教学情境四 沥青材料生产、技术性能检测、材料储运与验收

扬州职业大学道路建筑材料教案教学情境四沥青材料生产、技术性能检测、材料储运与验收沥青是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物以及它们的一些非金属（氧、硫、氮）的衍生物所组成的混合物。沥青在常温下是黑色或暗褐色固体、半固体或粘稠状物，由天然或人工制造而得，它们通常可以是气体、液体、半固体或固体，完全溶解于二硫化碳。沥青的特点是具有不透水性、不导电、耐酸碱盐侵蚀，同时具有良好的粘结性及塑性。因此，沥青在建筑工程中得到广泛应用。重点用于道路工程中的路面材料；屋面或地下防水工程及防腐工程。情境导入：沥青广泛应用于路面工程，防水工程，沥青技术性能直接影响路面的长期使用的效果及防水制成品的耐久性。教学单元一：石油沥青的技术性质及应用学习目标：通过本章学习，要求重点掌握石油沥青的技术性质、技术标准、评价方法和评价指标，了解聚合物改性沥青、乳化沥青的技术性质和技术标准。教学内容：阐述石油沥青的分类、组分、胶体结构及石油沥青的技术性质、技术标准、评价方法和评价指标，在此基础上介绍了聚合物改性沥青、乳化沥青的技术性质和技术标准。附述相关实验实训内容。重点难点：沥青三大指标测定，乳化沥青制备原理。沥青按其在自然界中获取的方式可以按下图所示分类：天然沥青天然沥青石油沥青沥青地沥青焦油沥青煤沥青（柏油）木沥青页岩沥青图5-1沥青的分类沥青具有良好的憎水性、黏结性和塑性，因而沥青材料在公路工程中，主要用于高等级公路的路面工程，是铺筑路面的主要材料，也是桥梁工程中常用的防水材料和嵌缝材料。一、石油沥青的生产和分类1、生产：地壳中的原油，开采后经常压蒸馏、减压蒸馏后，采用溶剂脱沥青或氧化等工艺过程得到的暗褐色或黑色的半固体或固体物质即石油沥青。2、分类：根据生产方法，分为直馏沥青、溶剂脱沥青、氧化沥青、调和沥青、乳化沥青、改性沥青等。根据应用的需要，对沥青进行乳化可得乳化沥青;掺加改性剂可制得改性沥青。二、石油沥青的组成和结构1、石油沥青的元素组成碳和氢为主，硫、氮及氧2、沥青的化学组分三组分法：油分、树脂、沥青质四组分法：沥青质、胶质、芳香分、饱和分3、含蜡量高温融化，使沥青粘度降低。低温结晶，使沥青的低温延展能力降低。蜡使沥青与石料表面的亲和力变小，影响沥青与石料的粘附性。由于蜡对沥青的性能有一定的影响，而沥青中蜡的含量主要与原油的基属有关，因此应该对生产沥青的原油进行选择，使所生产的沥青的蜡含量低于限量。4、沥青的胶体结构根据胶团粒子大小、数量及其在连续相中的分散状态，沥青的胶体结构可分为三种类型。图5-2胶体结构类型a)溶胶型结构；b)溶—凝胶型结构；c)凝胶型结构沥青的胶体结构与沥青的技术性质有密切关系，但从化学角度来评价沥青的胶体结构是很困难的，常采用针入度指数(PI)法来评价胶体结构类型及其稳定性。三、石油沥青的技术性质（一）沥青的路用性能1、粘滞性粘滞性是指沥青材料在外力作用下沥青粒子产生相互位移的抵抗剪切变形的能力。（5-1）式中：——引起沥青层移动的力(亦即等于沥青抵抗移动的抗力)，N；——沥青层的面积，m2;——速度变化梯度(即剪变率)，s；——沥青的内摩阻系数(即沥青的动力粘度)，沥青粘度的测定方法①沥青标准粘度试验针入度法：针入度试验是国际上普遍采用测定粘稠沥青稠度的一种方法，也是划分沥青标号采用的一项指标。图5-5标准黏度计测定液体沥青示意图1—沥青试样；2—活动球杆；3—流孔；4—水图5-6针入度法测定黏稠沥青针入度示意图按上述方法测定的针入度值愈大，表示沥青愈软(稠度愈小)。2、塑性沥青的塑性是指当其受到外力的拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力，是沥青的内聚力的衡量，通常是用延度作为条件延性指标来表征。图5-7沥青延度试验沥青的延度与沥青的流变特性、胶体结构和化学组分等有密切的关系。研究表明：当沥青化学组分不协调，胶体结构不均匀，含蜡量增加时，都会使沥青的延度值相对降低。3、温度稳定性（感温性）沥青是复杂的胶体结构，粘度随温度的不同而产生明显变化，这种粘度随温度变化的感应性称为感温性．对于路用沥青。温度和粘度的关系是极其重要的性能。沥青混合料在施工过程中的拌和、摊铺和碾压以及铺筑后的使用期间，都要求沥青的粘度在适当的范围之内，否则将影响沥青路面的质量。（1）高温敏感性用软化点表示图5-8软化点试验仪图5-9弗拉斯脆点仪1—温度计；2—立杆；3—钢球；1—外筒；2—夹钳；3—硬塑料4—钢球定位环管5—金属环；4—真空玻璃管；5—试样管；6—烧杯；7—水面6—橡胶管；7—橡胶管；8—通冷却液管道；9—橡胶管；10—温度计；11—摇把（2）沥青的低温性能沥青的低温性能与沥青路面的低温抗裂性有密切的关系，用脆点表示。（3）针入度指数(PI)针入度指数(PI)是应用针入度和软化点的试验结果来表征沥青感温性的一种指标。同时也可采用针人度指数值来判别沥青的胶体结构状态。①针入度一温度感应性系数AP·Pb普费和范．德．玻尔等研究认为沥青的粘度随温度而变化，当以对数纵坐标表示针人度，以横坐标表示温度时，可以得到图5-10所示的直线关系，此关系由式(5-11)表示。(6-11)式中：P——沥青的针入度，0.1mm；A——针入度一温度感应性系数，可由针入度和软化点确定；K——回归系数。图5-10针入度—温度关系图普费等人根据对多种沥青的研究，认为沥青在软化点温度时，针入度在600～1000之间，假定为800(0.1mm)。由此针入度一温度感应性系数A可由式(5-12)表示。(5-12)式中：P(25℃，100g，5s)——在25℃，TR&B——环球法测定的软化点温度，℃。由于软化点温度时的针入度常与800相距甚大，因此斜率A应根据不同温度的针入度值确定，常采用的温度为15℃，25℃及30(5-13)通过回归求取针人度一温度感应性系数A值，由3个温度的针入度回归的相关系数R应在0.997以上，由4个温度的针入度回归的系数应不小于0.995，否则说明试验误差过大，此试验结果不能采用。②针人度指数(PI)的确定普费等人在制定针入度指数时，假定感温性最小的沥青其针入度指数(PI)为20，感温性最大的沥青为-10，将软化点坐标25与针人度坐标800连成一线，将斜线划成30等分，软化点与针入度连线同斜率交点定为PI值。此PI值将斜线分为两段，根据上式长度比，即为斜率A。由于A值很小，为使PI值在+20~-10之间，A值乘以50，得式(5-14)，并由式(5-14)推导出针入度指数PI计算式(5-15)如下：(5-14)(5-15)按针人度指数可将沥青划分为三种胶体结构类型：针入度指数值<-2者为溶胶型沥青；针人度指数值>+2者为凝胶型沥青；针人度指数值=-2~+2者为溶凝胶型沥青；当PI<-2~+2，沥青的温度敏感性强，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。表5-3列出几种沥青采用3个温度针人度测定的PI的计算结果。沥青感温性指标的试验结果表5-3沥青品种不同温度的针入度（0.1mm）PI值AK针入度温度相关系数R123克拉玛依4290213+0.860.05351.08720.9994胜利2896298-1.590.05140.68410.9997兰炼3288208-0.110.04080.90640.9989茂名3072198-0.160.04100.85260.9991当量软化点T800与当量脆点T1.2当量软化点T800和当量脆点T1.2分别定义为与沥青针人度800和1.2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。当量软化点T800和当量脆点T1.2分别由式(5-16)和式(5-17)计算：(5-16)(5-17)式中：A，K——意义同式(5-10)。当量软化点T800与当量脆点T1.2以及针人度指数Pl也可以由诺谟图5-21确定。具体方法为：测试沥青在2个温度Tl和T2下的针人度Pl和P2，在图5-12中确定点A(T1、P1)和B(T2、P2)的位置，以直线连接AB两点并延长，延长线与针人度800对应的温度为当量软化点T800，与针入度1.2对应的温度为当量脆点T1.2。将直线平行移动至图中的O点，与PI标尺的交点为沥青的针入度指数PI。图5-21针入度指数用诺模图4、沥青的粘附性粘附性是沥青材料的主要功能之一，沥青在沥青混合料中以薄膜的形式涂覆在集料颗粒表面，并将松散的矿质集料粘结为一个整体，除了沥青本身的粘结能力外，还需要沥青与石料之间的粘附能力，二者有一定的相关性。粘结能力较强的沥青，粘附性一般也较大。在我国现行试验规程(JTJ052—2000)中，规定：根据沥青混合料的最大粒径决定，>13.2mm者采用水煮法；≤13.2mm者采用水浸法。5．沥青的耐久性路用沥青在使用的过程中受到储运、加热、拌和、摊铺、碾压、交通荷载以及自然因素的作用，而使沥青发生一系列的物理化学变化。逐渐改变了其原有的性能(粘度、低温性能)而变硬变脆，这种变化称为沥青的老化。沥青路面应有较长的使用年限，因此要求沥青材料有较好的抗老化性，即耐久性。影响耐久性的因素：①温度与氧化作用②光和水的作用③自然硬化④渗流硬化6．沥青的粘弹性路用沥青多为溶一凝胶型沥青，在低温时表现为弹性，高温时表现为粘性，在相当宽的温度范围内表现为粘性和弹性并存，是一种典型的粘弹性物体。在外力作用下产生形变，但形变滞后于作用力，作用力去除后形变并不完全消除，经过一段时间才逐渐恢复，表现为复杂的粘弹性性质，蠕变和松弛现象就是这种特性的表现。为了描述沥青处于粘弹状态下的力学特性，采用了劲度模量的概念。劲度模量与弹性模量不同，它是取决于温度和荷载作用时间而变化的参数，是表现沥青粘性和弹性联合效应的指标。范·德·玻尔采用荷载时间t和温度r为函数的应力应变之比来表示粘弹性沥青抵抗变形的性能，劲度模量由式(5-28)表示。(5-18)式中：——沥青的劲度模量，Pa；——应力，Pa；——应变；——载荷时间，s；——温度，℃。图5-13沥青劲度模量诺模图图5-13沥青劲度模量诺模图沥青材料的劲度模量S可以采用“微膜滑板粘度计”或“微弹性仪”等仪器来测定，也可通过图表确定。范·德·玻尔等根据：①荷重作用时间(t)或频率；②路面温度差；③沥青的胶体结构类型(PI)等参数绘制成实用沥青劲度模量诺谟图，见图5-13。教学单元二：煤沥青、乳化沥青及其它沥青技术性质与应用学习目标：通过本章学习，要求重点掌握聚合物改性沥青、乳化沥青的技术性质和技术标准。教学内容：阐述聚合物改性沥青、乳化沥青的技术性质和技术标准。附述相关实验实训内容。重点难点：乳化沥青形成原理。一、煤沥青（一）煤沥青的化学组成和结构特点煤沥青（俗称柏油）是用煤在隔绝空气的条件下干馏，制取焦炭和煤气的副产品-煤焦油炼制而成的。路用煤沥青主要由高温煤焦油加工而得。煤沥青分离为油分、软树脂、硬树脂和游离碳等四个组分。（二）煤沥青的技术性质煤沥青和石油沥青相比，在技术性质上有以下差异：（1）煤沥青的温度稳定性较低（2）煤沥青的大气稳定性差（3）煤沥青与矿质集料的粘附性好（4）煤沥青塑性较差（5）煤沥青含有较多的人体有害成分，不宜用于城市道路和路面面层。二、乳化沥青乳化沥青是粘稠沥青经热融和机械作用以微滴状态分散于含有乳化剂—稳定剂的水中，形成水包油(O／W)型的沥青乳液。（一）乳化沥青的组成材料1、乳化沥青的基本组成材料沥青、水、乳化剂、稳定剂2、乳化剂分类和乳化能力能在溶液中解离生成离子或离子胶束的称为离子型乳化剂，凡不能电离成离子胶束的称为非离子乳化剂，可分类如下。（二）乳化沥青的形成、分裂机理与生产工艺1、乳化沥青的形成机理(1)乳化剂降低界面能的作用(2)界面膜的保护作用(3)界面电荷的稳定作用2、乳化沥青的分裂为使沥青发挥其粘结功能，必须使沥青从乳液中分离出来，使沥青徽滴相互聚结，在集料表面形成连续的覆盖薄膜，这就是乳化沥青的分裂。沥青乳液得以分裂的原因如下几点：(1)电荷吸附作用(2)水分蒸发(3)酸碱中和3、乳液的贮存乳液存放较长时间就会产生分层现象，为延缓分层的速度，应采用密封容器，减少水分蒸发，或在容器上加装搅拌设备，定期进行搅拌。长期储存的乳液应定期取样检验。三、改性沥青（一）概述通过对沥青材料的改性，可以改善以下几方面的性能：提高高温抗变形能力，可以增强沥青路面的抗车辙性能；提高沥青的弹性性能，可以增强沥青的抗低温和抗疲劳开裂性能；改善沥青与石料的粘附性；提高沥青的抗老化能力，延长沥青路面的寿命。（二）改性沥青的分类及特性1、改性沥青的分类所谓改性沥青，是指掺加橡胶、塑料等高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其它填料型外掺剂，与沥青均匀混合，从而使沥青的性质可以改善而制成的沥青混合物。2、常用聚合物改性沥青的技术特性(1)热塑性橡胶类改性沥青(2)橡胶类改性沥青(3)热塑性树脂改性沥青(4)热固性树脂改性沥青小结石油沥青是石油经炼制加工后获得的一种具有胶结性能的道路建筑材料，在道路路面结构工程中应用广泛。石油沥青是复杂的高分子化合物，可分离为饱和分、芳香分、胶质和沥青质等几个组分。根据这些组分结构和含量的不同，可将沥青分为溶胶、溶凝胶和凝胶等三种胶体结构，沥青的胶体结构与沥青的路用性能有密切关系。沥青具有粘滞性、粘弹性、感温性等一系列特性。通过学习应掌握这些特性及其测试方法，更好地应用沥青材料。本章还对美国SHRP中沥青结合料的主要性能指标与测试方法作了简要的介绍，以便了解沥青材料现代测试技术的概念，为沥青材料性能的深入研究和工程应用奠定基础。由于交通运输的发展，对沥青的性能提出了更高的要求，因此改性沥青得到较大的发展。本章介绍了几种常用的改性沥青的性能和测试方法。乳化沥青也是沥青路面工程中广泛采用的材料，具有可冷态施工的特点，应掌握其组成形成机理和用途。改性乳化沥青在路面工程中也得到应用，应关注这些材料的发展。随堂练习：一、填空题：1、针入度、、被称为沥青三大指标。2、乳化沥青主要由沥青、、水组成。3、沥青胶体结构有三个类型，它们分别是、和凝胶型结构。4、在选择沥青结合料时，应该优选性石料，如果没有时，可掺加各种抗剥剂以提高沥青与石料的粘附性。5、石油沥青的基本性质有：、、加热稳定性、