道路建筑材料-第四章--沥青材料

1、第4章 沥青材料,沥青的定义：,在高度缩合的环烷环、芳香环上带有长短不同的烷基侧链的碳氢化合物，及其非金属（O、S、N）衍生物组成的混合物，并含有微量元素 颜色：暗褐色或黑色 形态：常温下为固体或半固体,沥青的分类：, 地沥青 天然沥青：湖沥青、岩石沥青、海底沥青 石油沥青：用石油经开采、精炼加工而得到的 焦油沥青 煤沥青 木沥青,天然沥青,天然沥青是石油在自然条件下，经过千百万年的时间，在温度、压力、气体、无机物催化剂、微生物以及水分等综合作用下氧化聚合而成的沥青类物质。 由于它常年与自然环境共存，故其性质特别稳定。 由沥青、矿物质、水分构成。 根据天然沥青生成矿床的不同，可以分为： 湖沥青

2、 岩沥青 海底沥青,（1）湖沥青,特立尼达湖沥青（Triniada Lake Asphalt）是世界上最为著名的天然沥青之一，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,（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。,我国道路沥青生产量,道路

3、沥青产量，万顿,4. 沥青材料,主要内容 石油沥青的组成与性能的关系 沥青的技术性质和技术指标 改性沥青与乳化沥青,4.1 石油沥青,4.1.1 石油沥青的生产工艺简介4.1.1.1石油的基属分类 分类指标：“关键馏分特性”和“含硫量”。 1) 关键馏分特性分类 关键馏分： “第一关键馏分”：常压下，250275C的馏分 “第二关键馏分”：减压下（5.33kPa） ， 275300C的馏分,基属分类：由两个关键馏分的特征参数和K确定,2) 含硫量的分类 低硫原油：含硫量0.5%； 含硫原油：0.53%； 高硫原油：含硫量3%。 3）石油基属与沥青路用性能的关系 按照路用性能优排队：环烷基中间基

4、石蜡基,4.1.1.2 石油沥青生产工艺概述,原油常压渣油减压渣油粘稠沥青,直馏沥青：较好的变形能力，温度敏感性较大 氧化沥青：较好的温度稳定性 溶剂沥青：丙烷 液体沥青：在粘稠沥青中掺加煤油、汽油、柴油 调配沥青：调和沥青、混合沥青 乳化沥青：水乳化剂沥青,4.1.2 石油沥青的化学组成和结构,4.1.2.1 石油沥青的化学元素组成 主要化学元素： 碳C 氢 H 硫S 氧O 氮N 8288% ； 811%； 06%； 01.5%； 01% 微量金属元素：钒、镍、铁、镁和钙 碳氢比：C/H 大庆石油沥青：C/H=0.657 某环烷基石油沥青：C/H=0.710,4.1.2.2 石油沥青的化学组

5、分,化学组分：化学性质、物理性质、路用性能 三组分多组分,四组分： 饱和分S 芳香分A 胶质R 沥青质At,表4-1 沥青四组分对沥青性能的影响,蜡分：高温软化、低温结晶析出,4.1.2.3 沥青的胶体结构,胶体：分散相At吸附R胶团 分散介质S、A 1) 溶胶型结构 At的分子量低、数量少 直馏沥青、液体沥青 特点：高温粘度较低,2) 凝胶型结构 At分子量大、数量多氧化沥青、老化沥青 特点：变形能力差，脆性,3) 溶凝胶型结构,溶-凝胶结构：适中（理想结构）。,石油沥青的基本性能,4.1.3 石油沥青的技术性质,4.1.3.1物理性质 1）密度：d25或d15 d沥青质d胶质d芳香分d饱和

6、分 2）体膨胀系数A： A=（DT2-DT1）/DT1（T1-T2） 3）介电常数,4.1.3 石油沥青的技术性质,粘滞性 延性和脆性 感温性 粘弹性 粘附性 耐久性,4.1.3.2 粘滞性,1）沥青的粘度 图4- 5牛顿液体 牛顿液体粘度 （单位：Pas） 图4- 6 与应变速率 非牛顿液体视粘度或表观粘度 C复合流动系数 动力粘度和运动粘度,F,dV,dy,牛顿液体受力示意图,粘滞系数（粘度）,u,应力与剪应变速率的关系示意图,c沥青的复合流动系数,2）沥青粘度测定方法, 绝对粘度测定方法 A 毛细管法 B 真空毛细管法 C 旋转粘度、滑板粘度 D 布洛克菲尔德法,在严格控制温度和真空度的

7、条件下，测定一定体积沥青被吸过毛细管所需要的时间,真空毛细管粘度仪试验示意图,14,u,Concentric Cylinder,Concentric Cylinder,Rheometers,旋转粘度计：测定沥青施工温度区的粘度,双筒旋转粘度计CCR,旋转粘度试验示意图,滑板粘度试验示意图, 条件粘度测定方法, 标准粘度计法CT,d 单位 s 针入度法PT,m,t 单位0.1mm 软化点TR&B 单位 （表征沥青热稳定性） 针入度是等温粘度 软化点是等粘温度,标准粘度计测定液体沥青示意图,规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50mL体积所需时间，以s为单位。 如：C25，5=100 表示：

8、试验温度25， 流孔直径5mm， 时间100s。,针入度法测定粘稠沥青针入度示意图,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0.1mm为单位 如：P25,100,5=60 表示：试验温度25 荷载质量100g 历时5s 贯入沥青深度6mm,粘度变化,软化点测试示意图,固态 液态 硬化点 滴落点,T R&B(),条件粘度,粘度变化,4.1.3.3延性和脆性,1)延度D单位cm，反映沥青的塑性 2) 脆点TFrass 单位，反映沥青低温变形能力 沥青的三态：流动橡胶玻璃 软化点 脆点 3)弯曲梁流变试验BBR 4)直接拉伸试验DTT,在规定的温度条件下，按规定的速率拉

9、伸沥青试件至断裂时的长度，单位cm。,沥青延度测试示意图,沥青脆点仪和弯曲器,在规定的速率下降温，等速弯曲11次/min，记录沥青薄膜的开裂温度，单位。,4.1.3.4 沥青的感温性,沥青的粘度等性能随温度的不同而产生明显的变化的特性,针入度温度关系,logP=AT+K,A针入度温度感应性系数,A值的确定方法,温度T,lgP,25,P25,TR&B,PR&B,6001000, 数组（Pi,Ti）进行回归,2）针入度指数PI的确定,令：感温性最大A=，PI值为-10 感温性最小A=0，PI值为+20,logP=AT+K,PI与沥青感温性的关系, 针入度-温度指数（PTI）, 针入度-温度指数是根

10、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。 计算方法 计算A值PTI,计算出来的PTI值越小表示沥青的感温性越小，即温度稳定性好。,（4）针入度-粘度指数法（PVN）,针入度指数值（PI）通常仅能表征低于软化点温度的沥青感温性，沥青在道路使用过程中或在施工过程时，还需要了解高于软化点温度时的沥青感温性。 a 已知25 时针入度值P（1/10mm）和135 时的运动粘度值v（cm2/s）时 b 已知25 时针入度值P（1/10mm）和135 时的运动粘度值v（cm2/s）时,针入度-粘度指数越大，表示沥青的感温性越低。,3）当量软化点（T800）和当量脆点值（T1.2）,由logP=A

11、T+K： P800 P1.2 4）针入度指数与胶体结构的关系 PI+2 凝胶型沥青 PI=-2+2 溶凝胶型沥青,感温性： 沥青的粘度随温度的不同而产生明显的变化的特性 感温性评价指标： 针入度指数（PI） 针入度-温度指数（PTI） 针入度-粘度指数（PVN）,4.1.3.5 沥青的粘弹性,1）沥青材料的粘-弹性现象 蠕变在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加 应力松弛在保持应变不变的情况下，应力随时间增加逐渐衰减,沥青材料的粘弹性现象,蠕变与应力松弛现象,蠕变在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加的现象,应力松弛在保持应变不变的情况下，应力随时间的增加而逐渐减弱（衰减）的现象,

12、4.1.3.5 沥青的粘弹性,2）沥青的劲度模量 定义： S=( / ) t, T 确定方法： 滑板粘度试验 沥青劲度模量诺模图： 荷载作用时间 路面温度差: Tp-TR&B 沥青的PI,由针入度指数预测沥青劲度,时间 t,变形 ,温度T1,温度T2,弹性,粘性,沥青材料的粘弹性现象,4.1.3.6 沥青的粘附性 反映沥青与集料的粘结能力,影响因素： 集料的亲水性： SiO2 : 0% 52% 65% 碱性集料 中性集料 酸性集料 沥青的粘度与极性 沥青混合料的空隙率 评价方法： 水煮法和水浸法 光电分光光度法,沥青路面坑洞,沥青路面坑洞,沥青路面坑洞,损坏机理分析 环境与路面因素,动水压力导

13、致雨水进入路面，并积聚于层底； 重复荷载导致沥青-集料剥离,水煮法试样,水煮法试样,水煮法试样,4.1.3.7 沥青的耐久性沥青的“老化”,现象：沥青性质随着时间推移而发生变化 变脆变硬老化 针入度下降、粘度增加、软化点增加、沥青 诱因：热 氧气 光（紫外线） 过程：贮存运输 加热拌和 使用,4.1.3.7 沥青的耐久性沥青的“老化”,老化机理：轻质组分挥发 氧化、组分转化,老化前,老化后,饱和分S,芳香分A,胶质S,沥青质At,胶质沥青质 芳香分胶质,老化性能评价方法： 蒸发损失试验 薄膜加热试验TFOT 旋转薄膜烘箱试验RTFOT PAV压力老化试验 评价指标：质量损失 针入度比 延度 4

14、.1.3.8 安全性闪点和燃点 4.1.3.9 有效成分溶解度,4.1.3.7 沥青的耐久性沥青的“老化”,图4-17沥青薄膜加热烘箱示意图,试件：50g沥青试样 试验条件：163，5h 试验指标：质量损失 针入度比 延度,膜厚度3mm,针入度皿21mm,图4-18沥青旋转薄膜加热烘箱示意图,试件：35g沥青试样， 试验条件：163，75min,PAV压力老化试验仪,试件：RTFOT后的薄膜试样 试验条件：90110，20h，2.07MPa,沥青闪点仪示意图,4.1.4 石油沥青的技术标准,道路沥青的产品主要分级方法 针入度分级 粘度分级 PG性能分级, 针入度分级P 按所测得的沥青25针入度

15、所处水平来划分沥青牌号 粘度分级A 按所测得沥青60粘度所处水平划分来沥青牌号 AC按新鲜沥青60粘度分级 AR按 TFOT或RTFOT试验后残余物60粘度分级 性能分级PG 按沥青所能够适应的最高和最低环境温度来划分沥青牌号,道路沥青的产品主要分级方法, 针入度分级P 按所测得的沥青25针入度所处水平划分沥青牌号 粘度分级A 按真空毛细管法所测得沥青60粘度所处水平划分沥青牌号 按新鲜沥青60粘度分级(AC)； 按薄膜烘箱(TFOT)或旋转薄膜烘箱(RTFOT)试验后残余 物60粘度分级(AR)两种分级体系 性能分级PG 按沥青所能够适应的最高和最低环境温度来划分沥青牌号,道路沥青的产品主要

16、分级方法,我国石油沥青的技术标准,重交通道路石油沥青质量要求 按P25分级：AH-50、AH-70、AH-90、AH-110 AH-130 4060 6080 8090 90110 110130 其它指标：软化点、延度(15C)、含蜡量、溶解度 薄膜烘箱(残留物质量损失、针入度比、延度),中、轻交通道路石油沥青质量要求 按P25 分级:A-60甲/A-60乙/A-100甲/100-乙/A-140/A-180/A-200 其它指标：软化点、延度(25C) 、溶解度、闪点 蒸发试验（质量损失、针入度比）等,针入度分级：按沥青25针入度所处水平划分沥青牌号, 按照针入度指标进行沥青分级7个标号,20

17、04年沥青路面施工技术规范（JTG F30-2004）对道路石油沥青的质量要求,针入度分级：按沥青25针入度所处水平划分沥青牌号, 按照技术性能进行沥青分类：A、B、C 针入度指数PI 软化点、60粘度、延度（10、15） TFOT或RTFOT 蜡含量、闪点、溶解度, 合并了2个技术要求，按照性能分为A、B和C回放 沥青质量要求充分考虑气候条件，增加了气候分区 高温指标：1. 夏炎热区、2. 夏热区、3. 夏凉区 低温指标：1. 冬严寒区、2. 冬寒区、3. 冬冷区、4. 冬温区 雨量指标：1. 潮湿区、2. 湿润区、3. 半干区、4. 干旱区 如：1-1-4为夏炎热冬寒冷干旱区 增加了沥青感

18、温性指标针入度指数PI 适当提高软化点要求，对A级沥青增加了60动力粘度 延度温度修订：增加了10延度 含蜡量,2004年沥青路面施工技术规范主要修订内容,针入度分级：按沥青25针入度所处水平划分沥青牌号,一、煤沥青,煤沥青是烟煤炼焦或制煤气时，从干馏所挥发的物质中冷凝出煤焦油，将焦油再继续蒸馏得轻油、中油及重油后所剩的残渣，即是煤沥青。 根据干馏温度的不同，分为：高温煤焦油路用煤焦油，及低温煤焦油两类。,1.煤沥青的化学组成和结构特点 1）化学组成 游离碳（自由碳）：增加沥青的黏滞性、提高热稳定性 树脂：硬树脂：黏滞性 软树脂：塑性 油分：流动性,4.2 其他沥青,2）煤沥青的结构胶体分散系

19、,此外，煤沥青中还含有少量碱性物质（吡啶、喹啉等）和酸性物质（酚），酚有毒且能溶于水。 煤沥青中的酸性物质都属表面活性物质，其含量高于石油沥青。所以煤沥青表面活性比石油沥青高，与石料黏结力好。,2.煤沥青的技术性质和技术标准 1）煤沥青的技术性质 与石油沥青的差异： 煤沥青含有较多不饱和的碳氢化合物，化学稳定性差，所以大气稳定性差。 煤沥青含有较多的游离碳，塑性较差，使用时易因受力变形而开裂。,可溶性树脂含量多，受热易软化，所以温度稳定性差。 煤沥青所含的酸、碱性物质都是表面活性物质，与矿料的粘结力较强。 煤沥青含有酚、蒽油等有毒物质，防腐性能好。 煤沥青的密度比石油沥青大。,由于煤沥青的主要

20、技术性质比石油沥青差，但煤沥青与矿料的黏结性好，适量掺入石油沥青中，可增强石油沥青的黏结力，但不应随意混合，否则产生沉渣、变质等现象，黏结性急剧下降甚至完全失去粘结力。,2）煤沥青的技术指标 黏度：用标准黏度计测量。与液体沥青一样。 蒸馏试验馏分含量及残渣性质：测定试样受热时，在规定温度范围内蒸出的馏分含量，及蒸馏后残留物的含量。 馏分含量的限制控制了煤沥青由于蒸发而老化的安全性； 残渣性质试验保证了煤沥青残渣具有适宜的黏结性。 煤沥青焦油酸含量：导致路面强度降低，且有毒，在沥青中的含量必须加以限制。 含萘量：萘是有害物且易升华，有毒，能加速老化，萘易使沥青失去塑性。含量越低 越好。 甲苯不溶

21、物：沥青中不溶于甲苯的物质。 水分：过量的水分造成沥青损失，易引起火灾。,3.煤沥青与石油沥青的鉴别（见后页表）,石油沥青和煤沥青的简易鉴别方法,二、乳化沥青,1.概述 1）定义：石油沥青与水在乳化剂、稳定剂等的作用下，经乳化 加工制的的均匀沥青产品，在常温下具有较好的流动性。 2）优点： 冷态施工，操作方便，节约能源 可在潮湿地基上施工（与湿集料拌和，具有足够的黏结力） 无毒、无臭、施工安全，环保、污染少,3）缺点： 稳定性差，贮存期不超过半年（贮存期长易产生分层） 修筑路面成型期长,2.组成材料,乳化沥青 = 沥青 + 乳化剂 + 稳定剂 + 水,1）沥青 （主要组成材料，占55-70）,

22、2）乳化剂（关键材料） 沥青乳化剂是表面活性剂的一种类型，分子结构中的亲水 基团和亲油基团能使互不相容的沥青与水连接起来。 分类 按亲水基在水中是否电离分：离子型和非离子型乳化剂； 离子型乳化剂又分为：阴离子型、阳离子型和两性离子型乳化剂。,3）稳定剂 作用：为了储存或施工时增加沥青的稳定性 分类：有机稳定剂和无机稳定剂 用量：为沥青乳液的0.1 -0.15 4）水 作用：起润湿、溶解及化学反应的作用。 (2)要求：不含杂质，对硬度也有要求，不能含钙离子过多 (3)用量：30 -70,3.乳化沥青的形成机理,1）乳化剂降低界面能的作用 2）增强界面膜的保护作用 3）界面电荷稳定作用,乳化剂在沥

23、青微滴表面形成界面膜,4.乳化沥青技术性质和技术要求,沥青能均匀稳定地分散在乳化剂水溶液中，主要原因有：,4.乳化沥青的制备,1）乳化剂、稳定剂的品种和剂量的确定 2）乳化工艺的确定 （1）乳化工艺流程的确定,（2）乳化设备的确定 目前我国常用的乳化剂包括以下三类： 胶体磨类乳化剂 齿轮泵型均化器 搅拌器 3）温度的控制 4）流量的控制 5）乳液的储存和外运,5.乳化沥青的分裂机理,1）分裂：从乳液中分裂出来的沥青微滴在集料表面凝结成 一层连续的沥青薄膜 。 2）乳液分裂的外观特征：沥青由棕褐色变成黑色 3）分裂原因： 乳液与集料表面的吸附作用 阳离子乳液具有高振动性能 水分的蒸发作用或被石料

24、吸收 施工中拌合、碾压等机械作用的影响,6.乳化沥青的应用,1）洒布法：如透层、粘层、表面处治或贯入式沥青碎石路面 2）拌和法：如沥青碎石或沥青混合料路面,三、再生沥青,沥青路面的再生利用是充分利用能源、节约造价、降低环境污染的一项技术。沥青再生技术是将已经老化的沥青，经掺加再生剂使其恢复至原来（或接近原来）性能。 1）沥青材料的老化 沥青路面在使用过程中，逐渐脆硬老化，其实质是沥青路面中的沥青混合料发生老化。 引起沥青组分发生变化的主要原因是氧化缩合作用。由于沥青路面中矿质集料对沥青中轻质组分的吸附，促使高分子化合物的增加，沥青中饱和分比较稳定，变化不大，而芳香烃分子量增大，向胶质转化，胶质向沥青质转化，沥青中的低分子聚合为更大的分子。沥青的老化可认为是沥青化学组分移行的结果。 由于沥青化学组分的移行，因而引起沥青物理化学性质的变化。通常规律是：针入度变小、延度降低、软化点和脆点升高。变现为沥青变硬、变脆、延伸性降低，导致路面产生裂缝、松散等破坏。,2）沥青的再生 沥青再生就是老化的逆过程，沥青再生的办法就是使已老化的沥青中沥青