沥青材料土木材料

1、沥青材料土木材料1第1页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五第7章 沥青材料 主要内容 1.沥青材料的基本概念 2.石油沥青的化学组分和胶体结构 3.石油沥青的技术性质和技术标准 4.其它沥青第2页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五7.1 概 述 1.定义 沥青材料是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。 常温下，沥青呈黑色或黑褐色的固态、半固态或液态。第3页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五2.分类沥青地沥青 焦油沥青天然沥青：石油在自然条件下，长时间经受地球物理因素作用形

2、成的产物 石油沥青：石油经各种炼制工艺加工而得的沥青产品 煤沥青：煤经干馏所得的煤焦油，经再加工后得到煤沥青 页岩沥青：页岩炼油工业的副产品 3.应用: 广泛用作路面、屋面、防水、耐腐蚀等工程材料。 土木工程建筑主要应用石油沥青。 第4页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五7.2 石油沥青 7.2.1 石油沥青的生产工艺概述第5页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五7.2.2 石油沥青的组成和结构1.化学组分 化学组分分析方法：将沥青分离为化学性质相近，而且与其工程性质有一定联系的几个组，每个组就称为一个组分。 我国现行公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JT

3、J 052-2000）规定有三组分和四组分两种分析法。（1）三组分分析法 按三组分分析法所得各组分的性状列如下表。 第6页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五石油沥青三组分分析法的各组分性状 性状组分外观特征平均分子量碳氢比/原子比含量/%物化特征油分淡黄透明液体2007000.50.74560几乎可溶于大部分有机溶剂，具有光学活性，常发现有荧光，相对密度约0.9100.925树脂红褐色粘稠半固体80030000.70.81530温度敏感性高，溶点低于100，相对密度大于1.000沥青质深褐色固体微粒100050000.81.O530加热不熔化，分解为硬焦炭，使沥青呈黑色，相

4、对密度1.1001.500第7页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五（2）四组分分析法 石油沥青的四组分分析法是将石油沥青分离为：饱和分、芳香分、胶质和沥青质。石油沥青按四组分分析法所得各组分的性状如下表： 性状组分外观特征平均相对密度平均分子量主要化学结构饱和分无色液体0.89625烷烃、环烷烃芳香分黄色至红色液体O.99730芳香烃、含S衍生物胶质棕色粘稠液体1.09970多环结构，含S、O、N衍生物沥青质深棕色至黑色固态1.153400缩合环结构，含S、O、N衍生物蜡：饱和分和芳香分，以丁酮苯为脱蜡剂，低温分离可确定含蜡量。（五组分）第8页，共52页，2022年，5月2

5、0日，0点59分，星期五2.胶体结构（1）溶胶型结构 （2）溶-凝胶型结构 （3）凝胶型结构 a) b) c) 沥青胶体结构示意图 a)溶胶型结构； b) 溶-凝胶型结构； c)凝胶型结构 按沥青质含量 少 适中 多第9页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五1.按照设计高温分区指标，一级区划分为3个区；2.按照设计低温分区指标，二级区划分为4个区；3.按照设计雨量分区指标，三级区划分为4个区。7.2.3 沥青气候分区及确定方法依据JTG F40-2004沥青路面施工技术规范第10页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五高温气候区123气候区名称夏炎热区夏热区夏

6、凉区最热月平均最高气温 302030 201.按照设计高温分区指标，一级区划分为3个区第11页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五低温气候区1234气候区名称冬严寒区冬寒区冬冷区冬温区年极端最低气温 -9.02.按照设计低温分区指标，二级区划分为4个区第12页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五雨量气候区1234气候区名称潮湿区湿润区半干区干旱区年降雨量mm10001000500500250 30 -9.02-l 夏热冬严寒2030 -9.03-1 夏凉冬严寒 20 -9.0不存在 由高、低温分区组合，第一个数字代表高温分区，第二个数字代表低温分区。数字越小

7、表示气候因素越严重第14页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五1. 第一个数字代表高温分区： 采用最近30年内年最热月的平均日最高气温的平均值作为反映高温和重载条件下出现车辙等流动变形的气候因子。2. 第二个数字代表低温分区： 采用最近30年内的极端最低气温作为反映路面温缩裂缝的气候因子。 如1-3，1代表高温区，属夏炎热区 3代表低温区，属冻冷区3. 第三个数字代表雨量区： 如1-3-2，1，3意义同上 2代表雨量区，属湿润区 由温度和雨量组成的气候分区（略）第15页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五沥青路面使用性能温度气候分区第16页，共52页，202

8、2年，5月20日，0点59分，星期五 7.2.4 石油沥青的技术性质 1.物理常数 2.粘滞性 3.延性 4.温度敏感性5.耐久性6.安全性7.其他性质第17页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 1.物理常数 （1）密度在规定温度条件下，单位体积的质量。 单位：kg/m3或 g/cm3。 我国现行试验方法规定测定15下沥青密度。 （2）相对密度在规定温度下，沥青质量与同体积水质量 之比。 我国现行方法规定测定25下的相对密度。 沥青15密度与25相对密度之间的换算公式： 沥青与水的相对密度(25/25)= 沥青的密度(15)0.996 沥青混合料配合比设计要求使用25的相对

9、密度。第18页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五1.试验目：供沥青贮存时体积与质量换算用； 用以计算配合比。2.主要试验仪具比重瓶：玻璃制，瓶塞中间有一个垂直孔， 以便由孔中排除空气。比重瓶容积为2030mL，质量不超过40g。第19页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五3.粘稠沥青的试验原理： 比重瓶烘干称重m1 将比重瓶中浸满水，称其质量m2 计算比重瓶的水值（即比重瓶体积）为V=m2- m1 将热熔的沥青试样，注入比重瓶中约至23高度 称m4（比重瓶+ 23沥青试样）的质量 将1/3剩余空间浸满水， 称量m5（比重瓶+ 23沥青试样+1/3水）的质量

10、 计算第20页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 2.粘滞性 反映沥青材料内部阻碍沥青粒子产生相对流动的能力，简称为粘性，以绝对粘度表示。 沥青的粘度是沥青首要考虑的技术指标之一。 沥青绝对粘度的测定方法精密度要求高，操作复杂，不适于作为工程试验，因此，工程中通常采用条件粘度反映沥青的粘性。 条件粘度 针入度（适应粘稠石油沥青）粘度（适应液体石油沥青）第21页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五（1）针入度1）针入度的定义针入度在规定温度条件下，以规定质量的标准针经过规定的时间贯入沥青试样的深度。单位：0.1mm。常用试验条件： 规定温度：25 标准针质量

11、：100g 贯入时间：5s第22页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五第23页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五2）表示方法：P（25，100g，5s）3）表征意义 沥青的针入度值愈大，表示沥青的粘度愈小。针入度是 目前我国粘稠石油沥青的分级指标。 标号：一般取针入度的平均值。例如： 90号沥青，针入度范围为80100（0.1mm） 110号沥青，针入度范围为100120（0.1mm）第24页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 3.延性 是沥青材料当受到外力拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力，以延度作为条件延性的表征指标。（1）延度

12、的定义 延度将沥青试样制成8字形标准试件，采用延度仪，在规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度，单位：cm。第25页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五第26页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五（2）延度的表示方法：D（T，v）=121cm（可记作100cm） 其中，T为试验温度，v为拉伸速度。 通常采用试验条件： 温度15，拉伸速度5cm/min。（3）测定延度的意义 沥青延度与其流变特性、胶体结构和化学组分等有着密切 的关系。研究表明： 随着沥青胶体结构发育成熟度的提高，含蜡量的增加， 以及饱和蜡和芳香蜡的比例增大等，都会使沥青的延度值相对 降低。 沥青

13、延度越大，其塑性变形越大，有利于低温变形。 采用延度大的沥青筑路，使用寿命较长。第27页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 4.温度敏感性 （1）软化点 （2）针入度指数 （3）脆点 高温性能指标低温性能指标第28页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五（1）软化点 沥青材料是一种非晶质高分子的混合材料，没有固定的 熔点。沥青材料在由固态转变为液态的温度阶段是一种粘滞 流动状态，在工程施工和使用中为保证沥青不致由于温度升 高而产生流动的状态，常常采用软化点来表示沥青的温度敏 感性。 1）软化点定义 人为选定的沥青由固态到液态的转变温度范围中的一 个条件温度。

14、0.8721条件温度固态液态软化点第29页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五2）测定方法 我国现行试验方法要求采用环与球法软化点。 如图，该法是将沥青试样注于规定内径的铜环中，环上置一钢球，在规定的加热速度下，沥青试样逐渐软化，直至在钢球荷重作用下滴落到下层金属板时的温度，称为软化点。单位： 表示：TR&B 注意：初始温度5 加热速度为5/min第30页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五第31页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五3）软化点的意义 沥青软化点越高，沥青的温度稳定性越好。 针入度是在规定温度下测定沥青的条件粘度， 软化点则

15、是沥青达到规定条件粘度时的温度。 因此，软化点既是反映沥青材料温度稳定性的一项指标， 又是沥青粘度的一种量度。第32页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 （2）针入度指数（Penetration Index，简称PI） 1）意义 沥青针入度指数评价沥青技术性质的一个重要指标， 既可以反映沥青的感温性，又可以划分沥青的胶体结构。 2）公式 PI是P.Ph.普费（Pfeifer）和F.M.范杜尔马尔（Van Doormaal）等提出的一种评价沥青感温性的指标。 研究观点：沥青针入度值的对数（lgP）与温度（T）具有 线性关系，表达式为：第33页，共52页，2022年，5月20日

16、，0点59分，星期五 式中： A为直线斜率，称为针入度- 温度感应性系数。表示沥青针入度随温度的变化率。 如图，A 值越高，沥青对温度的敏感性越大。 K为截距（常数）。 针入度-温度感应性关系图 A值的求取公式： 沥青达到软化点时，针入度一般为6001000，取P=800 （0.1mm）第34页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 3）针入度指数的应用 针入度指数愈大，表示沥青对温度的敏感性愈低，温度 稳定性越好。 划分沥青的胶体结构：PI-2者，属溶胶型沥青PI= -2+2之间者，属溶-凝胶型沥青PI+2者，属凝胶型沥青 存在问题：针入度-温度感应性系数A值为小数，使用不方

17、便，引入PI值的概念。 经验公式：第35页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五当量软化点T800高温当量脆点T1.2低温 划分沥青的胶体结构使用诺模图 测定三个不同温度15、25、30或5的针入度值。第36页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 （3）脆点 沥青材料在低温下受到瞬时荷载时常表现为脆性破坏，沥青脆性的测定极为复杂。 目前测试方法：采用弗拉斯（Fraass）脆点。 拉斯脆点试验原理：将沥青试样在一个标准的金属薄片上摊成薄层，将其置于脆点仪内并使其稍稍弯曲。当以1/min的速度降温时，沥青薄膜的温度随之逐渐降低，当降至某一温度时，沥青薄膜在规定弯曲

18、条件下会出现一个或多个裂缝，此时的温度即为沥青的脆点。第37页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 前面述了石油沥青的粘滞性、延性和温度敏感性。 表征这三项性质的三大指标为：针入度、延度、软化点 是评价粘稠石油沥青技术性质最常用的经典指标。 第38页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五5.耐久性（1）影响因素 沥青材料在施工时需要加热，工程完成投入使用过程中又要长期经受大气、日照、降水、气温变化等自然因素的作用而影响耐久性。（2）沥青的老化 1）定义：在上述因素的综合作用下会产生不可逆的化学变化， 而导致工程性能逐渐劣化的过程称为老化。 2）评价方法：采用蒸

19、发损失试验和薄膜加热试验。 （沥青试样在160条件下，加热蒸发5h）第39页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五3）评价指标： 蒸发后沥青延度 第40页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 6.安全性 沥青使用时必须加热，由于沥青在加热过程中挥发出的油会与周围的空气组成混合气体，当遇到火焰会发生闪火，此时的温度称为闪点。 若继续加热，挥发的油分饱和度增加，与空气组成的混合气体遇火极易燃烧，燃烧时的温度称为燃点。 评价指标：闪点。 闪点和燃点是保证沥青安全加热和施工的一项重要指标。 通常采用克利夫兰开口杯法测定（简称COC法）。第41页，共52页，2022年，

20、5月20日，0点59分，星期五 7.其他性质 为综合评价沥青的技术性能，还应全面地了解沥青的其他 性质，如溶解度、含蜡量、粘附性等。 （1）溶解度：指沥青在有机溶剂（三氯乙烯、四氯化碳、苯等） 中可溶物的百分含量。可以反映沥青中起粘结作用的有效成分 的含量。（2）蜡：性脆，易裂缝，对沥青的生产和使用都有重要的影响。 对我国采用石蜡基原油炼制的沥青尤为重要，含蜡量将直接影 响沥青产品的质量。（3）粘附性：评价石料的化学等级，等级越高，沥青与石料的 粘附性越强。第42页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 7.2.5 石油沥青的技术标准 1.建筑石油沥青技术标准 标号：建筑石油沥

21、青按针入度值划分为40号、30号和 10号三个标号。 特点：与道路石油沥青相比，针入度较小，延度较小， 软化点较高。 技术标准：建筑石油沥青GB/T494-98的规定，见下表：第43页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五建筑石油沥青技术标准 试验项目10号30号40号针入度（25，100g,5s） /0.1mm102526353650延度（25，5cm/min）不小于 /cm1.52.53.5软化点（环球法）不小于 /957560溶解度（三氯乙烯、四氯化碳、苯）不小于 /%99.5蒸发损失试验163.5h质量损失不大于 /%1针入度比不小于 /%65闪点（COC） 不小于 /

22、230第44页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五 2.道路石油沥青技术标准 道路石油沥青的质量应符合道路石油沥青技术标准。 沥青结合料各个等级的适用范围、适宜的气候分区应如下：沥青等级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1.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2.用做改性沥青、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第45页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五道路石油沥青的质量标准指 标单位等级沥 青 标 号160号130号110号90号70号50号30号针入度25

23、,5s,100g0.1mm14020012014010012080100608040602040适用的气候分区注注2-12-23-21-11-21-32-22-31-31-42-22-32-41-4注针入度指数PIA-1.5+1.0B-1.8+1.0软化点（TR&B）不小于A384043454446454955B363942434244434653C3537414243455060动力粘度不小于A6012016014018016020026010延度不小于cmA505040453020302020152520151510B3030303020152015151020151010815延度不小于

24、cmAB1008050C80806050403020第46页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五指 标单位等级沥 青 标 号160号130号110号90号70号50号30号含蜡量(蒸馏法)不大于%A2.2B3.0C4.5闪点不小于230245260溶解度不小于%99.5密度（15）g/cm3实测记录TFOT（或RTFOT）后质量变化不大于%0.8残留针入度比（25）不小于%A48545557616365B45505254586062C40454850545860残留延度（10）不小于cmA121210864B10108642残留延度（15）不小于cmC403530201510道路石油沥青的质量标准第47页，共52页，2022年，5月20日，0点59分，星期五7.3 其它沥青 7.3.1 煤沥青 1.化学组