道路沥青混合料的种类与性质

第七章沥青混合料的组成设计沥青混合料从颗粒均匀预涂沥青的沥青涂层碎石(coated stone)到沥青玛碲脂(mastic asphalt)其成分变化无穷。

然而，沥青混合料大体上可以分为沥青混凝土(asphalt)和沥青碎石(macadam)两大类。

沥青混凝土与碎石的主要区别如下：●沥青混凝土的集料级配一般由颗粒大致均匀的粗集料加上大量的细集料和很少量的中等大小的集料组成。

●沥青混凝土的强度与砂／填料／沥青成份的劲度即沥青砂浆有关；为了砂浆要有足够的劲度，制造沥青混凝土时要用比较硬的沥青和含量高的填料；至于沥青碎石的强度，主要是依靠摩擦和集料颗粒间的机械互锁力，因此可以用较软等级的沥青。

●由于沥青混凝土含的填料比例很大，也即是集料有大幅的表面积要用沥青裹覆，因而沥青用量较高；而沥青碎石含细小的集料少，因此用以裹覆集料的沥青少量也够了；沥青碎石内的沥青主要功能是在压实时作为润滑剂和在使用过程中粘结着集料颗粒。

●沥青混凝土的空隙率低，基本上不透水并且用予繁重交通的道路上非常耐久；沥青碎石的空隙率相对较高而具透水性，并不如前者耐久。

从沥青涂层碎石到沥青玛蹄脂各种沥青合料中，使用的沥青等级愈来愈硬，沥青、矿料和砂的含量增加，粗集料含量减少。

图7-1 各种沥青混合料的典型级配曲线§7．1道路沥青混合料的种类与性质7．1．1沥青混凝土用不同粒径的碎石、天然砂、矿粉和沥青按一定比例以及最佳密实级配原则设计、在拌和机中热拌所得的混合料称沥青混凝土混合料。

这种混合料的矿料部分应有严格的级配要求。

它们经过压实后所得的材料具有规定的强度和孔隙率时称作沥青混凝土。

沥青混凝土的强度和密实度是一般沥青混合料中最大的，但它们在常温或高温下都具有一定的塑性。

沥青混凝土的高密实度使得它水稳性好，因此有较强的抗自然侵蚀能力，故寿命长、耐久性好，适合作为现代高速公路的柔性面层。

从国外以及国内的工程实践来看，以沥青混凝土作为高等级公路或城市道路的路面材料已经相当普遍。

由于沥青混凝土的胶结料主要为沥青，沥青是一种对温度十分敏感的材料，这就导致了沥青混凝土的性质（主要为力学性能）受温度的影响十分突出（这也是沥青混合料最大的特点），如它们的劈裂强度随温度的变化可从零下温度的几兆帕到高温的零点几兆帕而不同。

沥青混凝土的分类从广义来说，可包括沥青玛碲脂(MA)、热压式沥青混凝土(HRA)、传统的密级配沥青混凝土(HMA)、多空隙沥青混凝土(PA)、沥青玛碲脂碎石(SMA)以及其它新型的沥青混凝土。

传统沥青混凝土、SMA和多空隙沥青混凝土典型级配曲线的比较见下图：图7－2 三种典型混凝土级配比较上图中，曲线1为传统沥青混凝土，孔隙率3％；曲线2为SMA，孔隙率3％；曲线3为多孔沥青混凝土、孔隙率20％。

就孔隙率而言，当马歇尔设计孔隙率小于4％（或路面实际孔隙率小于8％）时，它已形成较为密实的结构，水不易进入沥青混凝土，整个结构的耐久性较好；或者路面实际孔隙率大于15％时，水能顺利地从孔隙中排走，也不会对混凝土结构造成水害；只有当孔隙率介于这两者之间时，混凝土为半开半闭结构，这种情况十分不利于路面的耐久性。

7．1．1．1碎石沥青玛蹄脂（SMA）我国现有主要道路大都按连续级配进行组成设计。

我国《规范》规定，Ⅰ型沥青混凝土混合料的制余空隙率对于公路为3%～6%，对于城市道路为2%～6%；Ⅱ型为4%～10%。

由于我国大多数道路的沥青混合料是悬浮密实结构，因此密实度和强度都较大。

但受沥青材料的性质和物理状态的影响较大，所以稳定性较差。

加之我国国产沥青中含蜡量较高，高温稳定性更加受到影响，所以在现代重型汽车交通荷载作用下，路面容易因热稳性不足而产生车辙、波浪、推移等变形，从而影响其正常使用。

而且由于沥青的温感性，又会产生低温裂缝、泛油的不易克服的病害问题。

SMA沥青混合料由于其自身的特定而与我国现行的密级配沥青混合料在集料配比和沥青含量有所不同。

SMA沥青混合料与密级配沥青混合料相比，具有高粗集料含量、高沥青含量、高矿粉含量以及低的空隙率等特点。

粗集料含量高，增加集料与集料的接触，提高了抵抗永久变形的能力；沥青含量高和矿粉用量多，增加沥青的粘结能力，提高了路面的耐久性；低空隙率减少水的渗入和混合料老化硬化。

表7-1是德国《沥青路面工程补充技术规范及准则》中有关SMA的有关指标。

(一)集料的材质在欧洲，SMA混合料中的粗集料和细集料一般要求100%轧制，德国规范要求至少90%粗集料轧制，圆集料需两次破碎，即要求有两个或两个以上破碎面，对于SMA混合料集料，理想形状应为立方体颗粒。

SMA混合料因为是骨架密实结构，所以要求集料要有足够的硬度耐久性，因此不得使用易磨光或相对较纯的碳酸盐集料。

在我国可采用玄武岩、耀长岩、片麻岩等。

在德国SMA混合料中,不重视酸性石料对混合料抗水损害的影响,认为SMA混合料中沥青和矿粉含量高，加之一定量的纤维加筋作用，致使沥青与石料间有足够的粒结力，完全能够抗水损害的影响。

因此，即使石料为酸性，也不加抗剥落剂。

矿物填料应由石灰石粉或其它合适材料组成，使用时要求足够干燥，不得成团，能自由流动。

(二)沥青沥青等级可使用本地区普通沥青混合料所用的沥青等级，也可使用略稠硬的沥青。

沥青拌和温度要求粘度为170±20mm/S。

(三)纤维稳定添加剂SMA混合料因沥青含量高和矿料用量大，在贮存、运输和摊铺过程中，沥青和矿粉会产生滴漏和离析，所以纤维稳定剂的作用是防止沥青离析，并且纤维，沥青和填料共同组成高强度的玛碲脂填充在集料之间，使路面结构十分稳定，不易变形。

纤维稳定剂最早曾用石棉纤维和聚合物纤维，但后来发现石绵纤维是直线体，而植物纤维则是曲线体。

用植物纤维作为SMA混合料中的稳定剂，其性能明显优于矿物纤维，且使用植物纤维素，不仅能更好地保证SMA的质量，而且有利于保护环境，更可大幅度节省工程费用。

因此，在德国95%的稳定剂为纤维素纤维。

早期的植物纤维为松散絮状型，这种纤维不易添加，容易受潮，拌合不均匀。

为便于贮存、运输和SMA混合料的生产，纤维素与沥青按质量比2:1混合后，经特殊加工成粒状产品。

在SMA中粒状纤维的用量为混合料总重的0.45%，即相当于加入0.3%植物纤维素。

7．1．1．2热压式沥青混凝土英国于1895年首先在切而西(Chelsea)的国王街和肯辛顿(Kensington)的佩勒姆街使用热拌沥青混凝土(hot rolled asphalt，简称HRA)，不幸，当时对砂的级配和填料含量的重要性没有足够的认识，材料在几个月内就损坏了。

美国工程师克利福德．理查森(CIinbrd Richardson)是HRA的倡导者之一。

他在对美国和欧洲的沥青混凝土路面调查的阶段，在1896年访问了英国。

基于他本人的经验介绍了和沥青砂磨耗层非常相似的一种沥青混凝土，经过多年使用性能还很良好。

如前所述，HRA的重要特性之一是它的集料为“间断级配”。

也就是说，粒径2．36mm-9.5mm的集料的含量很少，它是由砂、细的矿质填料和沥青组成的结合料搀入14mm中值粒径的粗集料。

尽管搀入粗集料成分能增加材料硬度，但主要作用还是在于增大砂浆体积使这种材料更为经济化。

间断级配为HRA磨耗层提供了抗风化性能和耐久的表面，使道路能够承受重型荷载而不开裂。

1985年版的BS594刊载了不同粗集料含量的HRA路面主层：基层和磨耗层混合料的规格。

路面主层和基层混合料一般含有60％的粗集料。

在这样的水平上应力是通过集料的接触和沥青砂浆分布的。

细集料和填料含量比较低的路面主层和基层混合料，其沥青含量一般较磨耗层材料为少。

在这两种混合料中，粗集料的中值粒径一般较磨耗层的为大，级配也较粗，以便与材料的摊铺厚度相匹配，以摊铺路面基层为例它的厚度可达15Omm。

磨耗层混合料可含有0%、15%、30%、4O%或55%不同比例的粗集料。

尽管以粗集料4O％含量厚为50mm的磨耗层混合料的使用日渐普遍，但一般认为，粗集料含量为30%摊铺厚度为40mm的磨耗层混合料已适宜作绝大多数的用途。

增加摊铺厚度可以大幅延长材料的适宜碾压时间，这也是改善冬季气候施工性能的一个方法。

粗集料含量高达40％的材料所铺筑的面层表面较为光滑，如在热拌沥青混凝土表面压入14mm或20mm粒径的涂层石屑，就可使表面粗糙。

对石屑性质的要求诸如磨光值、磨耗值，一般均在规格书内根据现场的要求予以分别列明。

磨耗层混合料含有55％的粗集并无规定必须要在表面压入石屑构成粗的纹理，因为当粗集料含量高于45％已难以将石屑埋人在沥青混凝土内。

HRA的材料四种成分的材料功能可以概述如下：●粗集料：增大砂浆体积使混合料更为经济并增加它的稳定性。

●细集料：它是砂浆的主要成分，可能也是影响施工操作和路用性能的最主要的组成部份。

●填料：这成分可以从两方面发挥作用。

首先，它可以改善细集料的级配，从而构成较密实的混合料并使集料之间的接触点增加。

其次，也许是发挥它更重要的作用，就是填料与沥青共同组成了粘结料，它既起润滑作用，又可将细集料粘结在一起构成砂浆；砂浆的性质与细集料的性质以及粘结料的量和粘度有关。

沥青在压实时起润滑作用。

●路面使用时则是具高粘度的粘／弹性粘结料；共有五个不同等级的沥青可供使用：针入度35、50、70、100和 HD40号。

35号和HD40号沥青只用于交通量最繁重的地点，70号和100号的用于交通量较轻的地点，50号的则适合于大多数用途。

HRA是一种高质素的材料，主要用于交通繁重的道路，亦即高速公路、干线道路和少数的城市街道。

传统上对混合料成分配比的规格是根据气候和交通载荷去规定集料和沥青的质量和比例。

另一种办法是用马歇尔试验方法去“设计”HRA磨耗层混合料的成分。

1989年在英国铺筑超过6万平方米的HRA磨耗层。

如果都经严格规定、设计、施工和压实，绝大部分的材料到下个世纪将仍然保持良好使用性能。

7．1．1．3沥青混凝土沥青混凝土(asphaltic concrete)混合料与沥青碎石同为连续级配，但它含粗集料较少，细集料和填料较多，并由大量稍硬的沥青裹覆。

沥青混凝土的强度和稳定度主要是因为集料的互锁作用，其次是赖予砂／填料沥青砂浆。

沥青混凝土的成分是按美国沥青学会的马歇尔混合料设计程序制定，其目的是获得最适当的沥青含量而有最大稳定度与密度。

最终得到经济的集料与沥青混合料并在交通载荷下有高稳定度和使用耐久性，同时也有良好的施工性能方便铺筑，压实达到3％一5％标准的空隙率。

它的沥青含量与密实型和密级配沥青碎石相类似，但一般使用较硬的70号和100号针入沥青。

在铺筑时，材料的压实必须小心地加以操作以保证最佳的压实密度。

一般来说，沥青混凝土是指常规的普通沥青混凝土，它按不同的标准可分成不同的种类：(1)根据所用沥青的稠度和沥青混凝土混合料摊铺时的温度，沥青混凝土可分为热铺、温铺和冷铺三种。