石油沥青.ppt

第四章沥青材料,概述1.定义由高分子碳氢化合物及其非金属（氧、硫、氮等）衍生物组成的极其复杂的混合物。在常温下，沥青呈黑色或黑褐色的固体、半固体或液体。,2.优点：（1）粘结力强；（2）防水性好；（3）抗腐蚀性好；（4）抗裂性和裂缝自愈能力强。3.缺点：（1）受温度影响大；（2）易老化。,沥青材料的品种很多，按其在自然界获得的方式不同，可分为地沥青和焦油沥青两大类。1)地沥青是指地下原油演变或加工而得到的沥青。又分为天然沥青和石油沥青。2)焦油沥青是干馏有机燃料（煤，页岩，木材料等）所收集的石油再经加工而得到的一种沥青材料，按干馏原料的不同，焦油沥青可分为煤沥青、页岩沥青、木沥青和泥岩沥青。工程上常用的焦油沥青是煤沥青。,4.分类,5.应用：广泛用于路面工程、屋面或地下防水工程、防腐蚀工程等。土木工程中主要应用石油沥青。,沥青材料是这类材料的总称，它具有良好的憎水性，粘接性和塑性，可以防水，防潮，因而广泛应用与道路和水利工程。在我们道路工程中最常用的是石油沥青。通常所讲的沥青是石油沥青，其它沥青都要在沥青俩字前加上名称以示区别。在道路建筑中最常用的是石油沥青和煤沥青两类,其次是天然沥青。,第一节石油沥青,一、石油沥青的分类和生产（一）石油沥青生产工艺概述（二）石油沥青的分类二、石油沥青的组成和结构（一）元素组成（二）石油沥青的化学组分（三）石油沥青的结构,第一节石油沥青,石油原油经蒸馏提炼出各种轻质油（如汽油、煤油、柴油）及润滑油以后的残留物，或经再加工而得的产品。路用石油沥青：粘稠石油沥青（包括：快凝、调合、乳化、混合）沥青稀释的方法：加热、稀释、乳化。,一.石油沥青生产工艺概述,原油常压渣油减压渣油粘稠沥青,直馏沥青：较好的变形能力，温度敏感性较大氧化沥青：较好的温度稳定性溶剂沥青：丙烷液体沥青：在粘稠沥青中掺加煤油、汽油、柴油调配沥青：调和沥青、混合沥青乳化沥青：水乳化剂沥青,1按原油的成分分类石蜡基沥青；环烷基沥青；中间基沥青；2按加工方法分类直馏沥青；氧化沥青；溶剂沥青；裂化沥青3按沥青在常温下的稠度分类4.按用途分类道路石油沥青；建筑石油沥青；普通石油沥青,（二）石油沥青的分类,(一）石油沥青的元素组成主要由碳、氢、氧、硫和氮5种元素组成,通常，石油沥青的含碳量为80%-87%，含氢量为10%-15%，氧、硫和氮的总含量小于3%。（二）石油沥青的化学组分将沥青中化学成分及性质极为接近，并且与物理力学性质有一定关系的成分，划分为若干个组，这些组就称为“组分”。,二、石油沥青的组成和结构,1三组分分析法石油沥青的三组分分析法是将石油沥青分离为油分、树脂、沥青质三个组分。2四组分分析法沥青质；饱和分；环烷芳香烃；极性芳香分3.沥青的含蜡量由于沥青中蜡的存在，在高温时使沥青容易发软，导致沥青的高温稳定性降低，出现车辙。同样低温时会使沥青变得脆硬，导致路面低温抗裂性降低，出现裂缝。,（二）石油沥青的化学组分,三组分分析法油分、树脂、沥青质,油分赋予沥青以流动性，油分含量的多少直接影响沥青的柔软性、抗裂性及施工难度。油分在一定条件下可以转化为树脂甚至沥青质。,树脂又分为中性树脂和酸性树脂，中性树脂使沥青具有一定塑性、可流动性和粘结性，其含量增加，沥青的粘聚力和延伸性增加。酸性树脂，它是沥青中活性最大的部分，能改善沥青对矿质材料的浸润性，特别是提高了与碳酸盐类岩石的粘附性，增加了沥青的可乳化性。沥青质决定着沥青的粘结力、粘度和温度稳定性，以及沥青的硬度、软化点等。沥青质含量增加时，沥青的粘度和粘结力增加，硬度和温度稳定性提高。,化学组分对路用性能的影响,油分：使沥青具有流动性树脂：使沥青具有塑性酸性树脂：是一种表面活性物质，能增强沥青与砂质材料表面的粘附性沥青质：能提高沥青的粘结性和热稳定性,饱和分由直链和支链饱和烃、烷基烃和一些烷基芳香烃组成，含量约占沥青的5%-20%，非极性稠状油类，色较浅。随饱和分含量增加，沥青的稠度降低，感温性增加。芳香分由沥青中分子量最低的环烷芳香化合物组成，约占沥青总质量的20%-50%，粘稠状液体，深棕色，对其他高分子烃类物质有较强的溶解性。,四组分分析法饱和分、芳香分、胶质、沥青质,胶质深棕色固体或半固体，很强的极性，能影响沥青中沥青质的分散效果，突出特点是具有很强的粘附力。胶质与沥青质之间的比例绝定了沥青的胶体结构类型。沥青质黑褐色无定形固体物，约占沥青含量的5%-25%，对沥青的热稳定性、流变性和粘性有很大影响。含量越高，沥青的软化点越高，粘度越大，材料也越硬、越脆。,含蜡量高温时，石蜡变软，导致沥青路面的高温稳定性降低，出现车辙.另一方面，低会使沥青变脆硬，导致路面低温抗裂性降低，出现裂缝，且蜡会使石料与沥青之间的粘附性降低，使路面石子与沥青产生剥落，石蜡的存在还会降低沥青路面的抗滑性能因此国家规定：含蜡量。2.2%.3%.4%.,国产沥青的特点,含蜡量较高比重偏小,延度较小软化点相对较高,1胶体理论2.胶体的结构类型根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同，可以形成不同的胶体结构。沥青的胶体结构，可分为下列三个类型：溶胶型结构溶-凝胶型结构凝胶型结构3.胶体结构类型的判定,（三）石油沥青的结构,（1）胶体结构的形成：以沥青质为胶核，胶核表面吸附半固态的树脂形成胶团；由于树脂的胶溶作用，使胶团胶溶、分散于液态的油分中，形成稳定的胶体结构。,石油沥青的胶体结构,（2）胶体结构的分类：,溶胶结构：沥青质含量较少，油分和树脂含量较高，胶团外膜较厚，胶团之间相对运动较自由。性质：粘性小，流动性大，塑性好，温度稳定性较差。,凝胶结构：沥青质含量较多而油分和树脂较少时，胶团外膜较薄，胶团靠近聚集，移动比较困难。性质：弹性和粘结性较高，温度稳定性较好，但塑性较差。,a)溶胶结构b)溶-凝胶结构c)凝胶结构,溶-凝胶结构：沥青质含量适当，并有较多的树脂作为保护膜层时，胶团之间保持一定的吸引力。性质：介于二者之间。,（三）石油沥青的结构,胶体结构类型的判定胶体结构类型与沥青路用性能之间有密切的关系，一般工程中用针入度指数PI划分沥青的胶体结构：当PI+2凝胶型当-2B粘结力.,粘滞度的测定,标准粘度试验,道路标准粘度计,适用范围：液体石油沥青、煤沥青、乳化沥青表示方法：以CT,d表示，T-试验温度,d-孔径mm,结论相同的温度和流孔条件下，流出时间越长，表示沥青粘度越大,标准粘度计测定液体沥青示意图,规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50mL体积所需时间，以s为单位。如：C25，5=100表示：试验温度25，流孔直径5mm，时间100s。,标准粘度试验,（三）塑性（1）定义塑性是指沥青在外力作用下发生变形而不被破坏的能力。影响塑性大小的因素:与沥青的组分及温度有关。沥青中树脂含量多，油分及沥青质含量适当，则塑性较大。当温度升高，塑性增大，沥青膜层愈厚则塑性愈高。反之，塑性愈差。在常温下，塑性好的沥青不易产生裂缝，并减少摩擦时的躁声。同时它对于沥青在温度降低时抵抗开裂的性能有着重要影响。沥青的塑性用延度表示，用延度仪测定。沥青的延度越大，塑性越好，（石油沥青中，树脂含量多，油份及沥青质含量适当或温度升高时塑性增大，反之降低）,（2）指标：延度。把沥青试样制成8字形标准试样，在规定拉伸速度（5cm/min）和规定温度（10、15）下拉断时的长度，以cm为单位。延度值越大，塑性越好。延度在一定程度上反映了沥青在某一条件下的变形能力，有研究发现，沥青材料的低温延度大小与其低温时的抗裂性能有一定关系，低温延度值越大，低温环境下沥青的开裂性越小。,延度测定,仪器、延度仪试模：8字模隔离剂：（甘油与滑石粉的质量比2：1）步骤：试模（涂隔离剂，注模、冷却30-40min）恒温30min取出刮平，再恒温11.5h拉伸：水面距试件表面不小于25mm水流：不循环流动，沥青丝不得浮于水面或沉于槽府记录：长度（cm）并记录断口情况误差：做三次平行试验，取平均测定结果均大于100cm时，记作大于100即可，结果小于100cm时，重复性误差20%，复现性30%若发现沥青丝浮于水面时，说明沥青密度油分树脂的速度。因此，石油沥青随着使用时间的增长，树脂显著减少，沥青质显著增加。沥青的塑性降低，脆性增加。直至脆裂。这个过程称为石油沥青的“老化”。所以耐久性即为沥青抵抗老化的性能。,沥青的耐久性沥青的“老化”,现象：沥青性质随着时间推移而发生变化变脆变硬老化针入度下降、粘度增加、软化点增加诱因：热氧气光（紫外线）过程：贮存运输加热拌和使用,(六)大气稳定性(耐久性),耐久性评价方法目前评价沥青抗老化能力的试验方法大多是模拟沥青在拌合过程中加热条件下产生的老化效果。具体方法有沥青加热蒸发损失试验和薄膜烘箱加热试验，前者是用于中、轻交通的道路石油沥青，后者适用于重交通道路石油沥青。两种方法的试验基本原理都是采用一定的加热试验条件，通过不同的评价指标考察经历加热后沥青性能状态的变化程度.,（2）指标：采用烘箱或薄膜烘箱试验或旋转薄膜加热试验（沥青试样在163条件下，加热5h或75min），以沥青试样在加热前后的质量变化率和残留针入度比来评价。,质量变化率愈小，残留针入度比愈大，则表示沥青的大气稳定性愈好，老化得越慢。,沥青薄膜加热烘箱示意图TFOT,试件：50g沥青试样试验条件：163，5h试验指标：质量损失针入度比延度,膜厚度3mm,针入度皿21mm,沥青旋转薄膜加热烘箱示意图RTFOT,试件：35g沥青试样，试验条件：163，75min,PAV压力老化试验仪,试件：RTFOT后的薄膜试样试验条件：90110，20h，2.07MPa,耐久性影响因素1、热的影响：热能加速沥青分子的运动，除了引起沥青轻质组分的蒸发外，还能促进化学反应的加速，最终导致技术性能降低。2、氧的影响：空气中的氧在加热的条件下，能促使沥青组分对其吸收，并产生脱氢作用，使沥青的组分发生移行。3、光的影响：日光（紫外线）对沥青照射后，能产生光化学反应，促使氧化速率加快，使沥青中羟基、羧基和羰基等基团增加。4、水的影响：水在与光、氧和热共同作用时，能起催化剂的作用。,(七)溶解度、闪点和燃点,溶解度：石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳和苯中溶解的百分率。用以限制有害的不溶物的含量，不溶物会降低沥青的粘结性。,闪点：沥青加热产生的气体和空气的混合物，在规定的条件下与火焰接触，初次产生蓝色闪光时沥青的温度。闪点火焰一闪即灭.燃点：若继续加热，产生的气体和空气的混合物，与火焰接触能持续燃烧5s以上时沥青的温度。燃点：火焰持续5s.为了施工安全，沥青加热一般控制在闪点以下。,沥青闪点仪示意图,三、石油沥青的技术性质及评价指标,（八）含水量（液体沥青）含水危害：1、影响施工速度。水分挥发慢2、加热时“溢锅”易引起火灾。熔化沥青时应加快搅拌速度，使水分蒸发同时控制加热温度。3、造成材料损失。,(九).针入度指数：,针入度指数(PI)：针入度指数(PI)是应用经验的针入度和软化点试验结果，提出一种能表征沥青的感温性和胶体的指标。1)针入度-温度感应性系数A前人经过大量试验得出，沥青针入度值的对数与温度具有线性关系：A针入度-温度敏感性系数，表示沥青针入度随温度的变化率。K为截距（常数）。,(九).针入度指数：根据大量试验结果，沥青针入度的对数lgP与温度T具有线性关系。,A针入度-温度敏感性系数，表示沥青针入度随温度的变化率。K为截距（常数）。,沥青的粘度等性能随温度的不同而产生明显的变化的特性,logP=AT+K,A针入度温度感应性系数,2)针入度指数(PI)的确定根据已知的针入度值P（25，100g，5s）和软化点TR&B（假设软化点时的针入度值为800），建立针入度-温度敏感性系数A的基本公式：,针入度-温度敏感性系数A值为小数，使用不方便，普费等引入PI值的概念，按下式计算：,可根据针入度指数诺模图求得。,针入度指数的应用：（1）PI越大则材料温度稳定性越好，温度敏感性低。,1.针入度指数,2.胶体结构类型：PI-2者为溶胶型结构：沥青质少，油分及树脂含量多，粘滞性小、流动性大、塑性好，开裂后自行愈合能力强，但温度稳定性差。PI+2者为凝胶型结构：油分及树脂含量少，沥青质含量较多，粘性和弹性较高，温度敏感性小，流动性、塑性较低。PI=-2+2者为溶凝胶型结构：高温稳定性好，低温时变形能力也好。现代高级路面的沥青都是这种结构。,一般认为PI=-1+1之间的溶凝胶型沥青适宜修筑沥青路面,（十）1、劲度模量根据沥青材料的针入度指数、软化点、路面温度及荷载作用时间等因素，查图4-14获得沥青的劲度模量。（十一）粘附性反映沥青与集料的粘结能力水损害粘附性：直接影响沥青路面的使用质量和耐久性。影响因素：集料的亲水性：SiO2:0%52%65%碱性集料中性集料酸性集料沥青的粘度与极性沥青混合料的空隙率评价方法：水煮法和水浸法试样,沥青路面坑洞,沥青路面坑洞,沥青路面坑洞,损坏机理分析环境与路面因素,动水压力导致雨水进入路面，并积聚于层底；重复荷载导致沥青-集料剥离,(十二).蜡含量：（1）蜡45转变为液态，使沥青容易发软，导致高温稳定性降低，出现车辙；（2）低温时使沥青变得脆硬，导致路面低温抗裂性降低，出现裂缝；（3）使沥青与石料粘附性降低，在水分作用下，骨料与沥青产生剥落现象；（4）路面抗滑性降低，影响行车安全。,附录：沥青试验基础知识,1.石油沥青加热温度：含有水分时：烘箱温度80左右无水分时：烘箱温度宜为软化点温度以上90，通常为135左右，,2.石油沥青加热次数：反复加热不得超过2次。,3.沥青过滤筛孔尺寸：0.6mm,4.甘油滑石粉隔离剂：甘油：滑石粉=2:1（质量比）,5.重复性试验：在同一试验室，由同一试验人员，采用同一仪器，对同一个试样，完成两次以上的试验操作，所得的试验结果之间的误差。6.复现性试验：在两个以上不同的试验室，由各自的试验人员，采用各自的仪器，按相同的试验方法，对同一试样，分别完成试验操作，所得的试验结果之间的误差。7.重复性试验是对试验人员操作水平、取样代表性的检验，复现性则同时检验仪器设备的性能。,附录：沥青试验基础知识,1.建筑石油沥青技术标准按针入度值划分为40号、30号和10号三个标号，建筑石油沥青针入度较小，软化点较高，但延度较小。,屋面防水工程，主要考虑沥青的高温稳定性，宜选针入度较小的10号沥青，对于地下防水工程，主要考虑沥青的耐老化性，宜选择针入度较大的40号沥青。,四石油沥青的技术标准与选用,建筑石油沥青技术标准,2.道路石油沥青的标准与选用道路石油沥青按照质量等级分为A、B、C三个等级，各等级的石油沥青的适用范围见下表。,道路石油沥青适用范围,道路石油沥青技术要求,思考题,沥青的三组分分别赋予沥青以何种特性？,石油沥青的主要技术性质有哪些？分别采用什么评价指标？,试分析石油沥青的胶体结构类型和其性能特点。,图1针入度法测定粘稠沥青针入度示意图,图2标准粘度计测定液体沥青示意图1-沥青试样；2-活动球塞；3-流孔；4-水,图3延度仪1-试模；2-试样；3-电机；4-水槽；5-泄水孔；6-开关；7-指针；8-标尺,其他沥青材料,1.煤沥青与石油沥青技术性质的差异1.煤沥青的温度稳定性差2.煤沥青的气候稳定性差3.煤沥青的塑性较差4.与矿质材料表面粘附性能好5.煤沥青防腐性能好,其他沥青材料,2.乳化沥青是将粘稠石油沥青加热至流动状态，经高速离心、搅拌及剪切等机械作用，使沥青形成细小的微粒（粒径约为25左右），再