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第四章沥青材料 二 分类 一 概念 沥青材料是一种有机胶凝材料 其内部组成是一些十分复杂的碳氢化合物及其非金属衍生物的混合物 第二节石油沥青Petroleumasphalt 一 生产工艺 溶剂膜溶剂沥青原油常压塔减压塔沥青直馏沥青氧化塔氧化沥青 二 分类1 按原油成分 石蜡基沥青 含蜡量 5 蜡常温下以结晶形式存在 降低沥青的黏结性和塑性 沥青基沥青或环烷基沥青 含蜡量 2 混合基沥青或中间基沥青 含蜡量2 5 性质介于石蜡基和环烷基沥青之间 2 按加工方法 直馏沥青 常压蒸馏或减压蒸馏或深拔装置氧化沥青 在250 300 的高温下吹入空气 经数小时氧化反应溶剂沥青 用溶剂提取一部分石蜡 3 按沥青在常温下的稠度分类 针入度 300 液体沥青针入度 300 黏稠沥青 又分为固体沥青 40 和半固体沥青 40 300 三 石油沥青的组成 沥青分子通式是 通常在石油沥青中碳含量为80 87 氢为10 15 氧 硫 和氮的含量少于3 由于石油沥青化学组成结构的复杂性 工程上常将沥青所含烃类化合物中化学性质相近的成分归类分析 从而划分为若干组 即用组分进行分析 1 三组分分析法 1 油分 粘性液体 使沥青具有流动性 2 树脂 半固体 有酸性和中性之分酸性树脂 地沥青酸 地沥青酸酐 提高黏附性中性树脂 含量多 使沥青具有可塑性 3 沥青质 固体粉末 使沥青具有粘性和耐高温性 但也降低沥青的塑性 含量高 沥青变硬 变脆 2 四组分分析法 沥青质 饱和分 芳香分 胶质 1 饱和分 也称饱和烃 相当于油分 在老化过程中基本不变 2 芳香分 亦称芳香烃 相当于油分的一种 老化过程中部分会转变成胶质 3 胶质 相当于树脂 4 沥青质 3 沥青的含蜡量 对路面性能的影响 高温时 石蜡变软 导致沥青路面的高温稳定性降低 出现车辙 另一方面 低温会使沥青变脆硬 导致路面低温抗裂性降低 出现裂缝 且蜡会使石料与沥青之间的粘附性降低 使路面石料与沥青产生剥落 造成路面的破坏 石蜡的存在还会降低沥青路面的抗滑性能 四 石油沥青的结构 1 胶体理论 沥青的胶体结构是以沥青质为胶核 胶质被吸附其表面 并逐渐向外扩散形成胶团 胶团再分散于芳香分和饱和分中 2 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 溶胶结构 沥青质含量少 饱和分和芳香分 胶质多 凝胶结构 沥青质含量较多 并有相应数量的胶质形成胶团 使得胶团的相互移动较困难 溶 凝胶结构 适中 理想结构 3 胶体结构的评价方法 针入度指数 PI 沥青的针入度指数和胶体结构类型 五 石油沥青的技术性质 1 黏滞性 指沥青在外力作用下抵抗变形的能力 其大小取决于沥青的化学组分及温度 用黏度表示 1 沥青的绝对黏度 动力黏度 2 沥青的相对黏度 条件黏度 技术指标 针入度 黏度 沥青绝对黏度概念图 针入度penetration针入度试验适用于测定道路石油沥青稠度 针入度划分沥青技术等级的重要指标 1 定义 在规定的温度和时间内 附加一定质量的标准针垂直贯入试样的深度 以0 1mm表示 2 表示方法 沥青针入度试验示意图 黏度viscosity 1 定义 液态沥青在规定温度条件下 通过规定的流孔直径 流出50ml体积所需要的时间 适用于测定液体石油沥青 软煤沥青等的黏度 2 试验方法 标准粘度计法3 表示方法 eg 4 结论 相同的温度和流孔条件下 流出时间越长 表示沥青黏度越大 道路标准黏度计 2 塑性 1 定义 沥青在外力作用下发生变形而不破坏的能力 2 影响因素 沥青的组分及温度3 衡量指标 延度4 试验 延度仪测定 延度试件 结论 沥青延度越大 塑性越好 柔性和抗断裂性能越好 3 温度稳定性 1 高温敏感性 用软化点表示 单位 测定方法 环球法软化点仪 以沥青由固化点到滴落点的温度间隔的87 21 为软化点 环球法的软化点仪 定义 指沥青的黏滞性和塑性随温度升降而变化的性能 2 低温抗裂性 用脆点表示 脆点的表示 沥青材料由黏塑状态转变为固体状态达到条件脆裂时的温度 测定方法 弗拉斯脆点仪 软化点越高 表明沥青的耐热性越好 即温度稳定性愈好 沥青的三大指标 针入度 延度 软化点 要求沥青具有较高的软化点和较低的脆点 4 加热稳定性 1 定义 沥青在过热或长时间加热过程中 会发生轻质馏分挥发 氧化 裂化 聚合等一系列物理及化学变化 使沥青的化学组成及性质相应地发生变化 称为沥青加热稳定性 2 试验 按规定要进行对沥青的加热质量损失和加热后残渣性质的试验对于道路石油沥青 黏稠沥青 沥青的薄膜加热试验对于液体石油沥青 液体石油沥青蒸馏试验 测定 1 质量损失百分率2 针入度3 延度 25 cm 4 延度 15 cm 5 安全性 2 闪点测定方法 克利夫兰开口杯式闪点测定仪 1 指标 主要是闪点和燃点 闪点 指加热沥青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 持续燃烧5s以上时的沥青温度 一般与闪点相差10 各种沥青的最高加热温度都必须低于其闪点和燃点 6 溶解度 定义 石油沥青在三氯乙烯中溶解的百分率 用以确定沥青含有对筑路有利的有效成分的百分含量 7 含水量 含水危害 1 施工中挥发太慢 影响施工速度2 加热时 溢锅 易引起火灾3 造成材料损失 影响沥青与矿质材料的粘结 解决措施 在熔化沥青时 加快搅拌速度 促进水分蒸发 控制加热温度 粘稠沥青用水分测定仪测定 液体沥青可直接抽提 8 其他性能指标 1 针入度指数 PI 是表征沥青感温性和胶体结构的指标 则 A 针入度温度感应性系数 得出 针入度指数 试验研究认为 沥青达到软化点 此时的针入度在600 1000之间 假定为800 0 1mm 温度感应性系数A可由式 2 劲度模量 定义 表示沥青的黏性和弹性联合效应的指标 根据沥青材料的针入度指数 PI 软化点 路面温度及荷载作用时间 或频率 等因素 可通过劲度模量诺模图获得沥青的劲度模量 对于某一给定沥青材料而言 弹性变形部分和永久变形部分的比例 取决于应力 荷载作用时间和温度 沥青的劲度与温度 荷载作用时间和沥青的流变类型 即针入度指数PI 等参数有关 故 T 欲求劲度时的路面温度与沥青软化点之差值 试验方法 水煮法和水浸法 3 黏附性 不仅与沥青的性质有关 而且与集料性质 酸碱性 也有关 4 老化 沥青在自然因素 热 氧化 光和水 作用下 产生不可逆的化学变化 导致路用性能劣化 称之为老化 直接影响沥青路面的使用质量和耐久性 一般应优先使用碱性集料 当采用酸性石料时 可掺加各种抗剥剂来提高黏附性 其组分变化规律为 油分 树脂 沥青质饱和分 芳香分 较慢 胶质 较快 沥青质 沥青的大气稳定性以加热蒸发损失百分率和加热前后针入度比来评定 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 导致路面 防水层产生裂缝等破坏等 将沥青抵抗老化的能力称为大气稳定性 也是沥青材料的耐久性指标 蒸发损失百分数愈小和蒸发后针入度比愈大 则表示沥青的大气稳定性愈好 即 老化 愈慢 1 道路石油沥青的技术标准 六 石油沥青的技术标准 2 道路液体石油沥青的技术标准 1 分级 A B C三级 适用范围见表4 3 2 标号 根据针入度划分160号 130号 110号 90号 70号 50号 30号七个标号 随着标号增加 沥青的黏度减小 针入度增加 塑性增加 延度增大 而温度稳定性变差 软化点降低 按其凝结速度分快凝 中凝 慢凝三个等级 3 怎样划分石油沥青的标号 标号大小与沥青主要性质间的关系如何 在施工中选用沥青时 是不是标号越高的沥青质量越好 1 石油沥青的化学组分及其基本特征 2 石油沥青的三大指标是什么 分别表示沥青的什么性质 如何测定 针人度 延度 软化点统称为沥青的 三大指标 针入度表示固体或是半固体沥青的黏性指标 其实质反映了沥青胶体结构的紧密程度 即胶团之间引力大小的性质 对于固态沥青主要用针入度表示 数值愈大 表示沥青黏性愈小 液态沥青黏性用黏度表示 延度是表示沥青塑性指标 是指沥青受到外力作用时 产生连续变形而不破坏 当外力撤消 能保持获得的变形的能力 软化点是表示沥青温度敏感性的指标 是指沥青的黏性和塑性随温度变化而改变程度的性能 软化点高 反映需要在较高温度作用下 才会发生沥青的黏性流动 说明在这样的使用状态下 沥青的塑性和粘性改变程度不大 即温度敏感性小 若在相同使用条件下 沥青的软化点低 则塑性和粘性变化大 沥青的温度敏感性大 2 石油沥青的三大指标是什么 分别表示沥青的什么性质 如何测定 3 石油沥青的标号主要是根据沥青的针入度划分的 标号由小到大 沥青性质表现为黏性逐渐降低 塑性增大 温度敏感性增大 选用石油沥青的原则是根据工程性质 房屋 道路 防腐 及当地气候条件 所处工程部位 层面 地下 来选用 在满足上述要求的前提下 尽量选用标号高的石油沥青 以保证有较长的使用年限 这是因为标号高的沥青比标号低的沥青含油分多 其挥发 变质所需时间较长 不易变硬 所以抗老化能力强 耐久性好 但是标号太高沥青也会出现软化点较低的现在 在高温环境下使用就会出现流淌等现在 所以说沥青不是标号越高质量越好 第二节其他沥青 一 煤沥青 煤沥青是烟煤炼焦或制煤气时 从干馏所挥发的物质中冷凝出煤焦油 将焦油再继续蒸馏提取轻油 中油及重油后所剩的残渣 即是煤沥青 根据干馏温度的不同 分为 高温煤焦油 路用煤焦油 及低温煤焦油两类 1 煤沥青的化学组成和结构特点1 化学组成 游离碳 自由碳 增加沥青的黏滞性 提高热稳定性 树脂 硬树脂 黏滞性软树脂 塑性 油分 流动性 2 煤沥青的结构 胶体分散系 此外 煤沥青中还含有少量碱性物质 吡啶 喹啉等 和酸性物质 酚 酚有毒且能溶于水 煤沥青中的酸性物质都属表面活性物质 其含量高于石油沥青 所以煤沥青表面活性比石油沥青高 与石料黏结力好 2 煤沥青的技术性质和技术标准1 煤沥青的技术性质与石油沥青的差异 煤沥青含有较多不饱和的碳氢化合物 化学稳定性差 所以大气稳定性差 易老化 煤沥青含有较多的游离碳 塑性较差 使用时易因受力变形而开裂 可溶性树脂含量多 受热易软化 所以温度稳定性差 煤沥青所含的酸 碱性物质都是表面活性物质 与矿料的粘结力较强 煤沥青含有酚 蒽油等有毒物质 防腐性能好 煤沥青的密度比石油沥青大 由于煤沥青的主要技术性质比石油沥青差 但煤沥青与矿料的黏结性好 适量掺入石油沥青中 可增强石油沥青的黏结力 但不应随意混合 否则产生沉渣 变质等现象 黏结性急剧下降甚至完全失去粘结力 2 煤沥青的技术指标 黏度 用标准黏度计测量 与液体沥青一样 蒸馏试验馏分含量及残渣性质 测定试样受热时 在规定温度范围内蒸出的馏分含量 及蒸馏后残留物的含量 馏分含量的限制控制了煤沥青由于蒸发而老化的安全性 残渣性质试验保证了煤沥青残渣具有适宜的黏结性 煤沥青焦油酸含量 导致路面强度降低 且有毒 在沥青中的含量必须加以限制 含萘量 萘是有害物且易升华 有毒 能加速老化 萘易使沥青失去塑性 含量越低越好 甲苯不溶物 沥青中不溶于甲苯的物质 水分 过量的水分造成沥青损失 易引起火灾 3 煤沥青与石油沥青的鉴别 见后页表 石油沥青和煤沥青的简易鉴别方法 二 乳化沥青 1 概述1 定义 石油沥青与水在乳化剂 稳定剂等的作用下 经乳化加工制的的均匀沥青产品 在常温下具有较好的流动性 2 优点 冷态施工 操作方便 节约能源 可在潮湿地基上施工 与湿集料拌和 具有足够的黏结力 无毒 无臭 施工安全 环保 污染少 3 缺点 稳定性差 贮存期不超过半年 贮存期长易产生分层 修筑路面成型期长 2 组成材料 乳化沥青 沥青 乳化剂 稳定剂 水 1 沥青 主要组成材料 占55 70 2 乳化剂 关键材料 沥青乳化剂是表面活性剂的一种类型 分子结构中的亲水基团和亲油基团能使互不相容的沥青与水连接起来 分类按亲水基在水中是否电离分 离子型和非离子型乳化剂 离子型乳化剂又分为 阴离子型 阳离子型和两性离子型乳化剂 3 稳定剂 作用 为了储存或施工时增加沥青的稳定性 分类 有机稳定剂和无机稳定剂 用量 为沥青乳液的0 1 0 15 4 水 作用 起润湿 溶解及化学反应的作用 2 要求 不含杂质 对硬度也有要求 不能含钙离子过多 3 用量 30 70 3 乳化沥青的形成机理 1 乳化剂降低界面能的作用2 增强界面膜的保护作用3 界面电荷稳定作用 乳化剂在沥青微滴表面形成界面膜 4 乳化沥青技术性质和技术要求 沥青能均匀稳定地分散在乳化剂水溶液中 主要原因有 5 乳化沥青的分裂机理 1 分裂 从乳液中分裂出来的沥青微滴在集料表面凝结成一层连续的沥青薄膜 2 乳液分裂的外观特征 沥青由棕褐色变成黑色3 分裂原因 乳液与集料表面的吸附作用 水分的蒸发作用 6 乳化沥青的应用 1 洒布法 如透层 粘层 表面处治或贯入式沥青碎石路面2 拌和法 稀浆封层或冷拌沥青混合料 透层 为使沥青面层与非沥青材料基层结合良好 在基层上喷洒液体石油沥青 乳化沥青 煤沥青而形成的透入基层表面一定深度的薄层 粘层 为加强路面沥青层与沥青层之间 沥青层与水泥混凝土路面之间的粘结而洒布的沥青材料薄层 稀浆封层 用适当级配的石屑或砂 填料 水泥 石灰 粉煤灰 石粉等 与乳化沥青 外掺剂和水 按一定比例拌和而成的流动状态的沥青混合料 将其均匀地摊铺在路面上形成的沥青封层 三 改性沥青 1 定义为了提高沥青混合料的路用性能 掺加某些高分子化合物或其他填料等外掺剂 或采取对沥青轻度氧化加工等措施 使沥青的性能得以改善而制成的沥青结合料 2 改性剂的种类1 聚合物类 橡胶类 热塑性橡胶类 树脂类 2 纤维类3 固体颗粒类4 粘附性改性剂5 耐老化改性剂 常用的是碳黑 等 一 填空题1 道路粘稠石油沥青的 三大指标 指的是 和 其表征的技术性质分别为 和 其单位分别为 和 2 沥青的粘滞性对于粘稠沥青用表示 液体沥青用表示 3 石油沥青的结构有 和三种类型 判定其结构类型的依据是 路用优质沥青属于结构 课堂训练 4 石油沥青的温度稳定性用和表示 5 我国道路石油沥青的标号是按划分的 黏度表示方式C t d 中 t表示 d表示 6 乳化沥青的组成材料有 和 7 表征石油沥青安全性的指标有和 8 石油沥青按四组分分