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绪绪 论论 要求：要求：掌握本课程在专业中的作用与地位。建材的分类。掌握学习方法绪论（道桥）一、道路建筑材料的主要类型（1）、道路工程结构对材料的要求（2）、道路建筑材料的主要类型二、道路建筑材料的研究内容（1）、道路建筑材料的基本组成与结构（2）、道路建筑材料的基本技术性能（3）、混合料的组成设计方法三、道路建筑材料的性能检测与技术标准（1）、材料的性能检测（2）、技术标准一、道路建筑材料的主要类型1、路桥工程结构对材料的要求、路桥工程结构对材料的要求（掌握）（掌握）（1）、道路工程结构用材料由于行车荷载和自然因素对道路路面结构的作用程度随深度的增加而逐渐减弱，对建筑材料的强度、承载能力和稳定性要求也随深度的增加而逐渐降低。因此，根据这一特点，将路面结构由上而下分为面层、基层和垫层等多层体系，并分别采用不同质量、不同规格的材料。如下：A、面层因直接承受行车荷载作用，并暴露于大气层，温度与湿度会直接影响，故对其有足够的强度、稳定性、耐久性和良好的表面特性的要求。常用材料：沥青混合料、水泥混凝土、粒料、块料B、基层主要作用是承载并分散面层传递下来的竖向应力，因此应该有足够的强度、刚度和扩散应力的能力。另外，还应该有足够的水稳定性和耐冲刷性。常用材料：结合料稳定类混合料、碎石或砾石混合料、天然沙砾、碾压混凝土和贫混凝土、沥青稳定集料等。C、垫层主要作用是改善路基的湿度和温度状况，分散基层传递的荷载应力，保证面层和基层的稳定和抗冻能力。要求要有足够的水稳定性。常用材料：碎石或砾石混合料、结合料稳定类混合料等（2）桥梁工程结构用材料（掌握）（掌握）桥梁的墩、桩结构要求：足够的强度和承载能力、良好的抗渗、抗冻和抗腐蚀能力。桥梁的上部结构直接受行车荷载、自然环境的作用，因此应有足够的强度、抗冲击性、耐久性。常用材料：钢材、水泥混凝土、钢筋混凝土、桥面沥青混合料、各种防水材料2、道路建筑材料的主要类型、道路建筑材料的主要类型（掌握）（掌握）由上面的知识可以知道，道路建筑材料的主要类型可分为：1、石料与集料 2、结合料与聚合物类 3、沥青混合料 4、水泥混凝土与砂浆 5、无机结合料稳定类混合料6、其它道路建筑材料二、道路建筑材料的研究内容（1）、道路建筑材料的基本组成与结构）、道路建筑材料的基本组成与结构材料的矿物组成或化学成分及其组成结构决定了材料的基本特性。举几个例子：A、花岗岩与大理石前者的主要矿物组成是二氧化硅，后者的主要矿物组成是碳酸钙，其性质相差甚远B、钢材与木材、石灰与混凝土的化学成分完全不同，性质也完全不同C、沥青混凝土与水泥混凝土的组成结构不同，性质差异就很大（2）、道路建筑材料的基本技术性能）、道路建筑材料的基本技术性能只有全面掌握材料的性能影响因素、变化规律，才能正确评价材料的性能、才可能合理选择和使用材料，保证工程质量。要求我们掌握材料的基本技术性能主要有： （掌握）（掌握）A、基本的物理性质比如密度、孔隙率、吸水率等，它们与材料的性质密切相关。B、基本的力学性质比如强度、脆性、塑性、韧性、硬度、耐磨性等。C、耐久性比如温度变化、冻融循环、氧化、酸碱腐蚀、紫外线照射等。D、工艺性是指材料是否适合于按一定工艺要求加工的性能。比如钢材，其栓接、铆接、焊接、冷弯加工。（3）、混合料的组成设计方法）、混合料的组成设计方法混合料的组成结构对其性能有重大影响，而其组成结构取决于所选的原材料及其用量比例。因此，必须掌握所选原材料的性能，并掌握用量比例对混合料性能的影响，才能正确设计混合料的组成，保证工程质量。三、道路建筑材料的性能检测与技术标准（1）、材料的性能检测）、材料的性能检测材料的基本技术性质是通过适当的检测手段来确定的，比如材料的密度、吸水率、强度、耐久性等。根据工程的重要性与材料的试验规模，材料的检测分为三个层次：A、实验室原材料与混合料的性能测定B、实验室模拟结构物的性能测定C、现场足尺寸结构物的性能测定（三个层次要记住）（2）、技术标准目前我国建筑材料的标准分为：国家标准、行业标准、地方标准、企业标准等四类。国际上较有影响的技术标准有：国际标准（ISO）、美国材料试验学会标准（ASTM）、日本工业标准（JIS）、英国标准（BS）等第一章、石料与集料 内容提要： 本章介绍石料岩石学特征、主要技术性能（物理性能、力学性能）及主要评价方法与评价指标；集料的级配概念与级配理论；混合料配合比设计方法；石料与集料在道路工程中的应用。第一节 石料 道路工程中所使用的石料一般是天然石料，开采出来未经加工就直接使用的叫毛石。这一节里，介绍了四个方面的内容：一、石料的岩石学内容二、石料的物理性质三、石料的力学性质四、石料的技术标准（一）、天然石料的特点（一）、天然石料的特点（了解）（了解）1、蕴藏量丰富，分布广便于就地取材；、蕴藏量丰富，分布广便于就地取材；2、石材结构致密，抗压强度高，可达、石材结构致密，抗压强度高，可达aMpa以上；以上；3、耐水性好；、耐水性好；4、耐磨性好；、耐磨性好；5、装饰性好，纹理自然，质感稳重、庄严，雄伟、装饰性好，纹理自然，质感稳重、庄严，雄伟的艺术感；的艺术感；6、耐久性好，可达、耐久性好，可达a年以上。年以上。 缺点：质地坚硬，加工困难，自重大，开采运缺点：质地坚硬，加工困难，自重大，开采运输不方便。输不方便。（二）、岩石的形成与分类（二）、岩石的形成与分类（了解）（了解）各种造岩矿物在不同的地质条件下形成不同类型的岩石，分为三类：各种造岩矿物在不同的地质条件下形成不同类型的岩石，分为三类：火成岩：火成岩：又分为：又分为： 深成岩：深成岩：如花岗岩；如花岗岩； 喷出岩：喷出岩：如玄武岩；如玄武岩； 火山岩：火山岩：如火山灰、浮石等。如火山灰、浮石等。 花岗岩的特点：距地表深，致密度高，比重大，强度高，吸水花岗岩的特点：距地表深，致密度高，比重大，强度高，吸水小，抗冻，耐磨，耐久。小，抗冻，耐磨，耐久。沉积岩：沉积岩：如石灰岩（青石）；如石灰岩（青石）； 石灰岩的特点：离地表浅，易开采，结构致密性较差，比重小强石灰岩的特点：离地表浅，易开采，结构致密性较差，比重小强度较低，耐久性差，孔隙率及吸水率均较大。度较低，耐久性差，孔隙率及吸水率均较大。 变质岩变质岩: 是由原生的火山岩或变质岩，经地壳内部高温、高压作用后形是由原生的火山岩或变质岩，经地壳内部高温、高压作用后形成的。如花岗岩变质成片麻岩，易分层剥落，耐久性变差；但沉成的。如花岗岩变质成片麻岩，易分层剥落，耐久性变差；但沉积岩变质后，性能变好更致密耐久，如石灰岩变成大理石。积岩变质后，性能变好更致密耐久，如石灰岩变成大理石。（三）、常见的造岩矿物及其颜色、特征（三）、常见的造岩矿物及其颜色、特征（了解）（了解）造岩矿物造岩矿物颜颜 色色特特 性性长石长石白、浅灰、桃红、红、青、白、浅灰、桃红、红、青、暗灰暗灰风化慢风化慢石英石英无色透明无色透明性能稳定性能稳定云母云母无色透明至黑色无色透明至黑色易裂成薄片易裂成薄片角闪石、辉绿石、角闪石、辉绿石、橄榄石橄榄石深绿、棕色、黑色深绿、棕色、黑色开光性好、耐久性好开光性好、耐久性好方解石方解石白色、灰色白色、灰色开光性好，易溶于含开光性好，易溶于含COCO2 2的水的水中中白云石白云石白色、灰色白色、灰色同上同上黄铁矿黄铁矿金黄色（二氧化硫）金黄色（二氧化硫）为有害杂质，遇水及氧生成为有害杂质，遇水及氧生成硫酸，污染及破坏岩石硫酸，污染及破坏岩石（四）、常用的岩石类型（记住）1、花岗岩2、玄武岩3、辉长岩4、石灰岩5、砂岩6、石英岩7、片麻岩二、石料的物理性质（掌握）1、物理常数A、密度真实密度（绝对密度）表观密度（除去开口孔的密度）毛体积密度（包括开口孔的密度）致密度（毛体积密度与真实密度的比值）孔隙率（1- 致密度）B、吸水率（饱和吸水的重量与干燥材料质量之比）C、抗冻性材料在饱和水的状态下，能够经受反复冻融而不破坏，并不严重降低强度的性能叫抗冻性。测定方法有直接冻融法和坚固性试验，步骤如下： 试件制作并测定：试件制作并测定： 将石料制作成边长为5cm的立方体或直径与高均为5cm的圆柱体，并在1055的温度下烘干至恒温，再在干燥器内冷却至室温，称重（m0；g）；测定其强度（R0；MPa） 试验试验A、直接冻融法先使试件饱和吸水，在-15 的冰箱中冷冻4h，再在20 5的水中溶解4h,这叫做一个冻融循环。经历规定的次数（5、10、15、25、50次）后计算质量损失率Q冻和冻融系数K。 B、坚固性试验将试件在饱和硫酸钠溶液中浸泡20h后，再在105 -110的烘箱中烘烤4h，这叫做一个循环。冷却至室温后进行第二个循环。从第二个循环开始，每次浸泡和烘烤时间均为4h；完成5次后计算质量损失率。 计算计算公式：Q冻=（ m0 m1 ） m0a% K= R1 R0a% 标定标定 一般以质量损失率及强度损失率分别不超过5%和25%为准三、石料的力学性质 总体来说，石料要求有一定的抗压、抗剪、抗冲击、抗摩擦的能力，其中，以抗压和抗摩擦作为评价石料技术等级的指标。 抗压强度抗压强度 A、路面用石料的尺寸为边长为50.2cm的立方体或直径与高均为50.2cm的圆柱体 B、桥梁用石料尺寸为70.2cm的立方体 计算：R=P/A 影响因素：矿物组成、结构、孔隙特征、吸水率 磨耗率磨耗率 有洛杉矶磨耗试验、狄法尔磨耗试验、道瑞磨耗试验（P12页），一般采用第三种方法。 计算：Q磨=（ m0 m1 ） m0a%四、石料的技术标准要求大家记住： 1、路用石料分岩浆岩类、石灰岩类、砂岩与片麻岩类、砾岩四类 2、每类按饱水抗压强度、洛杉矶法和狄法尔磨耗率三个指标分成四个等级 3、一级为最坚强岩石、二级为坚强岩石、三级为中等强度岩石、四级为较软岩石根据工程实际选用岩石。第二节 集料 集料由不同粒径的矿质颗粒组成的混合料，包括天然砂、人工砂、卵石和碎石、工业废渣等。 粗、细集料的粒径界限，水泥混凝土为4.75mm，沥青混凝土为2.36mm。 软质岩石、风化岩石不能做集料。 粗细集料分别起骨架和填充作用，技术要求因此也有所不同。一、集料的物理性质包括如下内容：1、物理常数2、级配3、颗粒形状与表面特征4、含泥量和泥块含量1、物理常数包括表观密度、毛体积密度、表干密度、堆积密度、空隙率、粗集料骨架间隙率、细集料的棱角性等 表观密度、毛体积密度与石料中的概念相同 表干密度：又叫饱和面干密度，即开口孔吸水饱和擦干表面的总重（料+水）除以包括开口孔的表观体积 堆积密度：即传统的一个概念 空隙率：与传统概念稍有不同，即传统的空隙体积还要加上开口孔的体积后再除以总体积 粗集料骨架间隙率：即传统的空隙率 细集料的棱角性：就是西集料的空隙率，用堆积密度除以其毛体积密度2、级配 级配的含义 级配的工程效应与经济效应 以上略讲，后面还要详细讲的3、颗粒形状与表面特征 形状：有球形、方形、片状形、针形等，其中球形最好，有利于混凝土的工作性、强度 表面特征：表面光滑、洁净程度。表面光滑，则便于施工，但不利于胶结；4、含泥量和泥块含量 未做完，要做的二、粗集料的力学性质包括如下内容：1、压碎值2、磨光值3、冲击值4、磨耗值注：只要求记住以上四个内容，具体实验方法不作要求。1、压碎值是指按规定的方法测得石料抵抗压碎的能力。计算：Q=m1m0a%Q：压碎指标m1：压碎后通过了2.36mm的细粉质量m0：压碎前的试样总质量2、磨光值 方法：选取10-15mm集料试样，密排于试模中，先用砂填密集料空隙，然后再用环氧树脂砂浆固结，经养护24h后即制得试件。每种集料要制备4块试件。将试件安装于加速磨光机的道路轮上，开动电机，转速为640 10 r/min，在轮间加水和金刚砂，先用30号金刚砂磨3h，再用280号金刚砂磨3h，总共6h，取下试件，冲洗金刚砂，用摆式摩擦系数仪测定试件的摩擦系数值，乘以折算系数及按标准试件磨光平均值换算后，即可得到石料磨光值。3、冲击值 石料抵抗冲击荷载的能力。 方法：采用9.5-13.2mm的干燥集料颗粒，按标准方法分三层装入量筒中，称取集料试样质量。将其装入圆形钢筒中厚置于冲击试验仪上，用捣实杆单独捣实25次，调整锤击高度，让锤从380 5mm高度自由落下，连续锤击集料15次，每次间隔不少于1s。用2.36mm筛筛分，再计算：LSV=m1m0a%LSV：压碎指标m1：冲击后通过了2.36mm的细粉质量m0：冲击前的试样总质量4、磨耗值石料表面抵抗磨损的能力。方法：采用道瑞磨耗试验。将9.5-13.2mm 的石料颗粒以单层金迷排列在试模中，用环氧树脂砂浆填模成型，经养护后脱模制得试件。同种石料2个试件为一组，试件用金属托盘固定于道瑞机的圆平板上，按28 30 r/min转速转a转，同时不断向磨盘上均匀撒规定细度的石英砂，停机观察，如无异常，再转400转，停机称量计算： AAV=3（m0-m1） a% 式中 AAV：道瑞磨耗率 m0 ：磨耗前的质量 m1 ：磨耗后的质量 ：集料的表干密度三、岩石集料的技术要求 包括粗集料的技术要求和细集料的技术要求 按技术指标，粗细集料均分为三级。 粗集料的技术指标包括：压碎指标、泥和泥块含量、针片状颗粒含量、有机物含量、SO3含量、坚固性、抗压强度、密度与空隙率、碱集料反应 细集料的技术要求包括：压碎指标、泥和泥块含量、Cl-含量、云母含量、有机物含量、 SO3含量、轻物质含量、坚固性、密度与空隙率。 注：技术指标只要求大家记住项目，具体数据不作要求。四、工业矿渣集料 略，不要求大家掌握第三节 矿质混合料的组成设计概述 组成粗细集料的颗粒，大小越平均，则其空隙率就越大，那么结合料（如水泥、沥青等）的需要量就越大，成本就越高，拌合物的流动性就越差，施工困难，硬化时收缩越大，越不利于抑制裂缝。因此，粗细集料均应有粗有细，紧密镶嵌，这就是级配的意义。 本节的主要内容：1、混合料的级配理论和级配范围的确定2、混合料配合比设计方法及例题一、级配理论和级配范围的确定一）筛子筛子的筛孔有疏有密，我们所使用的是标准套筛，每个筛子的孔径不同，把这些筛子上下叠起来，从上到下，孔径分别为70mm，63mm，53mm，37.5mm，31.5mm，26.5mm，19mm，16mm，13.2mm，9.5mm，4.75mm，2.36mm，1.18mm，0.6mm，0.3mm，0.15mm，0.075mm，这就是一套标准筛。二）级配1、一堆集料，其颗粒有大有小，把集料倒入套筛的最上面的筛上，筛分，我们将把集料按颗粒的大小分开来，每一等级的集料所占的比例不同，集料就是由这些大小不同的颗粒组成的，这就叫这个集料的级配。2、分计筛余率与累计筛余率 假设一堆集料的总质量为m0，第i个筛上留下的集料质量为mi，则ai= mi m0 叫做i筛的分计筛余率；而Ai=a1 + a2 + a3 +- + ai叫做i筛的累计筛余率。3、通过率：第i筛的通过率=1 Ai%4、细集料的细度模数：它是描述细集料粗细的参数， =【（A2.36 + A1.18 + A0.60 + A0.30 + A0.15） 5A4.75】 （a A4.75） 例题：分析某细集料的级配组成并计算其细度模数筛孔尺寸（mm）9.54.752.361.180.60.30.150.075筛底总计筛余质量m（%）015639910511575226a分计筛余率ai（%）累计筛余率Ai（%）通过率Pi（%）细度模数Mf5、密度曲线 以孔径的半对数为横坐标，以通过率为纵坐标，将各孔径对应的通过率描在坐标系中，并连成圆滑的曲线，这就是密度曲线。见教材P23页的图1-3b6、连续粒级、间断粒级、单粒级 用标准套筛筛分时，每个筛上都有筛余物就是连续粒级，其密度曲线为圆滑曲线；若有筛上无筛余物就是间断粒级，其密度曲线有折线，并较为水平；但粒级就是只有某一个等级颗粒的集料。7、配合比设计 每种集料虽然说有级配，但自身的搭配不一定是最好的，也就是说不一定是最密实的，这就不符合工程要求，因此我们应想办法由两种或多种集料按比例搭配，以使得混合料最为密实，这就是混合料的配合比设计。8、最大密度曲线理论 要配制出最密实的混合料，首先要知道什么样的级配才是最密实的。研究结果是： “矿质混合料的颗粒级配曲线越接近抛物线，则其密实度越大”，这就是最大密度曲线理论。 此抛物线可以表示为p2=kd，其中，k为常数，di 为孔径，pi为该孔径的通过百分率；因为d=D时，p=a，所以k=a2/D，即pi 2=a2 di /D，一般采用对数式：lg pi = （2 0.5lgD） +0.5lg di 例题：按最大密度曲线公式计算：当矿质最大粒径为40mm时各级粒径的通过百分率。 分级顺序 N12345678910粒径比DD/2D/4D/8D/16D/32D/64D/128D/256D/512理论粒径di（mm）40201052.51.250.630.3150.160.08最大密度级配曲线通过率（%）n=0.5级配范围曲线通过率（%）n=0.3n=0.79、级配曲线范围 又有人研究指出：矿质混合料的级配曲线应该允许在一定范围内波动，最密曲线对数公式中n不一定要等于0.5，可以在0.30.7之间就行。 lg pi = （2 0.3lgD） +0.3lg di lg pi = （2 0.7lgD） +0.7lg di 这就是说，判断某集料的级配时，只要pi 在pi 和 pi 之间就证明其级配良好。 注：书中P25页的“多级嵌挤密级配的分析法”不作要求。二、基本组成的设计方法 现在已经知道了对于某一最大粒径的集料，其级配应按什么比例搭配才能使混合料最密实，但一般的天然或人工集料并非最密实，需要我们将多种不同级配的集料按比例混合才能制备出最密实的混合料。 我们现在的问题就是要找出按什么比例将不同级配的集料混合才能制备出要求的最密实的混合料，这就是混合料配合比设计。 也许大家想到一个方法：用最密曲线公式先计算出最密时的级配，然后把集料筛分成单粒径，按计算结果配制就行。这是对的，但问题是太麻烦，在实际工程中极为不便。 我们的方法是：通过筛分掌握各集料的级配情况，通过数解法或图解法，直接将各集料混合即可得到较密实的混合料。一）数解法 不管是数解法或是图解法，只有知道了级配要求和集料的级配，就可以配制出符合要求的混合料。 数解法包括试算法和正规方程法。1、试算法：适合3-4种集料配制混合料，简 单，但不是很精确；2、正规方程法：也叫规划求解法，适合多种集料配制混合料，复杂，但精确；3、图解法：简单易行，但不精确。 （1）试算法例题：已知碎石A、石屑B、矿粉C的级配，其分计筛余（%）如下表的2-4列，用试算法设计出符合第五列的混合料配合比筛孔筛孔尺寸尺寸原材料各分计筛余结果原材料各分计筛余结果所要求的混合料的设计级配范围及中值所要求的混合料的设计级配范围及中值 a A a Ba C通过率范围通过率范围通过率中值通过率中值累计筛余中值累计筛余中值分计筛余中值分计筛余中值1234567813.20.8-95-a97.52.52.59.543.6-78-88792118.54.7549.9-48-685842212.364.425.0-36-5344.555.513.51.181.322.6-24-4132.567.5120.6-15.8-18-3024768.50.3-16.1-17-2219.580.54.50.15-8.948-1312887.50.075-11.110.74-86946以下以下-0.585.3-0a6解：1、计算通过率中值：即是取通过率范围的平均值。如95-a范围的平均值为97.5。得到第6列。2、计算累计筛余中值：因为通过率+累计筛余率=a%，因此累计筛余中值=a 通过率中值。得到第7列。3、计算分计筛余率：从筛分试验中各筛的累计筛余率的意义可知，某筛的分计筛余率=自身的累计筛余率上一级的累计筛余率。比如9.5mm筛的分计筛余率=自身的累计筛余率21 上一级13.2mm的累计筛余率2.5=18.5。得到第8列。4、设A、B、C的掺量分别为x%、y%、z%，在混合料中任意取某一级i，其分计筛余率为ami，而A、B、C中这一级的分计筛余率分别为aAi、aBi、aCi， 则 x+ y + z = a % 式（1） x aAi + y aBi + z aCi= ami 式（2）5、假定各集料中A在这一级中占绝对优势，含量最大，而B、C中不含这一级，即含量为0，则由式（2）得： x = （ami aAi）a% 式（3）6、从表中可看出，A的4.75mm级含量最高，为49.9%，对应混合料中该级的含量为21%，由式（3）得： x = （2149.9）a%=42.1%7、同理，从表中可看出，C的0.075mm以下级含量最高，为85.3%，对应混合料中该级的含量为6%，由式（3）得： z = （685.3）a%=7.0%8、由此可得到y = a % x z= 50.9%9、故矿质混合料各集料的比例为： 碎石A :石屑B :石粉C=x : y : z=42.1 : 50.9 : 7.010、按此比例计算混合料的级配，结果见下页 其中，2、5、8列为三种集料自身的级配，按上述比例混合后占混合料的份数分别为4、7、10列，混合料各粒级的比例就为4、7、10列之和，列在11列，这是各级占混合料总量的百分比，因此是分计筛余率。11、为了跟题目给出的通过率范围（第14列）要求对照，故需要计算出累计筛余率并进而计算出通过率（第13列） ，判断是否符合要求。12、经过对照，此比例配制的混合料符合级配要求。筛孔碎石级配（%）石屑级配（%）石粉级配（%）混合料合成级配要求级配A分比例占混率B分比例占混率C分比例占混率分计累计通过率12345678910 1112 13 1413.20.842.1%0.3-0.30.399.795-a9.543.618.4-18.418.781.378-884.7549.921.0-21.039.760.348-682.364.41.925.050.9%12.7-14.654.345.736-531.181.30.522.611.5-12.166.333.724-410.6-15.88.0-8.074.425.618-300.3-16.18.2-8.282.617.417-220.15-8.94.547.0%0.34.887.412.68-130.075-11.15.610.70.76.493.86.24-8以下以下-0.50.385.36.06.2a013、假如对照不符合，则要调整配比；还有可能是用试算法怎么也配不出符合要求的混合料，则应考虑采用单粒级。14、以上是3种集料来配混合料，4种集料也可以采用这个方法，但多了就不行，要采用正规方程法。（2）正规方程法 只要求大家理解就行 试算法大家已经学过了，它只重视占绝对优势的粒级，完全忽略了其他集料中的同等粒级的含量，所以结果较粗糙，很可能不符合混合料的要求，结果往往需要调整。 如果要精确符合混合料的要求，就需要多种集料来配，而不仅仅只有3种或4种，那么，我们可以先把所有集料过筛，剔除混合料中没有的太粗或太细的粒级，再来列方程求配合比，方法是： 假如有n种集料，我们假设各集料的掺量分别为x、y、z-，混合料中每一级的掺量等于各集料相应粒级含量乘以掺量后的总和，混合料有多少个粒级，就列出了多少个方程，然后求解，这样计算出来的结果可以一步到位，不需要再调整，缺点就是计算量较大，可以利用Excel解决。 这就就正规方程法（3）图解法第二章 沥青材料 概述一、沥青的分类 天然沥青天然沥青 地沥青地沥青 石油沥青石油沥青 沥青材料沥青材料 煤沥青煤沥青 焦油沥青焦油沥青 木沥青木沥青 泥炭沥青泥炭沥青 页岩沥青页岩沥青 地沥青 它是由天然产或石油精制加工得到的沥青材料。按产源可分为：1、天然沥青： 地下原油通过岩石裂缝渗透到地表后并长期暴露在大气中，所含轻质部分蒸发而残留物经氧化后就成为天然沥青。2、石油沥青：石油经精制加工其它油品后，最后加工而得到的产品。 焦油沥青 各种有机物（煤、泥炭、木材、页岩）经干馏加工得到的焦油，再加工而得到的产品，分别叫做煤沥青等。二、沥青在工程中的应用 目前工程中应用最多的是石油沥青和煤沥青。在使用沥青时，一般要经过调制，通常有以下几种方式：1、将沥青加热，使其溶化至液体，除去水分和杂质，趁热涂刷，或加入预热的骨料、填充料，制成各种沥青制品。2、用溶剂（汽油、柴油、工业苯）等将沥青稀释为所需的使用稠度，用做直接涂刷或制作冷用制品。3、通过机械作用，同时加入乳化剂，使沥青分散成微小颗粒，均匀分布在溶有乳化剂的水中，制成冷用的沥青乳液。4、用几种不同规格的沥青掺配，或加入其它物料，得到改性沥青。三、沥青的属性与应用 沥青属于有机胶结材料，是高分子碳氢化合物及非金属（氧、硫、氮等）衍生物组成的复杂混合物。 在常温下呈固态、半固态或粘稠液态，有一定的黏性和良好的憎水性，不透水，不导电，耐酸碱腐蚀，并有受热软化、冷后变硬的特点，有一定的塑性，能适应基材的变形。 因此在工程中广泛应用于道路工程、水工建筑、防水、防潮、防腐、耐酸、绝缘等工程。四、本章内容第一节、石油沥青的组成第二节、石油沥青的技术性质第三节、改性沥青第四节、乳化沥青第五节、煤沥青第一节 石油沥青一、石油沥青的元素组成由多种碳氢化合物及其非金属（氧、硫、氮）的衍生物组成的混合物。它的主要组成是：碳80%-87% 氢10%-15% 氧、硫、氮不超过3% 还有极微量的金属元素镍、钒、铁、锰、钙、镁、钠等二、石油沥青的组分 沥青的化学组成极为复杂，分析十分困难，不清楚其元素含量与路用性能之间的关系。并且，由于其结构的复杂性，将其分离为纯粹的化合物单体也十分困难，也没有必要。因此，目前的做法是将沥青分离为化学性质相似，而且与路用性能有一定联系的几个组，这些组就称为“组分”或“组丛”。 这种分离方法目前分为三组分、四组分、五组分和多组分分析法。1、三组分分析法 三组分分析法是将石油沥青分离为： 油分、树脂和地沥青质3个组分。 我国石油的油分中往往含有蜡，应将其分离出去。因为蜡组分对沥青的高温稳定性、低温抗裂性、与集料的粘附性等都有一定的影响。 三组分分离法兼用了选择性溶解和选择性吸附的方法，所以又叫溶解-吸附法。 三组分的主要特征 不同组分对沥青性能的影响A、油分：赋予沥青流动性B、树脂：赋予沥青良好的塑性和粘结性C、地沥青质：决定沥青的耐热性、粘性和脆性，含 量越多，软化点越高，粘性越大，越硬脆。组分组分状态状态颜色颜色比密度比密度分子量分子量含量，含量，%油分油分油状液体淡黄-红褐色小于1300-50040-60树脂树脂粘稠状物体黄-黑色略大于1600-100015-30地沥青质地沥青质无定刑固体粉末深褐-黑色大于1大于100010-30 三组分法的优缺点： 优点是组分界限明确，组成在一定程度上能说明它的路用性能，缺点是分析流程复杂，分析时间长。 石油沥青的结构 在沥青中，油分与树脂互溶，树脂侵润地沥青质。因此石油沥青的结构是以地沥青质为核心，周围吸附部分树脂和油分，构成胶团，无数胶团分散在油分中形成胶体结构。可细分为三种结构：A、地沥青质含量较少，油分和树脂较多时，胶团外膜较厚，胶团之间相对运动较自由，这就属于溶胶结构溶胶结构。这种沥青粘性小，流动性大，温度稳定性较差。B、地沥青质含量较多，油分和树脂较少，胶团外膜较薄，胶团密集因而移动困难，这就属于凝胶结构凝胶结构。这种沥青弹性好，粘结性好，温度稳定性好，但塑性较差。C、介于上述两种结构之间的情况，这种沥青就属于溶胶溶胶-凝凝胶结构胶结构。其性质也介于两者之间。 2、四组分分析法 四组分分析法将沥青分离为： 饱和分、芳香分、胶质和沥青质共4个组分。 其主要性状如下：组分组分外观特征外观特征相对密度相对密度平均分子量平均分子量饱和分饱和分无色液体0.89625芳香分芳香分黄色至红色液体0.99730胶质胶质棕色粘稠液体1.09970沥青质沥青质深棕色至黑色固体1.153400 胶体结构胶体结构 现代胶体理论认为：沥青的胶体结构，是以固态超细微粒的沥青质为分散相。沥青质分子量很高，不能直接胶溶于分子量很低的芳香分和饱和分中，沥青之所以能形成稳定的胶体，是因为强极性的沥青质吸附了极性较强的胶质，胶质中极性最强的部分吸附在沥青质表面，然后逐步向外扩散，极性逐渐减小，芳香度也逐渐减弱，距离沥青质越远，则极性越弱，直至与芳香分接近，甚至到几乎没有极性的饱和分。这样，在沥青胶体结构中，从沥青质到胶质，乃至芳香分和饱和分，它们的极性是逐步减弱，没有明显的分界线。所以，只有在各组分的化学组成和相对含量相匹配时，才能形成稳定的胶体。 这比三组分分析法的胶体结构分析更接近于沥青实际。第二节、石油沥青的技术性质技术性质包括如下内容： 1、密度2、体膨胀系数3、介电常数4、粘滞性5、低温性能6、感温性7、粘附性8、耐久性9、粘弹性除此之外，还介绍了我国道路石油沥青的技术要求一、密度一、密度 规定为15 时单位体积的沥青质量。单位：g/cm3或Kg/m3。也可用相对密度表示：即规定温度下沥青质量与同体积水的质量之比。：质量与体积之间的换算沥青混合料配合比设计的数据沥青使用、贮存、运输、销售和设计沥青容器的数据 密度=（1.06 + 8.5 10-4AT - 7.2 10-4R-8.7 10-5A - 1.6 10-3 S） 水密度 S：饱和分含量、R：胶质含量 A ：芳香分含量 AT ：沥青质含量 二、体膨胀系数二、体膨胀系数 沥青在温度上升时体积会膨胀。体膨胀系数是沥青储罐的设计和作为填缝、密封材料时的重要数据，与路用性能也很有关系。系数越大，沥青路面在夏季易泛油，冬季易收缩产生裂缝。测定公式： A=(DT2 - DT1) (DT1 (T1 - T2) 式中A：沥青的体膨胀系数 DT1、 DT2：分别为温度为T1 、 T2时的密度 T1 、 T2：密度测试温度三、介电常数三、介电常数 介电常数与沥青对氧、雨、紫外线的耐候性有关，现在进一步发现与沥青路面的抗滑性也很有关系。计算公式： =沥青作为介质时平行板的电容真空作为介质时的平行板电容四、粘滞性四、粘滞性（至此）（至此） 沥青的粘滞性又叫粘性，它反映了沥青内部阻碍其相对流动的一种特性，通俗的说，它反映了沥青软硬、稀稠的程度。粘滞性与沥青路面的力学性能最密切，为防止路面出现车辙，沥青的粘滞性是首要考虑的参数，因此，粘滞性是沥青等级（标号）划分的主要依据。沥青粘滞性的表示方法：沥青粘滞性的表示方法： 对粘稠（固体或半固体）的石油沥青采用针入度表示，此值越小，则粘度越大；对液体石油沥青用粘滞度表示。在25 的规定温度下，以规定质量100g的标准针，在规定时间5s内贯入试样中的深度（每深入0.1mm为1度）表示。是石油沥青的重要指标之一。PT,m,t如P 25 ,100g,5s将一定量的液体沥青，在某一温度t（20 、25 、30 、60 ）下经一定直径d的小孔（3mm、4mm、5mm、10mm）流出50cm3所需的时间T（秒）。用CdtT表示，如C325300五、低温性能五、低温性能 沥青的低温性能与沥青路面的低温抗裂性有密切的关系，沥青的低温延性与低温脆性是重要的性能，多以沥青的低温延度试验和脆点试验来表征。 把沥青制成字形标准试件（中间最小截面积为1cm2），在规定的拉伸速度（50.25cm/min）和规定温度（ 25 ）下拉断时的伸长长度，以cm为单位。 将0.4g沥青试样在一个标准的金属片上涂成薄层，一起置于有冷却设备的脆点仪内，摇动曲柄能使其弯曲，温度以1 /min的速度下降到某一温度时，沥青薄膜在规定弯曲条件下产生断裂时的温度，叫脆点。 脆点是测量沥青在低温不引起破坏时的温度。（略，不作要求）六、感温性六、感温性 沥青的粘滞性与延性随温度的不同会产生明显的变化，这就是沥青的感温性。以软化点作为其指标，软化点是沥青又一重要技术指标。 沥青没有固定的固化点和液化点，实际是采用“环球法”，将沥青试样装入规定尺寸的铜环内，顶面上放置一标准钢球，浸入水或甘油中，在规定的温升速度下，试样软化下垂至规定高度时的温度即为软化点。七、粘附性七、粘附性 沥青中有极性组分和芳香分结构，特别是沥青中的表面活性物质，如沥青酸和酸酐等与碱性集料接触时，就会产生很强的化学吸附作用，粘附力很大，粘附牢固。而当沥青与酸性集料接触时较难产生化学吸附，分子间的作用力只是由于范德华力的物理吸附，这比化学吸附力要小得多因此沥青中表面活性物质的存在及含量与粘附性有重要关系。同时，集料的性质，如矿物组成、表面纹理、孔隙率、含尘量、表面积、吸收性能、含水量、形状、风化程度等对粘附性也有一定程度的影响。另外，道路由于受交通荷载的反复作用使路面变形，沥青混合料空隙增大，集料松散，浸水使沥青膜与集料剥离，导致沥青路面破坏。 沥青与粗集料粘附性试验方法规定：根据沥青混合料的最大粒径决定，13.2mm者采用水煮法，13.2mm者采用水浸法。水煮法是选取粒径为13.2 19mm形态接近立方体的规则集料5个，经沥青裹覆后，在蒸馏水中沸煮3min，按沥青膜剥落的情况分为5个等级来评价沥青与集料的粘附性；水浸法是选取粒径为9.5 13.2mm的集料ag与5.5g的沥青在规定温度下拌合成混合料，冷却后浸入80 的蒸馏水中保持30min，然后按剥落面积百分率来评价沥青与集料的粘附性。八、耐久性八、耐久性 路用沥青在使用过程中受到储运、加热、拌合、摊铺、碾压、交通荷载以及自然因素的作用，而使沥青发生一系列的物理化学变化，逐渐改变了其原有性能（粘度、低温性能）而变硬变脆，这种变化就是沥青的老化。抑制老化的性能就是沥青的耐久性。 温度与氧化作用、光和水的作用、自然硬化、渗流硬化等，这些变化都是不可逆的，均导致沥青的劣化。 将50g沥青试样放入直径140mm、深9.5mm的不锈钢盛样皿中，此时沥青膜的厚度约为3.2mm，在163 的通风烘箱的条件下以5.5r/min的速率旋转，经过5h，然后计算沥青试样的质量损失，并测试针入度、粘度等指标的变化。九、粘弹性九、粘弹性 路用沥青多为溶-凝胶型沥青，在低温时表现为弹性，高温时表现为粘性，在相当宽的温度范围内表现为弹性和粘性并存，是一种典型的粘弹性物体。在外力作用下产生变形，但形变滞后于作用力，作用力去除后形变并不完全恢复，经过一段时间后蔡逐渐恢复，表现为复杂的粘弹性性质，蠕变（即徐变）和松弛现象就是这种特性的表现。在应力不变的情况下，应变随时间而增加的现象叫蠕变；在应变不变的情况下，自身应力随时间而逐渐减小的现象叫应力松弛。 两者均是由于沥青胶体结构的内部大分子在长时间力的作用下产生结构变形或位移而产生的现象。 用劲度模量表示，相当于弹性模量，不同之处在于前者还取决于温度T和荷载的作用时间t。 S=（/）t,T十、安全性十、安全性 沥青材料在使用时必须加热，当加热至一定温度时，沥青挥发的油分蒸汽与周围空气组成混合气体，此混合气体遇火则易发生闪火；若继续加热，油分蒸汽的饱和度增加，这种混合气体遇火极易燃烧。为此，必须测定沥青加热闪火和燃烧的温度，即所谓的闪点和燃点。 规定对粘稠石油沥青采用克利夫兰开口杯法（简记为COC法） ；对液体石油沥青采用泰格开口杯法（简记为TOC法）； COC法是将沥青试样盛于标准杯中，按规定加热速度进行加热，当加热到某一温度时，点火器扫拂过沥青试样任何一部分表面，出现一瞬即灭的蓝色火焰状闪光时，此温度即为闪火点；按规定加热速度继续加热，至达点火器扫拂过沥青试样表面发生燃烧火焰，并持续5s以上，此温度即为燃烧点。我国道路石油沥青的技术要求 我国道路石油沥青分为粘稠石油沥青和液体石油沥青。 粘稠石油沥青按质量又分为“重交通道路石油沥青（代号AH）”和“中、轻交通道路石油沥青（代号A）”。他们再按针入度又分为5个等级，如AH-130、A-200。 针入度、软化点、延度是路用沥青的三个主要的技术指标，但随着对沥青路面要求的提高，又加入了闪点、含蜡量、密度、溶解度、抗老化指标等。 液体石油沥青按凝结速度分为快凝（AL（R）、中凝（AL（M）、慢凝（A