烈，形成的沥青膜更稳定； 选择性吸附主要是由于矿料表面的微孔或毛细孔产生的吸附作用，使得沥青中的小分子如油分和树脂被吸收而使沥青质相对增多，增强了沥青的粘结力，从而使沥青与矿料作用更稳固。

2-1 沥青混合料的组成结构—现代理论

（ 2 ）胶浆理论 近代胶浆理论认为混合料是一种多级空间网状结构的分散系，如下图所示，以粗集料为分散相分散在沥青砂浆中形成粗分散系，而沥青砂浆是由细集料为分散相分散到沥青胶浆中的细分散系，沥青胶浆则以填料为分散相分散在沥青介质中形成的微分散系。在这种多级分散体系中，因沥青胶浆最为基础，也最为重要，因此沥青胶浆的组成结构决定了沥青混合料的高低温变形能力。

胶浆理论主要研究矿粉的矿物组成、矿粉级配（尤其是 <0.075mm的成分）、沥青与矿粉间的交互作用，特别强调采用高稠度的沥青、大的沥青用量和间断级配的矿质混合料。

2-1 沥青混合料的组成结构—现代理论

（ 1 ）悬浮密实结构 如图 3-2a所示，该结构组成的基本特点：采用连续级配，矿料颗粒连续存在，而且细集料含量较多，将较大颗粒挤开，使大颗粒不能形成骨架，而较小颗粒与沥青胶浆比较充分，将空隙填充密实，使大颗粒悬浮于较小颗粒与沥青胶浆之间，形成“悬浮 - 密实”结构。代表类型：按照连续密级配原理设计的 AC 型沥青混合料是典型的这种悬浮密实结构。力学特点：大颗粒未形成骨架，内摩阻力ф值较小；小颗粒与沥青胶浆含量充分，粘结力 C值较大。路用性能特点：由于压实后密实度大，该类混合料水稳定性、低温抗裂性和耐久性较好；但其高温性能对沥青的品质依赖性较大，由于沥青粘度降低，往往导致混合料高温稳定性变差。

2-2 沥青混合料的组成结构—沥青混合料的结构类型

（ 2 ）骨架空隙结构 如图 3-2b所示，该结构组成的基本特点：采用连续开级配，粗集料含量高，彼此相互接触形成骨架；但细集料含量很少，不能充分填充粗集料件的空隙，形成所谓的“骨架 -空隙”结构。代表类型：沥青碎石 AM 和开级配磨耗层沥青混合料 OGFC 等。力学特点：大颗粒形成骨架，内摩阻力 ф值较大；小颗粒与沥青胶浆含量不充分，粘结力 C值较低。路用性能特点：粗集料的骨架作用，使之高温稳定性好；由于细集料含量少，空隙未能充分填充，耐水害、抗疲劳和耐久性能较差，所以一般要求采用高粘稠沥青，以防止沥青老化和剥落。

2-2 沥青混合料的组成结构—沥青混合料的结构类型

（ 3 ）骨架密实结构 如图 3-2c所示，其结构组成特点：采用间断级配，粗、细集料含量较高，中间料含量很少，使得粗集料能形成骨架，细集料和沥青胶浆又能充分填充骨架间的空隙，形成“骨架 - 密实”结构。代表类型：沥青玛蹄脂碎石混合料 SMA 。力学性能特点：粗集料的骨架作用，内摩阻力 ф值较大；小颗粒与沥青胶浆含量充分，粘结力 C值也较大，综合力学性能较优。路用性能特点：该类混合料高低温性能均较好，具有较强的疲劳耐久特性；但间断级配在施工拌合过程中易产生离析现象，施工质量难以保证，使得混合料很难形成“骨架 - 密实”结构。随着施工技术的发展，这类结构得以普遍使用，但一定防止混合料拌合生产、运输和摊铺等施工过程中防止混合料产生离析。

2-2 沥青混合料的组成结构—沥青混合料的结构类型

1. 沥青混合料结构强度构成（ 1 ）路面破坏原因分析： 高温时，由于沥青混合料抗剪强度不足，引起塑性变形过大（塑性变形为不可恢复变形，随着时间产生累积），使路面产生波浪、车辙、拥包与推移等高温变形破坏。 低温时，抗拉强度或抗变性能力不足，由于混合料收缩受阻产生的拉应力超过了混合料的抗拉强度，而在混合料内产生裂缝。（ 2 ）环境因素对沥青路面破坏产生的影响 气温下降 材料产生收缩，路面边界约束下，收缩受阻 混合料内产生拉应力 拉应力超过抗拉强度，裂缝产生 雨水渗入裂缝 引起下卧层水损坏，承载力下降 裂缝扩展 路面结构破坏。 在春融季节，水从裂缝下渗，进入路基内，使路基强度下降，而沥青路面不具有刚性，汽车在路面上行驶，是路基内的静态水变为动态水，在路基内产生冲刷，使路基内的水涌出，沥青层下陷发生翻浆现象。

3-1 沥青混合料结构强度 -- 形成原理

(3) 疲劳破坏 疲劳破坏是在车辆反复作用下引起的，路面材料和路基的疲劳作用，产生变形累积，这在路面工程中专门讲述，本课程主要讲述材料因素。 总之，沥青路面必须具备一定的抗剪切破坏的能力。 沥青路面设计中抗剪强度 ，抗剪强度可以用摩尔 -库伦理论进行分析，即沥青混合料的结构强度由矿料之间的嵌锁力（内摩阻力）以及沥青与矿料的粘结力及沥青自身的内聚力构成，可由下式表征：

式中： τ——沥青混合料的抗剪强度， MPa ； c——沥青混合料的结力， MPa ； φ——沥青混合料的内摩阻力， 0 ； σ——实验时的正应力， MPa。 沥青混合料的粘结力和内摩阻角可以通过三轴剪切试验确定。如图 3-3所示，应力圆的公切线为墨尔 -库伦应力包络线，即抗剪强度曲线，该包络线与纵轴的截距表示沥青混合料的粘结力 c，与横轴的交角为沥青混合料的内摩阻角 。即可求出混合料的 c、值。

3-1 沥青混合料结构强度 -- 形成原理

σtanφcτ

（ 1 ）沥青结合料的粘度 沥青结合料的粘度反映沥青自身的内聚力。由胶浆理论可知，沥青 -

矿粉形成的微分散系其主要作用。一般 η越大， C值越大，因为 η越 大，沥青胶团抗位错能力增强，使沥青混合料的粘滞阻力增大，保持了矿质集料的相对嵌锁作用。如图 3-4 所示，沥青粘度增大，沥青混合料粘结力明显增大，内摩阻角稍有增加。

3-2 沥青混合料结构强度—影响因素

（ 2 ）矿质混合料性能的影响 矿料的岩石种类、级配组成、颗粒形状和表面粗糙度等特性对沥青混合料的嵌锁力或内摩阻角影响较大。级配影响：连续密级级配多是悬浮密实结构，沥青的内聚力大，矿料间的内摩阻力相对较小；骨架空隙结构的沥青混合料以嵌锁力为主，沥青内聚力为辅形成结构强度；在以嵌挤原则设计的骨架密实结构中，粗集料作用下嵌锁力较大，细料与沥青胶浆填充空隙，粘结力较好，故该结构整体强度高，稳定性好。矿料表面特性影响：矿料尺寸近似立方体，粗糙，多棱角，矿料间嵌挤索结能力好， φ较大；采用碱性石料，混合料中矿料间粘结力大，混合料强度高。

（ 3 ）沥青与矿料在界面上的交互作用 列宾捷尔认为，沥青与矿料交互作用后，因化学组分重排列，形成沥青扩散膜。这一作用是化学吸附引起的，该沥青膜即为“结构沥青”，其粘度将大大提高；在“结构沥青”层外，可以“自由”运动的是“自由沥青”，这部分沥青的性能保持沥青初始状态性能，混合料的性能主要由结构沥青决定。

3-2 沥青混合料结构强度—影响因素

化学吸附有选择性，不同矿料的“结构沥青”膜厚度不一样，混合料中“结构沥青”占的比例也不同。碱性石料（如石灰岩）的混合料其“结构沥青”所占比例比酸性石料的要高。所以碱性石料的沥青混合料强度和稳定性比酸性石料的好。

（ 4 ）矿料比面和沥青用量的影响 沥青混合料的粘结力与“结构沥青”的比例和矿料颗粒间的距离有关。如图 3-6所示，矿料间距离越近，且以“结构沥青”粘结，沥青混合料的粘结力越高；反之，矿料间距越大，且其间由“自由沥青”相互粘结，则混合料的粘结力低。

3-2 沥青混合料结构强度—影响因素

矿料比面的影响：矿料比面越大， “结构沥青”的比例越大；矿粉比表面所占比例最大，矿粉用量和性质，可以影响沥青膜厚度和“结构沥青”所占比例。

沥青用量的影响：含量较少时，沥青不足敷裹集料颗粒表面，沥青混合料整体强度较低；随着沥青用量增加，沥青逐渐敷裹矿料表面，使得结构沥青用量增加，矿料间的粘结力增强，混合料整体强度增高，直到整个矿料表面被“结构沥青”所敷裹；当沥青用量进一步增加，此时过多的沥青形成“自由沥青”，这部分沥青在矿料间主要起润滑作用，并将矿料“推开”，从而使沥青混合料的整体强度下降。

另外， “结构沥青”的存在对矿料起到约束作用，使得矿料间的内摩阻力增大，当沥青用量太多时，“自由沥青”的润滑作用，反而使矿料间相互滑移容易，内摩阻力下降。

由以上分析可知混合料强度取决于：嵌挤密实的矿料骨架，高粘度的沥青结合料，适宜的沥青用量，采用能产生化学吸附作用的活性矿料。

3-2 沥青混合料结构强度—影响因素

（ 5 ）使用条件的影响 环境温度和荷载作用特性对混合料的强度影响也较大。

温度升高，沥青粘度降低，混合料的粘结力也下降，矿料间的约束减小使得矿料间的内摩阻力也降低，从而混合料整体强度都下降。

荷载作用体现在荷载作用时间或变形速率上，一般沥青粘度随变形速率增加而增加，混合料的内摩阻力随变形速率则变化较小，那么变形速率增加，沥青混合料的粘结力也增大，整体强大则增高。

3-2 沥青混合料结构强度—影响因素