沥青混合料

第二节　沥青混合料

一、概述

沥青混合料是一种较好的黏性和弹塑性材料，因而它具有一定的高温稳定性和低温抗裂性。路面不需设置施工缝和伸缩缝，施工方便、速度快，能及时开放交通，路面平整、行车比较舒适。因此沥青混合料是高级公路最主要的路面材料。

（一）沥青混合料的定义

沥青混合料是将粗骨料（＞2.36 mm）、细骨料（0.075～2.36 mm）和填料（＜0.075 mm）经人工合理选择级配组成的矿质混合料与适量的沥青材料经拌和所组成的混合物。将沥青混合料经摊铺后碾压成型，即成为各种类型的沥青混合料路面。

（二）沥青混合料的分类

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。按级配构成分为连续级配、间断级配混合料。按矿料级配组成及空隙率大小分为密级配、半开级配、开级配混合料。按公称最大粒径的大小可分为特粗式（公称最大粒径≥31.5 mm）、粗粒式（公称最大粒径26.5 mm）、中粒式（公称最大粒径16 mm和19 mm）、细粒式（公称最大粒径9.5 mm或13.2 mm）、砂粒式（公称最大粒径小于9.5 mm）沥青混合料。按制造工艺分热拌沥青混合料、冷拌沥青混合料、再生沥青混合料等。

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，与沥青结合料拌和而成，设计空隙率较小（对不同交通及气候情况、层位可作适当调整）的沥青混凝土（以AC表示）、沥青玛蹄脂碎石（SMA）和密实式沥青稳定碎石混合料（以A TB表示）。AC按关键性筛孔通过率的不同又可分为细型、粗型密级配沥青混合料等。粗骨料嵌挤作用较好的也称嵌挤密实型沥青混合料。

2.开级配沥青混合料

矿料级配主要由粗骨料嵌挤组成，细骨料及填料较少，设计空隙率18%的混合料。

3.半开级配沥青碎石混合料

由适当比例的粗骨料、细骨料及少量填料（或不加填料）与沥青结合料拌和而成，经马歇尔标准击实成型试件的剩余空隙率在6%～12%的半开式沥青碎石混合料（以A M表示）。

4.间断级配沥青混合料

矿料级配组成中缺少1个或几个档次（或用量很少）而形成的沥青混合料。

5.沥青稳定碎石混合料

由矿料和沥青组成具有一定级配要求的混合料，按空隙率、骨料最大粒径、添加矿粉数量的多少，分为密级配沥青稳定碎石（A TB），开级配沥青稳定碎石（A TPB基层）。

6.沥青玛脂碎石混合料

由沥青结合料与少量的纤维稳定剂、细骨料以及较多量的填料（矿粉）组成的沥青玛脂，填充于间断级配的粗骨料骨架的间隙，组成一体形成的沥青混合料，简称SMA。

热拌沥青混合料（HMA）适用于各种等级公路的沥青路面。其种类按骨料公称最大粒径、矿料级配、空隙率划分，分类见表9－4。

表9－4　热拌沥青混合料种类

注：①空隙率可按配合比设计要求适当调整。

二、沥青混合料的组成结构

沥青混合料是由沥青、粗细骨料和矿粉按照一定的比例拌和而成的多组分材料。由沥青混合料修筑的路面，有两种不同的强度理论。

表面理论认为，沥青混合料是由粗、细骨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。

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。它是以粗骨料为分散相，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，骨料从大到小连续存在，由于粗骨料的数量较少而细骨料的数量较多，粗骨料被细骨料挤开，而以悬浮状态存在于细骨料之间（图9－2a），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，粗骨料较多，彼此紧密相接，细骨料的数量较少，形成较多空隙（图9－2b）。这种结构的沥青混合料，骨料能充分形成骨架，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。采用间断级配的沥青混合料，结合以上两种结构之长，既有一定数量的粗骨料形成骨架，又根据粗骨料空隙的多少加入细骨料，形成较高的密实度（图9－2c）。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。

图9－2　沥青混合料组成结构示意图

三、沥青混合料的技术性质

（一）高温稳定性

沥青混合料的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。沥青混合料路面在车轮作用下受到垂直力和水平力的综合作用，能抵抗高温而不产生车辙和波浪等破坏现象的为高温稳定性符合要求。

在国内外的沥青混凝土技术规范中，多数采用高温强度与稳定性作为主要技术指标。常用的测试评定方法有：马歇尔试验法、动稳定度法、三轴试验法等。

马歇尔试验法比较简便，它只适用于热拌沥青混凝土混合料，它既可以进行混合料的配合此设计，还便于工地现场质量检验，因而在英、美、日等许多国家得到广泛应用，我国国家标准也采用了这一方法。

马歇尔试验法是将选定级配组成的矿质混合料，加入适量的沥青，在规定条件下拌制成均匀混合料，击实成直径101.6 mm，高63.5 mm的圆柱形试件，按规定条件保温，然后把试件迅速卧放在弧形加荷头内，以50.5 mm／min的速度加压。当试件达到破坏时的最大荷载（kN）即为稳定度，此时对应的压缩变形量称为流值（0.1 mm）。流值是反映混合料变形能力的一种指标，变形能力太小，冬天易产生裂缝；变形太大，热稳定性差。除测定稳定度和流值外，还要测定沥青混合料的密度、空隙率和饱和度，用这五个指标共同控制混合料的技术性质。热拌沥青混合料马歇尔试验技术指标必须满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）标准。

（二）低温抗裂性

沥青混合料为弹性—黏性—塑性材料，其物理性质随温度而有很大变化。当温度较低时，沥青混合料表现为弹性性质，变形能力大大降低。由于外部荷载应力和温度下降材料收缩所产生收缩应力的联合作用，使沥青路面发生断裂破坏。因此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。

沥青混合料的低温裂缝是由混合料的低温脆化、低温缩裂和温度疲劳引起的。混合料的低温脆化一般用－10℃温度下小梁弯拉破坏试验来反映；低温缩裂可采用能量法来评定；对于温度疲劳可以用低频疲劳试验来评定。

（三）耐久性

沥青混合料的耐久性是指其在修筑成路面后，在车辆荷载和大气因素（如阳光、空气和雨水等）的长期作用下，仍能基本保持原有的性能。作为高级和次高级路面，在使用条件下所具有的耐久性是衡量路面技术性能的重要指标之一。

沥青混合料的耐久性与组成材料的性质有密切关系，在大气因素下，沥青的化学组成会产生转化，油分减少，沥青质增加，使沥青的塑性逐渐消失而脆性增加，路面使用品质下降，产生龟裂破坏，通常称为“老化”。路面老化的速度，在一定程度上反映了路面材料抵抗自然因素作用的能力，常用气候稳定性来表示。一般采用马歇尔试验测定沥青混合料试件的空隙率、饱和度和残留稳定度等指标，来评价沥青混合料的耐久性。

（四）抗滑性

随着公路等级的提高和车辆行驶速度的加快，对沥青混凝土路面的抗滑性提出了更高的要求。路面的抗滑能力与沥青混合料的粗糙度、级配组成、沥青用量和矿质骨料的微表面性质等因素有关。面层骨料应选用质地坚硬具有棱角的碎石，通常采用玄武岩。采取适当增大骨料粒径，适当减少一些沥青用量等措施，均可提高路面的抗滑性。

（五）施工和易性

要保证室内进行的配料方案，能在施工现场得到顺利地实现，沥青混合料除了应具备前述的技术要求外，还要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，如当地气温、施工条件以及混合料性质等。

单纯从混合料材料性质而言，影响施工难易性的首先是混合料的级配情况。如粗细粒料的数量大小相距过大，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）；如细料太少，沥青层就不容易均匀的留在粗颗粒表面；如细颗粒材料过多，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，则容易使混合料粘结成块，不易摊铺。间断级配混合料的施工和易性就较差。

四、沥青混合料组成材料

沥青混合料的技术性质随着混合料的组成材料的性质、配合比和制备工艺等因素的差异而改变。因此制备沥青混合料时，应严格控制其组成材料的质量。

（一）沥青材料

拌制沥青混合料用的沥青材料的技术性质，随气候条件、交通性质、沥青混合料的类型和施工条件等因素而异。通常较热的气候区，较繁重的交通，细粒式或砂粒式的混合料则应采用稠度较高的沥青；反之，则采用稠度较低的沥青。在其他配料条件相同的情况下，较黏稠的沥青配制的混合料具有较高的力学强度和稳定性，但如稠度过高，则沥青混合料的低温变形能力较差，沥青路面容易产生裂缝。反之，在其他配料条件相同的条件下，采用稠度较低的沥青，虽然配制的混合料在低温时具有较好的变形能力，但在夏季高温时往往稳定性不足而使路面产生推挤现象。

沥青路面面层用的沥青标号，宜根据气候条件施工季节路面类型施工方法和矿料类型等按表9－3选用。其他各层的沥青可采用相同的标号，也可采用不同的标号。对于繁重交通的道路，宜采用较稠的沥青。当沥青标号不符合使用要求时，可采用不同标号的沥青掺配，但掺配后的技术指标应符合要求。

（二）粗骨料

沥青混合料用粗骨料包括碎石、破碎砾石、筛选砾石、钢渣和矿渣等，但高速公路和一级公路不得使用筛选砾石和矿渣。沥青混合料用粗骨料应该洁净、干燥、表面粗糙、无风化、不含杂质。在力学性质方面，压碎值和洛杉矶磨耗率应符合相应道路等级的要求（如表9－5）。

表9－5　沥青混合料用粗骨料质量技术要求

破碎砾石的技术要求与碎石相同。但破碎砾石用于高速公路、一级公路、城市主干路沥青混合料时，5 mm以上的颗粒中有一个以上的破碎面的含量（质量）不得少于50%。

粗骨料的粒径规格应按表9－6的规定生产和使用。

表9－6　沥青混合料用粗骨料规格

（三）细骨料

沥青路面的细骨料包括天然砂、机制砂、石屑。细骨料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配，其质量应符合表9－7的规定。细骨料的洁净程度，天然砂以小于0.075 mm含量的百分数表示，石屑和机制砂以砂当量（适用于0～4.75 mm）或亚甲蓝值（适用于0～2.36 mm或0～0.15 mm）表示。

表9－7　沥青混合料用细骨料质量要求

天然砂可采用河砂或海砂，通常宜采用粗、中砂，其规格应符合表9－8的规定，砂的含泥量超过规定时应水洗后使用，海砂中的贝壳类材料必须筛除。

热拌密级配沥青混合料中天然砂的用量通常不宜超过骨料总量的20%，SMA和OGFC混合料不宜使用天然砂。

石屑是采石场破碎石料时通过4.75 mm或2.36 mm的筛下部分材料，采石场在生产石屑的过程中应具备抽吸设备。石屑的规格应符合表9－9的要求。

表9－8　沥青混合料用天然砂规格

表9－9　沥青混合料用机制砂或石屑规格

高速公路和一级公路的沥青混合料，宜将S14与S16组合使用，S15可在沥青稳定碎石基层或其他等级公路中使用。

（四）填料

沥青混合料的矿粉必须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，原石料中的泥土杂质应除净。矿粉应干燥、洁净，能自由地从矿粉仓流出，其质量应符合表9－10的技术要求。

表9－10　沥青混合料用矿粉质量要求

粉煤灰作为填料使用时，用量不得超过填料总量的50%，粉煤灰的烧失量应小于12%，与矿粉混合后的塑性指数应小于4%，其余质量要求与矿粉相同。高速公路、一级公路的沥青面层不宜采用粉煤灰作填料。