第二章沥青材料-2012

1、第二章第二章 沥青材料沥青材料单丽岩 博士 讲师交通科学与工程学要内容n沥青材料简介n石油沥青的生产工艺n石油沥青的组成、组分与结构n沥青的物理性质n沥青的技术性质、评价方法和评价指标2.1沥青材料简介-历史与发展历史与发展公元前3800公元前2500年，开始使用沥青；公元前600年，古巴比伦出现第一条用沥青铺装的路面，后失传；1712年瑞士发现岩沥青，随后在德、法等国相继发现。1850年前后，法国首先把岩沥青用于道路路面。1871年E.J.Desdment在纽约市把砂、碎石、特立尼达湖沥青用以铺筑沥青路面获得成功，并且获得施工专利，这是近代热铺湖沥青路面之始。 2.

2、1沥青材料简介-定义定义n沥青材料沥青材料（Bituminous material）是黑色或暗）是黑色或暗黑色固体、半固体或粘稠状物质；黑色固体、半固体或粘稠状物质；n由天然形成或人工炼制而成；由天然形成或人工炼制而成；n定义定义：由由及非金属（氧、硫、及非金属（氧、硫、氮）的氮）的组成的固体或半固体混合物组成的固体或半固体混合物，呈，呈暗褐色至黑色，可溶于苯或二硫化碳等溶剂，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是自然界中天然存在的或从原油经蒸馏得到的残渣。残渣。2.1沥青材料简介-分类分类p沥青的种类（按来源划分）沥青的种类（按来源划分） 地地 沥

3、沥 青青 焦油沥青焦油沥青 （干馏）（干馏）Tar 湖沥青 特立尼达湖沥青（特立尼达湖沥青（Triniada Lake Asphalt）是世界上最为著名）是世界上最为著名的天然沥青之一，它产于南美洲加勒比海岛国风景秀丽的的天然沥青之一，它产于南美洲加勒比海岛国风景秀丽的特立特立尼达和多巴哥尼达和多巴哥境内的沥青湖。该沥青湖又叫彼奇湖，面积境内的沥青湖。该沥青湖又叫彼奇湖，面积44万平万平方米，深约方米，深约82米，湖中沥青储量达米，湖中沥青储量达1200万吨，是世界上最大的万吨，是世界上最大的天然沥青产地。天然沥青产地。岩沥青 岩沥青生成于岩石的夹缝中，缝宽很窄，仅数十厘岩沥青生成于岩石的夹缝

4、中，缝宽很窄，仅数十厘米，深可达几百米。天然岩沥青是一种纯天然的碳米，深可达几百米。天然岩沥青是一种纯天然的碳氢化合物，熔点在氢化合物，熔点在150 以上，我国青海及克拉玛以上，我国青海及克拉玛依地区有所开采，但很少用于道路。美国北部犹他依地区有所开采，但很少用于道路。美国北部犹他州的州的Uintah盆地的盆地的UNTAITE岩沥青是世界上最为著岩沥青是世界上最为著名的岩沥青。名的岩沥青。技术指标技术指标数值数值软化点，软化点， 160175针入度，针入度，250比重比重1.041.06闪点，闪点， 25 3157.920.91537701211672172800501001502002503

5、001960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000年份我国道路沥青生产量我国道路沥青生产量道路沥青产量，万吨102.2 石油沥青的生产工艺11p按关键馏分特性分类：石蜡基、中间基、环烷基按关键馏分特性分类：石蜡基、中间基、环烷基第一关键馏分相对密度 0.8506 第二关键馏分 0.9302 石油在半精馏装置中于常压下蒸得250275的馏分称为“第一关键馏分”；5.33kpa的压力下减压蒸馏，取得275300的馏分称为“第二关键馏分” 。一、石油的基属分类一、石油的基属分类12 第一关键馏分基属第一关键馏分基属第二关键馏分基属第二关键馏分基属石蜡基石蜡基

6、中间基中间基环烷基环烷基石蜡基石蜡基石蜡基石蜡基中间中间石蜡基石蜡基中间基中间基石蜡石蜡中间中间基基中间基中间基环烷环烷中间基中间基环烷基环烷基中间中间环烷基环烷基环烷基环烷基优质沥青：环烷基原油优质沥青：环烷基原油中间基原油中间基原油石蜡基原油石蜡基原油p按含硫量分类按含硫量分类 硫含量硫含量11 含量：含量：5 52525，石蜡基原油，石蜡基原油1 1，中东原油生产的沥青，中东原油生产的沥青55。 特点：极性很强。特点：极性很强。 对路用性能的影响对路用性能的影响： 随着沥青质含量的增加，沥青的粘结力、粘度增加，温度稳随着沥青质含量的增加，沥青的粘结力、粘度增加，温度稳定性高、硬度提高。针

7、入度小、软化点高，变形能力差。定性高、硬度提高。针入度小、软化点高，变形能力差。二、化学组分二、化学组分2021-10-1727胶质分胶质分胶质分：溶于正庚烷，深棕色固体或半固体，极性胶质分：溶于正庚烷，深棕色固体或半固体，极性密度密度1粘附力强，是沥青质的扩散剂。粘附力强，是沥青质的扩散剂。对路用性能的影响对路用性能的影响：胶质对沥青质的比例在一定程度上决定了沥青胶体结构胶质对沥青质的比例在一定程度上决定了沥青胶体结构的稳定；的稳定；提高沥青的延度，减小沥青的针入度；提高沥青的延度，减小沥青的针入度；沥青质沥青质+胶质分比例高，粘度增加。胶质分比例高，粘度增加。 二、化学组分二、化学组分20

8、21-10-1728芳香分芳香分芳香分：溶于正庚烷，由甲苯冲洗得到；由非极性碳链组成，芳香分：溶于正庚烷，由甲苯冲洗得到；由非极性碳链组成，对其他高分子烃类有很高的溶解能力对其他高分子烃类有很高的溶解能力 。黄色至红色液体，弱极性。黄色至红色液体，弱极性。密度密度1是胶融沥青质分散介质的主要部分，占沥青总量的是胶融沥青质分散介质的主要部分，占沥青总量的20%50%对路用性能的影响对路用性能的影响：芳香分含量增加，具有良好的延展性，低温变形能力好。芳香分含量增加，具有良好的延展性，低温变形能力好。 二、化学组分二、化学组分2021-10-1729饱和分饱和分饱和分：溶于正庚烷，由直链和支链脂肪属

9、烃和烷基芳饱和分：溶于正庚烷，由直链和支链脂肪属烃和烷基芳香烃组成，包括蜡质及非蜡质饱和物。香烃组成，包括蜡质及非蜡质饱和物。无色液体，无极性无色液体，无极性密度密度1 胶质胶质 芳香分芳香分 饱和分饱和分p 极性：沥青质极性：沥青质 胶质胶质 芳香分芳香分 饱和分饱和分二、化学组分二、化学组分沥青四组分对沥青性能的影响沥青四组分对沥青性能的影响 组分组分分子量分子量高温粘度高温粘度 低温变形能力低温变形能力化学稳定性化学稳定性饱和分饱和分S500700芳香分芳香分A800900胶质胶质R12001300沥青质沥青质At10002000蜡：高温软化、低温结晶析出蜡：高温软化、低温结晶析出202

10、1-10-1732高温：高温时融化，使沥青粘度降低，温度敏感性增大高温：高温时融化，使沥青粘度降低，温度敏感性增大低温：低温时易析出，分散在沥青中，减少沥青分子间低温：低温时易析出，分散在沥青中，减少沥青分子间的紧密联系，降低沥青的延展性的紧密联系，降低沥青的延展性粘附性：使沥青与石料表面亲和力变小，影响沥青与石粘附性：使沥青与石料表面亲和力变小，影响沥青与石料的粘附性料的粘附性抗滑性：使沥青路面抗滑性能降低抗滑性：使沥青路面抗滑性能降低重交通道路沥青要求：蜡含量重交通道路沥青要求：蜡含量 2.2%p 蜡对沥青路用性能的影响蜡对沥青路用性能的影响二、化学组分二、化学组分2021-10-1733

11、三、石油沥青胶体结构三、石油沥青胶体结构p沥青的技术性质，不仅取决于它的沥青的技术性质，不仅取决于它的化学组分化学组分和和化学结构化学结构，而且取决于它的，而且取决于它的胶体结构胶体结构。 胶体结构的形成胶体结构的形成 胶体结构的分类胶体结构的分类 胶体结构类型的判定胶体结构类型的判定2021-10-1734现代胶体理论：沥青材料是一种胶体分散系现代胶体理论：沥青材料是一种胶体分散系沥青质沥青质分散相，固态分散相，固态饱和分和芳香分饱和分和芳香分分散介质，液态分散介质，液态胶质胶质保护作用，使分散相能够很好地胶溶于分散介质保护作用，使分散相能够很好地胶溶于分散介质中形成稳定的胶体结构。中形成稳

12、定的胶体结构。p 胶体的形成胶体的形成胶团胶团三、石油沥青胶体结构三、石油沥青胶体结构2021-10-1735p沥青是一种胶体分散系，沥青质是核心，吸附胶质分形沥青是一种胶体分散系，沥青质是核心，吸附胶质分形成成“胶团胶团”作为分散相，逐渐向外扩散，使沥青质的胶作为分散相，逐渐向外扩散，使沥青质的胶核胶溶于芳香分和饱和分形成的分散介质中，形成稳定核胶溶于芳香分和饱和分形成的分散介质中，形成稳定的胶体结构。的胶体结构。p只有在各组分的化学组成和相对含量相匹配才能形成稳定只有在各组分的化学组成和相对含量相匹配才能形成稳定的胶体。的胶体。p 胶体结构胶体结构三、石油沥青胶体结构三、石油沥青胶体结构2

13、021-10-1736p 胶体结构分类依据胶体结构分类依据 沥青中各组分的化学特性、相对含量和流变特沥青中各组分的化学特性、相对含量和流变特性不同，可分下列性不同，可分下列3个类型。个类型。三、石油沥青胶体结构三、石油沥青胶体结构2021-10-1737（1）溶胶型（）溶胶型（Sol type）结构）结构u结构特点：结构特点： 沥青质含量很少（沥青质含量很少（30），有相当数量的胶质），有相当数量的胶质形成胶团。胶团浓度增加、引力增强，形成空间网络结形成胶团。胶团浓度增加、引力增强，形成空间网络结构。构。三、石油沥青胶体结构三、石油沥青胶体结构2021-10-1742力学特性：力学特性：荷载很

14、小或作用时间很短时，有明显弹性效应；荷载很小或作用时间很短时，有明显弹性效应；应力超过屈服值应力超过屈服值之后，表现为粘一弹性变形。具有触变性。之后，表现为粘一弹性变形。具有触变性。路用性能：路用性能：具有较低的温度感应性和较好的粘弹特性，具有较低的温度感应性和较好的粘弹特性， 低温变形能力较差。低温变形能力较差。p 深度氧化的沥青多属于凝胶型沥青深度氧化的沥青多属于凝胶型沥青三、石油沥青胶体结构三、石油沥青胶体结构2021-10-1743n 胶体结构类型的判定胶体结构类型的判定： 针入度指数 PI+2 凝胶结构。 三、石油沥青胶体结构三、石油沥青胶体结构2021-10-1744四、沥青的物理

15、性质四、沥青的物理性质1. 沥青在规定温度沥青在规定温度 (15)条件下、单位体积的质条件下、单位体积的质 量。也用量。也用相对密度相对密度表示：在规定温度下，沥青质量表示：在规定温度下，沥青质量与同体积水质量之比。与同体积水质量之比。 密度与化学组成密切相关，粘稠沥青密度密度与化学组成密切相关，粘稠沥青密度0.961.04范围。我国富产石蜡基沥青，密度在范围。我国富产石蜡基沥青，密度在1.00以下。以下。用处：沥青在质量与体积之间互相换算及沥青混合料配合比设计时必不可少的重要参数。特点：随温度的升高而降低，体积膨胀。2021-10-17452. 热胀系数：热胀系数：温度上升温度上升1时的长度

16、或体积的变化，分别称为时的长度或体积的变化，分别称为线胀系数或体胀系数，统称热胀系数。线胀系数或体胀系数，统称热胀系数。3. 介电常数介电常数: 沥青的介电常数与沥青对氧、雨、紫外线等的耐沥青的介电常数与沥青对氧、雨、紫外线等的耐候性（耐老化性）有关，英国道路研究所研究认为，介电候性（耐老化性）有关，英国道路研究所研究认为，介电常数与沥青路面抗滑性有很好的相关性。常数与沥青路面抗滑性有很好的相关性。 四、沥青的物理性质四、沥青的物理性质2021-10-17462.4沥青的技术性质、评价方法 粘滞性粘滞性 延性延性 脆性脆性 感温性感温性 耐久性耐久性 安全性安全性 劲度模量劲度模量2021-1

17、0-1747n dvdyvdvhdy沥青的技术性质沥青的技术性质单位：Pas dydvAF2021-10-1748(2) 运动粘度系数运动粘度系数-牛顿流体牛顿流体考虑密度的影响，沥青在某一温度考虑密度的影响，沥青在某一温度下动力粘度与密度之比为运动粘度下动力粘度与密度之比为运动粘度单位：米单位：米2/秒秒(斯斯)(3) 表观粘度表观粘度(视粘度视粘度)-非牛顿流体非牛顿流体沥青在高温条件下接近牛顿流体，正常温度范围内表现为沥青在高温条件下接近牛顿流体，正常温度范围内表现为粘弹性体，不同的剪变率粘度不同。粘弹性体，不同的剪变率粘度不同。ac单位：单位：Pas s2021-10-1749u沥青的

18、复合流动系数沥青的复合流动系数C：评价沥青流变性质的重要指标。评价沥青流变性质的重要指标。C=1.0表示牛顿流型沥青，表示牛顿流型沥青，C1.0表示非牛顿流型沥青，表示非牛顿流型沥青，C值愈小表示非牛顿性愈强。值愈小表示非牛顿性愈强。(3) 表观粘度表观粘度(视粘度视粘度)-非牛顿流体非牛顿流体（a）牛顿流体）牛顿流体 （b）非牛顿流体）非牛顿流体2021-10-1750(1) 动力粘度（绝对粘度）动力粘度（绝对粘度）:真空减压毛细管法真空减压毛细管法 沥青在真空装置中保持一定温度沥青在真空装置中保持一定温度(60)通通过规定型号毛细管粘度计流经规定体积所过规定型号毛细管粘度计流经规定体积所需

19、的时间（需的时间（Pa.s） T=kt（k为粘度计常数）为粘度计常数）(2)运动粘度（绝对粘度）：毛细管法运动粘度（绝对粘度）：毛细管法 指沥青试样在规定的试验温度（指沥青试样在规定的试验温度（135）下，流经规定体积所需的时间。下，流经规定体积所需的时间。 vT=ct（c为粘度计标定常数）为粘度计标定常数）2021-10-1751(3) 相对粘度测定方法相对粘度测定方法 标准粘度计法标准粘度计法。我国我国测定液体石油沥青、测定液体石油沥青、煤沥青和乳化沥青等粘度，采用道路标准粘度计法。煤沥青和乳化沥青等粘度，采用道路标准粘度计法。p试验方法试验方法：液态沥青在标准粘度计中，于：液态沥青在标准

20、粘度计中，于规定温度规定温度通过通过规定流孔规定流孔直径流出直径流出50ml体积体积所需时间。温度和孔径根据粘所需时间。温度和孔径根据粘度度选择，常用的有选择，常用的有3,4,5和和10mm等等4种。种。p相同温度和流孔条件下，流出时间愈长，粘度愈大。相同温度和流孔条件下，流出时间愈长，粘度愈大。2021-10-1752 标准粘度计法标准粘度计法2021-10-1753100 gInitialPenetration in 0.1 mmAfter 5 seconds 该法是沥青材料在该法是沥青材料在条件下，以条件下，以的标准针的标准针经过经过贯入，沥青试样的深度（以贯入，沥青试样的深度（以0.1mm为单位计）为单位计）25,100 ,5CgsP针入度试验针入度试验: :等温粘度等温粘度2021-10-1754常用的试验条件为P25，100g，5S。为确定针入度指数（PI）时，针入度试验常用条件为5、15、25和35等，但标准针质量和贯入时间是均为100g和5s。 针入度试验针入度试验AH-90: 重交通重交通90号沥青，号沥