設計瀝青含量

瀝青是一種黑色高黏性或固體狀碳氫化合物。用於建造柏油馬路、防水屋頂等。從石油蒸餾殘渣或瀝青湖表面沉積物中得到，原油中較輕部分蒸發後在表面留下沉澱。

瀝青含量對應力應變、破壞偏應力、抗剪強度、切線模量係數、蠕變都有著重要影響，所以在實施工程中設計瀝青含量是非常重要的。

基本介紹

• 中文名：設計瀝青含量
• 外文名：Design asphalt content
• 科目：土木工程
• 對象：瀝青
• 影響對象：破壞偏應力等
• 檢測方法：燃燒法

瀝青

瀝青是由分子量較大的種種烴類混合物所構成的一種膠狀物質，這種膠狀物質由粒子極細的高分子柏油精、油性成分及柏油樹脂等所組合而成。柏油精為一種黑褐色粉末狀碳氫化合物。存在於石油中的柏油精，可能是原料中的環烷烴或芳香烴長久以來受到地壓及地熱作用，產生聚合或縮合反應生成的。油性成分含有長鏈飽和烴和環烷烴化合物，同時兼含有少量蠟及萘類化合物，其粘性、比重、沸點都較潤滑油高。油性成分在瀝青組成中作為分散媒，可使粒子極細的高分子柏油精在保護膠作用下，分散於柏油樹脂及油性成分所構成的混合物中。

可分為人工製造的煉製瀝青和天然形成的天然瀝青。天然瀝青是由環烷基原油溢出地表面，其中的輕質成分逸散以後形成的。天然瀝青的產量很有限，現在世界各地所用的瀝青，幾乎全部用原油煉製瀝青。製造瀝青所使用的原油為富含瀝青成分的環烷基原油和混合基原油。這樣人工製造的瀝青，俗稱為柏油。

柏油樹脂是一種呈黑褐色、粘性甚強的膠狀化合物，在瀝青中作為保護膠體，保證柏油精在油性成分中的穩定懸浮，構成膠體溶液。

柏油由於不同的提煉方法，可分為3種：直餾柏油。用減壓及蒸汽的作用，在短時間內由原料中分離出瀝青成分所得的產品。

吹煉柏油。利用熱空氣將蒸餾殘渣油氧化，使其聚合成高分子量而安定性高的柏油。

溶劑萃取柏油。用溶劑萃取原料油中的非柏油成分，而留下的瀝青成分。

瀝青含量

瀝青在乳化瀝青中的含量，一般是根據瀝青乳液的用途而定，一般很少低於30%或高於70%。瀝青含量最大限度主要取決於瀝青乳液中兩相體積比。當瀝青含量接近上限時，瀝青乳液的類型如不改變，將沒有足夠的空間來容納更多的瀝青微粒。再增加瀝青含量，其瀝青微粒靠近的很緊密，以造成相互問粘結在一起，最後原瀝青微粒間的水變成小的水粒，瀝青乳液會發生轉相，變成油包水型乳化瀝青，或稱反轉瀝青乳液。

這種反轉瀝青乳液具有瀝青的性質，黏度很高。瀝青含量在70%～80%的乳化瀝青，主要取決於瀝青顆粒的大小分布。

假設瀝青乳液中的粒徑一定，排列最密實的充填形式時，空隙率將為最小。空隙率僅為25.95%時，瀝青含量為74.05%，這是理論的臨界濃度用量。此時改變瀝青的用量，可改變乳化瀝青的類型，增加瀝青用量可使O/W型變型為W/O型。從中可以理解，生產高濃度乳化瀝青並不是那么簡單容易。

在實際生產中，乳化瀝青中的瀝青含量以70%為高濃度界限，要達到這么高的濃度有一定的難度。

意義與重要性

最佳含量瀝青的確定是瀝青混合料配合比設計的重要內容之一，我國瀝青混合料現行的配合比設計方法是馬歇爾試驗法，其目標配合比設計階段確定最佳瀝青含量的過程是，在礦料級配已確定的情況下，依據密度、穩定度、空隙率、流值及瀝青飽和度等試驗指標及其相應的標準來進行。試驗時，按規定，一般以0. 5%的間隔擬定5個瀝青含量，然後製備馬歇爾試件依次測試上述指標。通常情況下，儘管製作兩組試件即可測得這些指標，但由於每組試件個數一般不能少於4個，且需製作5個瀝青含量的試件，從而使得製件、測試的工作量很大;特別是，若需要同時進行若干個級配的試驗，還會使試驗周期拉得過長。因此，如何減少試驗工作量，但又不影響最佳瀝青含量的最終設計結果是值得積極探索的問題。考慮到最佳瀝青含量不過是上述較大瀝青含量範圍內的一個點值，所以，如果先不通過馬歇爾試驗，而依據相關的技術標準要求，通過估算的方法把這個點值所處的較小範圍找到，然後在此較小的範圍內再進行馬歇爾試驗，進一步確定最佳瀝青含量，那么就可大大減少試驗工作量，對瀝青混合料的組成設計具有重要的工程意義。

確定瀝青混合料的瀝青含量從本質上講是設計一個合理的瀝青膜厚度。通常認為，混合料中有效瀝青的瀝青膜太薄固然不行，但太厚了將使游離的自由瀝青太多，成為集料產生相對位移的潤滑劑。瀝青混合料瀝青的用量，對瀝青混合料的路用性能影響也非常大。當瀝青用量很少．不足以形成結構瀝青的薄膜來粘接礦料顆粒，隨著瀝青用量的增加，結構瀝青逐漸形成，使瀝青與礦料之間的黏附力隨著瀝青用量的增加而增加。當瀝青用量足以形成薄膜並充分黏附在礦粉顆粒表面時，瀝青膠漿具有最高的黏附力。隨後，如瀝青用量過多，逐漸將礦粉顆粒推開，在顆粒問形成未與礦粉互動作用的“自由瀝青”，則瀝青膠漿的粘接力隨著自由瀝青的增加而降低。當瀝青用量增加到某一用量時，瀝青混合料的粘接力主要取決於自由瀝青。隨著瀝青用量的增加，瀝青不僅起著粘接劑的作用，而且起著潤滑劑的作用，從而降低了粗級料的相互密排作用，也減小了瀝青混合料的內摩擦角。因此，瀝青用量應控制在一個合理的範圍內，最佳瀝青用量也是配合比設計中一項重要工作。

檢測方法

瀝青混合料中常用瀝青含量的檢測方法有離心分離法、燃燒爐法及射線法等。

離心分離法

原理和適用範圍：

離心分離法適用於熱拌熱鋪瀝青混合料路面施工時的瀝青用量檢測，以評定拌合廠產品質量。此法也適用於舊路調查時檢測瀝青混合料的瀝青用量，用此方法抽提的瀝青溶液可用於回收瀝青，以評定瀝青的老化性質。

離心分離法原理是1000～1500g（粗粒式瀝青混合料用高限，中粒式瀝青用中限，細粒式用低限）的定量瀝青混合料置於儀器旋轉鍋（離心分離器）內，向分離器內注入三氯乙烯，使溶劑浸沒試樣，記錄溶劑用量；將已稱重的圓環形潔淨濾紙墊裝在分離器邊緣上，加蓋堅固；在分離器出口放置回收瓶，上口應注意密封，防止流出；開動離心器，使盛有試樣的離心器轉速逐漸增至3000r/min。在離心作用下，被溶解的瀝青與溶劑一起透過濾紙被甩出，然後再加入溶劑。如此反覆直至流出的溶液呈清澈的淡黃色為止，一般約需4～5次。用此方法抽提的瀝青溶液中，不可能不混入少量的能通過濾紙的細礦粉成分。為準確測定瀝青含量，在用壓力過濾器時，可用燃燒法測定。

射線法

射線法用於黏稠石油瀝青拌制的熱拌瀝青混合料中瀝青含量（或油石比），不適用於其他瀝青拌制的混合料。

1)檢測的儀器

(1)射線法瀝青含量測定儀：符合放射性安全規定。

(2)試樣容器：射線法瀝青含量測定儀的規定附屬檔案。

(3)磅秤或天平、木板、瀝青混合料拌和機鐵鏟大號金屬盤，烘箱，溫度計等。

2)檢測的步驟

(1)瀝青含量測定儀參數標定。

①用檢測對象的實際材料按施工要求的礦料配合比配合礦料，在烘箱中加熱。

②準備施工實際使用的瀝青試樣，按設計瀝青用量，加熱到要求的拌和溫度。

③從小的瀝青用量開始分別用瀝青混合料拌和機拌和。

④按儀器說明書要求稱取瀝青混合料裝入試樣容器中壓實，用木板壓平放進射線法瀝青含量測定儀中，用16 min測定時間測定標定參數。儀器應放在木製儀器箱上方，並遠離水源。

⑤重複上述步驟，每次增加所需瀝青用量，將每一檔瀝青用量的混合料進行測定，得出標定參數，儲存入試驗儀器中。

(2)在拌和廠從運料卡車上採取欲檢測的瀝青混合料試樣。

(3)按儀器操作說明書要求立即將熱瀝青混合料分別裝入2個試樣容器，稱取質量，使之符合規定取樣量，並量測瀝青混合料溫度。

(4)用木板壓緊瀝青混合料，達到規定的體積。

(5)依次將試樣容器放入瀝青含量測定儀中，開動儀器，輸入試樣號、瀝青混合料溫度、標定的瀝青混合料編號或標定參數，進行測定，測定一段時間後，測定儀自動顯示瀝青含量（或油石比）。

(6)瀝青含量測定儀測定時的放置條件應與標定時相同，挪動測定地點時，應重新標定後方可測定，測定時的瀝青混合料數量應與標定時相同，混合料溫度應接近標定溫度，顯示的數據是瀝青含量還是油石比與標定用的相同。

燃燒爐法

瀝青混合料主要由2類物質所構成：一類為無機物，由粗細、集料和填料（如礦粉等）組成，統稱為集料；另一類為有機物，即瀝青。
瀝青主要由碳氫化合物及其衍生物所構成，可燃，且灰份質量很小（在試驗過程中可以忽略不計）。集料則不可燃燒 將瀝青混合料放入設定為一定溫度的燃燒爐內充分燃燒，可燃的瀝青被燒掉，只留下不可燃燒的無機礦物質，從而達到油石分離的目的。

燃燒爐的開發與研究，在美國、英國及歐盟已有較長時間，並得到了大規模的套用。美國於1 990年就由NCAT對瀝青混合料燃燒法進行了研究，ASTM已將燃燒法列為其標準規範，對於瀝青含量的測定，45%的SUl，erpave T程採用NCAT燃燒試驗，30%使用核子儀，其餘使用溶劑離心法抽提等方法。

我國現行的《公路T程瀝青及瀝青混凝土試驗規程》，對於瀝青含量試驗方法有：射線法、離心分離法、回流式抽提儀法、脂肪抽提儀法，燃燒法還未列入試驗規程，但國內許多省份的試驗檢測機構與生產單位紛紛開始使用該方法，北京地區的城建攪拌站、市政攪拌站等單位已開始使用該方法進行生產質量控制，在實際使用巾取得了較好的效果。

瀝青含量對應力應變的影響

瀝青混凝土的物理力學性質和溫度有著密切的關係，在溫度小於或等於。℃時瀝青表現為脆性，如果溫度升高，瀝青的性質則由脆性向茹彈性轉變。此次研究表明：在室溫下，瀝青混凝土中瀝青含量的多少對其應力應變曲線形態有著重要的影響。由圖1可以看出，在瀝青含量B為8. 5%時，曲線形態呈現出了應力軟化的現象；瀝青含量B為10. 5%及12 5%時，應力應變曲線則呈現出應力硬化的現象。應力硬化型的曲線形態對瀝青混凝土心牆的穩定較為有利。因此在瀝青混凝土施工前應對不同瀝青含量的瀝青混凝土試件進行充分試驗，找到一個既滿足變形要求又經濟合理的瀝青配比，按上述標準對3種瀝青含量的應力應變曲線比較得出，10. 5%的瀝青含量為最佳配比。

瀝青含量對破壞偏應力的影響

在瀝青混凝土中，作為膠結材料的瀝青起到了粘結粗細骨料及充填骨料之間孔隙的作用，瀝青含量的多少直接影響到其應力應變曲線形態。試件破壞偏應力按以下要求進行取值，對於有峰值的曲線取峰值點作為試件的破壞偏應力；對於無明顯峰值的曲線需根據工程允許應變進行取值，此次試驗取應變為10%的應力做為破壞偏應力。在相同試驗圍壓及相同溫度下，試件的破壞偏應力f隨瀝青含量的增加而呈現出先增加後減小的趨勢，並且曲線上有明顯的峰值點，這種現象出現的原因和瀝青在常溫下的茹彈性性質有關。由於瀝青的這種茹彈性，使得瀝青混凝土中的瀝青充當著兩種角色，一種是粘結劑的作用，一種是在試件發生剪下位移時所起的潤滑作用。因此在考慮瀝青混凝土的瀝青配比的時候，要考慮到較多的瀝青含量會增加骨料之間的潤滑作用，從而導致其峰值應力降低。

瀝青含量對抗剪強度的影響

瀝青含量對瀝青混凝土抗剪強度的影響可以從兩方面來討論，對試件茹聚力的影響及對內摩擦角甲的影響。在相同溫度下，瀝青混凝土的茹聚力隨瀝青含量的增加而減小，內摩擦角則隨瀝青含量的增加而呈現出先增加後減小的趨勢。茹聚力隨瀝青含量的變化規律是由於在常溫下瀝青在骨料間的潤滑作用所導致；內摩擦角隨瀝青含量的變化規律和瀝青兩種作用有密切關係。在瀝青配比較少時，瀝青混凝土試件內部存在著較多的孔隙，試件密實度較低，因此其內摩擦角較小，隨著瀝青的含量逐漸增加，試件內部孔隙被瀝青完全填充，試件的密實度提高，試件的抗剪強度得到提高。但瀝青含量並不是越多越好，過量的瀝青含量會導致顆粒間瀝青膜的厚度增加，瀝青膜越厚骨料間的接觸越少，從而引起內摩擦角的降低。有研究指出，瀝青膜厚對瀝青混凝土的工程性能的影響與混合料的級配有著很大關係，不同級配的瀝青混合料存在著不同最佳瀝青膜厚度。

瀝青含量對切線模量係數的影響

試件切線模量，的大小受到多種因素的影響，在其影響因素中，試件的圍壓是個變數，由於這種原因導致了試件的切線模量隨受力條件的不同而變化，因此研究瀝青含量對瀝青混凝土切線模量，的影響較為複雜和困難。切線模量係數不受到圍壓的影響且對切線模量影響較大，因此可以通過對切線模量係數的研究來反映某種條件下切線模量，隨瀝青含量的變化規律。切線模量係數隨瀝青含量的增加而降低且在瀝青含量為10. 5%~ 12. 5%的曲線段降低速率加快，這也是和瀝青膜厚度變化有關。

瀝青含量對蠕變的影響

當溫度和受力條件一定時，蠕變隨著瀝青含量的增加而增大，呈非線性關係；蠕變速率增加的比例明顯大於瀝青含量增加的比例，當加荷時間較長時尤為明顯；瀝青含量為10. 5%後的曲線段較之前的曲線段明顯陡峭。因此瀝青混凝土工程在瀝青配比的選用上，應充分考慮蠕變隨瀝青含量的變化規律，在保證瀝青混凝土試件密實度的情況下應選擇較小的瀝青配比，以保證其蠕變較小。