第16讲 石油沥青的基本组成和技术性质

1111第16讲石油沥青的基本组成和技术性质主要内容：一.沥青材料的基本概念二.石油沥青的化学组分和胶体结构三.石油沥青的技术性能2222一、概述1.定义沥青材料————————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。在常温下，沥青呈黑色或黑褐色的固态、半固态或粘性液体。33332.分类:沥青地沥青焦油沥青天然沥青：石油在自然条件下，长时间经受地球物理因素作用形成的产物石油沥青：石油经各种炼制工艺加工后而得的沥青产品煤沥青：煤经干馏所得的煤焦油，经再加工后得到煤沥青页岩沥青：页岩炼油工业的副产品3.应用:广泛用作路面、屋面、防水、耐腐蚀等工程材料。土木工程建筑主要应用石油沥青。按产源不同44441、石油沥青三组分分析法性状组分外观特征平均分子量碳氢比/原子比含量/%在沥青中的主要作用油分淡黄透明液体200～7000.5～0.745～60赋予沥青以流动性。油分多，流动性大，而黏性小，温度敏感性大树脂红褐色粘稠半固体800～30000.7～0.815～30使沥青具有塑性和粘性。含量增加，粘聚性和塑性增大，温度敏感性增大。沥青质深褐色固体微粒1000～50000.8～1.O5～30赋予沥青粘度和温度稳定性。含量高，粘性增大，温度稳定性好（敏感性小），但塑性降低，脆性增大。二、石油沥青的化学组分和胶体结构55552、四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。石油沥青按四组分分析法所得各组分的性状如下表：性状组分外观特征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O.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态1.153400缩合环结构，含S、O、N衍生物另外：石油沥青中含有蜡，它会降低沥青的粘结力和塑性，并对温度特别敏感。66663、胶体结构1）溶胶型结构————————沥青质含量相对较少，油分和树脂含量相对较高2）溶-凝胶型结构————————沥青质含量适当，油分和树脂含量相对较高3）凝胶型结构————————沥青质含量相对较多，油分和树脂含量相对较少a)b)c)沥青胶体结构示意图a)溶胶型结构；b)溶-凝胶型结构；c)凝胶型结构7777溶胶型沥青的特点：1）流动性和塑性较好，开裂后自行愈合能力较强，低温时变形能力较强；2）温度稳定性差，温度过高会发生流淌。凝胶型结构的特点：1）流动性和塑性较差，开裂后自行愈合能力较差；2）弹性和塑性较高，温度敏感性较小。高温稳定性较好，低温变形能力差。溶胶-凝胶型沥青的特点：高温时具有较低的感温性，低温时又具有较强的变形能力。（高等级沥青路面用的沥青均属于此类）8888三、石油沥青的技术性质（1）物理常数（2）粘滞性（粘性）（3）延性和脆性（4）温度敏感性（5）粘附性（6）耐久性（7）施工安全性（闪点、燃点）√√√√以建筑石油沥青为主讲解9999（1）物理常数1）密度————————在规定温度条件下，单位体积的质量。单位：kg/m3或g/cm3。我国现行试验方法规定测定15℃下沥青密度。相对密度————————在规定温度下，沥青质量与同体积水质量之比我国现行方法规定测定25℃下的相对密度。沥青15151515℃密度与25252525℃相对密度之间的换算公式：沥青与水的相对密度====沥青的密度（15151515℃）×0.9960.9960.9960.996通常粘稠沥青的密度在0.96~1.04g/cm30.96~1.04g/cm30.96~1.04g/cm30.96~1.04g/cm3101010102）热胀系数沥青在温度上升1111℃时长度或体积的变化，分别称为线胀系数或体胀系数，统称为热胀系数。热胀系数越大，沥青路面在夏季越易泛油，冬季冷缩越易产生开裂。3）溶解度是指石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳或苯中溶解的百分率。11111111（2）粘滞性（简称粘性）————————指石油沥青内部阻碍其相对流动的一种特性，它反映石油沥青在外力作用下抵抗变形的能力。沥青的粘性是划分沥青牌号的主要技术指标之一。测定方法：绝对粘度条件粘度针入度（适应固体或半固体粘稠石油沥青）软化点：既是粘性测定指标，又作为测定温度稳定性的方法12121212�影响粘性的因素••••组分的影响：当沥青质含量多，同时有适量树脂，而油分含量较少时，粘滞性大。••••温度的影响：在一定温度范围内，温度升高，粘度降低，反之，粘度升高。131313131）针入度�针入度的定义�针入度————————在规定温度条件下，以规定质量的标准针经过规定的时间贯入沥青试样的深度，�单位：0.1mm。�常用试验条件：规定温度：25℃标准针质量：100g贯入时间：5s14141414�表示方法：P（25℃，100g，5s）。�表征意义：沥青的针入度值愈大，表示沥青的粘度愈小。石油沥青的标号（或牌号）：一般取针入度的平均值。（见P165）例如：90号沥青，针入度范围为80～１００（０.１mm）100号沥青，针入度范围为90～１2０（０.１mm）15151515指标与性质间的关系指标与性质间的关系越硬越硬越硬越硬针入度越小针入度越小针入度越小针入度越小粘度越大粘度越大粘度越大粘度越大针入度与粘度之间的关系是针入度越小,粘度越大,石油沥青越硬。161616162）软化点沥青材料是一种非晶质高分子的混合材料，没有固定的熔点。沥青材料在由固态转变为液态的温度阶段是一种粘滞流动状态，在工程施工和使用中为保证沥青不致由于温度升高而产生流动的状态，常常采用软化点来表示沥青的温度敏感性。也是沥青粘度的一种度量。�定义软化点————————沥青由固体转变为具有一定流动性时的温度。17171717�测定方法我国现行试验方法要求采用环球法软化点。如图，该法是将沥青试样注于规定内径的铜环中，环上置一钢球，在规定的加热速度下，沥青试样逐渐软化，直至在钢球荷重作用下滴落到下层金属板（距离为25.4毫米）时的温度，称为软化点，单位：℃。••••表示：T�••••注意：初始温度5℃加热速度为5℃/min18181818�软化点的意义••••沥青软化点越高，沥青的温度稳定性越好。••••针入度是在规定温度下测定沥青的条件粘度，软化点则是沥青达到规定条件粘度时的温度。因此，软化点既是反映沥青材料温度稳定性的一项指标，又是沥青粘度的一种量度。19191919（3）延性与脆性————————指石油沥青受到外力作用时，所能承受的塑性变形的总能力。石油沥青的延性用延度指标表示。�1）延度的定义延度————————将沥青试样制成8字形标准试件，采用延度仪，在规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度，单位：cm。规定条件为：试验温度有0℃、10℃、15℃、25℃等；拉伸速度有1cm/min、5cm/min两种。�2）延度的表示方法：D（T，v）其中，T为试验温度，v为拉伸速度。20202020沥青延度测定示意图延度沥青延度试验22222222�3）影响塑性的因素••••组分的影响：当油分和沥青质适量，树脂含量越多，沥青质表面的沥青膜层越厚，塑性越好。随着沥青胶体结构发育成熟度的提高，含蜡量的增加，以及饱和蜡和芳香蜡的比例增大等，都会使沥青的延度值相对降低。••••温度的影响：温度升高，塑性增大。沥青延度越大，其塑性变形越大，有利于低温变形。232323234）脆性••••沥青材料在低温下受到瞬时荷载时常表现为脆性破坏，沥青脆性的测定极为复杂。••••目前测试方法：采用弗拉斯（Fraass）脆点。••••拉斯脆点试验原理：将沥青试样0.4克在一个标准的金属薄片上摊成薄层，将其置于脆点仪内并使其稍稍弯曲。当以1℃/min的速度降温时，沥青薄膜的温度随之逐渐降低，当降至某一温度时，沥青薄膜在规定弯曲条件下产生脆断时的温度，即为沥青的脆点。一般认为：沥青的脆点越低，抗裂性越好。24242424（4）温度敏感性－－沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能。评价指标：（1）软化点（建筑石油沥青用）（2）针入度指数（3）针入度粘度指标道路石油沥青用252525251）针入度指数（表征低于软化点温度的沥青感温性）�定义沥青的针入度指数————————评价沥青技术性质的一个重要指标，既可以反映沥青的感温性，又可以划分沥青的牌号（道路石油沥青）。�公式针入度指数（PenetrationIndex，简称PI）是P.Ph.普费（Pfeifer）和F.M.范····杜尔马尔（VanDoormaal）等提出的一种评价沥青感温性的指标。研究观点：沥青针入度值的对数（lgP）与温度（T）具有线性关系，表达式为：26262626KATP+=lg式中：A————————为直线斜率，称为针入度-温度感应性系数。表示沥青针入度随温度的变化率。如图，A值越高，沥青对温度的敏感性越大。K————————为截距（常数）。针入度-温度感应性关系图27272727A值的求取公式：••••根据已知的针入度值P（25℃，100g，5s）和软化点TR&B••••假设沥青在软化点时的针入度值为800（0.1mm）（沥青达到软化点时，针入度一般为600～1000，0.1mm）••••建立针入度-－温度感应性系数A的基本公式：25lg800lg&)5,100,25(−−=BRsgCTPA�存在问题：针入度-－温度感应性系数A值为小数，使用不方便，引入针入度指数PI值的概念。经验公式：AAPI50150020+−=28282828�针入度指数的应用••••针入度指数愈大，表示沥青对温度的敏感性愈小。••••划分沥青的胶体结构：PI＜-2者，属溶胶型沥青PI=-2～+2之间者，属溶-凝胶型沥青PI＞+2者，属凝胶型沥青29292929�2）针入度--粘度指数（PNV）�（表征高于软化点温度的沥青感温性）�该法是应用沥青25℃时的针入度值和135℃（或60℃）时的粘度值与温度的关系来计算沥青温度敏感性的方法。�沥青胶结料的PVN值越低，其温度敏感性越高。�通常PVN值在-2.0～+0.5之间。••••30303030我们讲述了建筑石油沥青的粘滞性、温度敏感性和延性。表征这三项性质的三大指标为：针入度、软化点、延度是评价建筑石油沥青技术性质最常用的经典指标。31313131（5）粘附性沥青与矿质集料的粘附性影响沥青路面的质量和耐久性，因此粘附性是沥青的重要性质。沥青在沥青混合料中以薄膜的形式裹覆在集料颗粒表面，并将松散的矿质集料粘结为一个整体。粘附性不仅取决于沥青的性质，也取决于集料的性质。粘附性的评价方法：沥青与粗骨料的粘附性试验，根据沥青混合材料的最大粒径决定。粗骨料的最大粒径＞13.2mm13.2mm13.2mm13.2mm，采用水煮法≤13.2mm13.2mm13.2mm13.2mm，采用水侵法32323232沥青性质随时间而产生““““不可逆””””的化学组成结构和物理力学性能变化的过程，称为沥青的老化，也就是沥青的耐久性。老化是组分的变化：石油沥青在热、阳光、氧气等因素的长期作用下，沥青中油分和树脂相对含量减少，地沥青质逐渐增多1111）影响因素①温度与氧化作用。影响沥青氧化的主要因素是温度。TTTT高氧化快②光的影响。日光照射后，促使氧化速度加快。③水的影响。水在与光、氧和热共同作用时，能起催化剂的作用。④自然硬化。⑤渗流硬化。渗流硬化是指沥青中的油分流到矿料的孔隙中去而导致沥青的硬化（6666）耐久性333333332）耐久性评价方法研究沥青的耐老化性能，通常是将沥青试样在室内进行加速老化试验，然后根据老化前后试样的性能变化加以评定。沥青的老化主要发生在两个阶段，一是沥青在热拌和过程中的老化，称为短期老化；另一阶段是沥青在路面长期使用过程中发生的老化，称为长期老化。建筑石油沥青评价方法：采用蒸发损失百分率和蒸发后针入度比评价。（沥青试样在160℃条件下，加热蒸发5h）343434343）评价指标：%100×−=蒸发前沥青质量蒸发后残留