土木工程材料－第六章 沥青及沥青混合料

土木工程材料 Civil engineering materials兰州大学土木工程与力学学院焦贵德 主讲,2018年1月6日,第六章 沥青及沥青混合料,6.1 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、半固态或液态。,2.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。,6.2 石油沥青 6.2.1 石油沥青的生产工艺概述,6.2.2 石油沥青的组成和结构 1.化学组分 化学组分分析方法:将沥青分离为化学性质相近，而且与其工程性质有一定联系的几个组，这些组就称为组分。 我国现行公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ052-2000）规定有三组分和四组分两种分析法。（1）三组分分析法 按三组分分析法所得各组分的性状列如下表。,石油沥青三组分分析法的各组分性状,性状,（2）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,2石油沥青的胶体结构,（1）溶胶型结构（2）凝胶型结构（3）溶凝胶型结构,油分、树脂和地沥青质是石油沥青的三大组分，其中油分和树脂可以互相溶解，树脂能浸润地沥青质，并在地沥青质的超细颗粒表面形成树脂薄膜。所以石油沥青的结构是以地沥青质为核心，周围吸附部分树脂和油分的互溶物而构成胶团，无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。根据沥青中各组分的相对比例不同，胶体结构可分为溶胶型、凝胶型和溶凝胶型三种类型。,2石油沥青的胶体结构,（1）溶胶结构。地沥青质含量较少，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。直馏沥青的结构多为溶胶结构。（2）凝胶结构。凝胶结构地沥青质含量很多，胶团间有引力形成立体网状，地沥青质分散在网格之间，在外力作用下弹性效应明显。氧化沥青多属于凝胶结构。（3）溶一凝胶结构介于溶胶与凝胶之间，并有较多的树脂，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配成溶凝胶型结构，具有粘弹性和触变性，故亦称弹性溶胶。,石油沥青的胶体结构,胶体结构类型（三种）,a、溶胶型结构 b、溶凝胶型结构 c、凝胶型结构,6.2.3 石油沥青的技术性质 1.物理常数 2.粘滞性 3.延性 4.温度敏感性,5.耐久性6.安全性7.其他性质,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。 （2）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。,2.粘滞性 反映沥青材料内部阻碍沥青粒子产生相对流动的能力，简称为粘性，以绝对粘度表示。 沥青的粘度是沥青首要考虑的技术指标之一。 沥青绝对粘度的测定方法精密度要求高，操作复杂，不适于作为工程试验，因此，工程中通常采用条件粘度反映沥青的粘性。,条件粘度,针入度（适应粘稠石油沥青）液体沥青的粘度（适应液体石油沥青）,（1）针入度,1）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：5s,2）表示方法：P（25，100g，5s）。3）表征意义 沥青的针入度值愈大，表示沥青的粘度愈小。针入度是目前我国粘稠石油沥青的分级指标。 标号：一般取针入度的平均值。例如：90号沥青，针入度范围为80（.mm）,3.延性 是沥青材料当受到外力拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力，以延度作为条件延性的表征指标。（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、15、25三种； 拉伸速度有1 cm/min、5cm/min两种。,沥青延度测定示意图,（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。（3）测定延度的意义 沥青延度与其流变特性、胶体结构和化学组分等有着密切的关系。 研究表明： 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。 沥青延度越大，其塑性变形越大，有利于低温变形。,4.温度敏感性 （1）软化点 （2）针入度指数 （3）脆点,高温性能指标,低温性能指标,（1）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。,由于沥青材料从固态至液态有一定的变态间隔，故规定其中某一状态作为从固态转到粘流态(或某一规定状态)的起点，相应的温度称为沥青软化点。 我国现行试验法（JTJ052-2000 T0606）是采用环球法软化点。软化点符号为TR&B。,1）定义,2）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时的温度，称为软化点，单位： 。, 注意：初始温度5 加热速度为5/min,3）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。,（2）针入度指数 1）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，又可以划分沥青的胶体结构。 2）公式 针入度指数（Penetration Index，简称PI）是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：,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,A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6001000，0.1mm） 建立针入度-温度感应性系数A的基本公式：,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PI值的概念。 经验公式：,3）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低。 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,（3）脆点 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。 试验原理：将沥青试样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会出现一个或多个裂缝，此时的温度即为沥青的脆点。,石油沥青的粘滞性、延性和温度敏感性。 表征这三项性质的三大指标为：针入度、延度、软化点 是评价粘稠石油沥青技术性质最常用的经典指标。,5.耐久性,（1）影响因素 沥青材料在施工时需要加热，工程完成投入使用过程中又要长期经受大气、日照、降水、气温变化等自然因素的作用而影响耐久性。（2）沥青的老化 1）定义：在上述因素的综合作用下会产生不可逆的化学变化， 而导致工程性能逐渐劣化的过程称为老化。 2）评价方法：采用蒸发损失试验和薄膜加热试验。 （沥青试样在160条件下，加热蒸发5h）,3）评价指标：, 蒸发后沥青延度,6.安全性 沥青使用时必须加热，由于沥青在加热过程中挥发出的油会与周围的空气组成混合气体，当遇到火焰会发生闪火，此时的温度称为闪点。 若继续加热，挥发的油分饱和度增加，与空气组成的混合气体遇火极易燃烧，燃烧时的温度称为燃点。 评价指标：闪点。 闪点和燃点是保证沥青安全加热和施工的一项重要指标。 通常采用克利夫兰开口杯法测定（简称COC法）。,7.其他性质 为综合评价沥青的技术性能，还应全面地了解沥青的其他性质，如溶解度、含蜡量、粘附性等。 （1）溶解度：指沥青在有机溶剂（三氯乙烯、四氯化碳、苯等）中可溶物的百分含量。可以反映沥青中起粘结作用的有效成分的含量。（2）蜡：性脆，易裂缝，对沥青的生产和使用都有重要的影响。对我国采用石蜡基原油炼制的沥青尤为重要，含蜡量将直接影响沥青产品的质量。（3）粘附性：评价沥青的化学等级，等级越高，沥青与石料的粘附性越强。,6.2.4 石油沥青的技术标准 1.建筑石油沥青技术标准 标号：建筑石油沥青按针入度值划分为40号、30号和10号 三个标号。 特点：与道路石油沥青相比，针入度较小，延度较小，软化 点较高。 技术标准：建筑石油沥青GB/T494-98的规定，见下表：,建筑石油沥青技术标准,2.道路石油沥青技术标准 道路石油沥青的质量应符合道路石油沥青技术标准。 沥青各个等级的适用范围、适宜的气候分区应如下表。,6.2.5 石油沥青的掺配与稀释 当不能获得合适牌号的沥青时，可采用两种牌号的石油沥青掺配使用，但不能与煤沥青相掺。两种石油沥青的掺配比例可用下式估算：式中 1较软石油沥青用量（）； 2较硬石油沥青用量（）； 掺配后的石油沥青软化点（）； 1较软石油沥青软化点（）； 2较硬石油沥青软化点（）。 以估算的掺配比例和其邻近的比例（10）进行试配（混合熬制均匀），测定掺配后沥青的软化点，然后绘制“掺配比一软化点”关系曲线，即可从曲线上确定出所要求的掺配比例。,6.2.6 石油沥青的应用 在选用沥青材料时，应根据工程性质（房屋、道路、防腐）及当地气候条件、所处工程部位（屋面、地下）来选用不同品种和牌号的沥青。 道路石油沥青牌号较多，主要用于道路路面或车间地面等工程，一般拌制成沥青混凝土、沥青拌合料或沥青砂浆等使用。 建筑石油沥青粘性较大，耐热性较好，但塑性较小，主要用作制造油毡、油纸、防水涂料和沥青胶。它们绝大部分用于屋面及地下防水沟槽防水、防腐蚀及管道防腐等工程。对于屋面防水工程，应注意防止过分软化。,为避免夏季流淌，屋面用沥青材料的软化点还应比当地气温下屋面可能达到的最高温度高20以上。但软化点也不宜选择过高，否则冬季低温易发生硬脆甚至开裂。对一些不易受温度影响的部位，可选用牌号较大的沥青。 普通石油沥青含蜡较多，其一般含量大于5，有的高达20以上（称多蜡石油沥青），因而温度敏感性大，故在工程中不宜单独使用，只能与其他种类石油沥青掺配使用。,6.3 其他沥青 6.3.1 煤沥青 1.化学组成和组分 煤沥青的组成主要是芳香族碳氢化合物及其氧、硫、碳的 衍生物的混合物。煤沥青化学组分的分析方法与石油沥青的方 法相似，目前主要将煤沥青分离为：油分、树脂A、树脂B、游 离碳C1和游离碳C2等5个组分。,2 . 煤沥青的性质特点,煤沥青与石油沥青相比，性质上表现出以下特点：（1）温度稳定性较差。（2）塑性较差。（3）大气稳定性差。（4）防腐性较好。（5）粘结性较好。,3. 煤沥青的应用,煤沥青具有很好的防腐能力、良好的粘结能力。可用于配制防腐涂料、胶粘剂、防水涂料、油膏以及制作油毡等。将煤沥青和石油沥青按适当比例混合可形成一种稳定胶体，称为混合沥青。混合沥青综合了两种沥青的优点，使得粘性、温度稳定性、塑性均有显著改善。,6.3.2 乳化沥青 乳化沥青是将粘稠沥青热融，经过机械的作用，以细小的 微滴（粒径约为25m）状态分散于含有乳化稳定剂的水溶 液中，形成水包油状的沥青乳液。 1. 乳化沥青的优点 （1）常温施工、节约能源。 （2）便于施工、节约沥青 （3）保护环境、保障健康。 （4）路面粗糙，减少事故。,2.乳化沥青的应用 一般，针入度为1030（0.1mm）的石油沥青多用来制备建筑防水用乳化沥青；针入度为100300（0.1mm）的石油沥青多用来制备路用乳化沥青。 近几年阳离子乳化沥青发展很快。在道路工程中，以阳离子乳化沥青为主，可以用于路面的保护层结构、修补路面，也可以用作路面抗滑表层。,6.3.3 液体沥青,液体沥青冷底子油 冷底子油是将汽油、煤油、柴油、工业苯、煤焦油（回配煤沥青）等有机溶剂与沥青溶合制得的一种液体沥青。,7.3.4 改性沥青 改性沥青是通过在沥青中加入不同的改性剂，实现改善 沥青多种性能的目的。 目前，道路沥青可以采用热塑橡胶、热塑聚合物和热固 树脂三种改性剂改善其使用性能。其