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第6章沥青与防水材料本章学习目标1.掌握沥青材料的基本组成、工程性质及测定方法；了解沥青的改性和掺配，了解主要沥青制品及其用途。2.掌握防水及堵水材料的主要类型及性能特点；沥青是一种土木工程中应用较多的有机胶凝材料，它是由一些极为复杂的高分子碳氢化合物及其非金属(氧、硫、氮等)衔生物所组成的棍合物，在常温下呈固体、半固体或稠液体的形态。沥青是憎水性材料，几乎不溶于水，且构造致密，具有良好的防水性；沥青能抵抗一般酸、碱、盐类等侵蚀性液体和气体的侵蚀，具有较强的抗腐蚀性；沥青能紧密粘附于矿物材料的表面，具有很好的粘结力；同时，它还具有一定的塑性，能适应基材的变形。因此，沥青被广泛应用于防水、防潮、防腐工程及道路工程、水工建筑等。沥青按产源分为以下品种10.1沥青与沥青混合料10.2防水涂料10.3防水卷材10.4密封材料10.1.1石油沥青石油沥青是石油原油经蒸馏提炼出各种轻质油(如汽油、柴油等)及润滑油后的残留物，再经加工而得的产品．颜色为褐色或黑褐色。采用不同产地的原油及不同的提炼加工方式，可以得到组成、性质各异的多种石油沥青品种。按用途不同将石油沥青分为道路石油沥青、建筑石油沥青、防水、防潮石油沥青和普通石油沥青。一.石油沥青的组分油沥青是由多种高分子碳氢化合物及其非金属(主要为氧、硫、氮等)衍生物组成的复杂混合物。因为沥青的化学组成复杂，对组成进行分析很困难，且其化学组成也不能反映出沥青性质的差异，所以一般不作沥青的化学分析。通常从使用角度出发，将沥青中按化学成分和物理力学性质相近的成分划分为若干个组，这些组就称为“组丛”。在沥青中各组丛含量的多寡与沥青的技术性质有着直接的关系。石油沥青的组丛如下：(1)油分(2)树脂(3)地沥青质(1)油分：油分为淡黄色至红褐色的油状液体，是沥青中分子量最小和密度最小的组分，在石油沥青中，油分的含量为40％一60％。油分赋予沥青以流动性。(2)树脂：树脂又称脂胶，为黄色至黑褐色半固体粘稠物质，分子量比油分大，沥青脂胶中绝大部分属于中性树脂。中性树脂能溶于三氯甲烷、汽油和苯等有机溶剂，但在酒精和丙酮中难溶解或溶解度很低。中性树脂含量增加，石油沥青的延度和粘结力等性能愈好。在石油沥青中，树脂的含量为15％一30％，它使石油沥青具有良好的塑性和粘结性此外，石油沥青中还含2％一3％的沥青碳和似碳物，为无定形的黑色固体粉末，它是在高温裂化，过度加热或深度氧化过程中脱氢而生成的，是石油沥青中分子量最大者。它会降低石油沥青的粘结力。石油沥青中还含有蜡，它会降低石油沥青的粘结性和塑性。同时对温度特别敏感(即温度稳定性差)。所以蜡是石油沥青的有害成分。(3)地沥青质地沥青质为深褐色至黑色固态无定形的超细颗粒固体粉末，分子量比树脂更大，不溶于汽油，但能溶于二硫化碳和四氯化碳中。地沥青质是决定石油沥青温度敏感性和粘性的重要组分。沥青中地沥青质含量在10％一30％。其含量愈多，则软化点愈高，粘性愈大，也愈硬脆。二.石油沥青的技术性质1．粘滞性石油沥青的粘滞性又称粘性或稠度，它是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性，是沥青材料软硬、稀稠程度的反映。各种石油沥青的粘滞性变化范围很大，粘滞性的大小与其组分及温度有关。当地沥青质含量较高，同时又有适量树脂，而油分含量较少时，则粘滞性较大；在一定温度范围内，当温度升高时，则粘滞性随之降低，反之则增大。粘滞性应以绝对粘度表示，但因其测定方法较复杂，故工程中常用相对粘度(条件粘度)来表示粘滞性，对使用粘稠(半固体或固体)的石油沥青用针入度表示，对液体石油沥青则用粘滞度表示。针入度(或粘滞度)是石油沥青的重要技术指标之一。针入度反映了石油沥青抵抗剪切变形的能力。针入度值越小，表明粘度越大。粘稠石油沥青的针入度是在规定温度(25℃)条件下，以规定重量(100g)的标准针，在规定时间(5s)内贯入试样中的深度表示，单位以1/10mm计。粘滞度是将一定量的液体沥青，在某温度下经一定直径的小孔流出50cm3所需的时间，以秒表示。常用符号“CdtT”表示粘滞度，其中d为小孔直径(mm)，t为试样温度，T为流出50cm3沥青的时间。d有10、5、3(mm)三种，t通常为25℃或60℃。2．塑性塑性指石油沥青在外力作用下产生变形而不破坏，除去外力后，仍能保持变形后的形状的性质。石油沥青的塑性与其组丛有关，当其中树脂含量较多，且其它组丛含量又适当时，则塑性较好。温度及沥青膜层厚度也影响塑性。温度升高，则塑性增大，当膜层增厚，塑性也增大，反之则塑性越差。当膜层薄至1m时，塑性近于消失，即接近于弹性。在常温下，塑性较好的沥青在产生裂缝时，也可能由于特有的粘塑性而自行愈合，故塑性也反映了沥青开裂后的自愈能力。沥青之所以能配制成性能良好的柔性防水材料，很大程度上决定于沥青的塑性。沥青的塑性对冲击振动荷载有—定吸收能力，并能减少摩擦时的噪声，故沥青是一种优良的道路路面材料。石油沥青的塑性用延度表示。延度愈大，塑性愈好。延度测定是把沥青制成“8”字形标准试件，置于延度仪内25℃水中，以5cm／min的速度拉伸，用拉断时的伸长度来表示，单位用cm计。延度也是石油沥青的重要技术指标之一。3．温度敏感性(感温性)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。由于沥青是一种高分子非品态热塑性物质，故没有一定的熔点。当温度升高时，沥青由固态或半固态逐渐软化，使沥青分于之间发生相对滑动，即产生粘性流动，称为粘流态。与此相反，随温度降低又逐渐由粘流态凝固为因态，甚至变硬变脆，成为玻璃态。建筑工程要求沥青随温度变化时，其粘滞性及塑性变化幅度应较小，即宜选用温度稳定性较高的沥青。石油沥青中地沥青质含量较多时，其温度敏感性较小。在工程使用时往往加入滑石粉、石灰石粉等矿物填料，以减小其温度敏感性。沥青中含蜡量较多时，则会产生温度较高(60℃左右)时就发生流淌，在温度较低时又易变硬开裂。温度敏感性以软化点指标表示。由于沥青材料从固态至液态有一定的变态间隔，故规定以其中某一状态作为从固态转变到粘流态的起点，相应的温度则称为沥青的软化点。软化点亦为石油沥青的重要技术指标。沥青软化点一般采用“环与球”法测定。它是把沥青试样装入规定尺寸(直径15．88mm，高6mm)的铜环内，试样上放置一标准钢球(直径9．5mm，重3．5g)，浸入水或甘油中，以规定的速度升温(5℃／min)，当沥青软化下垂至规定距离(25．4mm)时的温度即为其软化点，以摄氏度(℃)计。4．大气稳定性大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等大气因素的长期综合作用下抵抗老化的性能，也是沥青材料的耐久性。在大气因素的综合作用下，沥青中各组丛会发生不断递变，低分子化合物将逐步转变成高分子物质，即油分和树脂逐渐减少，而地沥青质逐渐增多。因此，石油沥青随着时间的进展，流动性和塑性将逐渐减小，硬脆性逐渐增大，直至脆裂。这个过程称为石油沥青的“老化”。所以大气稳定性即为沥青抵抗老化的性能。三.石油沥青的技术标准及选用1．石油沥青的分类与技术标准根据我国现行石油沥青标准，在工程建设中常用的石油沥青分道路石油沥青，建筑石油沥青，防水防潮石油沥青和普通石油沥青等四种，各品种按技术性质划分牌号。道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青都是按针入度指标来划分牌号的。在同一品种石油沥青材料中，牌号愈小，沥青愈硬；牌号愈大，沥青愈软。同时随着牌号增加，沥青的粘性减小(针入度增加)，塑性增加(延度增大)，而温度敏感性增大(软化点降低)。2．石油沥青的选用在选用沥青材料时，应根据工程性质(房屋、道路、防腐)及当地气候条件、所处工程部位(屋面、地下)来选用不同品种和牌号的沥青。道路石油沥青牌号较多，主要用于道路路面或车问地面等工程，一般拌制成沥青混凝土沥青拌合料或沥青砂浆等使用。道路石油沥青还可作密封材料、粘结剂及沥青涂料等。此时宜选用粘性较大和软化点较高的道路石油沥青，如60甲。建筑石油沥青粘性较大，耐热性较好，但塑性较小，主要用作制造油毡、油纸、防水涂料和沥青胶。它们绝大部分用于屋面及地下防水、沟槽防水、防腐蚀及管道防腐等工程。对于屋面防水工程，应注意防止过分软化。据高温季节测试，沥青屋面达到的表面温度比当地最高气温高25—30℃，为避免夏季流淌，屋面用沥青材料的软化点还应比当地气温下屋面可能达到的最高温度高20℃以上。例如某地区沥青屋面温度可达65℃，选用的沥青软化点应在85℃以上。但软化点也不宜选择过高，否则冬季低温易发生硬脆甚至开裂。对一些不易受温度影响的部位，可选用牌号较大的沥青普通石油沥青含蜡较多，其一般含量大于5％，有的高达20％以上(称多蜡石油沥青)，因而温度敏感性大，故在工程中不宜单独使用，只能与其它种类石油沥青掺配使用。3.石油沥青的掺配与稀释掺配沥青一般是指以同种沥青的不同标号按一定比例互相掺配而制成的沥青。施工中，若采用一种沥青不能满足配制沥青胶所要求的软化点时，可采用两种或三种沥青进行掺配。一般认为掺配时要注意同源，即用同属石油沥青或同属煤沥青来掺配。两种沥青掺配的比例可用下式估算：当沥青过于粘稠影响使用时，可以加入溶剂进行稀释，但必须采用同一产源的油料作稀释剂。如石油沥青采用汽油、煤油、柴油等石油产品系列的轻质油料作稀释剂，而煤沥青则采用煤焦油、重油等煤产品系列的油料作稀释剂。10.1.2煤沥青煤沥青是生产焦炭和煤气的副产物。烟煤在于馏过程中的挥发物质，经冷凝而成黑色粘性液体称为煤焦油，再经分馏加工提取轻油、中油、重油及葸油之后所得残渣即为煤沥青。根据蒸馏程度不同，煤沥青分为低温沥青、中温沥青和高温沥青三种。土木工程中所采用的煤沥青多为粘稠或半固体的低温沥青。煤沥青的主要组分为油分、脂胶、游离碳等，还含有少量酸、碱物质，与石油沥青相比，其具有如下特点：①温度敏感性较大其组分中所含可溶性树脂多，由固态或粘稠态转变为粘流态(或液态)的温度间隔较窄，夏天易软化流捎，冬天易脆裂。②大气稳定性较差所含挥发性成分和化学稳定性差的成分较多，在热、阳光、氧气等长期综合作用下，煤沥青的组成变化较大．易硬脆。③塑性较差所含游离碳较多，容易因变形而开裂。④因为含表面活性物质较多所以与矿料表面粘附力较强。⑤防腐性好煤沥青与石油沥青的外观和颜色大体相同，使用中必须注意区分，以防掺混使用而产生沉渣变质，失去胶凝性。二者简易鉴别方法见表11．3。因含有酚、惠等有毒性和臭味的物质，防腐能力较强，故适用于木材的防腐处理。但防水性不如石油沥青，因为酷易溶于水。施工中要遵守有关操作和劳保规定，防止中毒。10.1.3改性石油沥青改性沥青是掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂(改性剂)，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青混合料。矿物填料改性沥青在沥青中加入一定数量的矿物填充料，可以提高沥青的粘性和耐热性，减小沥青的温度敏感性，主要适用于生产沥青胶。矿物填料有粉状和纤维状两种，常用的填料有滑石粉、石灰石粉、硅藻土、石棉绒、云母粉、磨细砂、粉煤灰、水泥、商岭土、白垩粉等。掺入沥青中的矿物填料能被沥青包裹而形成稳定的混合物的前提是：①沥青能润湿矿物填料；②沥青与矿物填料之间具有较强的吸附力，并不为水所剥离。一般由共价键或分子键结合的矿物属憎水性(即亲抽性)的材料，如滑石粉等，对沥青的亲和力大于对水的亲和力，所以滑石粉颗粒表面所包裹的沥青不会被水所剥离。虽然由离子键结合的矿物屑亲水性矿物，不亲油，如碳酸盐、硅酸盐、云母等，但由于沥青中含有酸性树脂，它是一种表面活性物质，能够与矿物颗粒表面产生较强的物理吸附作用。故这些矿物填料也能与沥青形成稳定的混合物。但矿物掺量要适当，一般捶量为20％-40％时效果较好。橡胶改性沥青橡胶是石油沥青的重要改性材料，它与石油沥青有很好的混溶性，能使沥青兼具橡胶的很多优点，如高温变形性小，低温柔性好，克服了沥青热淌冷脆的缺点，提高了其强度、延伸率和耐老化性等。氯丁橡胶改性沥石油沥青中掺人氯丁橡胶后，可使其气