沥青混凝土基本知识

2.1.2　沥青混凝土基本知识

将不同粒级的碎石、天然砂或破碎砂等按适当比例，配合成符合规定级配范围的骨料混合料，再将骨料混合料加热后与适当比例的热沥青及矿粉一起，在规定温度下拌和所得的混合料称为热拌沥青混凝土混合料。拌制沥青混凝土混合料的机械与设备称为沥青混凝土搅拌设备。

沥青混凝土中的矿（砾）石是混凝土中的骨架，统称为骨料。石粉作为填充料与沥青共同形成一种糊状黏结物、填充于骨料之间，既可使沥青不致从碎石表面流失，又可防止水分的浸入，以增加砂石料之问的黏结强度，从而提高混凝土的强度。此外，山于石粉的性质不随温度变化而变化，所以它与沥青混合而成的糊状物受温度变化的影响较小，可提高黏结物的稳定性，以利于沥青混凝土混合料的摊铺。

为使沥青混凝土混合料在摊铺作业时具有良好的和易性与均匀性，拌制好的沥青混凝土混合料应具有140～160℃的工作温度和精确的配合比。通常，应将沥青加热到140～160℃的工作温度以保证有足够的流动性，砂石料（骨料）必须烘干并加热到160～200℃的温度，才能保证被沥青很好地裹覆和黏结在一起。此外，还要根据沥青混凝土混合料的用途确定砂石料的级配及砂石料与沥青黏结剂的配合比（油石比）。将沥青混凝土混合料摊铺到路面基层上，经过整形、压实即成为沥青混凝土路面面层。所以，沥青混合料具有以下特点：

（1）具有良好的力学性能，修筑的路面平整、无接缝，具有足够的力学强度及其形变的稳定性。

（2）耐久性沥青混凝土具有较好的塑性，因而降低了路面与车轮的磨损率。由于沥青混凝土具有不透水性，所以防止了路基软化塌陷，提高了路面使用期限。

（3）具有良好的抗滑性，修成的路面具有一定的粗糙度，能保证高速行车的安全性。

（4）便于分期修筑路面及再生利用沥青混合料，路面可随交通量的发展分期修建，也可在原有路面上进行加厚，这样能充分发挥原有路面的作用。对原有沥青混合料，可以再生利用以节省能源及投资。

（5）沥青混合料修成的路面，晴天无尘、雨天不泞，便于汽车高速行驶。

但是，沥青混合料路面日前还存在一定的缺点，主要有以下几个方面：

（1）沥青的老化现象。由于沥青材料是一种胶体结构物体系，在大气因素的作用下，随时间的增长，沥青的分子会发生氧化和聚合作用，使低分子化合物转变为高分子化合物。即，油分、树脂含量减少，沥青质、沥青炭含量增多。这种转化持续进行，使沥青质持续增加，沥青塑性逐渐降低，脆性增加，黏聚力减小，路面表层产生松散，引起路面破坏。如何改善沥青性质，提高沥青路面的气候稳定性，成为当前重要的研究课题。

（2）温度稳定性相对较差。夏季高温时易软化，路面易产生车辙、波浪等现象；冬季低温时易脆裂。在车辆重复荷载作用下易产生裂缝。

一、沥青混凝土的分类

1．按沥青种类分

当前可分为三种沥青类型混合料。

（1）石油沥青混合料：是以石油沥青为主要结合矿料的沥青混合料。这是公路和城市道路沥青路面中使用最多的一种材料，它可以用作路面面层的上层或下层、联结层或磨耗层。

（2）煤沥青混合料：是以软煤沥青为主要结合矿料的沥青混合料。由于煤沥青老化快，故一般将它用于面层的下层或基层。在煤沥青来源充足而又难于获得石油沥青的地区，也有用于表层的情况。煤沥青与砂石料的黏附性强，适合路面维修中的抢修工程。

（3）乳化沥青混合料：是以乳化沥青为主的结合矿料的沥青混合料。它用作路面面层的上层或下层，为联结层的磨耗层。适用于交通量大于日5000辆次的干线公路上，缺点成型慢。

2．按沥青混合料施工温度分

按沥青混合料施工温度分为热拌热铺；热拌冷铺；冷拌冷铺沥青混合料。

（1）热拌热铺混合料：是指沥青和石料须加热到施工技术要求温度才能拌和均匀，并要求保持某一温度才能摊铺和易于压实的沥青混合料。

（2）热拌冷铺混合料：一般是指工地现场用加热到规定的温度的沥青与冷石料进行拌和，由于总的拌和温度偏低，故宜采用温度较低的结合料，否则不易使沥青分布均匀。

（3）冷拌冷铺混合料：是指石料和沥青结合料都不需加热或仅对结合料稍加热（不超过100℃）即可拌和施工的结合料。这类混合料所采用的结合料一般为轻制沥青（稀释沥青）或乳化沥青。

3．按混合料的密实程度分

按混合料的密实程度可分为密级配、半开级配和开级配沥青混合料。

（1）密级配混合料：是指空隙率不小于6%的混合料。其矿料一般为连续级配，并含有足够的矿粉，常用于高级路面的面层上层。应采用标号较高、性能较好的道路石油沥青作结合料，这种混合料的力学性能较强，耐久性较好。

（2）开级配混合料是指剩余空隙率大于10%的混合料。这种混合料的矿质材料石料的级配大多为间断级配或短级配，（细料或偏少的）沥青路面施工常用的碎石大多为开级配混合料。我国公路部门常用的就是属于开级配沥青混合料。

（3）半开级配沥青混合料：是指剩余空隙率为6%～10%的混合料。这种混合料的矿质材料（石料）多间断密级配。

其中热拌热铺的密级配碎石混合料经久耐用，强度高，整体性好，是修筑高级沥青路面的代表性材料，应用最广。各国对沥青混凝土制定有不同的规范，中国制定的热拌热铺沥青混合料技术规范，以空隙率10%及以下者称为沥青混凝土，又细分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型的孔隙率为3%（或2%）%～6%，属密级配型；Ⅱ型为6%～10%，属半开级配型；空隙率10%以上者称为沥青碎石，属开级配型；混合料的物理力学指标有稳定度、流值和孔隙率等。

4．按所用集料品种不同分

可分为碎石的、砾石的、砂质的、矿渣等数类，以碎石采用最为普遍。

5．按混合料最大颗粒尺寸分

可分为粗粒（35～40mm以下）、中粒（20～25mm以下）、细粒（10～15mm以下）、砂粒（5～7mm以下）等数类。

二、沥青混合料的组成结构

1．沥青混合料组成结构理论

沥青混合料组成结构主要分为以下两种理论：

（1）表面理论　按传统的理解，沥青混合料是由粗骨料、细骨料和填料经人工组配成密实的级配矿质骨架，此矿质骨架由稠度较稀的沥青混合料分布其表面，胶结成具有强度的整体。这种理论认识可图解如图2-1所示。

图2-1

（2）胶浆理论　沥青混合料是一种多级空间网状结构的分散系，并以粗骨料为分散相而分散在沥青砂浆的介质中的一种粗分散系；同样，砂浆是以细骨料为分散相而分散在沥青胶浆介质中的一种细分散系；而胶浆又是以填料为分散相而分散在高稠度的沥青介质中的一种微分散系。这种理论认识可图解如图2-2所示。

图2-2

这3级分散系以沥青胶浆最为重要，其组成结构决定沥青混合料的高温稳定性和低温变形能力。目前这一理论比较集中于研究填料（矿粉）的矿物成分、填料的级配（以0.080mm为最大粒径）以及沥青与填料内表面的交互作用等因素对于混合料性能的影响等。同时这一理论的研究比较强调采用高稠度沥青和大的沥青用量，以及采用间断级配的矿质混合料。

2．沥青混合料的组成结构类型

通常沥青的骨料混合料按其组成结构可分为3类，如图2-3所示。

图2-3

（1）悬浮密实结构对于连续级配密实式沥青混凝土，因粗集料数量相对较少，细集料数量较多，使粗集料悬浮在细集料之中，这种结构的沥青混凝土的密实度和强度较高，且连续级配不易离析而便于施工，但由于粗集料不能形成骨架，所以稳定性较差。这是目前我国沥青混凝土主要采用的结构。

当采用连续型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，依据粒子干涉理论，为避免次级集料对前级集料密排的干涉，前级集料之间必须留出比次级集料粒径稍大的空隙供次级集料排布。按此组成的沥青混合料，经过多级密垛虽然可以获得很大的密实度，但是各级集料均为次级集料所隔开，不能直接靠拢而形成骨架，有如悬浮于次级集料及沥青胶浆之间。这种结构的沥青混合料，虽然黏聚力较高，但是内摩擦角较低，因此，其高温稳定性差。

（2）骨架空隙结构间断级配开式或半开式沥青混合料含粗集料较多，彼此紧密相接形成骨架，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。由于集料之间的嵌挤力和内摩擦力较大，因此这种沥青混合料受沥青材料性质的变化影响较小，热稳定性较好，但沥青与矿料的黏结力较小，耐久性较差。

当采用连续型开级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，粗集料所占的比例较高，细集料则很少，甚至没有。粗集料可以互相靠拢形成骨架；但由于细料过少，不足以填满粗集料之间的空隙，因此形成骨架—空隙结构。这种结构的沥青混合料具有较高的内摩擦角，但黏聚力较低。

（3）骨架密实结构间断级配密实型沥青混凝土既有一定数量的粗集料形成骨架，又有足够的细集料填充到粗集料之间的空隙，形成骨架密实结构。这种结构综合了以上两种结构之长，其密实度、强度和稳定性都较好，是一种较理想的结构类型。但是，由于间断级配使粗、细集料易分离，故对施工技术要求较高，目前我国应用间断级配密实型沥青混凝土还不多。

当采用间断型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，由于这种矿质混合料断去了中间粒径的集料，较多的粗骨料可形成空间骨架，同时又有相当数量的细集料可填充骨架的空隙。这种结构不仅具有较高的黏聚力，而且具有较高的内摩擦角。

不同结构组成的结构常数和稳定性见表2-1：

表2-1

3．沥青混合料的强度

沥青混合料可以认为是由矿质骨架和沥青胶浆所组成的、具有空间网络结构的一种分散系。

沥青混合料是由不同粒径的矿质骨料，即粗骨料（碎石或砾石）和细骨料（砂）所构成的密实矿质混合料，分散在由沥青和填料（矿粉）胶浆中而组成的。

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不好而产生裂缝现象。目前沥青混合料强度理论，主要是要求沥青混合料在高温时必须具备一定的抗剪强度和抵抗变形的能力，称为高温的强度和稳定性。

沥青混合料的强度，按照沥青混合料在路面上实际受力状态，采用三轴剪切试验的分析方法是比较符合实际使用情况的。多年来，许多研究工作者对沥青混合料进行三轴剪切强度的研究指出：沥青混合料的抗剪强度（τ）主要取决于沥青与矿质骨料物理一化学交互作用而产生的黏聚力c，以及矿一质骨料在沥青混合料中分散程度不同而产生的内摩擦角ϕ，按下式求得

4．沥青混凝土混合料拌和质量控制

在沥青混凝土路面的施工中，沥青路面的优劣好坏，关键是沥青混合料的质量控制，骨料、骨料级配、填充料、沥青含量等都是决定沥青混合料质量的关键。因此，在沥青混凝土面层施工中对沥青混合料的质量必须严格要求，对拌和中各个环节进行有效的控制，保证拌和质量。

（1）沥青混合料原材料的质量控制

沥青混合料的质量控制首先要进行原材料的控制，原材料的质量检测决定着沥青混合料的级配关系，把好原材料的质量关，就从源头上把好了沥青混合料的质量。尤其在目前市场来看石料厂的筛分与拌和楼的筛分有一定的差别，所以在石料厂的选配上要尽量与拌和楼筛分相匹配，减少废料、降低成本，提高沥青混合料拌和的质量。

1）粗集料的质量控制

①沥青混合料用粗集料应为机轧碎石，颗粒形状接近立方多面体，最好不能有扁平料，具有足够的强度、耐磨性和黏结力。颗粒大小尺寸应符合规范要求，最好不能有超粒径的骨料，符合级配标准。

②在集料进场前要对集料进行实地检测，对其筛分数据、扁平料、压碎值要严格控制，不合格的一定要拒绝进场。对进场的集料也要进一步地检测，保证其所有检测数据都符合规范要求，保证集料清洁、干燥、无风化、无杂质。粗集料的粒径规格按照JTJ 058—94公路工程集料试验规程的规定选用。

2）细集料的质量控制

①沥青混合料的细集料宜采用优质的天然砂或机制砂。在缺砂地区允许使用石屑，但最大粒径宜小于5mm。在进场前一定要检测其含泥量、含水量及最大粒径。

②细集料与沥青有良好的黏结能力，必要时应采用抗剥离措施。如果含泥量超标，会严重影响沥青混合料的沥青与骨料的黏附能力，还有细集料的质量控制也影响着沥青混合料的油石比。

3）填充料的质量控制

①填充料一定要采用磨细的石灰石、白云石、大理石等碱性岩石粉；改性沥青混合料填充料采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉。

②进场填充料不能含泥土、杂质和团粒。

③小于0.074mm部分的重量比要大于80%。

④亲水系数要小于1.0。

⑤含水量应小于1%。

⑥矿粉与沥青用量之比取1∶1. 2。

4）沥青的质量控制

沥青混合料所选用沥青必须是符合本地区气候特点要求的重交通道路石油沥青，除符合规定要求外，应选用具有良好的高低温性能、抗老化性能、含蜡量低、高黏度的优质国产或进口沥青。进场时由于工地试验室的条件限制，对沥青的检测只局限于三大指标的检测，所以对沥青的延度、针入度、软化点要严格检测，必须符合沥青道路施工规范要求。

（2）沥青混合料拌和配合比的设计控制

沥青混合料拌和配合比是决定沥青混合料质量的关键因素，是沥青面层结构性能的源头，决定着控制沥青面层的稳定性、耐磨性以及使用寿命等。沥青混合料配合比设计分为三个阶段：目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段及生产配合比验证阶段。

1）目标配合比设计

目标配合比设计是依照石料厂的集料筛分来计算各种材料用量比例的，所以目标配合比计算的各种规格骨料配比可以确定各冷料仓的供料比例、进料速度及试拌使用。

①审查目标配合比设计书中各个参数的设计是否满足规范要求和工程实际需要；矿料级配和最佳油石比的选定是否合理，计算是否准确。

②从石料场选取有代表性的集料，将各种集料混合在一起，进行筛分试验（水洗法），将筛分结果与设计筛分结果进行对照，当两者的级配曲线的线形走势基本一致时，方能认可集料级配设计。

③根据目标配合比设计，在试验室内配5 组马歇尔试件，测定沥青混合料试件的各项指标，通过马歇尔稳定度仪测定试件的稳定度和流值。分析各种指标是否符合规范要求，综合考虑当地气候条件、交通量大小、结构层所处层位及作用、粗细集料的密度及吸水率，确认最佳沥青用量。

2）生产配合比设计

通过对骨料在拌和楼内烘干后二次筛分进入各热料仓的骨料取样筛分，以确定各热料仓的骨料比例，要反复调整冷料仓、进料仓的进料比例，使供料平衡。为保证二次筛分取样的真实性，拌和楼的上料速度应与实际生产上料速度一致。取目标配合比设计确定的最佳沥青用量，拌制沥青混合料进行马歇尔试验，确定生产配合比最佳沥青用量。

3）生产配合比验证

生产配合比验证是对生产配合比设计的检验。拌和楼采用生产配合比进行试拌、铺筑试验段。试铺结束后，经钻芯取样试验证明各项技术指标符合设计值，才最终确定沥青混合料施工配合比。