沥 青 材 料

第二章沥青材料道路建筑材料·沥青第一节沥青基础知识道路建筑材料·沥青道路建筑材料·沥青沥青定义：沥青是黑色或暗黑色固体、半固体或粘稠状物，由天然或人工制造而得，主要为高分烃类所组成，完全溶解于二硫化碳。沥青特点：1、憎水性材料，几乎完全不溶于水；2、本身结构致密，不吸水；3、与石料、砖、混凝土、木材等材料有较强粘结力；4、有良好的防潮、防水、抗渗性，及耐酸、碱、盐等腐蚀性。★沥青分类：石油沥青：地壳中的原油，经开采加工得到的沥青。可以从生产工艺中考虑。天然沥青：当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时，其中所含轻质部分蒸发，而残留物经氧化后成为天然沥青。焦油沥青：是煤、木材、页岩等有机物经干馏加工而得到的焦油再加工所得的产物。石油沥青的分类1、按加工方法：蒸馏沥青（最简单、最经济的方法）氧化沥青、溶剂沥青和调和沥青2、按沥青在常温下的稠度稠度沥青、液体沥青3、按用途分类道路沥青、建筑沥青、水工沥青、防腐沥青、其他沥青石油沥青的生产工艺溶剂膜溶剂沥青原油常压塔减压塔沥青直馏沥青氧化塔氧化沥青道路建筑材料·沥青石油沥青的组成与结构一、元素和组分1.石油沥青的元素组成石油沥青是十分复杂的烃类和非烃类的混合物，是石油中相对分子量最大、组成及结构最为复杂的部分。主要原子：C、H杂原子：S、N、O。微量金属元素：V、Ne、Fe、Na、Ca、Cu等。不同产地沥青性质差异非常大，但元素组成相近。——元素组成与性质无明显关联。道路建筑材料·沥青2．沥青的化学组分按物理和化学特性相近似的化合物集中为一个组分的分离方法将其分离为几个组分。（1）石油沥青的化学组成①三组分分离法道路建筑材料·沥青★主要组分特征在沥青中的主要作用油分胶质沥青质粘性液体，可溶于大部分溶剂，不溶于酒精粘稠半固体硬而脆的固体粉末油分↑流动性↑，粘性↓，温度感应性↑胶质↑塑性↑，温度感应性↑沥青质↑粘性↑，温度感应性↓塑性和韧性↓脆性↓★②四组分分离法色谱法：该方法分为两大步骤。第一步，用正庚烷使沥青中的沥青质沉淀并定量；第二步，对可溶分用中性氧化铝为吸附剂，在液固色谱柱中，以正庚烷（或石油醚）、甲苯、甲苯一乙醇（1：1）、甲苯—乙醇为冲剂，梯度冲洗出饱和分、芳香分和胶质馏分，分别除去溶剂后定量。（2）四组分的结构和特征①沥青质形态：固体粉末分子量：1000～100000颗粒粒径：5～30nm（1mm=103um=106nm）原子：C/H:1.6～2.8，绝大部分由C、H组成。含量：5～25％，石蜡基原油1％，中东原有生产的沥青5％。特点：随着沥青质含量的增加，沥青的粘结力、粘度增加，温度稳定性、硬度提高。针入度小、软化点高。道路建筑材料·沥青②胶质胶质赋予沥青以可塑性、流动性和粘结性，对沥青的延性、粘结力有很大的影响。形态：深棕色固体或半固体，极性很强。具有很好的粘附力。分子量：1000～50000颗粒粒径：1～5nm原子：C/H:1.3～1.4，大多由C、H组成，含少量的O、S、N。道路建筑材料·沥青③芳香族芳香族：是由沥青中最低的分子量的环烷芳香化合物组成，是胶溶沥青质的分散介质的主要部分。形态：深棕色的粘稠液体。含量：占沥青总量的20％～50％。分子量：300～2000④饱和分形态：稻草色或白色，稠状油类。含量：占沥青总量的5％～20％。分子量：300～2000作用：软化胶质和沥青质。道路建筑材料·沥青⑤蜡分蜡分：是指沥青除去沥青质和胶质后，在油分中含有的、经冷冻能结晶析出的，熔点在25℃以上的混合组分，其主要是高熔点的烃类混合物结构：结构较简单，正构烷烃及长烷基侧链的少环烃类为主。特点：高温易软化(使沥青黏度降低，温度敏感性增大)，低温延展性降低，影响沥青与矿料粘结，水稳性差。道路建筑材料·沥青二、沥青的胶体结构油分和胶质可以互相溶解，和沥青质互不相溶胶质能浸润沥青质，并在沥青质的超细颗粒表面形成树脂薄膜胶体结构溶质溶剂以沥青质为核心，周围吸附部分树脂溶有部分树脂的油分道路建筑材料·沥青1．溶胶型沥青沥青质的含量不多（小于10%），相对分子量不很大。特点：这类沥青对温度的变化敏感，高温时粘度很小，低温时由于粘度增大而使流动性变差，冷却时变为脆性固体。2．凝胶型沥青沥青质含量很大，达到或超过25%~30%，沥青质胶团会相互连结，形成三维网状结构，胶团在连续相中移动比较困难，此时就形成了凝胶型沥青。特点：这类沥青在常温下呈现非牛顿流动特性，并具有粘弹性和较好的温度稳定性。随着温度的升高，连续相的溶解能力增强，沥青质胶团可逐渐解缔，或胶质从沥青质吸附中心脱附下来。当温度足够高时，沥青的分散度加大，沥青则又可近似真溶液而具有牛顿流特性。道路建筑材料·沥青3．溶—凝胶型沥青概念：当沥青或沥青质中含有较多的烷基侧链，生成的胶团结构比较松散，可能含有一些开式网状结构，网状结构的形成与温度密切相关，在常温时，在变形的最初阶段表现出明显的弹性效应，但在变形增加至一定阶段时，则表现为牛顿液体状态。特点：高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的形变能力。第二节石油沥青的技术性质道路建筑材料·沥青★道路建筑材料·沥青一、沥青的物理性质（了解）1．密度概念：沥青密度是在规定温度（15oC）下单位体积所具有的质量（kg/m3或g/cm3）。也可用相对密度表示，相对密度是指在规定温度下，沥青质量与同体积的水质量之比值。影响因素：沥青的相对密度与沥青的化学组成有密切的关系，它取决于沥青各组分的比例及排列的紧密程度。用处：质量与体积之间互相换算参数；沥青混合料配合比设计的重要参数；在沥青使用、贮存、运输、销售和设计沥青容器时也是不可缺少的数据。特点：密度随温度的升高而降低，体积膨胀。道路建筑材料·沥青2．体膨胀系数概念：当温度上升时，沥青材料的体积发生膨胀。作用：对于沥青与储罐的设计和沥青作为填缝、密封材料是十分重要的数据；与沥青路面的路用性能也有密切的关系，体膨胀系数越大，沥青路面在夏季易泛油，冬季因收缩而产生裂缝。计算：沥青的体膨胀系数可以通过测定不同温度下的密度，由式（2-2）计算。(2-2)式中：A——沥青的体膨胀系数；T1,T2——密度测试温度，℃；DT1,DT2——分别为温度T1和T2时的密度，g/cm3。二、沥青的路用性能1.粘滞性(粘性)定义：是指沥青材料在外力作用下沥青粒子产生相互位移的抵抗剪切变形的能力。反映了材料软硬、稀稠及密实程度。影响因素：组成结构沥青质↑，粘性↑温度温度↑，粘性↓表示方法：1）对半固体或固体的石油沥青用针入度表示指标特性：针入度值愈大，表示沥青愈软（稠度愈小）。实质上，针入度是测量沥青稠度的一种指标。通常稠度高的沥青，其粘度亦高。针入度PT,m,t，（T，温度；m，质量；t，时间）量纲0.1mm标准粘度计法。我国现行试验法测定液体石油沥青、煤沥青和乳化沥青等粘度，采用道路标准粘度计法。试验方法：液态沥青在标准粘度计中，于规定的温度条件下，通过规定流孔直径流出50ml体积所需时间。温度和孔径根据粘度选择，常用的有3,4,5和10mm等4种。在相同温度和流孔条件下，流出时间愈长，沥青粘度愈大。2）对液体石油沥青用粘度表示常用符号来表示2.延性（塑性）概念：沥青的延性是指当其受到外力的拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力，是沥青的内聚力的衡量。影响因素：组成结构树脂↑，塑性↑温度温度↑，塑性↑沥青的塑性对冲击振动荷载有一定吸收能力，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。表示方法：延度延度越大，塑性越好延度试验3．沥青的感温性概念：沥青是复杂的胶体结构，粘度随温度的不同而产生明显的变化，这种粘度随温度变化的感应性称为感温性。影响因素：意义：对于路用沥青，温度和粘度的关系是极其重要的性能。沥青混合料在施工过程中的拌和、摊铺和碾压以及铺筑后的使用期间，都要求沥青的粘度在适当的范围之内，否则将影响沥青路面的质量。组成结构沥青质↑，感温性↓石蜡量↑，感温性↑25.4mm3.5g软化点试验(Softeningpoint)环与球法软化点。沥青试样注于内径为18.9mm的铜环中，环上置一重3.5g的钢球，在规定的加热速度（5℃/min）下进行加热，沥青试样逐渐软化，直至在钢球荷重作用下，使沥青产生25.4mm挠度时的温度，称为软化点。表示方法：软化点软化点试验5．沥青的耐久性（抗老化性）概念：石油沥青在使用的过程中受到储运、加热、拌合、摊铺、碾压、交通荷载以及光、热、氧气和潮湿等的作用而能抵抗老化的性能。老化原因：在大气因素的综合作用下，沥青中各组分会发生递变，低分子化合物→高分子化合物缓慢速度快即：油分→树脂→沥青质随着时间↑，流动性↓，塑性↓，粘性↑，逐渐硬脆，直至脆裂。这个过程称为沥青的“老化”小结：石油沥青的各项技术指标中，针入度、延度、软化点合称为三大指标。一、填空题1、道路粘稠石油沥青的“三大指标”指的是、和，其表征的技术性质分别为、和，其单位分别为、和。2、沥青的粘滞性对于粘稠沥青用表示，液体沥青用表示。3、石油沥青的结构有、和三种类型。课堂训练二、选择题1、以下（）不是沥青所具有的特点。A、具有良好的憎水性B、具有良好的粘结性C、具有较大的塑性变形D、具有较高的抗压强度2、以下（）不是按原油加工方法分类得到的沥青。A、直馏沥青B、氧化沥青C、乳化沥青D、溶剂沥青3、三组分分析法将沥青分成的组分中不包括（）。A、油分B、树脂C、沥青质D、石蜡4、沥青中的油分使沥青具有（）。A、流动性B、塑性C、粘附性D、热稳定性三、判断题1、（）90号沥青比70号沥青软。2、（）石油沥青中，石蜡含量越丰富，沥青路用性能越好。4、（）沥青老化后，其针入度、延度减小，而软化点升高。5、（）粘稠石油沥青针入度越大则软化点越大一、填空题1、针入度、延度、软化点、粘滞性、塑性、温度稳定性、0.1mm、cm、℃2、针入度、粘度3、凝胶结构、溶胶结构、溶凝胶结构课堂训练答案二、选择题1、D2、C3、D4、A三、判断题1、√2、×4、√5、×本章小结道路建筑材料·沥青石油沥青是石油经炼制加工后获得的一种具有胶结性能的道路建筑材料，在道路路面结构工程中应用广泛。石油沥青是复杂的高分子化合物，可分离为饱和分、芳香分、胶质和沥青质等几个组分。根据这些组分结构和含最的不同，可将沥青分为溶胶、溶凝胶和凝胶等三种胶体结构，沥青的胶体结构与沥青的路用性能有密切关系。沥青具有粘滞性、塑性、感温性等一系列特性。通过学习应掌握这些特性及其测试方法，更好地应用沥青材料。