道路建筑材料-第二章沥青材料-5-11

1、2022/8/111道路建筑材料II HIGHWAY CONSTRUCTION MATERIALS 沥青材料ASPHALT交通科学与工程学院 道路工程教研室 2022/8/112第二章 沥青材料沥青材料简介石油沥青的生产工艺石油沥青的组成、组分和结构沥青的技术性质、评价方法和评价指标沥青的技术标准2022/8/113一、沥青材料简介沥青材料（Bituminous material）是黑色或暗黑色固体、半固体或粘稠状物质；由天然形成或人工炼制而成；定义：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，呈褐色至黑色，可溶于苯或二硫化碳等溶剂，是自然界

2、中天然存在的或从原油经蒸馏得到的残渣。2022/8/114一、沥青材料简介沥青的发展历史公元前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; 十九世纪，用沥青来铺路；1835年，在巴黎首先出现用沥青铺筑的人行道路面；约20年后，巴黎出现碾压沥青铺筑的路面。 2022/8/115一、沥青材料简介煤沥青木沥青页岩沥青天然（地）沥青(特立尼达湖沥青，岩沥青)石油（地）沥青沥青 地 沥 青Asphalt 焦油沥青 （干馏）Tar 沥青的种类（按获取方式划分）（1）湖沥青 特立尼达湖沥青（Triniada Lake Asphalt）是世界上最为著名的天

3、然沥青之一，它产于南美洲加勒比海岛国风景秀丽的特立尼达和多巴哥境内的沥青湖。该沥青湖又叫彼奇湖，面积44万平方米，深约82米，湖中沥青储量达1200万吨，是世界上最大的天然沥青产地。特立尼达沥青湖6（2）岩沥青 岩沥青生成于岩石的夹缝中，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氢化合物，熔点在150 以上，我国青海及克拉玛依地区有所开采，但很少用于道路。美国北部犹他州的Uintah盆地的UNTAITE岩沥青是世界上最为著名的岩沥青。技术指标数值软化点， 160175针入度，250比重1.041.06闪点， 25 3157我国道路沥青生产量道路沥青产量，万顿82022/8/

4、119二、石油沥青的生产工艺2022/8/1110按关键馏分特性分类：石蜡基、中间基、环烷基关键馏分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”；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2022/8/1111 第一关键馏分基属第二关键馏分基属石蜡基中间基环烷基石蜡基石蜡基中间石蜡基中间基石蜡中间基中间基环烷中间基环烷基中间环烷基环烷基优质沥青：环烷基原油中间基原油石蜡基原油按含硫量分类 硫含量1含量：525，石蜡基原油1，中东原有生产的沥青5。特

5、点：极性很强。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，感温性、硬度提高。针入度小、软化点高，变形能力差。2022/8/1129胶质分（二）化学组分胶质分：溶于正庚烷，深棕色固体或半固体，极性密度1粘附力强，是沥青质的扩散剂对路用性能的影响： 胶质对沥青质的比例在一定程度上决定了沥青胶体结构方的稳定；提高沥青的延度，减小沥青的针入度；沥青质+胶质分比例高，粘度增加 2022/8/1130饱和分（二）化学组分饱和分：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无色液体，无极性密度1对路用性能的影响：饱和分含量高，其针人度值较大（稠度较低），软化

6、点较低； 2022/8/1131（二）化学组分芳香分饱和分：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 黄色至红色液体，弱极性密度胶质芳香分饱和分极性：沥青质胶质芳香分饱和分沥青四组分对沥青性能的影响 组分分子量高温粘度低温变形能力化学稳定性饱和分S500700芳香分A800900胶质R12001300沥青质At10002000蜡：高温软化、低温结晶析出332022/8/1134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，影响沥青与石料的粘附性

7、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 2.2% 蜡对沥青路用性能的影响(非晶格结构)（二）化学组分2022/8/1135（三）石油沥青的胶体结构 沥青的技术性质，不仅取决于它的化学组分和化学结构，而且取决于它的胶体结构。 胶体结构的形成 胶体结构的分类 胶体结构类型的判定2022/8/1136（三）石油沥青胶体结构现代胶体理论：沥青材料是一种胶体分散系沥青质分散相，固态饱和分和芳香分分散介质，液态胶质保护作用，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。 胶体的形成胶团2022/8/1137沥青是一种胶体分散系，沥青质是核心，吸附胶质分形成“胶团”作为分散相，逐渐

8、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，形成稳定的胶体结构。（三）石油沥青胶体结构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。 胶体结构2022/8/1138 胶体结构分类依据 沥青中各组分的化学特性、相对含量和流变特性不同，可分下列3个类型。（三）石油沥青的胶体结构溶胶型溶凝胶型凝胶型2022/8/1139（1）溶胶型（Sol type）结构结构特点： 沥青质含量很少（30），有相当数量的胶质形成胶团。胶团浓度增加、引力增强，形成空间网络结构。2022/8/1144力学特性：荷载很小或作用时间很短时，有明显弹性效应；应力超过屈服值之后，表现为粘一弹性变形。

9、具有触变性。路用性能：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。 深度氧化的沥青多属于凝胶型沥青（三）石油沥青的胶体结构2022/8/1145（三）石油沥青的胶体结构 胶体结构类型的判定： 针入度指数 PI+2 凝胶结构。 2022/8/1146四、沥青的物理性质密度: 沥青在规定温度 (15)条件下、单位体积的质量。也用相对密度表示：在规定温度下，沥青质量与同体积水质量之比。 密度与化学组成密切相关，粘稠沥青密度范围。我国富产石蜡基沥青，密度在以下。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。2022/8/

10、11472. 热胀系数：温度上升1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。沥青路面开裂，与沥青混合料的温缩系数有关。特别是含蜡沥青，当温度降低时，蜡由液态转变为固态，比容突然增大，沥青的热胀系数发生突变，易导致路面产生开裂。四、沥青的物理性质3. 介电常数: 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，介电常数与沥青路面抗滑性有很好的相关性。 2022/8/1148五、沥青的性能指标流变学-英国宾汉姆, 变形和流动的科学 流变学是根据应力、应变和时间来研究物质流动和变形的构成与发展的一般规律的科学。1. 粘滞性1.万物皆流，如

11、玻璃；2.流体与固体无明确界限，流体瞬间具有固体弹性；固体长时间发生流动；3. 物体弹性、粘性、塑性集于一体。2022/8/1149(1) 动力粘度（绝对粘度）沥青在外力作用下沥青粒子产生相互位移，其抵抗剪切变形的能力。牛顿：流体的内摩擦力F与流速梯度 成正比，与层流面积A成正比1. 粘滞性粘度的表达方式（viscosity）五、沥青的技术性质单位：Pas2022/8/1150(2) 运动粘度系数-牛顿流体考虑密度的影响，沥青在某一温度下动力粘度与密度之比为运动粘度单位：米2/秒(斯)(3) 表观粘度(视粘度)-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粘弹性体，不同的剪变率

12、粘度不同单位：Pas1. 粘滞性粘度的表达方式（viscosity）2022/8/1151沥青的复合流动系数C：评价沥青流变性质的重要指标。表示牛顿流型沥青，C表示非牛顿流型沥青，C值愈小表示非牛顿性愈强。(3) 表观粘度(视粘度)-非牛顿流体1. 粘滞性粘度的表达方式（viscosity）（a）牛顿流体 （b）非牛顿流体2022/8/1152(1) 动力粘度（绝对粘度）:真空减压毛细管法 沥青在真空装置中保持一定温度(60)通过规定型号毛细管粘度计流经规定体积所需的时间（） T=kt（k为粘度计常数）(2)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（135）下，流经规定体积所

13、需的时间。 vT=ct（c为粘度计标定常数）1. 粘滞性粘度的测试方法2022/8/1153(3) 相对粘度测定方法 标准粘度计法。我国现行试验法测定液体石油沥青、煤沥青和乳化沥青等粘度，采用道路标准粘度计法。试验方法：液态沥青在标准粘度计中，于规定温度通过规定流孔直径流出50ml体积所需时间。温度和孔径根据粘度选择，常用的有3,4,5和10mm等4种。相同温度和流孔条件下，流出时间愈长，粘度愈大。1. 粘滞性粘度的测试方法2022/8/1154 标准粘度计法1. 粘滞性粘度的测试方法2022/8/1155100 gInitialPenetration in 0.1 mmAfter 5 sec

14、onds 该法是沥青材料在规定温度条件下，以规定质量的标准针经过规定时间贯入，沥青试样的深度（以为单位计）针入度试验:等温粘度1. 粘滞性粘度的测试方法2022/8/1156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AH-90: 重交通90号沥青，25 针入度为 80-100(0.1mm)之间AH-70: 重交通70号沥青，25 针入度为 60-80(0.1mm)之间1. 粘滞性粘度的测试方法2022/8/1157沥青材料是一种非晶质高分子材料，它由液态凝结为固态，或由

15、固态熔化为液态时，没有敏锐的固化点或液化点，通常采用条件的硬化点和滴落点来表示。即达到一定粘度时的温度 软化点试验：等粘温度1. 粘滞性粘度的测试方法硬化点滴落点2022/8/115825.4mm3.5g 软化点试验(Softening point)环与球法软化点（TR&B）。沥青试样注于内径为的铜环中，环上置的钢球，在规定加热速度（5/min）下加热，试样逐渐软化直至在钢球荷重作用下，使沥青产生挠度时的温度，称为软化点。1. 粘滞性粘度的测试方法TR&B=？ C2022/8/1159 软化点试验1. 粘滞性粘度的测试方法2022/8/1160 软化点试验1. 粘滞性粘度的测试方法普通重交通基

16、质沥青的软化点为45左右。 A沥青软化点为43， B沥青软化点为48 ，说明两者之间的路用性能。2022/8/1161延度（Ductivity）：受外力的拉伸作用所能承受的塑性变形的能力条件延性指标 将沥青试样制成8字形标准试件（最小断面1cm2），在规定拉伸速度和温度下拉断时的长度（以cm计）称为延度。温度T=25，拉伸速度v=5cm/min2. 沥青的低温性能DT，V=（？）cm2022/8/1162延度试验2. 沥青的低温性能D15，5mm/min100cm2022/8/11632. 沥青的低温性能 针入度，软化点和延度是评价粘稠石油沥青路用性能最常用的经验性指标，通称为“三大指标”。针

17、入度是在规定温度下测定沥青的条件粘度 沥青的稠度（软硬）软化点是沥青达到条件粘度时的温度. 沥青高温稳定性延度是沥青低温条件下的变形能力 沥青低温性能2022/8/1164 脆点：低温条件下沥青达到临界硬度发生开裂的温度条件脆性指标：弗拉斯脆点 将试样在标准金属薄片上摊成薄层，置于有冷却设备的脆点仪内，摇动脆点仪曲柄使金属片产生弯曲。随制冷剂温度以1/min的速度降低，沥青薄膜的温度逐渐降低至某一温度时，在规定弯曲条件下产生断裂时的温度。指标特性：实质上反映沥青由粘弹性体转变为弹脆体即玻璃态的温度，即达到临界硬度时发生脆裂的温度，也意味着沥青达到等劲度时的温度，沥青出现脆裂时的劲度约为2.11

18、09Pa。2. 沥青的低温性能2022/8/1165感温性：采用“粘度”随“温度”而变化的行为（粘-温关系）来表达，是评价沥青技术性质的重要指标，与施工和使用性能有密切关系。3. 沥青的感温性ABCCBA粘度温度25必要性2022/8/1166评价指标：针入度指数（PI-Penetration index），沥青针入度值的对数（lgP）与温度（T）具有线性关系:A表征沥青针入度（lgP）随温度（T）的变化率，故称为针入度-温度感应性系数（简称PTS）。 3. 沥青的感温性2022/8/1167 基本公式 假设软化点时的针入度值为800（1/10mm）A为针入度温度感应性系数3. 沥青的感温性2

19、022/8/1168 实用公式 按上式计算得的A值均为小数，为使用方便起见，普费等作了一些处理，改用针入度指数（PI）表示： 3. 沥青的感温性2022/8/1169 针入度指数的意义（1）道路石油沥青对针入度指数的要求一般认为PI值为-1+1的溶凝胶型沥青适宜修建沥青路面，随着对沥青路面热稳定的要求提高，对PI值的要求趋于。（2）针入度指数值获得途径：公式计算或通过诺模图查。（3）用途：评价沥青的感温性、评价沥青的胶体结构类型 针入度指数越大，表示沥青的感温性越低。3. 沥青的感温性2022/8/1170 按PI可将沥青划分为三种胶体结构类型：PI+2为凝胶型沥青；PI =-2+2为溶凝胶型

20、沥青； 当PI+2时有明显的凝胶特征，耐久性差;一般认为选用-1+1的溶凝胶型沥青适宜修筑沥青路面。3. 沥青的感温性2022/8/1171当量软化点T800与当量脆点T 当量软化点T800和当量脆点T分别定义为与沥青针入度800和对应的温度，它们可以代替软化点和脆点反映沥青高温性能和低温性能。 3. 沥青的感温性2022/8/1172习题1. 请说出下列符号的含义 (1)P (2)PI (3)AH-90 (4)A (5) (6) P25，100g，5S (7) (8) SARA法2. 什么是沥青的三大指标3. 一种沥青W,其25度针入度为85，软化点为45，请计算其针入度温度感应系数A及PI

21、值，并说出其胶体结构2022/8/1173 沥青与集料的粘附性：根据沥青混合料的最大粒径决定采用水煮法；采用水浸法。 水煮法：选取粒径为19mm形状接近正立方体的规则集料5个，经沥青裹覆后在蒸馏水中沸煮3min，按沥青膜剥落面积百分率分为5个等级评价粘附性。 水浸法：选取的集料100g与的沥青在规定温度条件下拌和，配制成沥青集料混合料，冷却后浸入80的蒸馏水中保持30min，按剥落面积百分率评定粘附性。共分5个等级，最好为5级，最差为1级。 4. 沥青的粘附性2022/8/1174（1）热致老化评价：由于路面施工加热导致沥青性能变化的评价，我国现行行业标准规定： 中轻交通量道路用石油沥青：“蒸

22、发损失试验”； 重交通量道路用石油沥青：“薄膜加热试验”； 液体沥青：进行蒸馏试验。 沥青蒸发损失试验：将沥青试样50g盛于直径55mm、深35mm的器皿中。在1631的烘箱中加热5h，测定质量损失以及残留物P占原试样P的百分率。缺点：沥青与空气接触面积太小，试样太厚，效果较差。5. 沥青的耐久性2022/8/1175 沥青薄膜加热试验(TFOT: the test of thin-film-oven )：将50g试样盛于内径、深铝皿中，使沥青成厚约3mm薄膜，在1631的标准烘箱中加热5h。以加热前后的质量损失、针入度比和25及15的延度值作为评价指标。薄膜烘箱老化后的性质相当于150 拌和

23、1后的性质.薄膜烘箱试验TFOT5. 沥青的耐久性2022/8/1176旋转薄膜烘箱试验RTFOT：rolling thin-film-oven test 沥青旋转薄膜加热试验：旋转薄膜烘箱：共有8个玻璃盛样瓶（高，外径64mm，壁厚），每个瓶中注入沥青35g。烘箱温度1630.5，在垂直方向旋转（转速15r/min），沥青薄膜（5-10m），连续吹入热空气，时间缩短为75min。5. 沥青的耐久性2022/8/1177评价方法5. 沥青的耐久性P1老化试验前针入度（）P2老化试验后针入度（）m1老化试验前质量（m）m2老化试验后质量（m）25、15延度2022/8/11786. 沥青的安全性

24、闪、燃点实验方法克利夫兰法 试样盛于标准杯中，按规定加热速度加热到某一温度时，点火器扫拂过沥青试样任何一部分表面，出现一瞬即灭的蓝色火焰状闪光时的温度为闪点。按规定速度继续加热，至点火器扫拂过沥青试样表面发生燃烧火焰，并持续5s以上，此时的温度即为燃点。2022/8/11797. 沥青的劲度模量劲度模量的定义沥青粘弹特性温度时间温度高、荷载作用时间长粘性明显温度低、荷载作用时间短弹性明显劲度模量（Stiffness Modulus）：表征沥青在某一温度和某一荷载作用下的应力、应变关系。范. 德. 波尔提出。2022/8/1180指标单位等级沥青标号130号110号90号70号针入度(25,5s,100g)dmm120140100120801006080适用的气候分区2-12-23-21-11-21-32-22-31-31-42-22-32-4针入度指数PI A-1.51.0B-1.81.0软化点(R&B) 不小于A4