沥青材料论文综述.doc

沥青材料综述沥青材料简介沥青是在高度缩合的环烷环、芳香环上带有长短不同的烷基侧链的碳氢化合物，及其非金属（O、S、N）衍生物组成的混合物，并含有微量元素。颜色呈暗褐色或黑色，常温下为固体或半固体。沥青可以分为天然沥青、石油沥青、煤沥青、木沥青。天然沥青是石油在自然条件下，经过千百万年的时间，在温度、压力、气体、无机物催化剂、微生物以及水分等综合作用下氧化聚合而成的沥青类物质，由沥青、矿物质、水分构成。由于它常年与自然环境共存，故其性质特别稳定。根据天然沥青生成矿床的不同，可以分为：湖沥青、岩沥青、海底沥青。特立尼达湖沥青（Triniada Lake Asphalt）是世界上最为著名的天然沥青之一，它产于南美洲加勒比海岛国风景秀丽的特立尼达和多巴哥境内的沥青湖。该沥青湖又叫彼奇湖，面积44万平方米，深约82米，湖中沥青储量达1200万吨，是世界上最大的天然沥青产地。岩沥青生成于岩石的夹缝中，缝宽很窄，仅数十厘米，深可达几百米。天然岩沥青是一种纯天然的碳氢化合物，熔点在150 以上，我国青海及克拉玛依地区有所开采，但很少用于道路。美国北部犹他州的Uintah盆地的UNTAITE岩沥青是世界上最为著名的岩沥青。石油沥青可由两个分类指标进行分类“关键馏分特性”和“含硫量”。第一关键馏分是指常压下250275的馏分，第二关键馏分是减压条件下275300的馏分。根据含硫量可以分为低硫原油、含硫原油和高硫原油3类。煤沥青是由煤干馏的产品（煤焦油）经再加工而获得的。根据其在工程中应用要求的不同，按稠度可分为软煤沥青（液体、半固体）和硬煤沥青（固体）两大类。煤沥青是由芳香族碳氢化合物及其氧、硫、碳的衍生物所组成的混合物，主要元素为C、H、O、S和N，煤沥青元素组成的特点是“碳氢比”较石油沥青大得多。煤沥青化学组分的分析方法与石油沥青相似，可分离为：油分、软树脂、硬树脂、游离碳C1和游离碳C2五个组分；其中油分中含有萘、蒽、酚等有害物质，对其含量必须加以限制沥青的化学组分（元素含量，元素比例，基属比例等）都对其化学性质有影响。一般沥青中环烷基的含量越多其多种性能越好。沥青的技术性质沥青性质的技术指标有很多，包括粘滞性、感温性、延展性和脆性、粘弹性、粘附性、耐久性等。1、粘滞性粘滞性是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性。各种石油沥青粘滞性的变化范围很大，与沥青组分和温度有关。粘度是反映沥青粘滞性的指标，是沥青最重要的技术性质指标之，是沥青等级（标号）划分的主要依据。测定沥青相对粘度的主要方法有标准粘度计法和针入度法。1）标准粘度计法该法适用于液体石油沥青、较稀的石油沥青、煤沥青、乳化沥青等的粘度测定。标准粘度是在规定温度（20、25、30或60）条件下，规定直径（3mm、4mm、5mm或10mm）的孔口流出50cm3沥青所需的时间秒数，常用符号“”表示，其中t为试样温度、d为流孔直径、T为流出50cm3沥青所需的时间。按上述方法，在相同温度和相同流孔的条件下，流出时间越长，表示沥青粘度越大。2）针入度法该法适用于粘稠（固体、半固体）石油沥青的粘度测定。在规定温度25下，以规定重量100g的标准针、经历规定时间5s贯入试样中的深度（以l10mm为单位）来表示，符号为P（25，100g，5s）。针入度值反映了沥青抵抗剪切变形的能力，其值越大，表示沥青越软、粘度越小。2、感温性感温性是指沥青的粘滞性和塑性随着温度升降而变化的性能。当温度升高时，沥青由固态或半固态逐渐软化，发生象液体一样的粘性流动，称为粘滞流动状态；与此相反，当温度降低时，沥青又逐渐由粘流态凝固为固态、甚至变硬变脆。工程要求沥青随着温度变化而产生的粘滞性及塑性变化的幅度应较小，即感温性应较小。建筑工程中宜选用温度敏感性较小的沥青。评价沥青感温性的指标很多，常用的是软化点和针入度指数。（1）软化点我国现行试验法是采用环与球法软化点。将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，直至在钢球自重作用下，使沥青下坠25.4mm时的温度称为软化点，符号为TR&B。软化点越低，表明沥青在高温下的体积稳定性和承受荷载的能力越差。（2）针入度指数仅凭软化点来反应沥青性能随温度变化的规律并不全面，目前用来反映沥青感温性的常用指标是针入度指数（PI），按下式计算确定。 式中 P（25，100g，5s）在25、100g、5s条件下测定的针入度值（1/10mm）；TR&B环球法测定的软化点（）。沥青针入度指数的范围是1020。针入度指数不仅可以用来评价沥青的感温性，同时也可以来判断沥青的胶体结构：当PI2时，沥青属于溶胶型结构；当PI2时，沥青属于凝胶型结构；介于其间的属于溶凝胶型结构。不同的工程也对沥青的针入度指数有着不同的要求：如用作胶粘剂，要求PI介于22之间；用作涂料时，要求PI介于25；用作灌缝材料，要求PI介于31之间；路用沥青一般要求PI2。3、延展性延展性是指沥青在受到外力的拉伸作用时，产生变形而不破坏（出现裂缝或断开）、除去外力后仍能保持变形后形状不变的性质，它反映沥青受力时所能承受的塑性变形的能力。沥青之所以能制造出性能良好的柔性防水材料，很大程度上决定于沥青的延展性。通常用延度作为延展性指标。其试验方法是：将沥青试样制成最小断面面积为1cm2的8字形标准试件，在规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度（以cm计）称为延度，如图67所示。沥青的延度采用延度仪来测度，常用的试验温度有25和15。沥青的针入度、软化点和延度，被称为沥青的三大技术指标。4、大气稳定性大气稳定性是指石油沥青在大气综合因素（热、阳光、氧气和潮湿等）长期作用下抵抗老化的性能。大气稳定性好的石油沥青可以在长期使用中保持其原有性质。石油沥青在热、阳光、氧气和水分等因素的长期作用下，石油沥青中代分子组分向高分子组分转化，即沥青中油分和树脂相对含量减少，地沥青质逐渐增多，从而使石油沥青的塑性降低，粘度提高，逐渐变得脆硬，直至脆裂，失去使用功能，这个过程称为老化。5、安全性闪点（也称闪火点）是指沥青加热挥发出可燃气体，与火焰接触闪火时的最低温度。燃点（也称着火点）是指沥青加热挥发出的可燃气体和空气混合，与火焰接触能持续燃烧时的最低温度。闪点和燃点的高低表明沥青引起火灾或爆炸的可能性的大小，它关系到运输、储存和加热使用等方面的安全。例如，建筑石油沥青闪点约230在熬制时般温度为185200，为安全起见，沥青还应与火焰隔离。沥青材料的用途路用和建筑生活中沥青应用最多的是公路和建筑物建设，我国的路用沥青产量在1960年到2000年年产量几乎逐年升高，2000年已达到280万吨。建筑用沥青主要是油毡防水材料，20世纪初期国外防水材料主要以油毡为主，后来相继出现了各种改性沥青原料生产的油毡。由于先进技术的使用使得国外的防水材料远远高于我国水平。80年代，我国的生产水平，生产技术都相对落后，近10年来由于新技术和新的生产线的引进才有所改观。选用沥青是要考虑工程性质，气候条件，所处工程部位等多种因素。一般高牌号沥青比低牌号沥青含油分多、抗老化能力强，故在满足要求的前提下，应尽量选用牌号高的石油沥青，以保证有较长的使用年限。道路石油沥青又分为重交通石油沥青、中轻交通石油沥青、乳化石油沥青、液体石油沥青和改性沥青等。道路工程中选用沥青材料应考虑交通量和气候特点。南方高温地区宜选用高粘度的石油沥青，以保证夏季沥青路面具有足够的稳定性，不出现车辙等；而北方寒冷地区宜选用低粘度的石油沥青，以保证沥青路面在低温下仍具有一定的变形能力，避免出现开裂。建筑石油沥青针入度较小（粘性较大）、软化点较高（耐热性较好），但延伸度较小（塑性较小），主要用作制造油纸、油毡、防水涂料和沥青嵌缝膏等。它们绝大部分用于建筑屋面工程、地下防水工程、沟槽防水、防腐蚀工程及管道防腐工程等。使用时制成的沥青胶膜较厚，增大了对温度的敏感性；同时黑色沥青表面又是好的吸热体，一般同一地区沥青屋面的表面温度比其他材料的都高；沥青屋面达到的表面温度比当地最高气温高2530。为避免夏季流淌，一般屋面用沥青材料的软化点还应比本地区屋面最高温度高2025，可选用10号或30号石油沥青。改性沥青传统意义上的沥青是由树脂包裹的沥青质分子团组成的胶体物质，它呈现出很强的油质状态（即石油质）。胶体分为溶胶（主要指液态密度）和冻胶（主要指固体密度），这取决于其成分间的平衡状态。对沥青来说，两种状态的平衡取决于沥青质和树脂间的相互作用，并受到外界温度的强烈影响。事实上，沥青温度的升高打破了其冻胶状态，使沥青分子团演变成溶胶状态。因而沥青的一个重要特性就是常温下呈现出固体或半固体，但随温度升高极易溶化。这一显著的热敏感性是沥青的最重要的特征，也是其主要弱点。事实上，沥青混合物应能够在全年不同的工作条件下保持其良好的性能。显著的热敏感性妨碍了沥青混合物在高温和低温时呈现出良好的性能，因而必须改进沥青的特性以提高产品性能。二十多年来，国际国内交通容量增长迅速，重型车辆在其中的比例也不断增长。面对现在和将来的繁重的交通容量，使用传统材料、按传统方法设计的高速公路和机场跑道的沥青路面的寿命将不断降低。为了提高沥青的产品性能，一个可行的方法就是选用某些高分子聚合体改变传统沥青的特性。现代土木工程不仅要求沥青具有较好的使用性能、还要求具有较长的使用寿命，但沥青材料受环境影响较大、易老化。通过各种技术措施，在传统沥青材料中加入其它材料，来进一步改善沥青的性能，称为改性沥青。改性的目的在于提高沥青材料的流变性能、延长沥青的耐久性等、改善沥青与集料的粘附性。由此可以发现，改性沥青主要是在传统沥青中加入化学添加剂。以提高沥青的流变性和耐久性为主要目的。但并不是每种添加剂都能达到我们预期的效果，可能由于技术，安全，造价等多种原因使得某种添加剂或改性剂不能大量生产，从而失去了其科研价值。当今研究主要是针对化学改性剂的研究，使改性剂更加安全，有效，方便生产是我们研究的主要目。提高沥青流变性的途径很多，改性效果较好的有下列几类改性剂：树脂类改性剂、橡胶类改性剂、橡胶和树脂共混类改性剂、微填料类改性剂、纤维类改性剂。目前提高沥青耐久性方法，主要是掺加一些较为昂贵的化学添加剂，例如抗氧剂等；但使用抗氧剂前，必须通过试验对其技术上的有效性进行鉴定。当前对提高沥青耐久性最有效的添加剂为专用炭黑，炭黑经助剂预处理后，可配制“炭黑改性沥青”。SBS防水卷材防水卷材是一种可卷曲的片状防水材料。根据其主要防水组成材料可分为沥青防水材料、高聚物改性防水卷材和合成高分子防水卷材三大类。沥青防水卷材：沥青防水卷材是在基胎（如原纸、纤维织物）上侵涂沥青后，再在表面撒布粉状或片状的隔离材料而制成的可卷曲片状防水材料。可分为：1、石油沥青纸胎油毡（现已禁止生产使用）。2、石油沥青玻璃布油毡。3、石油沥青玻璃纤维胎油毡。4、铝箔面油毡。改性沥青防水卷材：改性沥青与传统的氧化沥青相比，其使用温度区间大为扩展，制成的卷材光洁柔软，可制成4-5mm厚度，可以单层使用，具有15-20年可靠的防水效果。可分为：1、弹性体改性沥青防水卷材（SBS卷材）。2、塑性体改性沥青防水卷材（APP卷材）。合成高分子防水卷材：合成指的是以合成橡胶、合成树脂或两者共混体为基料，加入适量化学助剂和填充料，经一定工序加工而成的可卷曲片状防水卷材。这种卷材拉伸强度高、抗撕裂强度高、断裂伸长率大、耐热性好、低温柔性好、耐腐蚀、耐老化及可冷施工等优越的性能。可分为：1、橡胶系防水卷材。2、塑料系防水卷材。3、橡胶塑料共混系防水卷材。改性沥青防水卷材的生产使用量非常大，改性沥青的研究也是最近的科学热点。改性沥青防水卷材可分为弹性沥青防水卷材（SBS防水卷材）和塑性沥青防水卷材（APP沥青防水卷材）。SBS改性沥青防水卷材，是以聚酯毡或玻纤毡为胎基，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）热塑性弹性体作改性剂，两面覆以隔离材料所制成的建筑防水卷材，产品标记按以下程序进行：弹性体改性沥青防水卷材、型号、胎基、上表面材料、厚度和本标准号，例：3mm厚砂面聚酯胎I型弹性体改性沥青防水卷材，标记为SBS I PY S3 GB18242。（此卷材使用品牌效应最响，比例最大，占全部防水材料的60.91）APP改性沥青防水卷材，是以聚酯毡或玻纤毡为胎基，无规聚丙烯APP或聚烯烃类聚合物APAO、APO作改性剂，两面覆以隔离材料所制成的建筑防水卷材，产品标记按以下程序进行：塑性体改性沥青防水卷材、型号、胎基、上表面材料、厚度和本标准号，例：3mm厚砂面聚酯胎I型塑性体改性沥青防水卷材，标记为APP I PY S3 GB18243。另外还有一种沥青复合胎柔性防水卷材简称为“复合胎卷材”，以沥青为基料，以无纺布-网格布两种材料复合为胎体，细砂、矿物粒（片）料、聚酯膜、聚乙烯膜等为覆面材料，以浸涂、滚压工艺而制成的防水卷材，该胎体价格低廉、耐霉菌、耐水性、耐久性极差，生产的卷材易分层，其中无纺布一般用回收的废布制成，化纤成份极高，不易浸透，网格布是用国家淘汰的陶土坩埚生产线生产的高碱玻纤织成的，其沥青通常用废胶粉进行改性。用此卷材施工的仅占3.04。SBS是一种热塑性弹性体,常温下具有橡胶的高弹性。通常在沥青中添加适量的SBS以改善沥青的力学性能,如低温脆性、高温抗变形性能以及抗疲劳老化性能。SBS防水橡胶是在60年代在国外开始研究起步，目前国内的生产水平相对落后。是目前科学研究的一大热门项目。但限于生产技术等诸多问题发展较为缓慢，甚至属于起步阶段。目前,国内SBS改性沥青的加工方法一般多采用机械式共混法,在工厂进行预拌或工地现场改性。工厂预拌工艺通过溶胀、剪切、发育3个阶段,将SBS经强力剪切分散到沥青中达到改