沥青混合料 第二章 沥青材料

沥青混合料 第二章沥青材料 2 1概述 沥青的定义及分类1 定义1 AIPCR 由天然或热分解或两者兼而有之得到的烃类混合物 通常可以是气体 液体 半固体或固体 完全溶解于二硫化碳 2 ASTM 褐色或暗褐色的粘稠状物 固体 半固体或粘稠状物 由天然或人工制造而得 主要由高分子烃类组成 3 国标 由高分子碳氢化合物及非金属 氧 硫 氮 的衍生物组成的固体或半固体混合物 呈暗褐色至黑色 可溶于苯或二硫化碳等溶剂 是自然界中天然存在的或从原油经蒸馏得到的残渣 2 沥青的分类 按产源不同 地沥青 天然存在或由人工提炼而得到的沥青 1 天然沥青 地壳中的石油在各种自然因素的作用下 经过轻质油分蒸发 氧化和缩聚作用而形成的天然产物 2 石油沥青 石油经过各种炼制工艺加工而得到的产品 焦油沥青 各种有机物干馏的焦油 经再加工而得到的产品 按加工有机物的不同命名 如煤沥青 木沥青 页岩沥青等 石蜡基沥青 含蜡量 5 混合基沥青 含蜡量2 5 沥青基沥青 含蜡量 2 沥青的分类 按蜡含量不同 沥青的分类 按加工方法不同 直馏沥青 原有通过常压或减压蒸馏的方法得到的沥青产品 当产品符合沥青标准的就是直馏沥青 反之为渣油沥青 该种沥青温度稳定性和大气稳定性较差 溶剂脱沥青 渣油沥青通过减压蒸馏 得到减压渣油 减压渣油经溶剂沉淀后得到溶剂脱沥青产品或半成品 常温下是半固体或固体 氧化沥青 以减压渣油为原料 在高温下吹入空气 230 280 经氧化处理得到的产品 常温下是固体 比直馏沥青具有较高的热稳定性 高温抗变形能力较好 但低温变形能力较差 亦形成开裂现象 裂化沥青 对蒸馏后的重油在高温下进行裂化 得到裂化残渣成为裂化沥青 其具有更大的硬度和延度 软化点较高 但粘度 气候稳定性比直馏沥青 氧化沥青差 沥青的分类 按常温下稠度不同 固体沥青 粘稠沥青 液体沥青 沥青的分类 按用途不同 道路石油沥青 建筑沥青等 2 2石油沥青的组成与结构 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 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 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 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 蜡分 存在于芳香分和饱和分中 蜡在低温下结晶析出分散在沥青材料中 减少沥青分子之间的紧密程度 使其低温延展能力降低 蜡在温度升高时易融化 使沥青粘度降低 增加材料的温度敏感性 蜡还能使沥青与石料表面的粘附性降低 含量过高易使沥青路面的抗滑性能降低 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 石油沥青的胶体结构现代胶体理论认为 沥青材料是一种胶体分散系 它以固态微粒的沥青质为分散相 以液态的饱和分和芳香分为分散介质 过渡性的胶质起保护物质的作用 使分散相能够很好的胶溶于分散介质中 形成稳定的胶体结构 一般认为 在沥青的胶体结构中 从沥青质到胶质 乃至芳香分和饱和分 它们的极性是逐渐递变的 没有明显的分界线 沥青的胶体结构类型 溶胶结构 沥青质含量较少 胶团间完全没有引力或引力很小 在外力作用下随时间发展的变形特性与粘性液体一样 具有较好的自愈性和低温变形能力 但温度敏感性较强 直馏沥青的结构多为溶胶结构 凝胶结构 沥青质含量很高 胶团间引力增强 形成立体网状结构 饱和分和芳香分分散在网格之间成为分散相 连续胶团成为分散介质 在外力作用下弹性效应明显 深度氧化沥青多属于凝胶结构 具有较低的温度敏感性 但低温变形能力较差 溶胶结构 凝胶结构 溶一凝胶结构介于溶胶与凝胶之间 并有较多的胶质作为保护介质 胶团间有一定吸引力 在常温下受力变形的最初阶段呈现出明显的弹性效应 当变形增加到一定数值后 则变为有阻尼的粘性流动 大部分优质道路沥青均为溶 凝胶型结构 通常 环烷基稠油的直馏沥青 半氧化沥青 以及按要求组分重新组配的溶剂沥青等往往属于此类胶体结构 这类沥青在高温时具有较低的感温性 在低温时又具有较好的变形能力 2 3石油沥青的技术性质及评价指标 1 粘滞性沥青的粘滞性又称粘性 指沥青在外力作用下抵抗剪切变形的能力 它随沥青的组分和温度而定 沥青质含量高 粘滞性大 温度升高粘滞性则降低 沥青是一种典型的感温性材料 通常以表观粘度表征其粘滞性 粘度的表达和测定方法分为绝对粘度和相对条件粘度两大类 实际工作中大多采用经验方法 通过测定沥青的相对条件粘度 粘滞度 针入度 软化点等 来表征沥青的粘滞性 粘稠石油沥青的针入度是在规定温度 5 15 25 35 条件下 以规定质量 100 的标准针 在规定时间 s 内贯入试样中的深度来表示 单位以1 10mm计 针入度值越大 表明沥青越软 稠度越小 实质上 针入度是测定沥青稠度的一种指标 通常稠度高的沥青粘度越高 针入度的测定 粘滞度是将一定量的液体沥青 在某温度下经一定直径的小孔流出50ml所需的时间 以s表示 常用符号 CT d 表示粘滞度 其中 为小孔直径 mm 常用流孔直径 mm 4mm mm 10mm T为试样温度 通常为25 或60 粘滞度的测定 软化点 指的是沥青在一特定实验条件下达到一定黏度时的条件温度 沥青材料是一种非晶质高分子材料 它由液态凝结为固态 或由固态融化为液态时 没有敏锐的固化点或液化点 通常采用条件的硬化点和滴落点表示其状态的转变 沥青材料在硬化点至滴落点之间的温度阶段时 是一种粘滞流动状态 在工程实际中为保证沥青不致因温度升高而产生流动的状态 取滴落点和硬化点之间温度间隔的87 21 当作软化点 沥青的软化点试样在规定尺寸 内径为18 9mm 的金属环内 上置规定尺寸和质量 3 5g 的钢球 放于水 5 或甘油 32 5 中 以5 0 5 min的升温速度加热 至钢球下沉达到规定距离 25 4mm 时的温度 以 表示 它在一定程度上表示沥青的温度稳定性 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 软化点的测定 2 沥青的延性 延性 当沥青受到外力的拉伸作用时 所能承受的塑性变形的总能力 通常用延度作为条件延性指标来表征 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 3 沥青的感温性 在不同温度条件下 沥青粘度随温度的改变而产生一定的改变 呈现出明显的状态变化 这种随温度的改变产生粘度变化的特点称为沥青的感温性 针入度指数PI 应用针入度和软化点的试验结果来表征沥青感温性的一种指标 表示软化点之下的沥青感温性 针入度指数越大 表征沥青的感温性越小 即沥青在温度升高时其状态改变程度较小 表现为夏季气温升高时 沥青不易变软 具有一定的抗车辙变形能力 但另一方面冬季气温较低时 沥青变硬 开裂的可能性增加 故沥青的PI 2时 温度敏感性较低 为了兼顾材料的高低温性能要求 一般宜选用沥青针入度指数为 1 1的沥青作为路用沥青 3 耐久性 沥青在热 阳光 氧气和潮湿等大气因素的长期综合作用下抵抗老化的性能 称为耐久性 在大气因素的综合作用下 沥青中各组分会发生不断递变 低分子化合物将逐步转变成高分子物质 即油分和树脂逐渐减少 而地沥青质逐渐增多 石油沥青随着时间的进展 流动性和塑性将逐渐减小 硬脆性逐渐增大 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 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