瀝青混合料的組成結構及強度原理

1、第六章瀝青混合料的強度構成機理 6.1瀝青混合料的組成結構及強度原理 6.1.1瀝青混合料的組成結構 瀝青混合料是一種復雜的多種成分的材料，其“結構”概念同樣也是極其復雜的。因為這 種材料的各種不同特點的概念，都與結構概念聯(lián)系在一起。這些特點是：礦物顆粒的大小及 其不同粒徑的分布；顆粒的相互位置；瀝青在瀝青混合料中的特征和礦物顆粒上瀝青層的性 質；空隙量及其分布；閉合空隙量與連通空隙量的比值等?！盀r青混合料結構”這個綜合性的 術語，是這種材料單一結構和相互聯(lián)系結構的概念的總和。其中包括：瀝青結構、礦物骨架 結構及瀝青-礦粉分散系統(tǒng)結構等。上述每種單一結構中的每種性質，都對瀝青混合料的性質 產(chǎn)生

2、很大的影響。 隨著混合料組成結構的研究的深入，對瀝青混合料的組成結構有下列兩種互相對立的理 論。 （1）表面理論按傳統(tǒng)的理解，瀝青混合料是由粗集料、細集料和填料經(jīng)人工組配成 密實的級配礦質骨架，此礦質骨架由稠度較稀的瀝青混合料分布其表面， 而將它們膠結成為 一個具有強度的整體。這種理論認識可圖解如下： 瀝青混合料 （2）膠漿理論近代某些研究從膠漿理論出發(fā)，認為瀝青混合料是一種多級空間網(wǎng)狀 膠凝結構的分散系。它是以粗集料為分散相而分散在瀝青砂漿的介質中的一種粗分散系；同 樣，砂漿是以細集料為分散相而分散在瀝青漿介質中的一種細分散系；而膠漿又是以填料為 分散相而分散在高稠度的瀝青介質中的一種微分散

3、系。這種理論認識可圖解如下： f分散相一粗集料 .分散相一細集料 瀝青混合料（粗分散系）彳 分散介質一砂漿（細分散系）分散相一填料 分散介質一瀝青膠結物（微分散系） 彳 分散介質一瀝青 這3級分散系以瀝青膠漿（瀝青一礦粉系統(tǒng)）最為重要，典型的瀝青混合料的彈-粘-塑性, 主要取決于起粘結料的作用的瀝青-礦粉系統(tǒng)的結構特點。這種多級空間網(wǎng)狀膠凝結構的特點 是，結構單元（固體顆粒）通過液相的薄層（瀝青）而粘結在一起。膠凝結構的強度，取決 于結構單元產(chǎn)生的分子力。膠凝結構具有力學破壞后結構觸變性復原自發(fā)可逆的特點。 對于膠凝結構，固體顆粒之間液相薄層的厚度起著很大的作用。相互作用的分子力隨薄 層厚度的

4、減小而增大，因而系統(tǒng)的粘稠度增大，結構就變得更加堅固。此外，分散介質（液 相）本身的性質對于膠凝結構的性質亦有很大的影響。 可以認為，瀝青混合料的彈性和粘塑性的性質主要取決于瀝青的性質、粘結礦物顆粒的 瀝青層的厚度，以及礦物材料與結合料相互作用的特性。瀝青混合料膠凝健合的特點，也取 決于這些因素。 瀝青混合料的結構取決于下列因素：礦物骨架結構、瀝青的結構、礦物材料與瀝青相互 作用的特點、瀝青混合料的密實度及其毛細-孔隙結構的特點。 礦物骨架結構是指瀝青混合料成分中礦物顆粒在空間的分布情況。由于礦物骨架本身承 受大部分的內(nèi)力，因此骨架應由相當堅固的顆粒所組成，并且是密實的。瀝青混合料的強度， 在

5、一定程度上也取決于內(nèi)摩阻力的大小，而內(nèi)摩阻力又取決于礦物顆粒的形狀、大小及表面 特性等。 形成礦物骨架的材料結構，也在瀝青混合料結構的形成中起很大作用。應把瀝青混合料 中瀝青的分布特點，以及礦物顆粒上形成的瀝青層的構造綜合理解為瀝青混合料中的瀝青結 構。為使瀝青能在瀝青混合料中起到自己應有的作用，應均勻地分布到礦物材料中，并盡可 能完全包裹礦物顆粒。礦物顆粒表面上的瀝青層厚度，以及填充顆粒間空隙的自由瀝青的數(shù) 量，具有重要的作用。自由瀝青和礦物顆粒表面所吸附瀝青的性質，對于瀝青混合料的結構 產(chǎn)生影響。瀝青混合料中的瀝青性質，取決于原來瀝青的性質、瀝青與礦料的比值，以及瀝 青與礦料相互作用的特點

6、。 綜上所述可以認為：瀝青混合料是由礦質骨架和瀝青膠結物所構成的、具有空間網(wǎng)絡結 構的一種多相分散體系。 瀝青混合料的力學強度， 主要由礦質顆粒之間的內(nèi)摩阻力和嵌擠力， 以及瀝青膠結料及其與礦料之間的粘結力所構成。 瀝青混合料，按其強度構成原則的不同可分為按嵌擠原則構成的結構和按密實級配原則 構成的結構兩大類。 按嵌擠原則構成的瀝青混合料的結構強度，是以礦質顆粒之間的嵌擠力和內(nèi)摩阻力為主、 瀝青結合料的粘結作用為輔而構成的。瀝青貫入式路面、瀝青表面處治、以及瀝青碎石路面 均屬此類結構。這類路面是以較粗的、顆粒尺寸均勻的礦料構成骨架，瀝青結合料填充其空 隙，并把礦料粘結成一個整體。這類瀝青混合料

7、結構強度受自然因素（溫度）的影響較小。 按密實級配原則構成的瀝青混合料的結構強度，是以瀝青與礦料之間的粘結力為主，礦 質顆粒間的嵌擠力和內(nèi)摩阻力為輔而構成的。瀝青混凝土路面和瀝青碎石混合料路面屬于此 類。這類瀝青混合料的結構強度受溫度的影響較大。 按級配原則構成的瀝青混合料，其結構通?？砂聪铝腥N方式組成： 1）懸浮密實結構：由連續(xù)級配礦質混合料組成的密實混合料，由于材料從大到小連續(xù)存在， 并且各有一定數(shù)量，實際上同一檔較大顆粒都被較小一檔顆粒擠開，大顆粒猶如以懸浮狀態(tài) 處于較小顆粒之中。這種結構通常按最佳級配原理進行設計，因為密實度與強度較高，但受 瀝青材料的性質和物理狀態(tài)的影響較大故穩(wěn)定性

8、較差。 2）骨架空隙結構：較粗石料彼此緊密相接，較細粒料的數(shù)量較少。不足以充分填充空隙。 因此，混合料的空隙較大，石料能夠充分開成骨架。在這種結構中，粗骨料之間的內(nèi)摩阻力 起著重要的作用，其結構強度受瀝青的性質和物理狀態(tài)的影響較小，因而穩(wěn)定性較好。 3）骨架密實結構：是綜合以上兩種方式組成的結構?；旌狭现屑扔幸欢〝?shù)量的粗骨料形成 骨架，又根據(jù)粗料空隙的多少加入細料，形成較高的密實度。間斷級配即是按此原理構成。 6.1.2 瀝青混合料的強度理論與強度參數(shù) 瀝青混合料屬于分散體系，是由強度很高的粒料與粘結力較弱的瀝青材料所構成的混合 體。根據(jù)瀝青混合料的顆粒性特征，可以認為瀝青混合料的強度構成起源

9、于兩個方面： (1) 由于瀝青的存在而產(chǎn)生的粘結力； (2) 由于骨料的存在而產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力 目前，對瀝青混合料強度構成特性開展研究時，許多學者普遍采用了摩爾-庫侖理論 作為分析瀝青混合料的強度理論，并引起兩個強度參數(shù)一一粘結力c和內(nèi)摩阻角，作為其 強度理論的分析指標。摩爾-庫侖理論的一般表達式為： 3 sin 2ccos 0 式中：c 1最大主應力； (T 3最小主應力； c ij應力狀態(tài)張量。 對于組成瀝青混合料的兩種原始材料一一瀝青和骨料，通過實驗研究和強度理論分析， 可以認為：純?yōu)r青材料的cm0而 =0;干燥骨料的c=0而工0。但由此形成的瀝青混合料, 其cm0且工0,瀝青混合料在參數(shù)

10、c、值的確定上需要把理論準則與實驗結果結合起來。 理論準則采用摩爾一庫侖理論，而實驗結果則可通過三軸實驗、簡單拉壓實驗或直剪實驗獲 得。 (1)三軸實驗確定 對于三軸實驗來說，其摩爾-庫侖的理論表達式為 1 sincos 13 2c 1 sin1 sin 顯然，在一定的力學加載條件下，如果材料是給定的，那么內(nèi)在參數(shù) c、值應為常數(shù), c 1與c 3之間便具有線性關系。同時，眾多實驗研究結果也表明，在給定實驗條件下，c 1 c 3之間具有如下形式的線性關系 c 1=k c 3+b 式中：k與b均大于零。 將以上兩式對等，則可得到內(nèi)在參數(shù) c、值的計算公式: k 1 sin k 1 b 1 sin

11、 b c 2 cos 目前，國內(nèi)外研究者主要是通過三軸實驗來確定瀝青混合料的c、值。但是，由于三 軸實驗在儀器設備方面比較復雜，要求較高，實驗所需人力物力較多，在操作上難度大，因 此，盡管三軸實驗能夠很好地模擬真實的應力應變狀態(tài)，但它的實際應用受到一定程度的限 制，在工程上難以普及使用。 (2)簡單拉壓實驗確定 瀝青混合料的c、值亦可通過測定無側限抗壓強度 R和抗拉強度r予以換算。其換算關 系可通過推導獲得，也可以直接利用摩爾圓求得。 當無側限抗壓時， 相當于c 3=0 及 c 1=R,得: 2 c cos R ! 2c tg 1 sin 4 2 當抗拉時相當于 10及 3r則 2 c cos

12、 r3 -2c ctg 1 sin 42 聯(lián)立解得 c 丄 Rr 2 R r sin R r 簡單拉壓實驗確定瀝青混合料的內(nèi)在參數(shù) c、值,是以一項基本假定為前提的。即：在 試驗變量(材料組成變量、力學激勵變量)相同的條件下，假定瀝青混合料在壓縮和拉伸兩 種加載方式下的內(nèi)在參數(shù)值是相同的。 這種實驗方法相對于三軸實驗來說，在操作上要容易得多，且在一般試驗機上均可以實 施，易于推廣應用。但其試驗結果的準確性要依賴于實驗技術的完善與提高，特別是拉伸實 驗。在拉伸實驗中，有兩個實驗技術難關需要克服，即: (1)瀝青混合料的拉伸實驗技術(拉 頭問題);(2)試件的偏心受拉問題。通過改進實驗技術，這兩個

13、困難目前都可以克服。 (2)直剪實驗確定 內(nèi)在參數(shù)c、值的確定，還可以通過瀝青混合料的直剪實驗來實現(xiàn)。這種實驗方法與土 的直剪實驗非常類似，主要是通過測定不同正壓力水平C i下的抗剪強度T fi ,在T - C坐標系 中繪制庫侖直線，從而獲得材料的 C、值。 瀝青混合料的直剪實驗相對于三軸實驗、簡單拉壓實驗，在C、值的原理上更為直觀明 了，但在操作上可能更不容易實現(xiàn)，比如因剪切擠壓而引起的破壞面不均勻問題。就現(xiàn)有資 料來看，目前還沒有見到關于瀝青混合料直剪實驗方面的研究報告。關于這種實驗方法可行 性、準確性，以及它的實驗結果與三軸實驗和簡單拉壓實驗結果之間的可比性等三方面的研 究工作，還有待于

14、進一步探討，以便確定一種較為有效和簡便的方法來獲得內(nèi)在參數(shù)C、 值。 6.2 瀝青與礦料之間的相互作用 瀝青與礦料之間的相互作用是瀝青混合料結構形成的決定性因素。 它直接關系到瀝青混合 料的強度、溫度穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、以及老化速度等一系列重要性能。因此，深入研究瀝青 與礦料之間相互作用的原理，充分認識并積極地利用與改善這個作用過程具有十分重要的意 義。 研究表明，瀝表與礦料相互作用時，所發(fā)生的效應是各種各樣和特殊的，主要與表面效應 有關。 6.2.1 礦料對瀝青的吸附作用 原蘇聯(lián)n .A.列賓捷爾研究認為，瀝青與礦料相互作用后，瀝青在礦料表面產(chǎn)生化學組分 的重新排列，在礦料表面形成一層擴散結構

15、膜（如圖 6-1a 所示），在此膜厚度以內(nèi)的瀝青稱 為結構瀝青。此膜以外的瀝青稱為自由瀝青。結構瀝青與礦料之間發(fā)生相互作用，并且瀝青 的性質有所改變；而自由瀝青與礦料距離較遠，沒有與礦料發(fā)生相互作用，僅將分散的礦料 粘結起來，并保持原來性質。 如果顆粒之間接觸處由擴散結構膜所聯(lián)結 （如圖 6-1b 所示），則促成瀝青具有更高的粘滯 度和更大的擴散結構膜的接觸面積，從而可以獲得更大的顆粒粘著力。反之，如顆粒之間接 觸處為自由瀝青所聯(lián)結（如圖6-1c所示），則具有較小的粘著力。 圖6-1瀝青與礦粉交互作用的結構圖式 按照物理化學觀點，瀝青與礦料之間的相互作用過程是個比較復雜的、多種多樣的吸附 過程

16、，它們包括瀝青層被礦物表面的物理吸附過程、 瀝青-礦料接觸面上進行的化學吸附過程、 以及瀝青組分向礦料的選擇性擴散過程。 固體或液體的表面和與它進行接觸的液態(tài)或氣態(tài)物質分子的粘結性質，以及對氣體或液 體的吸著現(xiàn)象稱為吸附。吸附作用分為物理吸附和化學吸附兩種形態(tài)，當吸附物質（吸附劑） 與被吸附物質之間僅有分子作用力（即范德華力）存在時，則產(chǎn)生物理吸附；當接觸的兩種 相（瀝青和礦料）形成化合物時則產(chǎn)生化學吸附。 在引力作用下發(fā)生的物理吸附作用，會在礦料表面形成瀝青的定向層，此時，被吸附的瀝 青不發(fā)生任何化學變化。在化學吸附的情況下，被吸附的瀝青發(fā)生化學變化。但是，化學吸 附作用僅觸及被吸附物質的一

17、層分子，而物理吸附時，實際上可能形成幾個分子厚度的吸附 瀝青在礦料表面上的吸附強度， 很大程度上取決于這些材料之間發(fā)生的粘結性質。 當存在 化學鍵時（即產(chǎn)生化學吸附時） ，瀝青與礦料的粘結最為牢固。當碳酸鹽或堿性巖石與含有足 夠數(shù)量酸性表面活性物質的活化瀝青粘結時，會發(fā)生化學吸附過程。這種表面活性物質能在 瀝青與礦料的接觸面上，形成新的化合物。因為這些化合物不溶于水。所以礦料表面上形成 的瀝青層具有較高的抗水能力。而當瀝青與酸性巖石（ SiO2 含量大于 65%的巖石）粘結時， 不會形成化學吸附化合物，故其間的粘結強度較低，遇水易剝離。 原蘇聯(lián) A.H. 雷西娜等人的研究表明，碳酸鹽和堿性石料

18、每個單位表面上吸附的瀝青多于 酸性石料具有更堅固的結構，對于比表面大和吸附力很大的的礦料，更具有特殊意義。 瀝青與礦料表面粘結牢固的必要先決條件是瀝青能很好地潤濕礦料的表面。 由物理化學得 知，彼此接觸物體相互作用過程的特性和強度主要取決于物體的表面性質，首先是表面自由 能。 研究物質內(nèi)部質點（原子、離子、分子）與位于表面的質點之間的相互作用時，可以得到 關于固體或液體表面能的概念。位于固體或液體內(nèi)部的每一固體或液體質點，都從各方面承 受著圍繞它的并和它相類似的質點的引力作用，而位于固體或液體表面的質點，只從一面受 到處于固體或液體內(nèi)部質點的引力作用，而另一面是空氣（氣相） 。由于氣體分子彼此

19、相距甚 遠，因此只有臨近固體或液體表面的氣體才產(chǎn)生力場。氣體分子對固體或液體表面質點的作 用非常小，不能平衡承受從內(nèi)部質點方面產(chǎn)生的力的作用。 固體或液體表面未平衡 （未補償） 元素質點的存在相當于該表面每單位面積具有一定數(shù)量 的自由能，其數(shù)量等于形成表面所消耗的功。該自由能稱為表面自由能或表面能力。 潤濕是自發(fā)的過程，在這一過程中，相接觸的三相礦料、水和空氣或瀝青體系內(nèi)，于一 定的溫度條件下會發(fā)生體系的表面自由能的降低現(xiàn)象。 大多數(shù)的造巖礦物，如氧化物、碳酸鹽、硅酸鹽、云母、石英等，均屬于親水性的。所 有親水性礦物都具有離子鍵（有極性的）的晶格，因此，當它們分裂時在表面層可能有未平 衡的離子

20、帶自由價的離子。 憎水性礦物具有共價鍵（原子鍵）的晶格，或者具有分子鍵的晶格。有些憎水性材料具有 離子和分子鍵的晶格，即元素質點內(nèi)部有牢固的離子鍵，質點之間有分子鍵。這些元素質點 的表面幾乎沒有未補償?shù)逆I。 兩種相互接觸的物體， 例如瀝青同礦料的接觸表面相互作用所消耗的能量， 以粘結作用來 表征，這種粘結作用通常簡稱為粘結力。 能良好地潤濕固體干燥表面的液體，并不意味著一定有良好的粘結力。瀝青潤濕與粘結潮濕 礦料表面的能力，取決于固體表面排擠水分的性質和瀝青的個別組分在邊界層中的選擇性吸 附。這就相應地減小了體系的表面自由能。吸附的結果增加了相界面處被吸附物質的濃度， 且減小了界面上的表面自由

21、能。 吸附層的性質取決于被吸附物質的數(shù)量、被吸附物質與固體相互作用的性質和能量。這 些因素將構成固體 -液體分界面上二相相互聯(lián)系的特性。 吸附層，特別是在完全飽和的情況下， 它類似于很薄的固體膜，具有高的力學強度。這種性質由于周圍液體介質（溶劑-瀝青中的油 分）的作用，其能力再一次地加強了。 化學吸附是瀝青中的某些物質（如瀝青酸）與礦料表面的金屬陽離子產(chǎn)生化學反應，生 成瀝青酸鹽，在礦料表面構成化學吸附層的過程?；瘜W相互作用力的強度，超過分子力作用 許多倍?；瘜W相互作用的能量轉為化學反應的熱量時，其數(shù)值為數(shù)百焦爾 /克分子以上；而物 理相互作用的能量轉為熱量時最大僅為數(shù)十焦爾 /克分子。因此，

22、當瀝青與礦料形成化學吸附 層時，相互間的粘附力遠大于物理吸附時的粘附力。也只有產(chǎn)生化學吸附，瀝青混合料才可 能具有良好的水穩(wěn)性。 化學吸附產(chǎn)生與否以及吸附程度，決定于瀝青及礦料的化學成分。例如石油瀝青中因含 有瀝青酸及瀝青酸酐能與堿性礦料中的高價金屬鹽產(chǎn)生化學反應， 生成不溶于水的有機酸鹽， 與低價金屬鹽反應生成的有機酸鹽則易溶于水，而與酸性礦料之間則只能產(chǎn)生物理吸附。煤 瀝青中既有酸性物質（如酚類） ，以有堿性物質（如吡啶類） ，因而與酸性礦料及堿性礦料均 能起化學吸附作用，當然其吸附程度和生成物的性質仍與礦料的化學成分密切相關。 所謂選擇性吸附，就是一相物質中的某一特定組分由于擴散作用沿著

23、另一相的微孔滲入 到其內(nèi)部。當瀝青與礦料相互作用時，選擇性擴散產(chǎn)生的可能性以及其作用大小，取決于礦 料的表面性質、孔隙狀況及瀝青的組分與活性。 礦料對瀝青的選擇性吸附作用，主要產(chǎn)生于表面具有微孔（孔隙直徑小于0.02m m）的 礦料，如石灰?guī)r、泥灰?guī)r、礦渣等。此時瀝青中活性較高的瀝青質吸附在礦料表面，樹脂吸 附在礦料表層小孔中，而油分則沿著毛細管被吸收到礦料內(nèi)部。因此，礦料表面的樹脂和油 分相對減少，瀝青質增多，結果瀝青性質發(fā)行變化稠度提高、粘結力增加，從而在一定 程度上改善了瀝青混合料的熱穩(wěn)性與水穩(wěn)性。 瀝青與多孔的材料相互作用的特點，一方面取決于表面性質和吸咐物的結構（孔隙的大 小及其位置

24、），另一方面與瀝青的特性有關（主要是活性和基團組成） 。礦料表面上如有微孔， 就會大大改變其與瀝青相互作用的條件，微孔具有極大的吸附勢能，因而孔中吸附大部分的 瀝青表面活性組分。當瀝青與結構致密的礦料（如石英巖）相互作用時，上述過程就失去了 必要的條件，因而其對瀝青的選擇性吸附不顯著。 6.2.2 瀝青與初生礦物表面的相互作用 瀝青與初生礦物表面的相互作用是一種特殊的作用形式，因為它決定于化學-力學過程。 并與上面敘述的化學吸附同時發(fā)生。 化學-力學是一個比較新的科學領域，它研究力學作用對各種物質所產(chǎn)生的范圍極廣的現(xiàn) 象。許多研究人員對化學 -力學有著特殊興趣，這與在力學作用時有可能在一定條件

25、下引起化 學過程有關。因此，利用化學 -力學手段進行材料機械加工過程的研究具有非常廣闊的前景。 遠在1873年，卡列 M 里曾經(jīng)指出，某些化學反應只能在力學作用的條件下才會更有 效，或是一般只能在這種作用下才能發(fā)生反應。 引起固體中大部分力學化學過程的最重要的因素有：化學活性很大的新表面的產(chǎn)生；受 機械力破壞而形成的顆粒表面層的結構變化；初生顆粒表面上進行的化學反應。 固體受機械力作用產(chǎn)生的初生表面的能量狀態(tài)的研究包括初生表面的帶電及其吸附能力 的研究，重新形成的顆粒表層結構的研究，以及自由基的產(chǎn)生過程和基的相互反應過程等。 B B 德拉金指出，顆粒經(jīng)磨碎后成為帶電顆粒，并且電荷的正負與大小取

26、決于顆粒的 大小和物質的性質。初生表面的帶電，在礦料的活化過程中起著一定的作用。 決定初生表面具有很高的化學活性的一個因素是由于出現(xiàn)自由基，自由基是借助機械力 的破壞作用，使化學健斷開而產(chǎn)生的?；瘜W鍵在機械力作用下斷開的可能性是史塔烏金捷爾 最先提出的。 1952年，帕依克和瓦特森證實了在這種情況下可能產(chǎn)主自由基。 自由基是分子的殘余部分，或是處于電子受激震狀態(tài)下的分子，它具有很大的化學活性。 自由基的主要化學特性是，具有很高的反應能力，這種能力與自由化合價有關，自由基易與 一般的飽和分子起化學反應。 初生表面很高的活性，也與磨碎過程中形成的顆粒表面層的結構變化有關。例如，德姆 波斯捷爾等人的

27、研究表明，磨碎的石英表面是由變化了的含結晶硅砂層所組成。阿爾姆斯特 朗格觀測到磨碎石英顆粒表層的非晶形性，并且某些磨碎破壞的深度約為50-100um。在磨碎 的石英表面上，非晶形層的厚度達 40nm。 因磨細而產(chǎn)生的顆粒表面層的松散結構， 有助于它的反應能力和吸附能力， 從而提高了其 活化效果。 順磁共振試驗表明，礦料中自由基的濃度隨磨碎時間的增長而增大，試驗還證明，當瀝 青與花崗石或石英進行一般的拌和時，只產(chǎn)生礦料與瀝青的物理吸附，而在瀝青與花崗石或 石英一起磨碎的過程中，瀝青和礦料之間發(fā)生了化學鍵。 在瀝青與礦料一起磨碎的過程中，瀝青與礦料表面的相互作用，與瀝青和早先磨細的礦 料拌和時的相

28、互作用，有著明顯的差別，前者化學吸附的瀝青量及其隨磨碎時間的增長速率 均明顯高于后者。 6.3 影響瀝青混合料強度的因素 如前所述， 瀝青混合料的強度由兩部分組成： 礦料之間的嵌擠力與內(nèi)摩阻力和瀝青與礦料 之間的粘聚力。下面從內(nèi)因、外因兩方面分析瀝青混合料強度的影響因素。 6.3.1 影響瀝青混合料強度的內(nèi)因 1 、瀝青粘度的影響 瀝青混凝土作為一個具有多級網(wǎng)絡結構的分散系來看待， 從最細一級網(wǎng)絡結構來看， 它是 各種礦質集料分散在瀝青中的分散系，因此它的強度與分散相的濃度和分散介質粘度有著密 切的關系。在其它因素固定的條件下， 瀝青混合料的粘聚力是隨著瀝青粘度的提高而增大的。 因為瀝青的粘度

29、即瀝青內(nèi)部瀝青膠團相互位移時，其分散介質抵抗剪切作用的抗力，所以瀝 青混合料受到剪切作用時，特別是受到短暫的瞬時荷載時，具有高粘度的瀝青能賦予瀝青混 合料較大的粘滯阻力，因而具有較高抗剪強度。在相同的礦料性質和組成條件下，隨著瀝青 粘度的提高，瀝青混合料粘聚力有明顯的提高，同時內(nèi)摩擦角亦稍有提高。 2瀝青與礦料化學性質的影響 在瀝青混合料中，如果礦粉顆粒之間接觸處是由結構瀝青膜所聯(lián)結，這樣促成瀝青具有更 高的粘度和更大的擴散溶化膜的接觸面積，因而可以獲得更大的粘聚力。反之，如顆粒之間 接觸處是自由瀝青所聯(lián)結，則具有較小的粘聚力。 瀝青與礦料相互作用不僅與瀝青的化學性質有關，而且與礦粉的性質有關

30、。H.M.鮑爾雷曾 采用紫外線分析法對兩種最典型的礦粉進行研究，在石灰石粉和石英石粉的表面上形成一層 吸附溶化膜，如圖（6-3）所示。研究認為，在不同性質礦粉表面形成的吸附溶化膜組成結構 和厚度的吸附溶化膜，所以在瀝青混合料中，當采用石灰石礦粉時，礦粉之間更有可能通過 結構瀝青來聯(lián)結，因而具有較高的粘聚力。 圖6-2不同礦粉的吸附溶化膜結構圖式 3、礦料比面的影響 由前述瀝青與礦粉交互作用的原理可知， 結構瀝青的形成主要是由于礦料與瀝青的交互作 用，而引起瀝青化學組分在礦料表面的重分布。所以在相同的瀝青用量條件下，與瀝青產(chǎn)生 交互作用的礦料表面積愈大，則形成的瀝青膜愈薄，則在瀝青中結構瀝青所占

31、的比率愈大， 因而瀝青混合料的粘聚力也愈高。通常在工程應用上，以單位質量集料的總表面積來表示表 面積的大小，稱為“比表面積”（簡稱“比面”）。例如1kg的粗集料的表積約為0.5-3m2,它 的比面即為0.5-3m/kg，而礦粉用量雖只占7%左右，而其表面積卻占礦質混合料的總表面積 的80%以上，所以礦粉的性質和用量對瀝青混合料的強度影響很大。為增加瀝青與礦料物理- 化學作用的表面，在瀝青混合料配料時，必須含有適量的礦粉。提高礦粉細度可增加礦粉比 面，所以對礦粉細度也有一定的要求。希望 0.075mm粒徑的含量不要過少；但是0.005mm部 分的含量亦不宜過多，否則將使瀝青混合料結成團塊，不易施

32、工。 4、瀝青用量的影響 在固定質量的瀝青和礦料的條件下，瀝青與礦料的比例（即瀝青用量）是影響瀝青混合料 抗剪強度的重要因素。 在瀝青用量很少時， 瀝青不足以形成結構瀝青的薄膜來粘結礦料顆粒。 隨著瀝青用量的增 加，結構瀝青逐漸形成。瀝青更為完滿地包裹在礦料表面，使瀝青與礦料間的粘附力隨著瀝 青的用量增加而增加。當瀝青用量足以形成薄膜并充分粘附礦料顆粒表面時，瀝青膠漿具有 最優(yōu)的粘聚力。隨后，如瀝青用量繼續(xù)增加，則由于瀝青用量過多，逐漸將礦料顆粒推開， 在顆粒間形成未與礦料交互作用的 “自由瀝青”，則瀝青膠漿的粘聚力隨著自由瀝青的增加而 降低。當瀝青用量增加至某一用量后，瀝青混合料的粘聚力主要

33、取決于自由瀝青，所以抗剪 強度幾乎不變。隨著瀝青用量的增加，瀝青不僅起著粘結劑的作用，而且起著潤滑劑的作用， 降低了粗集料的相互密排作用，因而降低了瀝青混合料的內(nèi)摩擦角。 瀝青用量不僅影響瀝青混合料的粘聚力， 同時也影響瀝青混合料的內(nèi)摩擦角。 通常當瀝青 薄膜達最佳厚度（亦即主要以結構瀝青粘結）時，具有最大的粘聚力；隨著瀝青用量的增加， 瀝青混合料的內(nèi)摩擦角逐漸降低。 5、礦質集料的級配類型、粒度、表面性質的影響 瀝青混合料的強度與礦質集料在瀝青混合料中的分布情況有密切關系。 瀝青混合料有密級 配、開級配和間斷級配等不同組成結構類型已如前述，因此礦料級配類型是影響瀝青混合料 強度的因素之一。

34、此外，瀝青混合料中，礦質集料的粗度、形狀和表面粗糙度對瀝青混合料的強度都具有極 為明顯的影響。因為顆粒形狀及其粗糙度，在頗大程度上將決定混合料壓實后顆粒間相互位 置的特性和顆粒接觸有效面積的大小。通常具有顯著的面和棱角，各方向尺寸相差不大，近 似正方體，以及具有明顯細微凸出的粗糙表面的礦質集料，在碾壓后能相互嵌擠鎖結而具有 很大的內(nèi)摩擦角。在其他條件相同的情況下，這種礦料所組成的瀝青混合料較之圓形而表面 平滑的顆粒具有較高的抗剪強度。 許多試驗證明，要想獲得具有較大內(nèi)摩擦角的礦質混合料，必須采用粗大、均勻的顆粒。 在其他條件下，礦質集料顆粒愈粗，所配制的瀝青混合料愈具有較高的內(nèi)摩擦角。相同粒徑

35、 組成的集料，卵石的內(nèi)摩擦角較碎石為低。 6.3.2 影響瀝青混合料強度的外因 1、溫度的影響 瀝青混合料是一種熱塑性材料，它的抗剪強度隨著溫度的升高而降低。在材料參數(shù)中，粘 聚力隨溫度升高而顯著降低，但是內(nèi)摩擦角受溫度變化的影響較少。 2、形變速率的影響 瀝青混合料是一種粘 - 彈性材料，它的抗剪強度與形變速率有密切關系。在其他條件相同 的情況下，變形速率對瀝青混合料的內(nèi)摩擦角影響較小，而對瀝青混合料的粘聚力影響較為 顯著。試驗資料表明，粘聚力隨變形速率的減小而顯著提高，而內(nèi)摩擦角隨變形速率的變化 很小。 綜上所述可以認為，得到高強度瀝青混合料的基本條件是：密實的礦物骨架，這可以通 過適當?shù)?/p>

36、選擇級配和使礦物顆粒最大限度地相互接近來取得；對所用的混合料、拌制和壓實 條件都適合的最佳瀝青用量；能與瀝青起化學吸附的活性礦料。 過多的瀝青量和礦物骨架空隙率的增大，都會使削弱瀝青混合料結構粘聚力的自由瀝青 量增多。上面已經(jīng)指出瀝青與礦粉在一定配比下的強度，可達到二元系統(tǒng)（瀝青與礦粉）的 最高值。這就是說，礦粉在混合料中的某種濃度下，能形成粘結相當牢固的空間結構。 應指出的是，最好的瀝青混合料結構，不是用最高強度來表示，而是所需要的合理強度。 這種強度應配合瀝青混合料在低溫下具有充分的變形能力以及耐浸蝕性。從這個角度來看， 也是有關瀝青混合料工藝的一個中心問題。 顯然，為使瀝青混合料產(chǎn)生最高

37、的強度，應設法使自由瀝青含量盡可能地少或完全沒有。 但是，必須有某種數(shù)量的自由瀝青，以保證應有的耐侵蝕性，以及瀝青混合料具有最佳的塑 性。 上面已經(jīng)指出，選擇空隙率最低的瀝青混合料的礦料級配，能降低自由瀝青量，因此許 多國家都規(guī)定了礦料最大空隙率。此外，自由瀝青量也取決于空隙的填滿程度。配比正確的 瀝青混合料中，被瀝青所充滿的顆粒之間的空隙容積，應不超過總空隙的80 一 85，以免 在溫膨升高時瀝青溢出。 這種可能性是因為瀝青比礦質材料具有更高的體積膨脹系數(shù)。除此之外，自由瀝青的填 滿程度過大，還會導致路面的附著力（摩阻力）降低。 瀝青混合料的拌制與壓實工藝的進一步完善，也能大大減少自由瀝青量

38、，并大大提高瀝 青混合料的結構強度； 6.4 提高瀝青混合料強度的措施 提高瀝青混合料的強度包括兩個方面：一是提高礦質骨料之間的嵌擠力與摩阻力；一是 提高瀝青與礦料之間的粘結力。 為了提高瀝青混合料的嵌擠力和摩阻力，要選用表面粗糙、形狀方正、有棱角的礦料，并 適當增加礦料的粗度。此外，合理地選擇混合料的結構類型和組成設計，對提高瀝青混合料 的強度也具有重要的作用。當然，混合料的結構類型和組成設計還必須根據(jù)穩(wěn)定性方面的要 求，結合瀝青材料的性質和當?shù)刈匀粭l件加以權衡確定。 提高瀝青混合料的粘聚力可以采取以下列措施： 改善礦料的級配組成， 以提高其壓實后的 密實度；增加礦粉含量；采用稠度較高的瀝青

39、；改善瀝青與礦料的物理 -化學性質及其相互作 用過程。 改善瀝青和礦料的物理 - 化學性質及其相互作用過程可以通過以下三個途徑： （1）改善瀝青的物理 - 化學性質可采用調整瀝青的組分，往瀝青中摻加表面活性物質或其他 添加劑等方法。 （2）改善礦料的物理 - 化學性質，可采用表面活性添加劑使礦料表面憎水化的方法； （3）對瀝青和礦料的物理 - 化學性質同時作用的方法。 下面著重從往瀝青中摻加表面活性物質和改善礦料表面性質， 以及改善瀝青與礦料之間的 相互作用兩個方面加以論述。 6.4.1 表面活性物質及其作用原理 表面活性物質是一種能降低表面張力且相應地吸附在該表面層的物質。表面活性物質大 都

40、具有兩親性質，由極性（親水的）基團和非極性基團兩部分組成，極性基團帶有偶極矩， 且激烈地表現(xiàn)力場，屬于此類基的有羥基、羧基和胺基等。極性基有水合作用能力，是親水 的、可溶的，且強烈地表現(xiàn)化合價力。非極性基是由具有弱副價力和偶極矩接近于零的碳氫 鏈或芳香族鏈所組成的分子鈍化部分，是憎水性的。 表面活性物質吸附在相界面上時，就形成定向分子層。此時，分子的極性基團定向于極 性較大的礦料表面，而烴基卻朝向外面。由于朝向外面的烴鏈很大，致使礦料表面（大多數(shù) 是親水的）產(chǎn)生憎水性。同時，當表面活性物質的極性基團與礦料表面上的吸附中心產(chǎn)生化 學鏈時，憎水效果就會大大增加。使用與該種礦物材料具有化學親和力的表

41、面活性物質，就 能達到這個目的。因此，相界面上表面活性物質分子的定向層，改變了表面的分子性質和相 互接觸相界的反應條件。表面活性物質的作用效果，隨烴鏈的長度增大而增大。 表面活性物質吸附在材料表面上并形成定向多分子的（有時是聚合的）分子層時，需要有 一定的時間。 吸附的速度尚取決于表面活性物質的分子擴散速度， 而對于分子量很大的物 質 尤其是這樣。 相間界面的特殊性質也決定瀝青 -礦料系統(tǒng)中表面活性物質的作用效果， 這首先 涉及到瀝青潤濕礦料條件的改變和瀝青層與礦料表面的粘結特性。 潤濕條件的改善是形成瀝青層和與礦料表面發(fā)生粘結的必要條件， 這對瀝青路面施工工藝 的改善起到重要的作用：如加速了

42、瀝青和礦料的拌和過程；提高了瀝青混合料的可壓實性； 降低了瀝青混合料拌制等各個環(huán)節(jié)的使用溫度。 采用表面活性物質達到的瀝青與礦料表面粘結力的改善， 極大地提高了瀝青路面的耐浸蝕 性，并且有助于擴大所用礦料的品種。 表面活性物質按其化學性質， 可以分為離子型和非離子型兩大類。 離子型表面活性物質， 又可分為陰離子型活性和陽離子型活性兩種基本形式。 陰離子型表面活性物質在水中離解時， 形成帶負電荷的表面活性離子 （陰離子）；陽離子型表面活性物質是帶正電荷的離子 （陽離子）。 因此，在陰離子型表面活性物質中，分子的烴基包含在陰離子組分內(nèi)；而在陽離子型表面活 性物質中，分子的烴基包含在陽離子組分內(nèi)。

43、為了改善瀝青與碳酸鹽礦料和堿性礦料（石灰石、白云石、玄武巖、輝綠巖等）的粘結 力，可使用陰離子型表面活性物質。在這類礦料表面上，可形成不溶于水的化合物（如羧酸 鈣皂），有助于加強與瀝青的粘結。 當使用酸性礦料（石英、花崗巖、正長巖、粗面巖等）時，可采用陽離子型表面活性物 質來改善其與瀝青的粘結。 高羧酸、高羧酸重金屬鹽和堿土金屬的鹽類（皂） ，以及高酚物質等，是陰離子型表面活 性物質的典型代表。高脂肪胺鹽、四代鉸堿等是典型的陽離子型表面活性物質。 煤塊、木柴、頁巖、泥灰石等固體燃料的樹脂中，含有陰離子型的表面活性物質（有機酸 和有機堿）。 當前，生產(chǎn)中常使用的陰離子型工業(yè)產(chǎn)品及其副產(chǎn)品有：油萃

44、取工廠的棉子樹脂（棉子渣 油）、合成脂肪酸的蒸餾釜殘渣、次級脂肪渣油（生產(chǎn)肥皂的副產(chǎn)品） 、煉油廠生產(chǎn)的氧化石 蠟油等。含羧酸鐵鹽的表面活性產(chǎn)品得到了某些發(fā)展。這種產(chǎn)品是用上述一種物質（如棉子 油渣、蒸餾釜殘渣等）與氯化鐵水溶液和增塑劑聚合而成的。 根據(jù)匈牙利的多保茲和蘇聯(lián)的畀.C 謝莫娜耶娃等人的研究，某些陽離子型表面活性物質， 例如高脂肪族胺，與酸性和堿性巖石礦料都能起化學反應，這類材料與各種礦料綜合反應的 性能而有很大前途。 表面活性物質摻入瀝青混合料的方法有兩種： 摻入瀝青中或灑在礦料表面上。 第一種方法 無疑在操作上比較方便，也可以直接在煉油廠將表面活性物質注入瀝青中，將表面活性物質

45、 摻到礦料表面上，雖然工藝比較繁瑣，可是它是一種有效的方法。 6.4.2 礦料表面的活化 許多研究表明，在往瀝青中摻加表面活性物質的同時， 用表面活性添加劑使礦料表面活化， 對提高瀝青混合料的強度可望獲得更好的效果。 用各種礦物鹽類（鈣鹽、鐵鹽、銅鹽、鉛鹽等）以及石灰、水泥等電解質水溶液活化礦料 表面，是以吸附理論和吸附層中的離子交換為基礎的。由于多價陽離子吸附在未補償陰離子 的礦料表面，或者在表面層的一價陽離子對兩個和三個陽離子交換的結果，減小了親水性， 而改善了其與瀝青之間相互作用的特性，為形成不溶于水的化合物的化學吸附創(chuàng)造了更好的 條件。 通常，礦料表面的改性處理有以下三個目的：改進礦料

46、與瀝青之間相互作用的條件； 改善吸附層中的瀝青性質；擴大礦料的使用品種和改善其性質。 特別值得注意的是，預先物理 -化學活化是能最有效地利用表面活性添加料的一種方法。 實踐證明，產(chǎn)生新表面的時刻是進行化學必性的最好時機，因為這時可以利用只有初生的表 面才具有的特殊能態(tài)。這種特殊的能態(tài)會強烈地激發(fā)表面的反應能力，有助于與各種改性的 活化劑起相互反應。這種反應在一般的材料加工條件下是有可能發(fā)生的。 利用初生表面所產(chǎn)生的效果與處理喪失了原有潛能的 “舊表面”所得到的效果是無法比擬 的。新表面的高度活性沒有及時而合理地利用時，也會引起相反的效果。這是因為初生表面 不論怎樣總要吸附各種物質，其中也包括影響以后與瀝青相互作用的物質。 利用初生表面的使用效果證明， 促使材料顆粒產(chǎn)生新表面在經(jīng)濟上是劃算的， 因為礦物材 料任何的破碎或磨細過