第三章沥青材料第三章沥青材料§石油沥青的生产工艺§3-1石油沥青的

第三章沥青材料第三章沥青材料§石油沥青的生产工艺§3-1石油沥青的生产工艺§3-2石油沥青的组成和结构§3-3石油沥青的技术性质和技术标准§3-4其他沥青材料总体思路:第三章沥青材料组成结构→技术性质(标准)→检测方法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路面用的沥青结合料，主要有两大类：一类来源于石油系统，或天然存在或经人工提炼而得到，一类来源于石油系统，或天然存在或经人工提炼而得到，称为“地沥青”——Asphalt另一类为各种有机物干馏的焦油，经再加工而得，称为“焦油沥青”——Tar地沥青：天然沥青（石油在天然条件下，在长时间的地球物理因素的作用下最后形成的产物）（石油在天然条件下，在长时间的地球物理因素的作用下最后形成的产物）石油沥青（石油经各种炼制加工工艺后得到的产品）焦油沥青：煤沥青（煤焦油经再加工后得到的沥青）木沥青页岩沥青第三章沥青材料§3-1石油沥青的生产工艺§石油沥青的生产艺一、石油沥青的基属分类二、沥青的生产工艺石油沥青的分类P143-144（王宝民）§3-1石油沥青的生产工艺一、石油沥青的基属分类石油是炼制石油沥青的原料石油沥青的性质不仅与产源有关，而且与制造沥青的石油基属有关。如：大连西太（进口中东原油）目前的原油分类按:关键馏分特性含硫量原油基属分类：环烷基原油（最好）中间基原油（其次）石蜡基原油（蜡对沥青的低温性能有明显的影响）石油沥青基属分类:石蜡基沥青中间基沥青中间基沥青环烷基沥青§3-1石油沥青的生产工艺石蜡基中间基环烷基关键馏分的基属分类指标石蜡基中间基环烷基第一关键馏分第二关键馏分常压下蒸得250-275的馏分称为“第一关键馏分”原油按关键馏分第一关键馏分基属5.33kPa压力下减压蒸馏，取得275-300的馏分称为“第二关键馏分”基属的分类石蜡基石蜡基中间基环烷基第二关键中间基环烷基关键馏分基属(石油基属------七类)（见P138_严）表4-1、4-2§3-1石油沥青的生产工艺几种典型原油的分类命名示例几种典型原油的分类命名示例第一关键馏分相对密度第二关键馏分相对密度关键馏分特性分类原油分类命名含硫量(质量﹪)0.5为界(低硫;含硫)结论：环烷基石油是生产沥青最好的原油（见P138_严）表4-3§3-1石油沥青的生产工艺结论：环烷基石油是生产沥青最好的原油二、沥青的生产工艺石油经各种不同的炼制工艺，可得到不同品种的石油沥青。可得到不同品种的石油沥青。常规工艺有：直馏沥青Straightasphalt蒸汽精制沥青Steamrefinedasphalt氧化沥青Oxidizedasphalt溶剂沥青Solventasphalt溶剂沥青Solventasphalt例：蒸馏法生产沥青的工艺示意图（见P139_严）（见P145王宝民）§3-1石油沥青的生产工艺§3-1石油沥青的生产工艺§3-2石油沥青的组成和结构§32石油沥青的组成和结构一、石油沥青的元素组成二、石油沥青的化学组分三、石油沥青的胶体结构§3-2石油沥青的组成和结构一、石油沥青的元素组成一、石油沥青的元素组成石油沥青是由复杂的高分子碳氢化合物和它们的非金属衍生物组成的混合物非金属衍生物组成的混合物构成沥青的元素以碳为主体构成沥青的元素以碳氢为主体沥青的通式可以写为：碳含量为80%87%沥青的通式可以写为：碳含量为80%—87%氢含量为10%—15%氧硫氮含量少于3%5%氧硫氮含量少于3%—5%通式：CnH2n+aObScNd通式：CnH2n+aObScNd§3-2石油沥青的组成和结构一、石油沥青的元素组成一、石油沥青的元素组成(续)例:几种沥青的分子量、元素组成和碳氢比例:几种沥青的分子量、元素组成和碳氢比§3-2石油沥青的组成和结构石油沥青的分子量、元素组成和碳氢比(见P140表4—4严）序油源工艺分子量元素组成（质量，%）碳氢比平均分子式序号沥青标号原子比C/H平均分子式油源基属加工工艺Mw碳（C）氢（H）氧（O）硫（S）氮（N）1A-60低硫石蜡基丙烷脱95586.1011.001.780.380.740.657C68.5H104.2O1.1S0.1N0.52A-60含硫中间基氧化102084.5010.601.682.510.710.669C71.8H107.3O1.1S0.8N0.53A-60含硫中间环烷基氧化114284.1010.501.243.121.040.672C80.0H119.0O0.9S1.1N0.84A-60含硫环烷基氧化130081.909.601.506.470.530.716C88.6H123.8O1.2S2.0N0.5一、石油沥青的元素组成一、石油沥青的元素组成(续)不同产地的沥青的碳、氢元素所占的百分比相近，难以从数量上加以区分。由于沥青化学组成结构复杂，从沥青的元素分析结果看，不能找到元素组成与其路用性能间的直接关系。只能从碳氢比和平均分子式间接地了解沥青组成结构的概貌。只能从碳氢比和平均分子式间接地了解沥青组成结构的概貌。近代对沥青元素组成数据应用有：①相对密度②平均分子式②平均分子式③核磁共振波谱用以进行沥青的化学结构分析。§3-2石油沥青的组成和结构二、石油沥青的化学组分二、石油沥青的化学组分由于沥青化学组成结构的复杂性，分析技术的限制，要将沥青分离为纯粹的化合物单体，存在许多困难，故按化学组分分析。1、化学组分分析定义利用沥青在不同有机溶剂中的选择性溶解或在不同吸附剂上的选择性吸附，而将沥青分离为几个化学性质比较接近而又与其胶体结构性质、流变学性质和路用性质有一定联系的几个组，这些组就称为沥青的组分。沥青组分的分析方法：溶剂法溶剂-吸附法色谱分析法§3-2石油沥青的组成和结构二、石油沥青的化学组分(续)二、石油沥青的化学组分()2、沥青五组分分析法（色谱分析法）(见P143表4_8严)2、沥青五组分分析法（色谱分析法）(见P143表4_8严)①沥青质：不溶于正庚烷而溶于苯的组分。（可溶于正庚烷的组分为软沥青质）（可溶于正庚烷的组分为软沥青质）②饱和分：可溶于正庚烷，吸于谱柱上，能为正庚烷洗释的组分。③芳香分：经上述处理后，能为苯所洗释的组分。④胶质分：经上述处理后，能为苯-乙醇所洗释的组分。⑤蜡：饱和分和芳香分中以丁酮-苯为脱蜡溶剂，⑤蜡：饱和分和芳香分中以丁酮-苯为脱蜡溶剂，在-20℃下冷冻分离出的固态烷烃。§3-2石油沥青的组成和结构石油沥青化学组分（色层分析法）(见P143表4_8严)化学组分与技术性质的关系油源工艺化学组成（质量，%）沥青技术性质序号沥青标号油源工艺饱和分（S）芳香分（Ar）胶质（R）沥青质（At）蜡（P）针入度P25℃，100g5a（1/10mm）软化点TR&B（℃）延度D25℃，5cm/min（cm）（1/10mm）（℃）（cm）1A-60低硫石蜡基半氧化7.5022.7056.70.312.864.551.812.62A-60低硫石蜡基丙烷脱1.3025.6063.90.29.062.048.358.83A-60含硫环烷-中间基氧化10.8026.1048.010.05.144.551.069.34A-60含硫环烷基氧化8.1041.6028.420.01.943.051.3100+沥青的含蜡量沥青的含蜡量蜡对沥青性能的影响，现有研究认为：沥青中蜡的存在：在高温时会使沥青容易发软，导致沥青高温稳定性降低，出现车辙或流淌；在高温时会使沥青容易发软，导致沥青高温稳定性降低，出现车辙或流淌；相反，在低温时会使沥青变得脆硬，导致低温抗裂性降低；此外，蜡会使沥青与石料粘附性降低，在有水的条件下，会使路面石子产生剥落现象，造成路面破坏；更严重的是，含蜡沥青会使沥青路面的抗滑性降低，影响路面的行车安全。对于沥青含蜡量的限制，由于世界各国测定方法不同，所以限制值也不一致，其范围为2%～4%。我国标准规定,重交通量道路石油沥青的含蜡量（蒸馏法）不大于3%含蜡量（蒸馏法）不大于3%。含蜡量蒸馏法不大于§3-2石油沥青的组成和结构二、石油沥青的化学组分(续)二、石油沥青的化学组分(续)3、组分分析流程图3、组分分析流程图§3-2石油沥青的组成和结构二、石油沥青的化学组分(续)二、石油沥青的化学组分(续)4、化学组分对沥青性质的影响4、化学组分对沥青性质的影响①轻质油分（芳香分，饱和分，蜡）一般为液体，温度的敏感性强，影响粘结力。轻质油分多时，粘结力小（即强度小），影响感温性。②胶质分（亦称树脂）②胶质分（亦称树脂）一般为塑性，微有弹性，影响沥青的变形能力。③地沥青质一般为固体，有很大的弹性，对沥青的影响是粘结力，感温性不易受温度作用。感温性不易受温度作用。§3-2石油沥青的组成和结构组分试验组分试验§3-2石油沥青的组成和结构组分试验组分试验§3-2石油沥青的组成和结构组分试验组分试验§3-2石油沥青的组成和结构二、石油沥青的化学组分(续)二、石油沥青的化学组分(续)（从另一角度看）（从另一角度看）沥青（分散相）地沥青质-分散相轻质油分-分散介质轻质油分-分散介质例：①糖水（分子溶液）：糖为分散相，水为分散介质②石灰+水→氢氧化钙（离子溶液）+CaO+HO=Ca(OH)Ca2(OH)−→+22CaO+HO=Ca(OH)Ca2(OH)→+§3-2石油沥青的组成和结构三、石油沥青的胶体结构三、石油沥青的胶体结构石油沥青是以分子量很大的固态超细微粒的沥青质为中心，石油沥青是以分子量很大的固态超细微粒的沥青质为中心，在其周围吸附了中间过渡性的胶质（树脂），使沥青质作为分散相能很好地分散在液态的油分介质之中。沥青质是核心，树脂组分吸附在其表面，逐渐向外扩散，形成沥青质的核溶于油分介质中，形成沥青质的核溶于油分介质中，这就构成了沥青胶体结构单元，即胶团。根据沥青中各组分的含量及性质（沥青的流变特性）根据沥青中各组分的含量及性质（沥青的流变特性）可分为:溶胶结构沥青（sol）溶-凝胶结构沥青（sol-gel）溶-凝胶结构沥青（sol-gel）凝胶结构沥青(gel)§3-2石油沥青的组成和结构三、石油沥青的胶体结构（续）三、石油沥青的胶体结构（续）①溶胶结构沥青常温下是液体或流体，感温性很强；低温时是流体或塑性体；高温时是牛顿液体性能：强度小，弹性很小，适用于液体沥青。粘结力指标用粘度，也称为粘滞度级沥青。粘结力指标用粘度，也称为粘滞度级沥青。沥青质含量不多，分子量也比较小，又由于树脂的作用，沥青质含量不多，分子量也比较小，又由于树脂的作用，沥青质可以完全胶溶在油分介质中。胶团之间没有吸引力。这样的沥青具有牛顿液体的性质（即剪应力和剪应变成线形关系）。对温度的变化很敏感，液体沥青多属于此种结构。§3-2石油沥青的组成和结构三、石油沥青的胶体结构（续）②溶-凝胶结构沥青②溶-凝胶结构沥青常温下是塑性或硬塑性；低温下是硬塑或固体；高温下是液体或牛顿体。高温下是液体或牛顿体。性能：强度高、感温性能小，弹性大，多数的粘稠沥青（路用的）粘结力指标用针入度也称为针入度级沥青，变形能力好。沥青质含量适当增多，分子量也较大，并有较多的树脂作为保护物质，所形成的胶团之间有一定的吸引力。常温时，变形的最初阶段表现弹性效应，常温时，变形的最初阶段表现弹性效应，但变形增加一定程度时表现为牛顿液体的状态。§3-2石油沥青的组成和结构三、石油沥青的胶体结构（续）③凝胶结构沥青常温下硬塑或固体；低温下固体或玻璃体；性能：粘结力高，感温性能差，弹性大，变形能力差。沥青质含量增大，沥青质未能被树脂很好的胶溶分散，则胶团就会互相连结，形成三维网状结构，呈现明显的弹性效应.氧化沥青多属于凝胶型结构，具有较低的温度敏感性，但低温变形能力较差。但低温变形能力较差。§3-2石油沥青的组成和结构三、石油沥青的胶体结构（续）三、石油沥青的胶体结构（续）近年来随着高分子溶液研究的不断深入，有的学者已抛弃胶体结构的学说，有的学者已抛弃胶体结构的学说，转而采用高分子溶液理论来进行研究。该理论认为：沥青是以