沥青材料检测课件

第四章 沥青材料概述通车里程345万公里；高速、一级、二级公路占14%，约25万公里；高速公路4.5万公里。高级、次高级路面占41%，有72多万公里；道路沥青400万吨，进口沥青80万吨（每年消耗）沥青路面约40万公里；但多为低等级路渣油路面表面处置路面路面状况不好，“病害”严重。梨温高速公路玉山出口处破损的路面高温剪切破坏皱折裂缝（低温抗裂性差）——纵横裂缝及龟裂沥青路面的开裂低温龟裂坑槽路面脱落泛油——沥青太稀，用量过多沥青“病害”的原因及研究任务设计问题——配合比、交通量、道路等级、路面厚度及结构的选择；设计与实际情况不相符合。施工问题——环境温度的影响、拌和温度的控制、混合料拌和是否均匀、碾压是否密实。沥青“病害”的原因及研究任务材料——沥青性能不好、集料的成分和级配、矿粉的性质。研究的目标——“不推少裂”在正确的设计、施工和配合比组成的条件下，最终是一个“沥青性能以及表征沥青性能的试验方法问题”第一节 石油沥青定义——沥青是指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衍生物组成的混合物。沥青的分类石油沥青的分类一.石油沥青的生产工艺一.石油沥青的生产工艺1.原油的基属分类石油沥青的性质与原油的基属（成分和结构）有关石蜡基原油——直链烷烃多

HHHHHH H—C—C—C—······—C—C—C—H HHHHHH环烷基原油——环烷、苯环多中间基原油——介于石蜡基、环烷基常规生产沥青的工艺蒸馏——氧化法生产沥青最好是环烷基沥青其次是中间基沥青最差是石蜡基沥青2.沥青的生产工艺简介3.原油基属和生产工艺对沥青性状的影响（环烷基原油最好）（中间基原油次之）（石蜡基原油不好）（1）直馏沥青加工过程只有物理作用对沥青成分和性质没有什么改变和提高性质表现为：低温抗裂性较好，但高温稳定性较差。（2）氧化沥青其加工过程为化学作用化学成分和性质发生了较大变化表现为：有较低的温度感应性，其高温稳定性较好而低温抗裂性较差。（3）溶剂脱沥青经过溶剂脱工艺，改变了沥青组分之间的比例尤其能够使蜡的组分含量减少，沥青的延度大大增加（如：可由5cm→80cm)具有较好的高温稳定性和低温抗裂性也被称为“人造沥青”二.石油沥青的组成与结构1.元素的组成碳C、氢H、氧O、硫S、氮N；氢碳比的意义（H/C）例如： 正己烷 C6H14

环己烷 C6H12

甲苯 C6H6H/C可间接反映石油沥青的组成结构概貌。一般H/C＞1.6时，就不适合生产道路沥青。2.石油沥青的组分通过沉淀剂和吸附剂对沥青采取选择性溶解和选择性吸附，将沥青中化学成分及性质相近，且与物理力学性质有一定联系的成分，划分为若干个组，即为组分。沥青的组分分析法溶解吸附法（三组分分析法）色层分析法（四组分分析法）多组分分析法热扩散法离子交换色谱法四组分分析法饱和分（S）芳香分（Ar）胶质（R）沥青质（At）蜡——有害物质。导致粘度、延度下降，温感性变差，抗裂性变差。甲苯

+乙醇洗释甲苯洗释

乙醇

洗释沥青全组分沥青质（At）软沥青质饱和分（S）芳香分（Ar）胶质（R）正庚烷

洗释C6H6甲苯

洗释n－C7沉淀Al2O3吸附含蜡沥青的蜡（W）含量测定将分离得到的饱和分（S）和芳香分（Ar），以丁酮-苯为脱蜡溶剂，在-200C下冷冻分离固态烷烃，确定含蜡量。原油是否适合生产沥青的经验方法(At+R)/W＜0.5不适合生产沥青(At+R)/W＝0.5~1.5生产普通道路沥青(At+R)/W＞1.5适合生产优质道路沥青At——沥青质R——胶质W——蜡饱和分芳香分胶质沥青质沥青的四组分饱和分饱和分（S）——含量↑，针入度↑（即粘度↓），软化点↓；芳香分芳香分（Ar）——提高粘附性和延度；胶质胶质（R）——含量↑，粘度↑，延度↑沥青质沥青质（At）——含量（适当）↑，粘度↑，降低温感性；不同沥青的化学组分国产沥青的特点：At含量少S含量过大饱和分S偏多，沥青质At偏少而导致粘结性较差；不同沥青的化学组分较好的组分搭配是：At适量Ar较多R较少S少石蜡基与环烷基沥青的组分对比石蜡基沥青环烷基沥青蜡12.81.9S饱和分7.58.1Ar芳香分22.741.6R胶质56.728.4At沥青质0.320.03.沥青的胶体结构因S、Ar、R、At之间的比例不同。可以组成不同的胶体结构。（1）溶胶饱和分S含量较大胶团之间被S分开，At少，S呈连续相，胶团是不连续相。大部分的直馏沥青属于“溶胶沥青”。路用性能特点自愈性和低温抗裂性好但温感性和高温稳定性较差（2）凝胶沥青质At含量较高胶团之间接触并形成一定的空间结构网，有较明显的弹性，胶团成为连续相，而S成为不连续的。氧化沥青大多属于凝胶结构路用性能特点——高温稳定性好，温感性好，粘度较大，但是低温抗裂性及变形能力较差。（3）溶凝胶沥青质At含量适当胶团数量较多，相距较近并部分接触形成网状结构；环烷基直馏沥青、半氧化沥青、溶剂沥青都属于这类结构；路用性能特点—有较高的粘度和较好的低温变形能力，以及较低的温感性。（4）蜡的影响高温时：粘度低，使沥青转向溶胶结构，高温稳定性变差；低温时：蜡结晶，形成网络结构，使沥青转向凝胶结构，但是粘度却很低，且低温抗裂性非常差。（5）胶体结构的判定用针入度指数P·I的大小来判定沥青的结构模型沥青是由带有烷侧链的高度缩合环烷和芳香环所组成。三 石油沥青的技术性质（一）物理特征常数密度、热膨胀系数、介电常数密度（相对密度）：0.97~1.04（g/cm3)热膨胀系数：2~6×10-4/℃介电常数：2.6~3.0属非极性、弱极性材料（二）粘度◆粘度——材料在外力作用下，其粒子产生相互位移时抵抗变形的能力。1.牛顿液体根据牛顿定律：FVH令剪应力令剪应变（剪应变速率）所以有η——动力粘度系数（简称粘度）沥青在某一温度下的动力粘度与同温度下沥青密度之比，称为“运动粘度”。2.非牛顿液体有公式η*——表观粘度（Pa·S）c——复合流动系数

c<1时，称为假塑性液体；

c>1时，称为胀流型液体；当c＜1时，用表观粘度ηa来表示C>1C=1C<1τ0假塑性液体胀流型液体3.绝对粘度的测定方法毛细管粘度计试验温度：粘稠沥青1350C

液体沥青600C旋转圆筒式粘度计滑板式微膜粘度计沥青动力粘度测定器（真空减压毛细管法）沥青运动粘度测定器(毛细管法)旋转粘度计4.条件粘度的测定方法条件粘度又称为相对粘度或技术粘度（1）针入度（Penetration——简称Pen）用于测定粘稠沥青还可测试50C、100C、150C、250C、300C时的针入度针入度试验仪其它条件下的针入度4.条件粘度的测定方法（2）标准粘度（用于液体沥青）表示方法式中：T——试验温度（0C） d——流孔直径（mm） t——流出50ml的时间（S）

例：表示:d=5mm; T=600C时，流出50ml沥青时所用的时间S=40秒。（三）软化点沥青是无定型非晶态物质，没有熔点；其粘度和塑性随温度的变化而变化。温度↑，沥青由固态→半固态→液态工程中希望沥青在使用温度低于所谓的“软化点”时，可在短期内承受自重而不致流淌（流动状态）。表示方法环与球法TR&B(0C)用内径19.8mm的铜环，直径9.53mm，重3.5克钢球，加热速度50C/min，使沥青下垂25.4mm时的温度称为：——软化点沥青软化点仪加热介质蒸馏水（起始温度50C），用于软化点低于800C的沥青；甘油（起始温度320C），用于软化点高于800C的沥青。加热速度为50C/min太快——沥青还来不及传导加热时的热，会使软化点T偏高；太慢——软化点T偏低。沥青在软化点时的粘度η=1200d·Pa·SPen=8001/10(mm)所以也把“软化点”称为“等粘温度”即：固定粘度时的温度（四）延度沥青在外力作用下产生塑性变形而不被破坏（断裂）的能力。又称为延伸度或伸长度。表示方法其它温度下的延度 延度试件（五）脆点介绍A·弗拉斯脆点沥青脆点仪（六）三大指标的讨论1.针入度绝对粘度的差异问题2.延度的争议英国没有延度指标阿油沥青的延度大都不会小于100cm我国的中轻道路交通沥青就是延度较差3.软化点的影响软化点高的沥青，是否其高温稳定性就一定好？4.用绝对粘度划分沥青标号美日等国和我国用600C的沥青粘度和针入度来给沥青划分标号用600C粘度的物理指标来评价沥青性能对沥青路面的使用性能有很大影响的600C时的沥青粘度，可以用数值来加以评价粘度单位国际单位制

Pa·S （帕·秒）厘米·克·秒制 达因·秒/厘米2（泊）

单位换算 1泊（P）=0.1Pa·S（七）沥青的流变特性1.感温性表征沥青材料的“粘度”随“温度”而变化的性质及关系（1）针入度指数P·I——用针入度和软化点的结果来表示沥青感温性和胶体结构针入度和温度的关系

lgP=AT+K式中：A为针入度-温度感应性系数，表征lgP随温度T的变化率通过斜率A可以判断沥青的感温性强弱例：有两种针入度相同的沥青，但是A却不相同。lgPlg800lgp025T1T2T(0C)A1A2针入度指数P.I——引入一些参数，使P.I在-10~+20之间。则有：按PI的大小把沥青划分为三种胶体结构。PI<-2

为溶胶PI>+2为凝胶PI=-2~+2为溶凝胶但是蜡质沥青在软化点时针入度不一定是800。在弗拉斯脆点温度时针入度也不一定是1.2。因而以上公式对蜡质沥青不适用。针入度指数的修正为了用针入度PI指数准确描述沥青的温度敏感性，宜在150C、250C、300C（或50C——在针入度偏大时）3个或3个以上（必要时增加100C、200C等）温度条件下分别测定沥青的针入度。计算方法：根据测定结果用“诺模图”法和公式计算法计算针入度指数、当量软化点及当量脆点。（2）修正的针入度指数法诺模图解法诺模图（Nomograph)——又称列线图。是由若干由有标尺的线条所组成的运算用图。（2）修正的针入度指数法（公式法）用最小二乘法求公式lgP=AT+K中的A和K令

y=lgP,x=T,按针入度指数与温度的直线关系进行y=a+bx一元一次方程的直线回归，求取针入度温度指数A式中T为不同试验温度，相应温度下的针入度为Ti式中K为回归方程的常数项aA为回归方程系数b按公式lgP=AT+K回归时必须进行相关性检验，相关系数r不得小于0.997（置信度95%），否则试验无效。再依次求出修正针入度指数(PI)C、当量软化点T800、当量脆点T1.2和塑性温度范围ΔT求出A和K后即可分别求出：确定沥青的修正针入度指数(PI)C并记为PIlgPen确定沥青的当量软化点T800（沥青针入度800对应的温度）确定沥青的当量脆点T1.2（沥青针入度1.2对应的温度）计算沥青的塑性温度范围ΔT把计算出来的A、K值，代入公式（2-15）和（2-16），即求得和修正针入度指数P·I和修正软化点（T800）（3）针入度-温度指数（PTI） 根据不同温度条件下的针入度值的比率来评价沥青的感温性。有三种表达形式。其值越小，感温性越小。①②③（4）针入度-粘度指数（PVN）针入度指数（PI）通常是表征低于软化点温度的沥青感温性。高于软化点温度的沥青感温性用针入度-粘度指数表示。此方法是用25oC时的沥青针入度和135oC（或60oC）时的粘度值与温度的关系来计算沥青感温性。

PVN越大，表示感温性越低。感温性评价见P55表2—5。计算公式见（2-21）、（2-22）。①已知25oC时针入度值P（1/10mm)和135oC时运动粘度值ν（cm2/s）：②已知25oC时针入度值P（1/10mm)和600C绝对粘度值η（Pa·S）：2.劲度模量（1）沥青材料得粘弹行为 当作用在沥青材料上的拉应力σ0保持不变时，其应变ε随时间t而增加总应变

ε=εe+εd+εv式中 εe为瞬时弹性应变

εd为延迟回复应变 εv为粘塑性应变用流变学的数学模型来表达粘弹塑性体的力学行为流变学的三种基本元件介绍弹性元件（用弹簧表示）σσE流变学的三种基本元件介绍粘性元件（用粘壶表示）σση牛顿液体流变学的三种基本元件介绍塑性元件（用滑块表示）σσA滑块f摩擦力B杆当σ＜f;ε=0

σ＞f;ε任意描述沥青材料粘弹行为的伯格斯模型σ0E1E2η2η1由伯格斯模型可得表现某种沥青流变性能的徐变方程式中：（2）沥青的劲度模量Sb——其表示粘弹性材料抵抗变形的能力。物理意义式：在某温度和荷载作用时间下，应力和应变的比。Sb与时间（t）和温度（T）有关。在低温和瞬时荷载作用时，以弹性变形为主；在高温和长时间荷载作用下，以粘性变形为主。（3）劲度模量Sb诺模图的应用（V.D波尔劲度模量诺模图）方法：确定四个参数，查图和作图针入度为800时温度的确定（T800）修正针入度指数P·I的确定温度差的确定TDif=T800－Tp

TP为面层5cm处的使用温度荷载作用时间t的确定[P59例题]荷载时间（2/100）秒；低于软化点53.5－5=48.5℃；P·I=0；2×108Pa（八）粘附性沥青从石料单位表面积上置换水所作的功为：bwaθ该式说明：沥青欲置换水而粘附于石料表面需要做功，主要取决于沥青b与水W的界面能沥青与水的接触角θ在石料一定的条件下，和θ均取决于沥青的性质。评价方法：水煮法、水浸法、分光光度法（九）耐久性（耐老化）1.沥青老化的表现定义——我们把沥青的这种在外界条件影响下，表现出随时间逐渐改变其胶体结构、理化性质或机械性质的不可逆的变化称为老化老化的表现

沥青因组分及比例发生变化而导致发硬、变脆、开裂、和丧失粘结能力。一些在出厂时技术指标都非常接近的沥青，但其耐久性却可能相差很大。美国每年用于公路的维修费用达800亿美圆。2.影响沥青耐久性的因素（1）热（温度）蒸发损失加速与氧的反应，缩合聚合反应施工时的沥青过度加热（2）氧（空气）因氧化反应导致的沥青组分的转变脱氢缩聚导致芳香分胶质沥青质（饱和分则几乎不变）（3）光促进氧化作用尤其是紫外线（辐射强度）在光照作用下，几乎所有的组分都会被氧化（4）水催化老化作用3.评价沥青老化的方法（1）沥青蒸发损失试样容器Φ55、h35、50g试样。这样的容器与空气的接触面积较小。加热温度及时间1630C5hr技术指标质量损失（%）针入度比（%）（2）沥青薄膜烘箱加热试验（TFOT)(ThinFilmOvenTest)试样容器Φ139.7、h9.5、50g试样；3mm厚的沥青膜与空气接触面积大。加热温度和时间1630

C、5hr技术指标质量损失（%）针入度比（%）延度（250C、150C）（3）旋转薄膜烘箱加热试验（RTFOT)(RollingThinFilmOvenTest)该方法比较接近沥青混合料的实际拌和情况，薄膜只有5μm~10μm，1630C的热空气下老化75分钟。质量损失（%）针入度比（%）延度（250C、150C）（十）安全性闪点燃点四石油沥青的技术标准1.道路石油沥青技术要求取自《公路沥青路面施工技术规范》TechnicalSpecificationsforConstructionofHighwayAsphaltPavementsJTGF40—2004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℃0.1mm140—200120—140100—12080—10060—8040—6020—40适用气候分区2-12-23-21-11-21-32-22-31-31-42-22-32-4针入度指数PIA-1.5——+1.0B-1.8——+1.0软化点(R&B)不小于℃A384043454446454955B363942434244434653C3537414243455060℃动力粘度不小于Pa·SA—60120160140180160200260指标单位等级沥青标号160号130号110号90号70号50号30号10℃延度不小于cmA505040453020302020152520151510B3030303020152015151020151010815℃延度不小于cmA,B100C80806050403020蜡含量不大于%A2.2B3.0C4.5闪点不小于℃230245260溶解度不小于%99.5密度（15℃）g/cm实测记录指标单位等级沥青标号160号130号110号90号70号50号30号TFOT（或RTFOT）后质量变化不大于%±0.8残留针入度比不小于%A48545557616365B45505254586062C40454850545860残留延度(10℃)cmA121210864—B10108642—残留延度(15℃)cmC403530201510—2.乳化沥青用途适用于沥青表面处置路面、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。2.乳化沥青分类阳离子乳化沥青PC-1、PC-2、PC-3、BC-4阴离子乳化沥青PA-1、PA-2、PA-3、BA-1非离子乳化沥青PN-2、BN-13.液体石油沥青用途适用于透层、粘层及拌制冷拌沥青混合料。分快凝、中凝和慢凝三类共14个品种4.煤沥青用途适用于基层上的透层、表面处置或贯入式沥青路面。T-1~T-9共9个品种严禁用于热拌热铺的沥青混合料。第二节改性沥青一改性沥青的分类定义——在沥青中掺加橡胶、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）或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料。改性沥青技术方法（广义）掺加改性剂改善力学性能改性沥青技术方法（广义）掺加改性剂改善粘附性耐老化性抗剥离剂：金属皂、有机胺、消石灰抗老化剂：受阻酚、受阻胺等改性沥青技术方法（广义）物理改性调和沥青——掺加天然沥青（湖沥青、岩石沥青、海底沥青）沥青工艺——半氧化沥青、泡沫沥青狭义分类（1）热塑性橡胶类SBS——苯乙烯-丁二烯-苯乙烯*SIS——苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯SE/BS——苯乙烯-聚乙烯/丁基-聚乙烯聚酯弹性体、聚脲烷弹性体、聚乙烯丁基橡胶弹性体、聚烯烃弹性体等狭义分类（2）橡胶类丁苯橡胶（SBR）*天然橡胶（NR）丁二烯橡胶（BR）乙丙橡胶（EPDM）硅橡胶（SR）氟橡胶（FR）狭义分类（3）树脂类乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）*聚乙烯（PE）*无规聚丙烯（APP）聚丙烯（PP）热固性树脂：环氧树脂（EP）改性剂特点天然橡胶——增加粘聚力、较好的集料粘附性、较低的低温敏感性。氯丁胶乳、丁苯胶乳增加弹性、粘聚性、减小感温性；SBS改善柔性、增强抵抗永久变形、减小温度敏感性；再生橡胶粉：增加柔性、粘附性、提高抗滑、抵抗疲劳、阻碍反射裂缝；改性剂特点塑料类——PE、聚丙烯、EVA、乙丙橡胶等增加稳定性和劲度模量，提高抵抗永久变形的能力，有较低的低温敏感性。四种不同改性剂的功效+表示提高；-表示降低；0表示没有影响；？表示不清楚；聚合物改性沥青技术要求《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40——2004)我国改性沥青标准的特点1.关于改性沥青的分类及适用范围主要使用的聚合物改性剂是：SBS、SBR、EVA、PEⅠ类SBS热塑性橡胶类聚合物改性沥青Ⅰ—A、Ⅰ—B型适用于寒冷地区Ⅰ—C型用于较热地区Ⅰ—D型用于炎热地区、重交通路段1.关于改性沥青的分类及适用范围主要使用的聚合物改性剂是：Ⅱ类SBR橡胶类聚合物改性沥青Ⅱ—A型用于寒冷地区Ⅱ—B和Ⅱ—C适用于较热地区Ⅲ类EVA、PE热塑性树脂类改性沥青适用于较热和炎热地区软化点要比最大日空气温度高200C2.关于改性沥青的分级及感温性要求针入度为分级的主要依据针入度指数PI的变化为改性后感温性的关键性评价指标一般非改性沥青的PI不超过-1.0；改性后要求大于-1.0；从改善温度敏感性的要求出发，改性后希望在沥青的软化点提高的同时，针入度不要降低太多；3.关于改性沥青性能的评价指标对每一类改性沥青的路用性能，采用不同评价指标。针对改性沥青的特点，选择代表性的试验指标作为重点评价指标。同一类分级中的A、B、C、D主要