土木工程材料 第9章　沥青

第九章 沥青,第一节 沥青的分类与生产 第二节 石油沥青的组成与结构 第三节 石油沥青的主要技术性质 第四节 石油沥青的技术标准及选用第五节 改性沥青第六节 煤沥青,第一节 沥青的分类与生产,什么叫沥青？ 沥青材料是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属（氧、硫、氮）衍生物所组成的混合物。常温下沥青是黑色或黑褐色的固体、半固体或液体。,一、沥青的分类,按我国通用的命名和分类方法，沥青可分为地沥青和焦油沥青两大类。地沥青是天然存在的或由石油精制加工得到的副产品，分为天然沥青和石油沥青。焦油沥青是将某些有机材料(如煤、木材、油页岩等)干馏加工得到的焦油，经再加工而得到的产品，分为煤沥青、页岩沥青、木沥青等。,二、石油沥青的生产,石油沥青生产流程示意图,加入稀释剂或水和乳化剂或软沥青或煤沥青等,直馏或氧化,慢凝液体沥青,粘稠沥青,快凝液体沥青乳化沥青调和沥青混合沥青,常压蒸馏,石油,常压渣油,减压渣油,油制品,油制品,减压蒸馏,第二节 石油沥青的组成与结构,一、石油沥青的化学组分元素组成: 石油沥青是由多种碳氢化合物及其非金属(氧、硫、氮)的衍生物组成的混合物。所以它的元素组成主要是碳(8087)、氢(1015)，其次是非烃元素，如氧、硫、氮等(3)。此外，还含有一些微量的金属元素，如镍、钡、铁、锰、钙、镁、钠等，但含量都很少。,一、石油沥青的化学组分,有机化合物的同分异构现象，使其虽然元素组成相同，但性质却往往有很大的区别。所以将沥青分离为纯粹的化合物单体，在操作上过于繁杂，在实际生产应用中，也并没有这样的必要。实际工程应用中，对沥青的组成通常采用划分组分的分析方法。 沥青的化学组分分析就是将沥青分离为化学性质和物理状态相近，而且与其工程性能有一定联系的几个化学成分组，这些组就称为组分。,一、石油沥青的化学组分,有哪些组分？ 采用三组分分析法可将沥青划分为油分、树脂、沥青质三个组分 （各组分的主要特征见表9-1）。 不同组分对石油沥青性能的影响不同。油分赋予沥青流动性，树脂使沥青具有良好的塑性和粘结性，沥青质决定沥青的耐热性、粘性和脆性。,三组分分析法,二、沥青的胶体结构,第三节 石油沥青的主要技术性质,一、黏滞性（黏性）二、塑性三、温度敏感性四、大气稳定性五、施工安全性,一、黏滞性（黏性）,石油沥青的黏滞性是石油沥青内部阻碍各流层之间产生相对流动的特性 ，是划分沥青标号的主要性能指标。黏滞性以绝对黏度或相对黏度表示，,液体沥青用标准黏度为指标，用CT,d (秒）表示,黏稠沥青用针入度为指标，用PT,m,t （度）表示,观看动画,二、 塑性,塑性是指石油沥青在受外力作用时产生变形而不破坏，除去外力后，仍保持变形后形状的性质。塑性用延度指标表示。,观看动画,三、温度敏感性,温度敏感性是指石油沥青的黏滞性和塑性随温度升降而变化的性能。评价沥青温度敏感性的指标很多。常用的是软化点和针入度指数。（1）软化点 由于沥青在硬化点至滴落点之间的温度阶段，是一种黏滞流动状态，故将此温度区间的某一状态规定为从固态转到黏流态的起点，相应的温度称为沥青软化点。,软化点的测定方法,软化点的数值与测定方法和仪器有关。我国现行试验规程(JTJ0522000)是采用环球法（RB法）测定软化点。,观看动画,（2）针入度指数,由于软化点作为一个条件状态分界点，并不能全面反映沥青性能随温度变化的规律。所以，目前评价沥青感温性的常用指标还有针入度指数PI。沥青针入度指数的变化范围是 -10+20，针入度指数（PI）愈小，表示沥青的感温性愈高。通常，按PI值来评价沥青的感温性时，要求沥青的PI= -1+1之间。用于高等级路面的沥青，要求具有更高的PI值。,四、大气稳定性,大气稳定性是指石油沥青在大气中使用时，在热、阳光、氧气和潮湿等因素的长期综合作用下性质不发生显著变化的性能。 在阳光、空气和热的综合作用下，石油沥青的流动性和塑性会随着时间的增长而逐渐减小，硬脆性会随着时间的增长而逐渐增大，直至脆裂，这种现象称为石油沥青的老化。因此，沥青的大气稳定性也可以称为抗老化性。 石油沥青产生老化的原因是沥青的各组分会在阳光、空气和热的综合作用下发生递变，使低分子化合物逐步转变成高分子物质，即油分和树脂逐渐减少，而沥青质逐渐增多，并且树脂转变为沥青质比油分变为树脂的速度快得多。,四、大气稳定性,我国现行试验规程(JTJ0522000 T0609)规定，石油沥青的抗老化性能是以沥青试样在加热蒸发前后的质量变化百分率、针入度比和老化试验后的延度来评定。测定抗老化性的方法有多种，目前常用的测定方法是薄膜烘箱试验法（TFOT法）。,大气稳定性,五、施工安全性,在规定条件下加热沥青，并使混合气体与火焰接触，当初次出现闪火(有蓝色闪光)时的沥青温度()，称为沥青的闪点。 若加热沥青的温度进一步提高，油分蒸气的饱和度将增加。当油分蒸气与空气组成的混合气体与火焰接触时能持续燃烧5s以上时，此时沥青的温度即为燃点()。通常燃点比闪点温度约高10。 闪点和燃点愈低，沥青引起火灾的可能性就愈大。,五、施工安全性,为了保证沥青在运输、贮存和加热使用过程中的安全性，必须规定沥青的闪点和燃点。一般施工时石油沥青的加热温度为150200，因此通常要求沥青的闪点大于230。此外，为了安全起见，沥青加热时必须与火焰隔离。,第四节 石油沥青的技术标准 及选用,一、石油沥青的技术标准 石油沥青按用途分为道路石油沥青、建筑石油沥青、防水防潮石油沥青和普通石油沥青。技术标准见P155表9-2和P156表9-3 。 道路石油沥青技术标准的详细内容可参见公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004 石油沥青的标号主要根据针入度、延度和软化点等指标划分。除防水防潮石油沥青除之外，标号都以针入度值表示。 同一品种的石油沥青，标号越高，则黏性越小(即针入度越大)，塑性越好(即延度越大)，温度敏感性越大(即软化点越低)。,二、石油沥青的选用,选用石油沥青的原则是根据工程类别(房屋、道路或防腐)及当地气候条件、所处工程部位(屋面、地下)等具体情况，合理选用不同品种和标号的沥青。在满足使用要求的前提下，尽量选用较大标号的石油沥青，以保证较长的使用年限。,二、石油沥青的选用,1. 道路石油沥青 这类沥青主要在道路工程中用于与碎石等矿质材料共同配制成铺筑沥青路面用的沥青混合料。 工程中应根据交通量和气候特点来选用适宜的沥青标号。南方高温地区为了保证在夏季沥青路面具有足够的稳定性，不会出现车辙等破坏形式，宜选用标号较小的高黏度石油沥青，如50号和70号；而北方寒冷地区为了保证沥青路面在低温下仍具有一定的变形能力，防止或减少低温开裂，宜选用标号较大的低黏度石油沥青，如90号和110号。在表9-3中列出了各标号沥青适用的气候分区（各气候分区的特点见表9-4），可按其规定进行选用。,二、石油沥青的选用,道路石油沥青的适用范围 沥青等级 适用范围A级沥青 各个等级的公路，适用于任何场合和层次。B级沥青 高速公路、一级公路沥青下面层及以下 的层次，二级及二级以下公路的各个层次； 用作改性沥青、乳化沥青、改性乳化沥 青、稀释沥青的基质沥青。C级沥青 三级及三级以下公路的各个层次。,二、石油沥青的选用,2. 建筑石油沥青建筑石油沥青粘性大，耐热性较好，但塑性较差，多用来制作防水卷材、防水涂料、沥青胶和沥青嵌缝膏，用于建筑屋面和地下防水、沟槽防水防腐，以及管道防腐等工程。 选用沥青作为屋面防水材料时，主要考虑耐热性要求，一般要求软化点较高，并满足必要的塑性。对于夏季炎热地区，当屋面坡度大易发生流淌时，应采用10号、30号建筑石油沥青或其混合物；对于夏季温度不太高或坡度不大的屋面，宜采用30号、60号或它们与 10号沥青的混合物。对于用作接缝的沥青材料，应首先考虑沥青的针入度与延度两项指标，可选用60号、 l00号沥青，地区气温越低，选用沥青牌号宜越大。,二、石油沥青的选用,3防水防潮石油沥青防水防潮石油沥青的温度稳定性较好，适用于寒冷地区的防水防潮工程。4普通石油沥青普通石油沥青含蜡量较大，一般含蜡量大于5，有的高达20以上，因而温度敏感性大，达到液态时的温度与其软化点相差很小，并且黏度较小，塑性较差，故不宜在建筑工程上直接使用。可用于掺配或改性处理后使用。,第五节 改性沥青,现代土木工程要求沥青材料必须具有一系列良好的性能。即：低温时，应有一定的弹性和塑性； 高温时，应有足够的强度和稳定性； 加工和使用时，具有抗老化能力； 与各种矿物填充料和结构表面要有较强的黏附力； 对基层变形有一定的适应性和耐疲劳性等。要满足这些要求，必须对普通沥青进行改性。沥青的改性是在沥青中加入其它材料（如橡胶、塑料等高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其它填料性外掺剂），与沥青混合均匀，从而使沥青的性能得到改善。,一改性沥青分类,1. 矿物填充料改性 为提高沥青的黏结能力和耐热性，降低沥青的温度敏感性，经常在石油沥青中加入一定数量的矿物填充料进行改性。常用的改性矿物填充料大多是粉状和纤维状的材料，主要有滑石粉、石灰石粉和石棉等。,1. 矿物填充料改性,矿物填充料改性,2. 热塑性橡胶类（共聚物）改性沥青,常用品种SBS 改性沥青 SBS是热塑性丁苯橡胶的一种。它具有橡胶和塑料的优点常温下具有橡胶的弹性，高温下又能熔融流动，成为可塑性材料。已广泛用于道路工程，尤其是高等级公路的路面 。 SBS 改性沥青的特点：弹性好、延伸率大；低温柔性大大改善，冷脆点降至一40热稳定性提离，耐热度达90100；耐候性好。,3. 橡胶类改性沥青,橡胶类改性沥青用得最多的是丁苯橡胶（SBR）和氯丁橡胶（CR）。这类改性剂通常以胶乳的形式加入沥青之中，制成橡胶沥青。橡胶由于吸收沥青中的油分产生溶胀，改善了沥青的胶体结构，因而使沥青的黏度得以提高。通常认为改性效果较好的是丁苯橡胶(SBR)。SBR改性沥青在性能上的主要特点为： (1)针入度值减小，软化点升高，常温(25)延度稍有增加，特别是低温(5)延度有较明显的增加；不同温度下的黏度均有所增加，并且随着温度的降低，黏度差逐渐增大；(2)热稳定性和韧度明显提高，黏附性亦有所提高。,4. 热塑性树脂类改性沥青,常被用于沥青改性的热塑性树脂主要为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP) 和无规聚丙烯(APP)。它们能提高沥青的粘度，改善沥青的高温抗流动性，同时可增大沥青的韧性。所以它们能够显著改善沥青的高温性能，但改善低温性能的效果有时并不明显。近期的研究表明，耐寒性好的低密度聚乙烯(LDPE)与其他高聚物组合进行改性，可以得到优良的改性沥青，且价格低廉。,5. 热固性树脂类改性沥青,用于改性沥青的热固性树脂主要为环氧树脂（EP）。EP环氧树脂大都是有双酚A或环氧氯丙烷缩聚而成。环氧树脂改性沥青的延展性不好，但其强度很高，具有优越的抗永久变形能力，并具有特别高的耐燃料油和润滑油的能力，适用于公共汽车停靠站、加油站等。,苏通大桥钢桥面环氧沥青混凝土摊铺,二、改性沥青的生产工艺,改性沥青是采用一定的工艺，将加入的改性剂均匀稳定地分散于沥青之中而制成的，因此改性工艺是改性剂发挥改性效果的保证。改性剂的种类不同，改性工艺也有所不同。1. 直接混溶法 2. 母料法3. 胶乳法,第六节 煤沥青,煤沥青是炼焦厂或煤气厂的副产品。烟煤在干馏过程中的挥发物质经冷凝而成的黑色粘性流体称为煤焦油。将煤焦油进行分馏加工提取轻油、中油、重油及蒽油后所得的残渣，即为煤