第七章沥青材料

第 8章 沥青和沥青混合料 主要内容：石油沥青的生产工艺 石油沥青的组成和结构 石灰的技术性质 重点内容：石油沥青的组成和结构 石油沥青的三大指标 难 点：石油沥青的组分分析 石油沥青的胶体结构 石油沥青的三大指标1 要 求 ：掌握石油沥青的组成和结构 掌握石油沥青的技术性质 参考资料：土木工程材料陈志源 道路建筑材料严家伋 道路建筑材料孙 凌 沥青及沥青混合料路用性能 沥青及沥青混合料试验规程2 沥青材料是由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属（氧、硫，氮）的衍生物所组成的混合物。 沥青材料按其在自然界中的获得方式可分为二大类：地沥青、焦油沥青。 地壳中的石油，在各种自然因素的作用下，经过轻质油分蒸发、氧化和缩聚作用，最后形成的天然产物，称 “天然沥青 ”，石油经各种炼制工艺的加工而得到的沥青产品，称 “石油沥青 ”。 3 沥青作为一种有机胶凝材料，具有良好的粘性、塑性、耐腐蚀性和憎水性，在建筑工程中主要用做防潮、防水、防腐蚀材料，用于屋面、地下防水工程以及其它防水工程和防腐工程，沥青还大量用于道路工程。 8.1石油沥青 8.1.1石油沥青的生产工艺 石油沥青是石油原油经蒸馏提炼出各种轻质油 (如汽油、煤油、柴油等 )及润滑油以后的残留物，或再经加工而得的产品。4蒸馏法直馏沥青，直馏沥青因为仅分馏出一些轻质油品，具化学组分并未发生化学变化，它与氧化沥青相比，温度稳定性和气候稳定性较差。 .氧化法氧化沥青软化点升高，针入度减小，延度降低。溶剂法溶剂沥青可获得兼具高温稳定性和低温抗裂性 5 8.1.2石油沥青的组成 和结构1.化学组分化学组分分析就是将沥青分离为几个化学性质相近，而且与路用性质有一定联系的组，这些组就称为 “组分 ”。 组分分析方法沥青组分分析的方法：溶剂法：将沥青分离为油分、树脂和沥青质等三组分。溶剂一吸附法6 （ 1） 三组分分析法 是将石油沥青分离为油分、树脂和沥青质三个组分。其组分性状如下。 石油沥青三组分分析法的各组分性状 油分 淡黄色透明液体 200 700 0.5 0.745 60几乎溶于大部分有机溶剂，具有光学活性，常发现有荧光，相对密度约 0.7 1.0 树脂 红褐色粘稠半固体 800 3 000 0.7 0.815 30温度敏感性高，熔点低于 100 ，相对密度大于 1.0 1.1 沥青质 深褐色固体微粒 1 000 5 000 0.8 1.0530加热不熔化而碳化，相对密度 1.1 1.57 油分赋予沥青以流动性，油分含量的多少直接影响沥青的柔软性、抗裂性及施工难度。油分在一定条件下可以转化为树脂甚至沥青质。树脂又分为 中性树脂和酸性树脂 ，中性树脂使沥青具有一定塑性、可流动性和粘结性，其含量增加，沥青的粘聚力和延伸性增加。沥青树脂中还含有少量的酸性树脂，它是沥青中活性最大的部分，能改善沥青对矿质材料的浸润性，特别是提高了与碳酸盐类岩石的粘附性，增加了沥青的可乳化性。8 沥青质决定着沥青的粘结力、粘度和温度稳定性，以及沥青的硬度、软化点等。沥青质含量增加时，沥青的粘度和粘结力增加，硬度和温度稳定性提高。 三组分分析的优点是组分界限很明确，组分含量能在一定程度上说明它的工程性能，但是它的主要缺点是分析流程复杂，分析时间很长。9 （ 2）四组分分析法 是将沥青分离为 沥青质、饱和分、芳香分和胶质。 其组分性状 饱和分 无色液体 0.89625烷烃、环烷烃 芳香分 黄色至红色液体 0.99730 芳香烃、含 S衍生物 胶质 棕色粘稠液体 1.09970多环结构，含 S、 O、 N衍生物 沥青质 深棕色至黑色固体 1.153400缩合环结构，含 S、 O、 N衍生物 10按照四组分分析法，各组分对沥青性质的影响，根据科尔贝特的研究认为：饱和分含量增加，可使沥青稠度降低（针入度增大）；树脂含量增大，可使沥青的延性增加；在有饱和分存在的条件下，沥青质含量增加，可使沥青获得低的感温性；树脂和沥青质的含量增加，可使沥青的粘度提高。 色谱分析法：三组分、四组分法，色谱分析法：三组分、四组分法， 四组分法四组分法 ：沥青质沥青质 沥青中不溶于正庚烷的组分沥青中不溶于正庚烷的组分饱和分饱和分 将可溶分（即软沥青质）吸附于氧化铝谱将可溶分（即软沥青质）吸附于氧化铝谱柱上，被正庚烷洗释的组分。 柱上，被正庚烷洗释的组分。 芳香分芳香分 被甲苯洗释的组分。被甲苯洗释的组分。胶质胶质 甲苯一乙醇洗释的组分。甲苯一乙醇洗释的组分。 11 2.石油沥青的胶体结构沥青的胶体结构是以沥青质为胶核，胶质分被吸附其表面，并逐渐向外扩散形成胶团，胶团再分散于芳香分和饱和分中。122.沥青的胶体结构与性能 从图 8-2可见，黑色为沥青质，随沥青质含量增加，沥青的胶体结构从溶胶结构变为溶 -凝胶结构，再变为 凝胶结构 。当地沥青质含量相对教少时，油分和树脂含量相对较高，胶团外膜较厚，胶团之间相对运动较自由。这时沥青形成 溶胶结构 。当地沥青质含量较多而油分和树脂较少时，胶团外膜较薄，胶团靠近聚集，移动比较困难，这时沥青形成凝胶结构。当地沥青质含量适当，并有较多的树脂作为保护膜层时，胶团之间保持一定的吸引力，这时沥青 形成溶胶凝胶结构 。其性能可作如下对比：13n 溶胶结构溶胶结构 在路用性质上具有较好的自愈性和在路用性质上具有较好的自愈性和低温变形能力，但温度感应性较差。低温变形能力，但温度感应性较差。n 溶一凝胶结构溶一凝胶结构 在路用性能，在高温时具有较在路用性能，在高温时具有较低的感温性，低温时又有较好的形变能力。低的感温性，低温时又有较好的形变能力。n 凝胶结构凝胶结构 在路用性能上，具有较低的温度感在路用性能上，具有较低的温度感应性，但低温变形能力较差。应性，但低温变形能力较差。 14 具有溶胶结构的石油沥青粘性小而流动性大，温度稳定性较差。 具有凝胶结构的石油沥青弹性和粘结性较高，温度稳定性较好，但塑性较差。 溶胶凝胶型石油沥青的性质介于溶胶型和凝胶型两者之间。15 当地沥青质含量适当，并有较多的树脂作为保护膜层时，胶团之间保持一定的吸引力，这时沥青形成 溶胶 凝胶结构 。溶胶 凝胶型石油沥青的性质介于溶胶型和凝胶型两者之间。 8 1 3 石油沥青的技术性质 1 .粘滞性 (粘性 ) 石油沥青的粘滞性是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性。是划分沥青牌号的主要技术指标。16沥青粘滞度及针入度测定示意图17沥青针入度仪1819 2.塑性 塑性是指石油沥青在外力作用时产生变形而不破坏，除去外力后仍保持变形后的形状不变的性质 石油沥青的塑性用延度指标表示 。沥青延度是把沥青试样制成八字形标准试件 (中间最小截面积为 lcm2)， 在规定的拉伸速度 (5cm min)和规定温度 (25 )下拉断时的伸长长度，以 cm为单位。延度值愈大，表示沥青塑性愈好。20沥青延度仪及模具21沥青延度及软化点测定示意图22 一般，沥青中油分和地沥青质适量，树脂含量越多，延度越大，塑性越好。温度升高，沥青的塑性随之增大 3. 温度敏感性 温度敏感性是指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能，是沥青的重要指标之一。 温度敏感性用软化点指标衡量。 软化点是指沥青由固态转变为具有一定流动性膏体的温度，可采用环球法测定 (见图 )。23沥青软化点测定仪24软化点测定仪25 它是把沥青试样装入规定尺寸 (直径约 16mm， 高约 6mm)的铜环内。试样上放置一标准钢球 (直径 9.53mm， 质量 3.5g)， 浸入水中或甘油中，以规定的升温速度 (5 min)加热，使沥青软化下垂。当沥青下垂量达 25.4mm时的温度 ( )，即为沥青软化点。软化点越高，表明沥青的耐热性越好，即温度稳定性越好。沥青软化点不能太低，不然夏季易融化发软；但也不能太高，否则不易施工，并且质地太硬，冬季易发生脆裂现象。26 4 .大气稳定性 大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能。 在大气因素的综合作用下，沥青中的低分子量向高分子量组分转化递变，油分一树脂一地沥青质。由于树脂向地沥青质转化的速度要比油分变为树脂的速度快得多，因此石油沥青会随时间进展而变硬变脆，亦即 “老化”。石油沥青的大气稳定性以沥青试样在加热蒸发前后的 “蒸发损失百分率 ”和 “蒸发后针入度比 ”来评定 。蒸发损失百分率愈小，蒸发后针入度比愈大，则表示沥青大气稳定性愈好，亦即 “老化 ”愈慢。27 .沥青的蒸发损失试验 (中、轻交通量用道路粘稠石油沥青 )： 将 50g的沥青试样装入盛样皿（筒状，内径 55mm， 深 35mm） 内，置于烘箱中，在 163下保持受热时间 5h， 冷却。测定质量损失，并测定残留物的针 入 度。沥青薄膜加热试验 (重交通量用道路粘稠石油沥青 )是 3.2mm厚度的试样在规定温度条件下，经规定时间加 热，测定试验前后沥青质量和性质变化的试验。28 5.安全性 沥青的 闪点 是试样在规定的克利夫兰开口杯盛样器内，按规定的升温速度受热时所蒸发的气体，以规定的方法与试焰接触，初次发生一瞬即灭的火焰时的试样温度，以 表示。 沥青的 燃点 是试样继续受热时，蒸气接触火焰能持续燃烧时间不少于时的试样温度，以 表示，沥青材料在使用时必须加热，加热温度必须低于闪点。 6.溶解度 7.含水量 8.非常规的其它性能 （）针入度指数针入度指数是根据沥青在 25 的针入度值（0.1mm） 和软化点（ ）来表达沥青感温性和胶体结构的流变学参数。 29 按针入度指数可将沥青划分为三种