张登良讲座――沥青混合料配合比设计的理论基础.ppt

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1、沥青混合料配合比设计的理论基础张登良教授1．沿革·1920Hubbard-Field法2in，h1in·修正的Habbard-Field法6in，h3in（交通荷载增大，碎石加粗）·40年代初，BruceMarshall提出马歇尔稳定度试验方法以及初期的马歇尔稳定度标准。·随后又陆续出现维姆法、单轴压缩试验法、三轴压缩试验法、以及GTM法和Superpave法等。2．沥青混合料的结构（1）结构的概念·结构特点：矿料的大小及不同粒径的分布；颗粒的相互位置；沥青在沥青混合料中的分布特征和矿物颗粒上沥青层的性质；空隙量及其分

2、布；闭合空隙量与连通空隙量的比值等。·沥青混合料结构是这种材料单一结构和相互联系结构的概念的总和。其中包括：沥青结构、矿料骨架结构及沥青—矿粉分散系统结构等。（2）空间结构·沥青混合料属分散系统中的“胶凝”结构。·其特点是结构单元（固体颗粒）通过液相的薄层而粘结在一起，其强度决定于结构单元间的粘结力，具有力学破坏后结构触变性复原的特点。（晶体/凝聚结构由细小的晶体结合而成，形成坚固的空间结构，使结构单元无限接近，结构单元之间发生化学键，因此具有很高的强度。受力破坏后不能恢复。）·沥青混合料的结构强度取决于：矿物骨架的结构，

3、沥青的结构、矿料与沥青相互作用的特点及沥青混合料的密实度。（3）矿物骨架结构（图1）·悬浮密实结构如AC；·骨架空隙结构如OGFC；·骨架密实结构如SMA；图1沥青混合料典型结构示意图a)悬浮密实结构b)骨架空隙结构c)骨架密实结构3．沥青与矿料的相互作用（1）吸附过程①物理吸附（图2）·吸附剂与被吸附物之间仅有分子作用力，可能有几个分子层的厚度。·被吸附的沥青为结构沥青，结构沥青的粘结强度大于自由沥青，越靠近矿料表面其粘结强度越高。·碱性矿料单位面积上吸附的沥青多于酸性矿料。图2矿料与沥青的关系②化学吸附·沥青与矿料表面

4、产生化学反应，形成新生物（化学键）—粘结牢固、不溶于水。·化学吸附仅触及被吸附物质的一层分子。·矿料表面的化学性质是形成化学吸附的关键。③选择性吸附（吸收）·当采用多孔矿料时，可能发生沥青的某些组分渗入矿料的深处。·矿料表面上吸附沥青质；矿料表面的细孔中吸收树脂；油分则沿毛细管渗入到深处；从而大大改善沥青与矿料之间相互作用的条件。（2）吸附过程的改善①掺加表面活性物质（沥青中），以改善物理吸附与化学吸附过程。②活化矿料表面，为化学吸附创造条件。③矿料初生表面的利用——提供力学化学过程。·新表面的化学活性增大——初生表面带电

5、，初生表面出现自由基（机械破坏作用使化学键断开）。·受机械破坏而形成的颗粒表面层的结构发生变化。阿尔姆斯特朗格观测到磨碎石英颗粒表面的非晶形性，其深度达50～100m，从而提高了反应能力和吸附能力。还观察到当石英或花岗石与沥青混合一起磨碎时，发生了化学键。实践证明：矿料在磨碎过程中活化可提高活化效果。4．矿料级配园球理论：·单一粒径园球的VMA决定于其排列状态，最松48%，最密26%，有棱角时使VMA约增大3%。·贝雷法：单一粒径园球的4种组合，其空隙率的大小分别为园球直径的0.15、0.20、0.24、0.29倍，平均

6、为0.22，实际采用0.25。（1）确定原则①粗集料形成稳定的骨架；②提供沥青的填充空间；③使各种性能得到理想的平衡；④减少离析⑤不产生碾压推拥·<0.6mm过多，则不稳定·0.15～2.36mm过低，则VV大，低温性能差。·最大筛孔附近平缓，则粗集料相对较细，表面均匀，易于修整（中间档次集料增多）S型级配是在富勒级配图上得出一种嵌挤良好的级配，具有适宜的VMA和VV，沥青量也不多，且施工性能也好。（2）级配理论①B.B.奥赫钦理论（原苏联1929）·砂（0.1～2mm）经压实后，空隙率比较稳定，平均为33.4%，随着砂中

7、<0.1mm含量的增多，空隙率增大；·混合料的空隙率，随着砂量的增加而减少，当砂量与碎石的空隙容积相等时，混合料的空隙率最小；·当矿物混合料的全部颗粒尺寸的变化为同一倍数时，其空隙率仍不变；·当填充粗颗粒之间空隙的颗粒尺寸连续减少1/16时,可达到混合料的最小空隙率，这时下一粒级的重量为上一粒级的43%。实际上，这种重量比变化在25～50%范围内时，空隙率的变化很少；·随着填充粒级和被填充粒级的尺寸逐渐接近，填充粒级的重量就增大。②H.H.伊万诺夫级配曲线·虽然粒级比为16时，具有最大的密实度，但属间断级配，在施工中易离析

8、。·建议采用连续级配，粒径按比值2的顺序递减，同时，相邻粒级的重量比为0.6～0.9；（）·级配曲线方程：式中：a——最大粒径的重量；k——递减系数；n——粒级数。从上式可得中间粒级的重量，按下式计算·递减系数越小，混合料中粗粒料的含量就会越多。K法为有限级数，对<0.075mm含量有控制，但过多。③富