《道路建筑材料（活页式）》课件 项目7 有机胶凝材料的应用及检测

项目七有机胶凝材料的应用及检测能简述沥青常用的技术指标及检测方法2知识目标能简述沥青的化学组成和胶体结构类型及特点1能对沥青针入度、软化点、延度进行检测评定1能根据沥青的技术要求选择合适的沥青评价指标2能力目标沥青是一种有机结合料。它是由一些极其复杂的高分子烃类(一些带有不同长短侧链的高度缩合的环烷烃和芳环烃),以及这些烃类的非金属元素(氧、氮、硫)的衍生物组成的，有时还含有一些微量金属元素(钒、镍、锰、铁……)等，颜色呈黑色以及黑褐色，在常温下呈液态、半固态或固态，它们几乎完全溶解于二硫化碳、三氯甲烷等有机溶剂。概念及用途在道路工程中最常用的主要是石油沥青和煤沥青两类，其次是天然沥青。我国石油资源丰富，分布广泛，随着石油工业的发展，石油沥青产量日益增多，它是工程中广泛使用的一种沥青材料沥青按产源可分为地沥青和焦油沥青两大类。1)地沥青来源于石油系统，由天然存在的石油或石油精制加工而得到。地沥青按其产源又可分为天然沥青和石油沥青。(1)天然沥青：石油在自然界长期受地壳挤压、变化，并与空气、水接触逐渐变化而形成的。它是石油在各种自然因素的长期作用下，经过轻质油分蒸发、氧化和缩聚作用，最后形成的天然产物。有以纯粹沥青成分存在的(如沥青湖、沥青泉或沥青海等);也有沥青渗入各种孔隙性岩石中(如岩地沥青)或沥青与砂石材料相混(如地沥青砂、地沥青岩)存在的。(2)石油沥青：石油经过精制加工而得到的产品。最常得到的有直馏沥青、氧化沥青、溶剂沥青、裂化沥青、调和沥青等，还可经过加工得到乳化沥青等。2)焦油沥青焦油沥青是各种有机物(煤、木材、页岩)干馏加工得到的焦油，经再加工而得到的产品。焦油沥青按其加工的有机物名称而命名，如由煤干馏所得的煤焦油，经再加工后所得的沥青，即称为煤沥青。分类：1)按原油成分分类原油是生产石油沥青的原料。原油按其所含烃类成分或硫含量的不同可划分为几种基本类别(称为基属)。石油沥青的性质首先与石油沥青的基属有关。原油根据关键馏分特性和含硫量可分为石蜡基原油、环烷基原油和中间基原油，以及高硫原油(含硫量大于2%)、含硫原油(含硫量0.5%～2%)和低硫原油(含硫量小于0.5%)。由不同基属原油炼制的石油沥青分别为：(1)石蜡基沥青：这种沥青因原油中含有大量烷烃，沥青中含蜡量一般大于5%,有的高达10%。蜡在常温下往往以结晶体存在，降低了沥青的黏结性和塑性。(2)环烷基沥青：也称沥青基沥青，含有较多的环烷烃和芳香烃，所以此种沥青的芳香性高，含蜡量一般小于2%,沥青的黏结性和塑性均较高。(3)中间基沥青：也称混合基沥青，所含烃类成分和沥青的性质一般均介于石蜡基和环烷基沥青之间。我国石油油田分布广，国产石油多属石蜡基和中间基原油。2)按加工方法分类(1)直馏沥青(straightasphalt)。原油经过常压蒸馏、减压蒸馏或深拔装置提取各种轻质及中质石油产品后所余可用作沥青的残渣，称为直馏沥青。在一般情况下，低稠度原油生产的直馏沥青温度稳定性不足，还需要进行氧化才能达到黏稠石油沥青的性质指标。(2)氧化沥青(oxidizedasphalt)。将常压或减压渣油，或低稠度直馏沥青在250～300℃的高温下吹入空气，经数小时氧化可获得常温下为半固体或固体状的沥青，称为氧化沥青。氧化沥青具有良好的温度稳定性。在道路工程中使用的沥青，氧化程度不能太深，有时也称为半氧化沥青。(3)溶剂沥青(solventasphalt)。这种沥青是对含蜡量较高的重油采用萃取工艺提炼出润滑油原料后所余的残渣。在溶剂萃取过程中，一些石蜡成分溶解在萃取溶剂中随之被拔出，因此，溶剂沥青中石蜡成分相对减少，其性质较由石蜡基原油生产的渣油或氧化沥青有很大的改善。3)按沥青在常温下的稠度分类根据用途的不同，要求石油沥青具有不同的稠度，一般可分为黏稠沥青和液体沥青两大类。黏稠沥青在常温下为半固体或固体状态。如按针入度分级时，针入度小于40为固体沥青，针入度在40～300之间的为半固体沥青，而针入度大于300为黏性液体状态沥青。液体沥青在常温下多呈黏稠液体或液体状态，并可按标准黏度分级划分为慢凝、中凝和快凝液体沥青。在生产应用中，常在黏稠沥青中掺入一定比例的溶剂，配制得稠度很低的液体沥青，称为稀释沥青。知识一石油沥青性质及检测石油沥青生产工艺概述从油井开采出来的石油，一般简称原油，它是多种分子量大小不等的烃类(烷烃、环烷烃和芳香烃等)的复杂混合物。炼油厂将原油分馏而提取汽油、煤油、柴油和润滑油等石油产品后所剩残渣，再进行加工可制得各种石油沥青。目前，大量使用的都是石油沥青，其生产工艺流程见图7-1。在常压塔底收集的常压渣油，能否直接加工成沥青，主要决定于原油的稠度。我国大部分油田的大多数油井开采的原油，稠度均较低，所得常压渣油通常需要进入减压塔作减压蒸馏后，再进入氧化塔或深拔装置或溶剂脱沥青装置，经过进一步加工而得到沥青。但也有少数油井开采的原油稠度较大，其常压渣油稠度也大，直接经减压蒸馏或深拔后即可得到直馏沥青常用石油沥青主要是由氧化装置、溶剂脱沥青装置或深拔装置所生产的黏稠沥青。为了改善黏稠沥青的使用性能，还可采取各种方式将其加工成液体沥青、调合沥青、乳化沥青、混合沥青及其他改性沥青。石油沥青的生产和分类知识一石油沥青性质及检测元素组成沥青是由多种复杂的碳氢化合物及其氧、硫、氮的衍生物所组成的混合物，主要组成元素为碳、氢、氧、硫、氮5种，还含有其他的微量元素，如铁、锑、镍、钒、钠、钙、铜等，也大多集中在沥青质和胶质之中，但因其数量甚微，对沥青性质和使用性能影响不显著。几种典型石油沥青的元素组成见表7-1。石油沥青的化学组成和结构由表7-1可见，沥青的成分随原油的来源不同而不同，同时，沥青在炼制过程中组分也会发生变化。C/H的比例可以在很大程度上反映沥青的化学成分，C/H越大，表明沥青的环状结构，尤其是芳香环结构越多。在沥青中，碳和氢的含量占98%～99%,其中，碳的含量为80%~87%,氢为10%～15%。化学组成由于沥青的元素组成很难与技术性质相关联，因此必须寻求其他的分析方法对沥青进行分离。由于沥青是十分复杂的烃类和非烃类的混合物，分子量大，化学结构复杂，用一般的化学分析方法难以将其分离，目前采用按物理和化学特性相近似的化合物集中为一个组分的分离方法将其分离为几个组分。常用的为三组分法和四组分法。1)三组分分析法石油沥青的三组分分析法是将石油沥青分离为油分、树脂和沥青质三个组分。因我国富产石蜡基或中间基沥青，在油分中往往含有蜡，故在分析时还应将油蜡分离。这种分析方法称为溶解-吸附法。2)四组分分析法我国目前广泛采用四组分分析方法。采用液相色谱和溶剂分离，将沥青的组分大致分为饱和分、芳香分、胶质、沥青质四个组分。四组分试验流程如图7-2所示。沥青作为一种复杂的混合物，主要由四种主要组分及蜡分构成，它们各自具有独特的物理和化学特性，对沥青的整体性能产生显著影响。以下是这些组分的总结：1.沥青质：-颜色与形态：深褐色至黑色，无定形物质。-溶解性：不溶于正庚烷、乙醇、石油醚，但易溶于苯、氯仿、四氯化碳等极性溶剂。-化学特性：复杂的芳香族化合物，强极性，分子量范围大（1000～100000），颗粒粒径小（5～30nm）。-含量与作用：含量一般为5%～25%，对油分有憎液性，对胶质有亲液性。高含量时，沥青软化点高，针入度小，延度小，低温易脆裂。2.胶质：-形态与溶解性：半固体或液体状，黄色至褐色，溶于多种有机溶剂。-化学特性：极性芳烃，具有很强的黏结力，化学性质不稳定，易被氧化。-含量与作用：含量15%～30%，是沥青的扩散剂或胶溶剂，赋予沥青可塑性、流动性和黏结性，改善脆裂性，提高延度。其含量与沥青质的比例决定沥青是溶胶还是凝胶的特性。3.芳香分：-成分与特性：由低分子量环烷芳香化合物组成，深棕色黏稠液体，H/C比高（1.56～1.67），平均分子量低（300～2000）。-含量与作用：占沥青总量的20%～50%，是胶溶沥青质的主要分散介质，与饱和分共同起润滑和柔软作用，含量多则沥青软化点低，针入度大，稠度低。4.饱和分：-成分与特性：由直链和支链脂肪烃及烷基环烃等组成，非极性稠状油类，H/C比接近2.0，平均分子量中等（500～1000）。-含量与作用：占沥青的5%～20%，对温度敏感，与芳香分共同作用使胶质和沥青质软化，保持沥青胶体体系稳定。5.蜡分：-成分与特性：主要是高熔点的烃类混合物，主要是地蜡（微晶蜡），熔点在25℃以上，高温时融化降低沥青黏度，增大温度敏感性；低温时易结晶析出，影响沥青的低温延展能力和与石料的黏附性。-含量与影响：蜡含量与原油基属有关，高蜡含量会影响沥青性能，因此需控制生产沥青的原油选择，使蜡含量低于限制值。综上所述，沥青的各组分通过不同的物理和化学作用，共同决定了沥青的整体性能，包括其黏度、可塑性、延展性、软化点、针入度等关键指标。了解和优化这些组分的比例和性质，对于生产高性能的沥青具有重要意义。沥青的胶体结构沥青的工程性质，不仅取决于它的化学组分，而且与其胶体结构类型有着密切的联系。沥青中各组分的化学组成和相对含量不同，可以形成3种不同的胶体结构：溶胶型结构、溶-凝胶型结构和凝胶型结构，如图7-3所示1)溶胶型结构当沥青中沥青质分子量较低，并且含量很少，又有一定数量的胶质时，这样使胶团能够完全胶溶而分散在芳香分和饱和分的介质中，形成溶胶型沥青。在此情况下，胶团相距较远，它们之间吸引力很小，甚至没有吸引力，胶团可以在分散介质黏度许可范围之内自由运动。通常大部分直馏沥青都属于溶胶型沥青。这类沥青具有较好的自愈性和低温变形能力，但黏性小、流动性大，温度稳定性较差。2)溶-凝胶型结构沥青中沥青质含量适当，一般在15%～25%之间，并有较多的胶质，这样形成的胶团数量增多，使它们之间有一定的吸引力，形成溶-凝胶型沥青。通常环烷基稠油的直馏沥青、半氧化沥青，以及按要求组分重组的溶剂沥青等，往往能符合溶-凝胶型结构。这类结构介于溶胶型结构与凝胶型结构之间，具有较好的温度稳定性和低温变形能力。3)凝胶型结构当沥青中沥青质含量很高，并有相当数量的胶质，以使形成的胶团浓度大大增加时，它们之间的吸引力增强，彼此很近，形成空间网络结构，这种沥青称为凝胶型沥青。通常深度氧化的沥青多属于这类结构，其黏结性较好，温度稳定性较高，但塑性较差。石油沥青的技术性质石油沥青的物理性质是其化学组成和结构特点的直接反映，这些性质对沥青路面的使用性能具有重要影响。以下是关于石油沥青物理性质中密度和体膨胀系数的详细叙述：1.密度沥青的密度是指在规定温度条件下，单位体积沥青的质量，常用单位有kg/m³或g/cm³。密度是沥青分子致密程度的指标，也是评价沥青质量性能的一个重要参数。在沥青的储运、加工以及沥青混合料的设计过程中，密度都是一个基本参数。相对密度是指在规定温度下，沥青的质量与同体积水的质量之比。这一参数对于了解沥青的化学成分和结构排列有重要意义。沥青的相对密度与其化学组成密切相关，具体来说：-沥青质含量高：沥青质是沥青中分子量最大、极性最强的组分，其含量增加会使沥青的分子间作用力增强，从而导致相对密度增大。-蜡分含量高：蜡分是沥青中的低熔点烃类混合物，其含量增加会使沥青的分子间作用力减弱，导致相对密度减小。-含硫量大、芳香族含量低：这些因素也会使沥青的相对密度增大，因为硫原子和芳香族结构都能增强沥青分子间的相互作用。黏稠沥青的相对密度通常位于0.97～1.04范围内，这一范围涵盖了大多数道路用石油沥青的密度值。2.体膨胀系数体膨胀系数是描述沥青体积随温度变化特性的物理量。当温度升高时，沥青的体积会发生膨胀，这一现象对沥青路面的温度应力有显著影响。沥青的体积随温度变化的关系可以通过公式（如式7-1所示，但此处未直接给出具体公式）来描述，该公式通常反映了沥青体积变化与温度变化的线性或非线性关系。体膨胀系数的大小与沥青的化学组成、结构以及温度范围有关。一般来说，沥青的体膨胀系数随着温度的升高而增大，这意味着在高温条件下，沥青的体积变化更为显著。因此，在沥青路面的设计和维护过程中，需要充分考虑温度对沥青体积变化的影响，以确保路面的稳定性和耐久性。V=V₀+aT(7-1)式中：Vv——在T℃时的体积(m³);V₀——在0℃时的体积(m³)a——体膨胀系数，(5.5～6.3)×10-4(20～200℃时),如不考虑沥青的种类和温度，a一般多采用6.1×10-4;T——沥青温度(℃)。3)介电常数沥青的介电常数与沥青的耐候性(耐老化性)有关，介电常数可由下式确定：英国道路研究所研究认为，沥青路面的抗滑阻力的改善与介电常数有关，因此英国标准对道路用沥青介电常数提出了要求。路用性能1)黏滞性沥青的黏滞性是反映沥青材料内部阻碍沥青粒子产生相对流动的能力，简称为黏性，以绝对黏度表示。沥青的黏度是沥青首要考虑的技术指标之一。沥青的绝对黏度有动力黏度和运动黏度两种表达方式，可以采用毛细管法、真空减压毛细管法等多种方法测定。但由于这些测定方法精密度要求高，操作复杂，不适于作为工程试验，因此工程中通常用条件黏度反映沥青的黏性。目前主要采用的条件黏度有针入度和黏度两种。(1)针入度。针入度试验是国际上经常用来测定黏稠沥青稠度的一种方法。针入度是在规定温度条件下，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，以0.1mm为单位，如图7-4所示。通常采用的试验条件为：规定温度为25℃,标准针质量为100g,贯入时间为5s。针入度的表示符号为P₂5℃,100g.5s)沥青的针入度值越大，表示沥青的黏度越小。针入度是目前我国黏稠石油沥青的分级指标。(2)液体沥青的黏度。我国目前采用标准黏度计法测定液体沥青的黏度。液体状态的沥青材料在标准黏度计中，于规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50mL体积所需要的时间即为其黏度，以s为单位。试验温度和流孔直径应根据液体状态沥青的黏度选择，常用的流孔孔径有3mm、4mm、5mm、10mm等；规定的温度有25℃、60℃等。黏度的表示符号为Cr,a,其中T表示温度，d表示流孔孔径。在同流孔条件下，沥青流出时间越长，表示沥青黏度越大。2)延性沥青的延性是沥青材料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。沥青的延度是将沥青试样制成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，以cm为单位。沥青延度测定如图7-5所示。通常采用的试验温度为25℃、15℃、10℃或5℃,拉伸速度为(5±0.25)cm/min,低温采用(1±0.05)cm/min两种。延度的表示符号为DT,y,其中，D表示延度，T表示试验温度，v表示拉伸速度。沥青的延度与沥青的流变特性、胶体结构和化学组分等有着密切的关系。研究表明：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。3)温度敏感性(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黏滞流动状态，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。软化点的测定方法不同，数值大小亦不同。我国现行试验方法要求采用环球法测软化点，如图7-6所示。该法是将沥青试样注于规定内径的铜环中，环上置一质量为3.5g的钢球，在规定的加热速度(5℃/min)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，表示为TR&B。根据研究认为：针入度是在规定温度下测定沥青的条件黏度，而软化点则是沥青达到规定条件黏度时的温度。因此，软化点既是反映沥青材料温度稳定性的一项指标，又是沥青黏度的一种量度。(2)针入度指数沥青的针入度指数是评价沥青技术性质的一个重要指标，与沥青的温度和黏度有着密切的关系。针入度指数既可以反映沥青的感温性，又可以划分沥青的胶体结构。针入度指数(简称PI)是普费和范·杜尔马尔等提出的一种评价沥青感温性的指标。其研究观点为：沥青针入度值的对数(1gP)与温度(T)具有线性关系，表达式为：lgP=AT+k(7-2)式中：A为直线斜率，称为针入度-温度感应性系数，A=d(1gP)/dt,表示沥青针入度随温度的变化率；k为截距(常数)。根据已知的针入度指数P(25℃,100g,5s)(0.1mm)和软化点TR&B(℃),并假设软化点时的针入度值为800(0.1mm),可绘出针入度-温度感应性系数(图7-7),并建立针入度-温度感应性系数A的基本公式：式中：lgP(25℃,100g,5s)为在(25℃,100g,5s)条件下测定的针入度值的对数；TR&B为环球法测定的软化点(℃)。按式(7-3)计算得到的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，即针入度指数PI值可以采用公式法计算，也可以采用诺模图法获得。沥青针入度指数PI诺模图如图7-8所示，该图同时还可以确定沥青的当量软化点T₈o₀[采用针入度为800(0.1mm)时的温度作为当量软化点]和当量脆点T¹.2[采用针入度为1.2(0.1mm)时的温度作为当量脆点，代替弗拉斯脆点温度]。将3个或3个以上不同温度(一般取15℃、25℃、30℃或5℃)条件下测试的针入度值绘于图7-8中，按最小二乘法法则绘制回归直线，将直线向两端延长，分别与针入度为800及1.2的水平线相交，交点的温度即为当量软化点T₈00和当量脆点T¹.2。以图中O点为原点，绘制回归直线的平行线，与PI线相交，读取交点处的PI值即为该沥青的针入度指数。针入度指数越大，表示沥青对温度的敏感性越低。沥青的针入度指数还可以用来划分沥青的胶体结构：凡PI<-2者，属溶胶型沥青；PI=-2~+2者，属溶-凝胶型沥青；PI>+2者，则属凝胶型沥青。以上所论及的针入度、延度和软化点是评价黏稠石油沥青技术性质量常用的经验指标，所以统称为沥青的三大指标(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，我国目前主要采用弗拉斯脆点作为条件脆性指标。弗拉斯脆点试验原理是：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。目前，世界各国采用的沥青材料低温性能指标并未统一，我国目前虽然采用弗拉斯脆点指标表征沥青的低温性能，但实践表明，脆点与沥青(特别是含蜡沥青)的低温抗裂性还未能获得理想的相关性。4)耐久性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，这些因素都会对沥青的耐久性能产生很大的影响。因此，用于工程建筑的沥青应具备很好的耐久性，才能保证具有很长的耐用周期。沥青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，这种变化过程称为老化。我国目前主要通过蒸发损失试验和薄膜加热试验评价沥青的老化性能，即沥青试样在160℃条件下，加热蒸发5h,采用蒸发损失率、蒸发后针入度比和延度作为评价指标。沥青的蒸发损失率和蒸发后针入度比可以分别按以下两式计算：5)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，当遇到火焰时会发生闪火，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。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(简称COC法)测定。6)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、黏附性等。溶解度是指沥青在有机溶剂(三氯乙烯、四氯化碳、苯等)中可溶物的百分含量，可以反映沥青中起黏结作用的有效成分的含量。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，因此，在道路石油沥青的技术要求中对含蜡量作出了明确规定。当沥青用于路面工程建设时，对沥青与集料的黏附性还要提出一定的要求。因为黏附性的大小直接影响到沥青路面的使用质量和耐久性，因此，黏附性是评价沥青技术性能的一项重要指标。沥青裹覆集料后的抗水性不仅与沥青的性质有关，而且与集料的性质也有密切的关系。研究表明，沥青与碱性石料的黏附性比与酸性石料的黏附性强，沥青混合料在选择石料时，应优先考虑碱性石料。石油沥青的技术标准1.沥青分级方法沥青作为重要的建筑材料，在不同地区和工程中的使用需求各异，因此需根据特定技术指标对其进行分级以形成不同标号。沥青的分级方法经历了多个阶段的演变，主要包括针入度分级、黏度分级和基于性能的分级三种主要方式。1)针入度分级：-起源：该分级方法最早由美国公路局于1918年提出，以沥青在25℃下的针入度作为划分依据。-原理：通过测量沥青在特定温度（通常为25℃）和载荷下，标准针在一定时间内垂直贯入沥青试样的深度（针入度）来划分沥青的标号。-应用：中国的道路沥青主要采用此分级方法，如《重交通道路石油沥青》(GB/T15180)标准，将沥青分为六个标号，以针入度中值命名（如AH-50代表针入度为40～60(0.1mm)的沥青）。2)黏度分级：-发展：20世纪70年代，美国开始采用以沥青在60℃下的黏度作为分级标准的新方法。-原理：基于沥青在高温下的黏度与其在高温路面上抗车辙能力的良好相关性，通过测量沥青在60℃时的黏度来划分沥青标号，以更好地反映沥青的高温性能。-应用：如美国ASTMD3381标准中采用了60℃黏度分级体系。3)基于性能的分级：-提出：20世纪90年代，随着美国公路战略研究计划(SHRP)的实施，基于性能的分级方法被提出并广泛应用。-原理：该方法不再单纯依赖某一物理指标（如针入度或黏度），而是根据沥青在实际使用环境下应具备的性能特征（如高温抗车辙性、低温抗裂性等）进行分级。-应用：分级标准以字母“PG”开头，后跟表示沥青所能适应的最高和最低温度区间的数值（如PG76-22，表示沥青的高温性能指标最低试验温度不低于76℃，低温性能指标要求的试验温度不高于-22℃）。这种分级方法更加全面和准确地反映了沥青在不同气候条件下的使用性能。我国道路石油沥青的技术标准《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40)中修订了沥青等级划分方法，并增补了沥青的技术指标，以全面、充分地反映沥青技术性能。在这个标准中，沥青等级划分以沥青路面的气候条件为依据，在同一个气候分区内根据道路等级和交通特点再将沥青分为1～3个不同的针入度等级；在技术指标中增加了反映沥青感温性的指标针入度指数PI、沥青高温性能指标60℃动力黏度，并选择10℃延度指标评价沥青的低温性能，相关的技术要求见表7-2。知识二改性沥改性沥青的定义及改性剂的种类改性沥青是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、天然沥青、磨细的橡胶粉或者其他材料等外掺剂(改性剂)制成的沥青结合料，从而使沥青或沥青混合料的性能得以改善。常用的改性剂主要为高聚物，如树脂类、橡胶类、热塑性弹性体类等，各类常用高聚物名称如表7-3所示沥青的改性方法1.改性沥青的相容性改性沥青的相容性是指沥青和改性剂在组成和性质上存在差别的组分，在一定的条件下能够相互兼容，形成热力学相对稳定的具有混溶性体系的能力。影响相容性的因素主要有：聚合物分子量、分子结构、分散度、溶解度参数。基质沥青与聚合物改性剂基本上遵循化学组成和结构相似相容的原则改性沥青的制备方法改性沥青是将改性剂采用一定的工艺加入沥青，使之均匀稳定地分散于沥青之中。1)母体法母体法的原理是先采用一种适当的方法，制备加工成高剂量聚合物改性沥青母体，再在现场把改性沥青母体与基质沥青掺配调稀成要求剂量的改性沥青使用，所以又称为二次掺配法。母体法可以采用溶剂法和混炼法制备改性沥青母体。2)直接投入法直接投入法是直接将改性剂投入沥青混合料拌和锅与矿料、沥青拌和制作改性沥青混合料的工艺。SBR聚合物改性沥青常采用此方法制作，所需的设备非常简单，施工成本很低。室内试验结果表明，采用直接投入法拌和的改性效果要比预混法稍差些。因此，即使是使用SBR胶乳，现在也有采用预混法施工的。3)机械搅拌法机械搅拌法是直接将改性剂加入热沥青中，在机械产生的剪切、对流和势能的综合作用下，使改性剂均匀地分散于沥青当中。4)胶体磨法和高速剪切法胶体磨法与剪切法是现在改性沥青的两种主要加工方式，是将聚合物与沥青一同加入间隙可以精密调节的胶体磨中混磨，从而形成均匀精细分布的改性沥青。剪切法设备一般是由转子和定子构成，转子和定子之间的间隙很小，转子高速转动，沥青和改性剂通过间隙，受到机械研磨、剪切、冲击等作用，使改性剂变得越来越细，从而支撑改性沥青。对于不宜采用螺旋搅拌法生产改性沥青的聚合物，需要采用胶体磨或高速剪切设备，在高温高速运转状态下将聚合物研磨成很细的颗粒以增加沥青与聚合物的接触面积，使改性剂充分分散到基质沥青中，一般需要经过聚合物的溶胀、分散磨细、继续发育三个过程。5)废橡粉改性沥青的生产废橡胶粉改性沥青的生产方式分为两大类：(1)湿法。该法是将废橡胶粉先在160～180℃的热沥青中拌和2h,制成改性沥青悬浮液，得到的混合物称为沥青橡胶然后拌入混合料中。湿法橡胶粉改性沥青常用于填缝料、封层(应力吸收膜),也可用于热拌沥青混合料。(2)干法。该法是将废橡胶粉直接喷入拌和锅中拌和废橡胶粉改性沥青混合料的方法(剂量为混合料的2%～3%),得到的混合料称为橡胶改性混合料。干法仅适合用于热拌沥青混合料。改性沥青的技术性质及评价指标现行评价改性沥青性能的方法有三大类。(1)采用沥青性能指标的变化程度来衡量，如针入度、软化点、延度、黏度、脆点的变化程度。变化值越大，改性效果越好。这是目前生产上最常用的方法。(2)针对改性沥青的特点开发的试验方法，如弹性恢复试验、测力延度试验、黏韧性试验、冲击板试验、离析试验等。(3)美国的SHRP沥青胶结料评价方法：由于改性沥青具有不同的技术特点，除沥青常规试验针入度、软化点、延度、黏度等指标外，还采用了几项与评价沥青性能不同的技术指标，如聚合物改性沥青弹性恢复、离析、黏韧性及测力延度等。①弹性恢复(回弹)弹性恢复试验采用一般的沥青延度试验设备，首先按规定浇注沥青试样，冷却后放在15℃的水中保温1h,接着脱模并在延度仪上进行拉伸，拉伸温度为15℃,拉伸速率为5cm/min。当拉伸到10cm时，停止拉伸并从中间剪断试样，在水中原封不动地保持1h后，把剪断的试样两头对接起来并测量其恢复后的长度。按式(7-5)计算其弹性恢复率：式中：X——恢复后的试样长度(cm)。弹性恢复率越大，表明沥青的弹性性质越好。2)黏韧性沥青材料在低温下表现为良好的柔韧性还是脆硬性，是评价改性沥青性能优劣的重要指标。(1)测力延度。在延度试验时加装一只测力传感器并接上记录仪即可进行测力延度试验。试验温度通常为5℃,拉伸速度为5cm/min。试验结果由X-Y函数记录仪记录，记录得到拉力-变形(延度)曲线。结合测力延度的拉力-变形曲线的形态，考虑选用单位峰值力所产生的变形，即沥青D/Fmax定义为延度拉伸柔量，它反映了变形和应力两个参数。D/Fmax越大，表示柔度越大，沥青的抗变形能力越好。(2)拉拔试验。将金属半球埋在沥青中，在25℃条件下以500mm/min高速拉拔，测定沥青与金属半球的黏韧性及韧性。3)储存稳定性沥青热储存稳定性主要通过离析试验和热储存性试验进行评价。对于SBR、SBS类改性沥青，离析时表现为聚合物上浮，则采用离析试验来反映聚合物改性沥青中改性剂与沥青的离析程度。对于EVA和PE等聚合物改性沥青，离析时表现为向四面的容器壁吸附，表面结皮，通常采用观察法来定性描述这类聚合物和沥青之间的热储存性。4)耐久性指标(1)残留针入度比。残留针入度比反映了沥青在薄膜加热试验前后稠度的变化，采用老化后针入度与老化前针入度的比值表示。为了与原样沥青进行比较，可选用温度为25℃、针重为100g、时间为5s的试验标准，以其残留针入度比作为评价沥青抗老化性能的一个指标。残留针入度比越大，说明沥青的抗老化性能越好。(2)低温残留延度。选用温度为10℃、拉伸速率为5cm/min的延度值作为评价沥青抗老化性能的一个指标。(3)残留弹性恢复。残留弹性恢复试验是用于测定和评价改性沥青老化后即薄膜加热试验后，在外力的作用下变形后可恢复变形的能力。5)美国SHAP改性沥青评价方法美国SHAP改性沥青评价方法有：旋转薄膜烘箱(RTFOT)、压力老化试验(PAV)、弯曲梁流变试验(BBR)、直接拉伸试验(DTT)、动态剪切流变试验(DSR)等。改性沥青的技术标准我国聚合物改性沥青性能评价方法增加了一些评价聚合物性能指标，如弹性恢复、黏韧性和离析(软化点差)等技术指标，见表7-4首先根据聚合物类型将改性沥青分为I、Ⅱ、Ⅲ,按照软化点的不同，将聚合物改性沥青分为A、B、C和D四个等级。同一类型中的A、B、C或D主要反映基质沥青标号及改性剂含量的不同，由A至D表示改性沥青针入度减小，黏度增加，即高温性能提高，但低温性能下降。等级划分以改性沥青的针入度作为主要依据。乳化沥青是由四种主要材料组成的混合物，这些材料在乳化过程中各自发挥着关键作用，共同决定了乳化沥青的性能和适用性。以下是各组成材料的简要概述：1.沥青：-沥青是乳化沥青中的核心成分，占比约为55%至70%（质量百分数）。-适用于乳化的沥青标号广泛，但道路工程中常采用的沥青针入度范围在100～200之间。-沥青的原油基属、化学组成和结构对其乳化过程的难易程度和乳化后产品的稳定性有重要影响。活性组分高的沥青较易乳化，而含蜡量高的沥青则较难乳化且稳定性较差。-沥青的选择需根据乳化沥青在路面工程中的具体用途来确定。2.水：-水是乳化沥青中的第二大组分，对乳化沥青的形成有直接影响。-水的性质如硬度、pH值及钙镁离子含量需控制在一定范围内，以确保乳化效果。通常要求1L水中氧化钙含量不超过80mg，且水中不应含有其他杂质。3.乳化剂：-乳化剂是乳化沥青形成的关键材料，虽然含量较低（仅为乳化沥青质量的千分之几），但作用至关重要。-乳化剂主要为表面活性物质（表面活性剂），包括天然产物和人工合成制品，目前主要采用人工合成制品。-表面活性剂分子具有化学结构的不对称性，由亲水性的极性部分（如—OH、—COOH等）和憎水性的非极性部分（如C₁₂—C₁₆烷基链）组成。这种结构使得乳化剂能够同时与水和沥青相互作用，形成稳定的乳化液。-乳化剂的分类主要基于其亲水基团的结构差异。4.稳定剂（虽在问题中未直接提及，但通常在乳化沥青配方中也会考虑）：-稳定剂用于提高乳化沥青在储存和使用过程中的稳定性，防止其分层或破乳。-不同类型的稳定剂可通过物理或化学作用增强乳化沥青体系的稳定性，具体选择取决于乳化沥青的配方和使用要求。知识三乳化沥青乳化剂根据亲水基的结构来划分有以下几类。1)按离子类型分类乳化剂按其能否在水中解离生成离子而分为离子型乳化剂和非离子型乳化剂两大类。离子型乳化剂按其解离后亲水端所带的电荷的不同而分为阴离子型、阳离子型和两性离子型乳化剂等三类。2)按乳化能力HLB值大小分类HLB值(即亲水亲油的平衡值)用来表示乳化剂亲油亲水能力的相对大小。HLB值越小越亲油，HLB值越大越亲水。通常以石蜡的HLB为0,油酸钾为20,烷基硫酸钠为40作为标准。非离子型表面活性剂的HLB处于1~20之间，阴离子和阳离子表面活性剂的HLB在1~40之间。HLB值在4～6为油包水型乳化剂，即亲油基的基数大，亲水基的基数小；HLB值在8~18为水包油型乳化剂，即亲水基的基数大，亲油基的基数小。道路工程中所用的沥青乳化液大部分为水包油型乳液。3)按破乳速度分类按沥青乳化液与矿料接触后分解破乳恢复沥青的速度，沥青乳化剂可分为快裂型、中裂型、慢裂型三种。4.稳定剂为了改善沥青乳液的均匀性，减缓颗粒之间的凝聚速度，提高乳液的稳定性，增强与石料的黏附能力，常在乳液中加入一定的稳定剂。掺加稳定剂还可能降低乳化剂的使用剂量。稳定剂有无机盐类和高分子化合物两类。稳定剂对乳化剂的协同作用需通过试验来确定。有些稳定剂可在生产乳液时同时加入乳化剂溶液中，而有些稳定剂需后加入乳液中。乳化沥青的形成及分裂机理1.乳化沥青的形成机理1)乳化剂降低界面能作用乳化剂带有亲油基与亲水基，在沥青-水的体系中，亲油基端朝向沥青，亲水基端朝向水，吸附于沥青和水这两个相互排斥的界面上，从而降低了沥青-水的界面张力，使沥青-水体系形成稳定的分散系。2)界面膜的保护作用乳化剂在沥青微滴的周围形成“界面膜”,此膜具有一定的强度，对沥青微滴起着保护作用，使其在相互碰撞时，不至于产生“聚结”现象，从而保证沥青-水体系的稳定性。3)界面双电层的稳定作用沥青-水界面上的电荷层的结构，一般是双电层分布，第一层称为吸附层，基本上固定在界面上，这层电荷与沥青微滴的电荷相反；第二层称为扩散层，由吸附层向外，电荷向水介质中扩散，如图7-9所示。双电层厚度越大，则乳化沥青越稳定。乳化沥青能形成高稳定的分散体系，主要是由于乳化剂降低了体系的界面能、界面膜的形成和界面电荷的作用。乳化沥青的分裂机理为发挥乳化沥青黏结的功能，沥青液滴必须从乳化液中分裂出来，聚集在集料的表面而形成连续的沥青薄膜，这一过程称为“分裂”。乳化沥青的分裂主要取决于水的蒸发作用、集料的吸附作用、电荷的吸附作用、酸碱中和作用、机械的激波作用等。1)水的蒸发由于路面施工环境气温、相对湿度和风速等因素的影响，乳液中的水分蒸发，破坏乳液的稳定性造成分裂、破乳。2)集料的吸附作用由于多孔、粗糙、干燥的集料易吸收乳液水分，破坏乳液的平衡，加速破乳。3)电荷的吸附作用沥青乳液与集料接触后，乳液中沥青微粒所带电荷与集料表面所带电荷的相互吸附作用，是乳液破乳的主要原因。阴离子沥青乳液与表面上带正电荷的碱性集料(如石灰石、白云石)之间有较好的吸附作用，阳离子沥青乳液与表面上带负电荷的酸性石料(如硅质岩石、花岗岩等)之间也有较好的吸附作用。在潮湿状态下，集料表面普遍带负电荷，因此阳离子沥青乳液易与潮湿集料结合。4)酸碱中和作用研究认为，阳离子沥青乳液有一定的游离酸，pH值小，游离酸与碱性集料起作用，生成了氯化钙和带负电荷的碳酸离子，它与裹覆在沥青微粒周围的阳离子中和，因此沥青微粒能与集料表面紧密相连，形成牢固的沥青膜，使乳液中的水分很快分离出来。5)机械的激波作用在施工过程中压路机的碾压和开放交通后汽车的行驶，各种机械力对路面的振动而产生激波作用，也能促使乳化沥青稳定性的破坏和沥青薄膜结构的形成乳化沥青的技术要求表7-5为我国道路用乳化石油沥青的质量要求。树脂树脂通常是指受热后有软化或熔融范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的有机聚合物。树脂按性质可分为热固性树脂和热塑性树脂。环氧树脂(EP)作为一种传统的热固性树脂，具有优异的黏结性、耐磨性、电绝缘性、化学稳定性、耐高低温性和机械性能等优点，广泛应用于电子仪表、建筑、机械、航天航空、涂料、电气绝缘材料及先进复合材料等领域。知识四其他有机胶凝材环氧树脂的定义环氧树脂是指在一个分子结构中，含有两个或两个以上的环氧基，并在适当的化学试剂及合适条件下，能形成三维交联状固化化合物的总称。它们的种类很多，其分子量属于低聚物(或齐聚物),有时为区别于固化后的环氧树脂，亦可将它们称为环氧树脂低聚物。它是一种从液态到黏稠态、固态多种形态的物质。未经固化的环氧树脂是热塑性的高分子低聚物，它几乎没有多大实用性，只有适当加入某些化学物质(这类物质叫作固化剂或硬化剂),并在一定条件下进行固化，生成三维网状结构，成不熔的固化物后，方才有较优良的机械及黏结性能，达到使用的目的。环氧树脂及其固化物的特点(1)形式多样。选用不同类型的环氧树脂、固化剂或改性剂体系，几乎可以适合各种场合的要求。(2)固化体系范