第四章沥青材料

,道路建筑材料,第四章沥青材料,第四章 沥青材料,第三节 乳化沥青,第二节 煤沥青,第四节 改性沥青,第一节 石油沥青,练习与作业,第一节 石油沥青,一、石油沥青的生产和分类,二、石油沥青的组成和结构,三、石油沥青的技术性质,四、石油沥青的技术标准,返回本章目录,一、石油沥青的生产和分类,（一）石油沥青生产工艺概述,（二）石油沥青的分类,石油沥青,原油成分“关键馏分特性”和“含硫量”,混合沥青,环烷基沥青,氧化沥青,中间基沥青,加工方法,溶剂沥青,粘稠沥青,稠度,石蜡基沥青,液体沥青,2%,5%,2% 5%,含蜡量,P=300（0.1mm）,直馏沥青,返回本节目录,二、石油沥青的组成和结构,沥青的组成和结构对沥青的技术性质影响很大 （一）元素组成主要是碳、氢 ，其次是非烃元素，如氧、硫、氮等混合物。通式分子表达式为CnH2n+aObScNd （二）石油沥青的化学组分为了研究石油沥青化学组成与使用性能之间的联系，常将沥青中化学性质相近的成分归类分析，划分为若干“组”，称为“沥青化学组分”，简称“组分”。早年分为：沥青酸、沥青酸酐、油分、树脂、沥青质、沥青碳和似碳物等组分 现在分为：三组分分析法和四组分分析法。,（二）石油沥青的化学组分与路用性能的关系,石油沥青的化学组分三组分分析法：油分、树脂、沥青质。四组分分析法：饱和分、芳香分、胶质、沥青质。沥青的含蜡量,流动性,塑性,粘结性、热稳定性,1、高温稳定性降低（车辙）2、低温抗裂性降低（裂缝）3、粘附性降低（剥落）4、抗滑性降低,（三）石油沥青的结构,1胶体理论沥青质是分散相，饱和分和芳香分是分散介质，但沥青质不能直接分散在饱和分和芳香分中 ,而胶质作为一种“胶溶剂” 。以沥青质为胶核，胶质被吸附其表面形成胶团，分散在饱和分和芳香分中。,2沥青的胶体结构类型,采用针入度指数（PI）来划分其胶体结构类型。,按各组分的相对含量不同分类,溶胶结构,凝胶结构,溶凝胶结构,粘滞性小，流动性好，塑性好，但温度稳定性差,弹性和粘性较高，温度敏感性小，但流动性塑性差,最好。高温时的感温性、低温时的形变能力都较好。,沥青质少,沥青质多,返回本节目录,三、石油沥青的技术性质,（一）粘滞性（粘性）,（二）塑性,（三）温度稳定性(感温性),（四）加热稳定性,（五）安全性,（六）溶解度,（七）含水量,（八）非常规的其它性能,返回本节目录,（一）粘滞性（粘性）,粘滞性（粘性）：是指沥青在外力作用下抵抗变形的能力，与组分及温度有关沥青质多、树脂适量、油分少时，粘滞性较大温度升高，粘滞性降低粘滞性的表示方法1沥青的绝对粘度（亦称动力粘度）（测定复杂）2沥青的相对粘度（条件粘度）（实际应用 ）,（1）针入度（用于道路石油沥青）,（2）粘度（用于液体沥青）,返回三,（1）针入度（道路石油沥青的粘滞性）,以PT,m,t（0.1mm）表示，P为针入度,T为试验温度（），m为针重（g） ，t为贯入时间（S）。如P（25，100g，5S）=65（0.1mm）,图4-5 针入度法测定粘稠沥青针入度,是划分道路石油沥青等级的主要指标, 针入度值越大，表示沥青愈软（稠度愈小），粘度越小。,试图4-1 针入度标准针（单位：mm）,针入度试验,1530 室温冷却11.5h,0.6mm筛过滤,装模,移入200.1恒温水槽11.5h,加热脱水至无气泡,针入度试验,试样表面水深不小于10mm，使针尖与试样表面接触，放入传感器,设定时间为5s，温度为25,按下启动键，记录25的针入度（准确至0.5 ），移动试样与针尖接触位置，按复位键及启动键，同一试样要测出三个针入度,试验结果,同一试样3次平行试验结果的最大值和最小值之差在下列允许偏差范围内时，计算3次试验结果的平均值，取整数作为针入度试验结果，以0.1mm为单位。,沥青针入度试验,返回,以C T、d（s）表示，C为粘度，T为试验温度，d为流孔直径（mm） 。如C60、5=100s。用来测定液体沥青。,是划分液体沥青等级的，时间愈长，表示沥青愈稠，粘度愈大。,（2）粘度（粘滞度 ）,沥青粘度试验,返回,标准粘度计测定液体沥青示意图1沥青试样，2活动球杆，3流孔，4水,（二）塑性,塑性（用延度表示）：是指沥青在外力作用下发生变形而不破坏的能力。与组分及温度有关： 树脂多，油分及沥青质适量，塑性较大； 当温度升高，塑性增大； 沥青膜层愈厚则塑性愈高。延度(cm) ：用延度仪测定，将试样制成字形，在规定速度5cm/min和规定温度15（或10）下拉断时的长度。延度越大，塑性越好，柔性和抗断裂性越好。,返回三,延度仪与试模,沥青延度试验,返回,（三）温度稳定性(感温性),温度稳定性：指沥青的粘结性和塑性随温度升降而变化的性能。 温度升高,沥青由固态流态：软化点。 温度降低,由流态固态至变脆：脆点。高温敏感性：软化点（）T软（或TR&B ）（沥青材料由固态变为流态时的温度间隔的87.21%）测定：用环球法软化点仪测定。软化点愈高，温度稳定性愈好。针入度是在规定温度条件下（如25 ）的粘度，而软化点则是规定条件粘度时（软化P（25，100g，5S）=800（0.1mm）的温度。“三大指标”：针入度、延度、软化点 低温抗裂性：脆点（） 要求沥青有较高的软化点和较低的脆点，否则沥青会夏季流淌或冬季变脆开裂。感温性和胶体结构的指标：针入度指数,返回三,环球法软化点仪,将沥青试样装入铜环内，试样上放置钢球浸入水或甘油中，以规定的升温速度（5/min）加热，使沥青软化下垂至规定距离时的温度以表示。,试图4-6 钢球定位环(单位:mm),沥青软化点试验,返回,脆点（ ）,是指沥青由塑态变为固态达到条件脆裂时的温度。测定：弗拉斯法,返回,针入度指数（PI）,由针入度和软化点的试验结果求得。应用：表征沥青的感温性和胶体结构的指标。1）针入度温度感应性系数A沥青达到软化点时的针入度约等于800（1/10mm） 2）针入度指数（P.I.）的确定（1）实用公式（2）针入度指数诺模图（3）按（P.I.）划分其胶体结构类型。,返回,（四）加热稳定性,加热稳定性：沥青在过热或过长时间加热过程中，会发生轻质馏分挥发、氧化、裂化、聚合等物理化学变化，使沥青的化学组成及性质相应发生变化（热致老化）。沥青在路面施工及使用过程的耐久性，要进行加热质量损失和加热后残渣性质的试验。1、 道路石油沥青采用沥青薄膜加热试验（TFOT）或沥青旋转薄膜加热试验（RTFOT） 测定其质量损失、残留物针入度、延度等。2、液体石油沥青采用沥青的蒸馏试验 测定其残留物针入度、延度等。,返回三,沥青薄膜加热试验,烘箱外部,旋转架,盘子,温度计6mm,返回,（五）安全性,闪点：指沥青加热挥发出可燃气体与空气组成的混合气体，在规定条件下与火接触，产生闪光时的沥青温度（）。燃点：指沥青加热产生的混合气体与火接触能持续燃烧5s以上时的沥青温度（） 。闪点与燃点温度相差10 左右。用克利夫兰开口杯闪点仪测定。,图4-11 克利夫兰开口杯式闪点仪（单位：mm）1温度计；2温度计支架；3金属试验杯；4加热器具；5试验标准球；6加热板；7试验火焰喷嘴；8试验火焰调节开关；9加热板支架；10加热器调节钮,沥青闪点燃点试验,返回三,（六）溶解度,溶解度：指石油沥青在三氯乙烯中溶解的百分率（即有效物质含量）。那些不溶解的物质为有害物质（沥青碳、似碳物），会降低沥青的性能，应加以限制。,返回三,（七）含水量,沥青中含有水分，施工中挥发太慢，影响施工速度，所以要求沥青中含水量不宜过多。在加热过程中，如水分过多，易产生“溢锅”现象，引起火灾，使材料受到损失。在溶化沥青时应加快搅拌速度，促进水分蒸发，控制加热温度。,返回三,（八）非常规的其它性能,1、劲度模量,2、粘附性,3、老化,返回三,1、劲度模量 Sb （Mpa ）：是表示沥青的粘性（高温）和弹性（低温）联合效应的指标。 T欲求劲度时的路面温度与沥青软化点之差值（）。 t荷载作用时间（s） P.I.针入度指数利用诺模图求劲度模量，需有3个参数： 加荷时间频率t;温度差，即路面实际温度与环球法软化点之间的温差T ;针入度指数P.I.,1、劲度模量,例4-1已知沥青软化点T软为70，针入度指数P.I为2，路面温度T为-10，荷载作用时间t为10-1 S，求沥青的劲度模量Sb 。,解：在A线上找到加载时间为10-1 S的点为a。 已知路面温度与软化点之间的温差为80，在B线上找到80之点为b。 在针入度指数的标尺上找到+2，作水平线。 连接ab两点，并延长至与针入度指数+2的水平线相交点的劲度曲线顺至顶端，即为劲度模量 即Sb =2108 N/m2=200Mpa.,返回,2、粘附性,沥青裹覆石料后的抗水性（即抗剥性）不仅与沥青的性质（粘滞性）有关，而且亦与集料性质（酸碱性）有关。应优先选择碱性石料；采用酸性石料时，可掺加各种抗剥剂。测定：水煮法(最大粒径大于13.2mm)和水浸法(最大粒径小于或等于13.2mm ),a) b) c)试图4-9 水煮法试验,返回,3、老化,老化：沥青在自然因素（热、氧化、光和水）的作用下，产生“不可逆”的化学变化，导致路用性能劣化，称为“老化”。沥青老化的性质变化：在物理力学性质方面，表现为针入度减少，延度降低，软化点升高，绝对粘度提高，脆点降低等。在化学组分含量方面: 饱和分变化少， 芳香分胶质（较慢）， 胶质沥青质（较快）， 表现沥青质显著增加，胶质显著减少。,小结：三、石油沥青的技术性质,（一）粘滞性（粘性） 针入度道路石油沥青 粘度液体沥青（二）塑性延度 （三）温度稳定性(感温性) 软化点高温敏感性、 脆点低温抗裂性、 针入度指数感温性和胶体结构（四）加热稳定性沥青薄膜加热、液体石油沥青蒸馏试验 （五）安全性闪点、燃点 （六）溶解度（七）含水量（八）非常规的其它性能 劲度模量（粘性和弹性） 、 粘附性（抗剥性） 、 老化（耐久性）,返回,四、石油沥青的技术标准,（一）道路石油沥青的技术标准 1、道路石油沥青分为A、B、C三个等级，见道路石油沥青的适用范围表格。2道路石油沥青按针入度划分为160号、130号、110号、90号、70号、50号、30号七个标号，同时对各标号沥青的延度、软化点、闪点、含蜡量、薄膜加热试验等技术指标提出了相应要求，见道路石油沥青技术要求表格。 （二）道路液体石油沥青的技术标准,返回本节目录,道路石油沥青的适用范围,返回,返回,（二）道路液体石油沥青的技术标准,返回,一、煤沥青的化学组成和结构特点1、煤沥青的化学组成2煤沥青的结构与石油沥青相类似 二、煤沥青的技术性质与技术标准,第二节 煤沥青,返回本章目录,二、煤沥青的技术性质与技术标准,1煤沥青与石油沥青相比 1）温度稳定性差 2）气候稳定性差 3）塑性较差 4）煤沥青与矿质材料表面粘附性能好 5）防腐性能好 2、煤沥青的技术指标3道路用煤沥青技术要求,返回,3道路用煤沥青技术要求,返回,第三节 乳化沥青,一、概述,二、乳化沥青的组成材料,三、乳化沥青的形成机理,四、乳化沥青的性质与技术要求,五、乳化沥青在集料表面分裂机理,六、乳化沥青的应用,返回本章目录,一、概述,乳化沥青：是指石油沥青与水在乳化剂、稳定剂等的作用下经乳化加工制得的均匀沥青产品（沥青乳液）。特点：（1）可冷态施工（2）与湿集料拌和，粘结力好（3）无毒、无嗅保护环境，减少污染，施工安全（4）稳定性差 （5）修筑路面的成型期间较长。应用：铺筑路面、路堤的边坡保护、层面防水、金属材料表面防腐等,返回本节目录,二、乳化沥青的组成材料,1沥青针入度较大 、活性组分的含量多2乳化剂一端亲油，吸引沥青微粒为固体核；另一端亲水，与水分子吸引，形成水膜。3稳定剂贮存和施工的稳定性。4水,返回本节目录,三、乳化沥青的形成机理,（1）乳化剂降低界面能的作用 （2）界面膜的保护作用 （3）界面电荷稳定作用,图4-16 乳化剂在沥青微滴表面形成的界面膜,图4-17 阳离子乳化沥青的界面电荷,返回本节目录,沥青微滴均匀稳定地分散在乳化剂水溶液中。,四、乳化沥青的性质与技术要求,注：P为喷洒型，B为拌和型 ，C、A、N分别表示阳离子、阴离子、非离子乳化沥青； 粘度可选用恩格拉斯粘度计或沥青标准粘度计之一测定；表中的破乳速度与集料的粘附性、拌和试验的要求、所使用的石料品种有关。质量检验时应采用工程上实际的石料进行试验，仅进行乳化沥青产品质量评定时可不要求此三项指标；贮存稳定性根据施工实际情况选用试验时间，通常采用5d，乳液生产后能在当天使用时也可用1d的稳定性；当乳化沥青需要在低温冰冻条件下贮存或使用时，尚需按T0656进行-5低温贮存稳定性试验，要求没有粗颗粒、不结块；如果乳化沥青是将高浓度产品运到现场经稀释后使用时，表中的蒸发残留物等各项指标指稀释前乳化沥青的要求。,返回本节目录,五、乳化沥青在集料表面分裂机理,分裂是指从乳液中分裂出来的沥青微滴在集料表面聚结成一层连续的沥青薄膜的过程（俗称破乳）。乳液产生分裂的外观特征是它的颜色由棕褐色变成黑色。（1）乳液与集料表面的吸附作用 阴离子乳液（沥青微滴带负电）与带正电荷碱性集料 （石灰岩、玄武岩等）有较好的粘结性。 阳离子乳液（沥青微滴带正电）与带负电荷的酸性集料（花岗岩、石英岩等）具有较好的粘结性，同时对碱性集料也有较好的亲和力）。 （2）水分的蒸发作用：水分蒸发速度的快慢与温度、湿度、风速等条件有关。在温度较高，有风的环境中，水分蒸发较快，反之较慢。通常当沥青乳液中水分蒸发到沥青乳液的80%90%时，乳化沥青即开始凝结。,返回本节目录,六、乳化沥青的应用,适用于沥青表面处治路面、沥青贯入式路面、冷拌沥青混合料路面，修补裂缝，喷洒透层、粘层与封层等,返回本节目录,第四节 改性沥青,提高沥青的流变性能，改善沥青与集料的粘附性，延长沥青的耐久性。 改性沥青是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物，磨细的橡胶粉或其它填料等外掺剂（改性剂）的沥青结合料。改性沥青分类：1、热塑性橡胶类改性沥青 （SBS 、SIS 、SE/BS）2、橡胶类改性沥青 （SBR 、CR） 3、热塑性树脂类改性沥青 （EVA）4、掺加天然沥青的改性沥青5、其它改性沥青：掺多价金属皂化物 ；掺碳黑；加玻纤格栅。改性沥青技术要求,返回本章目录,练习题1.石油沥青的三组分分析法是将石油沥青分离为_，_，_三个组分。2.粘稠石油