第6章-沥青与沥青混合料--清华版土木工程材料

清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（第六章沥青与沥青混合料）主讲人：陈德鹏安徽工业大学本科生课程清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS教学目标※掌握：石油沥青的组成与结构；石油沥青的技术性质；沥青混合料的组成结构；沥青混合料的配合比设计。※熟悉：石油沥青的技术标准与选用；沥青混合料的技术性质与技术标准。※了解：煤沥青的组成与应用；乳化沥青的特点及其种类；沥青防水材料的种类，性能与用途。教学重点※石油沥青的技术性质※沥青混合料的技术性质与技术标准※沥青混合料配合比设计本章主要教学内容与要求清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS沥青与沥青混合料沥青材料沥青基防水材料沥青混合料本章知识归纳清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS一、沥青材料沥青材料是由高分子碳氢化合物及其衍生物组成的、黑色或深褐色、不溶于水而几乎全溶于二硫化碳，且符合规定标准的非晶态有机材料。常温时，沥青呈褐色至黑色的固体、半固体或液体。按沥青的产源可将沥青分为地沥青和焦油沥青，其进一步分类如下表所示。沥青地沥青天然沥青原油渗流到地球表面，经过自然条件下的蒸发、老化过程而形成的沥青石油沥青由提炼石油的残留物制得的沥青焦油沥青煤沥青由烟煤、褐煤等物质，在隔绝空气和高温下进行干馏，冷凝其挥发物而获得的煤焦油，经再提取轻组份馏分之后的残余物页岩沥青由页岩经低温干馏而得清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS石油沥青石油沥青主要是由原油经过加工炼制而得到的，其生产工艺流程图如下图所示。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS石油沥青加工方法蒸馏法氧化法溶剂法调配法1.石油沥青的结成与结构1）石油沥青的组分石油沥青是由多种碳氢化合物及其非金属衍生物组成的混合物，主要成分为碳和氢，其余成分为氧、硫、氮等非金属元素，此外还含有极少量的金属元素。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS通常采用三组分分析法和四组分分析法来反映石油沥青的组成成分与其性能之间的关系。（1）三组分分析法石油沥青的三组分分析法采用选择性溶解和吸附的方法将石油沥青分离为：油分、树脂和沥青质三个组分，各组分性状见下表。性状组分外观特性平均分子量碳氢比质量分数（%）物化特征油分淡黄色透明液体200～7000.5～0.745～60几乎可溶于大部分有机溶剂，具有光学活性，相对密度为0.7～1.0树脂红褐色粘稠半固体800～30000.7～0.815～30温敏感性高，溶点低于，相对密度为1.0～1.1沥青质深褐色固体微粒1000～50000.8～1.05～30加热不熔化，分解为硬焦炭，使沥青呈黑色，相对密度为1.1～1.5表6-1石油沥青三组分分析法的各组分性状清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（2）四组组分分析法石油沥青的四组分分析法是将石油沥青分离为：饱和分、芳香分、胶质和沥青质。各组分性状见下表。性状组分外观特性平均相对密度平均分子量主要化学结构饱和分无色液体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衍生物表6-2石油沥青四组分分析法的各组分性状清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS2）石油沥青的胶体结构在沥青胶体结构中，因各组分相对含量不同可形成不同的胶体结构：溶胶型结构、溶-凝胶型结构和凝胶型结构，如下图所示。（a）溶胶型结构（b）溶-凝型胶结构（c）凝胶型结构清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS2.石油沥青的技术性质1）物理特性常数密度、热胀系数、溶解度2）防水性石油沥青是憎水性材料，几乎完全不溶于水，而且本身构造致密，加之它与矿物材料表面有很好的粘结力，能紧密粘附于矿物材料表面。3）粘滞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，以绝对粘度表示。沥青的绝对粘度有动力粘度和运动粘度两种表达方式，而工程中常用针入度和标准粘度等条件粘度来反映沥青粘度。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（1）针入度针入度是在规定温度条件下，以规定质量100g的标准针经过规定时间5s贯入沥青的深度，以0.1mm为单位，沥青的针入度值越大，表示其粘度越小。其实验示意图如下图所示。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（2）标准粘度石油沥青的标准粘度计可用于测定液体石油沥青或较稀的石油沥青的标准粘度。标准粘度是在规定温度、规定直径的孔口流出50cm3沥青所需的时间，以s为单位。以表示，其中t为测试温度，d为流孔直径。4）塑性塑性是指石油沥青在外力作用下产生变形而不破坏（即不产生裂缝或断开），并在除去外力后仍保持变形后形状不变的性质。5）温度敏感性温度敏感性是指石油沥青的粘滞性、塑性等物理性能随温度升降而变化的性能。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS石油沥青的温度敏感性常用软化点指标或针入度指数表示。（1）软化点软化点是反映沥青达到某种物理状态时的条件温度，由于沥青材料从固态至液态有一定的变态间隔，故规定其中某一状态作为从固态转到粘流态的起点，相应的温度转为沥青软化点。沥青的软化点越高，表示沥青的耐热性越好，即高温稳定性好。软化点的测定方法很多，我国采用环球法软化点仪测定，见下图。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（2）针入度指数大量的试验结果显示，针入度值（P)与温度(T)存在下图所示的关系。(a)(b)由图（b）可知，针入度值的对数（lgP）与温度（T）呈线性关系，斜率A可以用来表征沥青的温度敏感性，称为针入度-温度感应性系数。针入度指数（PI）可以通过下式求出：清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS由该式计算出的针入度指数的变化范围为-10～15，针入度指数（PI）越大，表示沥青的温度敏感性越低。用PI值来评价沥青的感温性时，要求沥青的针入度数为PI=-1～+1。针入度指数不仅可以用来评价沥青的温度敏感性，还可以用来判断石油沥青的胶体结构类型。PI-2时，石油沥青属于溶胶结构，温度敏感性较强；PI=-2～+2时，属于溶—凝胶结构；PI+2时，石油沥青属于凝胶结构，温度稳定性较好。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS6）抗老化性抗老化性是指石油沥青在使用过程中受到温度、太阳光、氧气和水分的影响而能保持性能基本不变的能力。石油沥青老化分：短期老化、长期老化(1)短期老化沥青在加热拌和、储运及铺筑过程中的老化,主要表现为热氧老化。现在用薄膜加热试验(TFOT)和旋转薄膜加热试验(RTFOT)来模拟。（2）长期老化沥青在路面服役期间的老化,是一个比较缓慢的长期过程。现主要通过压力老化容器（PAV)老化和紫外线（UV）老化，分别模拟其在长期使用期间的热氧老化和光氧老化过程。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS沥青老化后的化学组成与结构会发生变化，这个结果必然会造成沥青性能的变化，从而加速沥青路面的破坏，所以通过研究以提高沥青的抗老化能力是非常重要的。7）安全性由于沥青是一种有机物，容易燃烧，为了保证其实验或施工中的安全性，还需要了解其闪点和燃点。我国规范规定采用克利夫兰开口杯法测定沥青的闪点和燃点。闪点是指加热沥青至挥发出的可燃气体和空气的混合物，在规定条件下与火焰接触，初次闪火时的沥青温度，单位为℃。燃点是指加热沥青产生的气体和空气的混合物，与火焰接触能持续燃烧5s以上时的温度，单位为℃。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS3.石油沥青的技术标准与选用石油沥青按用途分为道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青。在土木工程中主要用到的是道路石油沥青和建筑石油沥青。1）石油沥青的技术标准目前我国石油沥青标号主要是依据沥青的针入度或针入度指数来划分的。由于我国国土面积较广，南北向和东西向气候差异大，因此在选用沥青时要充分考虑到各地的气候条件。美国战略性公路研究计划（SHRP）的研究成果superpaveTM提出了一个按照路用性能对沥青进行分级的沥青混合料规范，PG分级采用设计使用温度表示其适用范围。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS2）石油沥青的选用（1）道路石油沥青道路石油沥青可用于铺筑各种等级的道路路面。在选用沥青时，需要根据所修筑公路的等级、气候条件、交通条件、路面类型及在结构层中的位置及受力特点和施工方法，结合实践经验，经技术论证后确定。我国现行规范规定，道路石油沥青分为160号、130号、110号、90号、70号、50号和30号七个标号，各标号的技术标准见《公路沥青路面施工技术规范》中表4.2.1-2道路石油沥青技术要求。当缺乏所需标号的沥青时，可采用不同标号沥青掺配的调和沥青，但掺配后的沥青质量应符合规范要求。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS若要掺配得到软化点为T的沥青，两种沥青掺配比例可由下式进行估算：式中，P1为较软沥青用量，%；P2为较硬沥青用量，%；T1为较软沥青的软化点，℃；T2为较硬沥青的软化点，℃。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（2）建筑石油沥青建筑石油沥青粘度较大，高温稳定性较好，但塑性较小，可用于制造建筑防水卷材、防水材料、冷底子油和沥青嵌缝膏等防水材料，其产品主要用于屋面和地下防水、沟槽防水、防腐蚀及管道防腐等工程。我国现行规范规定，建筑石油沥青分为10号、30号和40号三种标号，各标号的技术标准见《建筑石油沥青》国家标准。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS煤沥青煤沥青是焦油沥青的一种。在炼油过程中，从干馏所挥发的物质中冷凝出煤焦油，煤焦油加工后得到煤沥青。根据煤干馏的温度不同煤焦油可以分为高温煤焦油和低温煤焦油。1.煤沥青的化学组成与组分煤沥青的组成主要是芳香族碳氢化合物及其氧、硫、氮衍生物的混合物。根据目前最常采用的分析方法可将煤沥青分为：油分、树脂A、树脂B、游离碳C1和游离碳C22.煤沥青的技术特性1）芳香分含量多，成分较石油沥青更为复杂；清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS2）易结晶的成分较多，胶体体系中分散相的粒子较粗，所以当温度变化时煤沥青的粘度变化大，温度稳定性差；3）耐老化性比石油沥青差；4）粘附性能好5）防腐性能好。3.煤沥青的应用1）作电极粘结剂2）型煤粘结剂3）生产沥青焦4）制造沥青清漆5）路用煤沥青6）其它用途清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS乳化沥青乳化沥青是将粘稠沥青热融，经过机械的作用，以细小的微滴状态分散于含有乳化-稳定剂的水溶液中，形成水包油状的沥青乳液。1.乳化沥青的特点乳化沥青与石油沥青相比具有许多优越性，主要优点如下：1）乳化沥青可以在常温下施工，无需现场加热设备，减少能源消耗，扣除制备乳化沥青所消耗的能源后，仍然可以节约大量能源；2）由于乳化沥青粘度低、和易性好，施工方便。由于乳化沥青可以均匀地分布在集料表面，能产生较好的粘附性，且在集料表面形成的沥青膜较薄，可以节约沥青用量；3）乳化沥青施工不需要加热，不污染环境，同时避免工作人员受到沥青挥发物的毒害，对健康较有利；4）乳化沥青所筑路面有一定的粗糙度，可以避免道路过于光滑发生事故。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS2.乳化沥青的种类乳化沥青的类型根据添加的乳化剂类型来划分，目前乳化沥青使用的乳化剂主要有以下三种类型：阴离子乳化剂、阳离子乳化剂和非离子乳化剂。3.乳化沥青的技术标准乳化沥青适用于沥青表面处治路面、沥青贯入式路面、冷拌沥青混合料