建筑材料 第九章 木材.ppt

1、第九章 木材,木材用于建筑工程，已有悠久历史。木材作为建筑材料，具有许多优良性能，如轻质高强；有较高的弹性和韧性，耐冲击和振动；易于加工；长期保持干燥或长期置于水中，均有很高的耐久性，导热性低；大部分木材都具有美丽的纹理，装饰性好等。但木材也有缺点，如内部结构不均匀，导致各向异性；易随周围环境改变含水率，引起胀缩变形；易腐蚀及虫蛀；易燃烧；天然疵点多等。 木材是天然资源，树木的生长较慢，而现在建筑需木材量较大，应节约使用木材。,第一节 木材的构造,木材分针叶树材和阔叶树材两类。 针叶树树干通直而高大，易的大材，纹理平顺，材质均匀，木质较软，易于加工，故又称软木材。表观密度和缩胀变形较小，耐腐蚀

2、性强。为建筑工程中主要用材，广泛用于承重结构。常用树种有松、杉、柏等。 阔叶树树干通直部分较短，木质较硬，较难加工，故又称硬木材。表观密度和缩胀变形较大，易开裂，强度较高。建筑上常用作尺寸较小的构件。有些树种具有美丽的纹理，适于作内部装修、家具等。常用的树种有榆木、水曲柳、柞木等， 木材的结构决定着木材的性能。,第一节 木材的构造,一、木材的宏观构造 木材是由树皮、木质部和髓心等部分组成。木质部是建筑材料使用的主要部分，研究木材的构造主要是指木质部的构造。接近树干中心的部分呈深色，称心材，靠近外围的部分色较浅，称边材，一般说，心材比边材的利用价值大些（图9-1）。,第一节 木材的构造,从横切面

3、上看到深浅相间的同心圆环，即所谓的年轮。在同一年轮内，春天生长的木质，色较浅，质松软，称为春材（早材），夏秋两季生长的木质，色较深，质坚硬，称为夏材（晚材）。相同树种，年轮越密而均匀，材质越好，夏材部分越多，木材强度越高。 树干的中心称为髓心，其质松软，强度低，易腐蚀。从髓心相外的辐射线，称为髓线，它与周围相结差，干燥时易沿此开裂。,第一节 木材的构造,在显微镜下观察到木材是由无数管状细胞紧密结合而成，如图所示。,第一节 木材的构造,木材细胞因功能不同可分为管胞、导管、木纤维、髓线等多种。针叶树的显微结构简单而规则，主要是有管胞和髓线组成，其髓线较细小，不很明显。某些树种在管胞间尚有树脂道，如

4、松树。阔叶树的显微结构较复杂，主要是有导管、木纤维及髓线组成，其髓线较发达，粗大而明显。导管是壁薄而腔大的细胞，大的管孔肉眼可见。,第二节 木材的物理和力学性质,木材的主要物理力学性质包括：含水量、湿胀干缩、强度等，其中含水量对木材的物理力学性质影响很大。,第二节 木材的物理和力学性质,一、含水量 木材的含水量以含水率表示，即指木材中含水的重量占干燥木材重量的百分比。 木材中所含水分，可分为自由水和吸附水两种。自由水存在于细胞腔和细胞间隙中，吸附水是被吸附在细胞壁内的水分。自由水只与木材的容重、保存性、燃烧性、干燥性和渗透性有关，而吸附水是影响木材强度和缩胀的主要因素。 当木材中无自由水，仅细

5、胞壁内充满吸附水时，这时木材的含水率称为纤维饱和点。纤维饱和点随树种而异，通常介于2535%。纤维饱和点是木材物理力学性质发生变化的转折点。 木材的含水率与空气湿度平衡时的含水量称为平衡含水率。新伐木材的含水率常在35%以上，风干木材含水率为1525%，室内干燥的木材含水率为815%。,第二节 木材的物理和力学性质,二、湿胀干缩 当木材从潮湿状态下干燥至纤维饱和点时，自由水蒸发其尺寸保持不变，继续干燥，吸附水蒸发则引起体积收缩。反之，干燥木材吸湿时，体积膨胀直到纤维饱和点为止。木材干缩湿胀髓树种而差异，一般表观密度大的、夏材含量多的，胀缩就较大。 木材的湿胀干缩对木材的使用有严重影响，使结构发

6、生裂缝或凸起。为了避免这种情况，最基本的方法是预先将木材进行干燥，使木材的含水率与将作成构件使用时所处环境的湿度相适应。,第二节 木材的物理和力学性质,木材由于构造不同，使各方向胀缩也不一样，在同一木材中，这种变化沿弦向最大，径向次之，纤维方向最小。木材干燥时，弦向干缩为612%，径向干缩为36%，纤维方向0.10.35%，如图所示。,第二节 木材的物理和力学性质,三、强度 木材的强度分抗压、抗拉、抗弯和抗剪几种。由于木材结构构造各项不同，因此强度又分为顺纹和横纹。 木材强度与木材中承受外力作用的细胞壁细胞有关，这类细胞数量越多，细胞壁越厚，强度越高。因此，木材的表观密度越大，夏材含量越多，则

7、强度越高。 （一）抗拉强度 木材顺纹抗拉强度最大（即作用力方向与纤维方向平行），当受拉破坏时，纤维并未拉断，只是产生纤维的撕裂和联结的破坏。木材横纹抗拉强度为顺纹的2.55%，其受拉破坏主要是木材纤维细胞联结的破坏，因此，使用时应尽量避免木材横纹拉力。 （二）抗压强度 木材的顺纹抗压强度是木材各种力学性质中的基本指标，其中又分为径向与弦向两种指标。当作用力与年轮垂直时，则为径向顺纹受压；当作用力与年轮相切时，则为弦向横纹受压；顺纹抗压强度比横纹抗压强度大。,第二节 木材的物理和力学性质,（三）抗剪强度 木材的剪切形式有顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断。顺纹剪切方向与纤维方向平行。强度较低，一般为同

8、一方向抗压强度的1530%。横纹切断为剪力方向与纤维方向垂直，而剪切面与纤维方向平行。这种剪力切断纤维中的横向联结，因此木材的横纹剪切强度比顺纹剪切强度还要低。横纹切断为剪切方向和剪切面都与纤维方向垂直，这种剪切破坏是将纤维切断，因此这种强度较大，一般为顺纹剪切的45倍。,第二节 木材的物理和力学性质,（四）抗弯强度 木材抗弯强度的大小与含水率及木材本身的缺陷有关。受弯时上部纤维受顺纹抗拉，下部受顺纹抗拉，水平面受剪。因此抗弯强度较大，为顺纹抗压强度的1.52倍。 为了方便比较，现将木材各种强度之间数值大小关系列于表中。,木材各强度大小关系 表9-1,我国建筑工程上常用木材的主要物理力学性质见

9、表9-2所列。,常用树种的木材主要物理力学性质 表9-2,第二节 木材的物理和力学性质,（五）影响木材强度的主要因素 1、含水量的影响 木材的强度随含水量的变化而异。 含水量在纤维饱和点以上变化时，木材强度不变，在纤维饱和点以下时，含水率降低，木材强度增大；反之，强度减小。试验证明，木材含水量的变化，对木材各种强度的影响程度是不同的，对抗弯和顺纹抗压影响较大，对顺纹抗剪影响小，而对顺纹抗拉几乎没有影响。,第二节 木材的物理和力学性质,2、负荷时间 木材对长期荷载的抵抗能力与对暂时荷载是不同的。木材在外力长期作用下，只有当其应力远低于强度极限的某一定范围以下时，才可避免木材因长期负荷而破坏。 木

10、材在长期荷载作用下不致引起破坏的最大强度，称为持久强度。木材的持久强度比极限强度小得多，一般为极限强度的5060%。 3、温度的影响 木材随温度的升高会降低，当温度升高到50，针叶树抗拉强度降低1015%，抗压强度降低2024%。因此，长期处于高温的建筑物，不宜采用木结构。,第二节 木材的物理和力学性质,4、疵点的影响 木材在生产、采伐、保存过程中，所产生的内部和外部的缺陷，统称为疵点。木材的疵点主要有木节、斜纹、裂纹、腐朽和虫害等。木节可分为活节、死节、松软节、腐朽节等几种。活节影响较小。木节使木材顺纹抗拉强度显著降低，对顺纹抗压强度影响较小。对横纹抗压和剪切强度反而会增加。斜纹木材严重降低

11、其顺纹抗拉强度，抗弯次之。裂纹、腐朽、虫害等疵点会造成木材结构的不连续性或破坏其组织，因此严重的影响木材的力学性质，甚至使木材失去使用价值。,第三节 木材的腐朽和防腐,一、木材的腐朽 木材腐朽由真菌所致。引起木材变质腐朽的真菌有三种：即霉菌、变色菌和腐朽菌。霉菌和变色菌对木材影响不大。腐朽菌是以细胞壁为养料，供自身生长繁殖，使细胞壁遭致完全破坏，从而使木材腐朽。 真菌在木材中生存繁殖，必须同时具有三个条件，即适当的水分、空气和温度。当木材含水率在3550%，温度在2530，和空气时最适合腐朽菌的繁殖。,第三节 木材的腐朽和防腐,二、木材的防腐 木材防腐通常采用两种形式，一种是创造条件，使木材不

12、适于真菌寄生和繁殖，即使木材干燥，表面刷漆等；另一种是把木材变成含毒的物质，使其不能作真菌的养料，如化学防腐剂灌注法、表面涂刷法，浸渍法、压力渗透法等。 木材腐蚀除真菌所致外，还会遭到蠹虫、天牛、白蚁等蛀蚀，防止的方法通常是向木材中注入防虫剂。,第四节 木材的综合利用,建筑用木材通常以原木、板材、枋材三种供应。 原木是指去枝去皮后按规格锯成一定长度的木料；板材是指宽度为厚度的三倍或以上的木料；而枋材是指宽度不足三倍厚度的木料。 木材加工时会留下大量的碎块废屑。将这些下脚料进行加工处理，就可造成各种人造板材（胶合板原料除外）。常用的人造板材有以下几种。,第四节 木材的综合利用,一、胶合板 胶合板

13、是将原木沿年轮切成大张薄片，再用胶粘合压制而成。木片层数为奇数，一般为313层，纤维互相垂直。是合理利用、充分节约木材的有效方法，同时还能改善木材的物理力学性能。 胶合板的特点是能制成宽幅的板材，且板面有美丽的木纹，消除各向异性，收缩率小，没有木节和裂纹等缺陷。同时产品规格化，便于使用。 胶合板用途很广，通常用作隔墙、天花板、家具及室内装修等。耐水胶合板可用作混凝土模板。,第四节 木材的综合利用,二、纤维板 纤维板是将下脚料经破碎、研磨成木浆，再经湿压成型、干燥处理而成。它可使木材得到高度充分利用（木材利用率达90%以上），且材质构造均匀，各向强度一致，弯曲强度大（可达55MPa）、不易胀缩和

14、翘曲开裂、耐磨、不腐蚀、无木节、虫眼等缺陷，并有一定绝缘性能。 硬质纤维板的应用很广，可代替普通木板用于室内墙壁、地板、门窗、家具、装修等。软质纤维板多用作绝热、吸声材料。,第四节 木材的综合利用,三、刨花板、木丝板、木屑板 它们是利用刨花碎片、短小废料加工刨制的木丝、木屑等，经过干燥，拌以胶料压制而成的板材。这类制品表观密度较小，强度不高，主要用作吸声及保温绝热材料，不宜受潮。 四、镶拼地板 镶拼地板是将下脚料加工成小木条，预先贴在一块小布上，五块为一联，作地板应用。它是木材综合利用的新途径。,第十章 沥青材料,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

15、）的衍生物所组成的混合物。 对于沥青材料的命名和分类，目前世界各国尚未取得统一的标准。现就我国的命名和分类简述如下：,第十章 沥青材料,沥青是指这类材料的总称。沥青分为两大类： 第一大类是由石油系统得到的称为地沥青。 地沥青按其产源不同又分为天然沥青和石油沥青二类。 天然沥青是指石油在天然条件下，在长时间的地球物理因素的作用下最后所形成的产物。 石油沥青是指石油经各种炼制加工工艺后所得到的产品。 第二大类是由各种有机物（如煤、页岩、木材等）干馏所得到的焦油，经再加工所得到的产物，故称为焦油沥青。 焦油沥青按其加工的有机物名称而命名，如由煤干馏的煤焦油，经再加工后所得到的沥青，即称为煤沥青。 页

16、岩沥青按其技术性质接近石油沥青，按其生产工艺接近焦油沥青，目前分类暂属焦油沥青类。 以上这些类型的沥青中，在道路建筑中最主要是石油沥青和煤沥青两类，其次是天然沥青，我国亦有较大储量。,第一节 石油沥青,一、石油沥青的生产工艺概述 .石油的基属分类 石油是炼制石油沥青的原料，石油沥青的性质首先与石油的基属有关。 我国目前的原油分类是按照“关键馏分特性”和“含硫量”的分类法。 关键馏分特性分类：是石油在半精馏装置中，于常压下蒸得250275的馏分称为“第一关键馏分”；于5.33kPa的压力下减压蒸馏，取得275300 的馏分称为“第二关键馏分”。测定以上两个关键馏分的相对密度，并对照表10-1所列

17、相对密度范围或特性因素，决定两个关键馏分的基属，如石蜡基、中间基或环烷基。,关键馏分的基属分类指标 表10-1,第一节 石油沥青,按照第一关键馏分和第二关键馏分所隶属的基属，原油可分为如表10-2所列七类。,含硫量的分类：含硫量0.5%者为低硫原油；含硫量0.52.0%者为含硫原油；含硫量2.0者为高硫原油。,按现行常规工艺，作为生产沥青原料的原油基属的选择，最好是选用环烷基原油，其次是中间基原油，最好不选用石蜡基原油，因为石蜡含量的存在将给沥青路用性能带来不良的影响。但是石蜡基原油通过现代化工艺亦能生产出优质沥青。,第一节 石油沥青,2、石油沥青生产工艺简述 从石油炼制各种石油沥青的生产工艺

18、可按图表10-1流程简要说明。,第一节 石油沥青,原油经开采后，储运到炼油厂，经过常压蒸馏得到常压渣油；再经过减压蒸馏，得到减压渣油；这些渣油都属于低标号的慢凝液体沥青。 为着提高沥青的稠度，以慢凝液体沥青为原料，可以采用不同的工艺方法得到粘稠（半固体）沥青。渣油经过再减蒸工艺，进一步深拔出各种重质油品，可得到不同稠度的直馏沥青；渣油经不同深度的氧化后，可得到不同稠度的氧化沥青；渣油经不同程度地脱出脱沥青油，可得到不同稠度的溶剂沥青。除轻度蒸馏和轻度氧化的沥青属于高标号慢凝沥青外，这些沥青都属于粘稠石油沥青。,第一节 石油沥青,有时为施工的需要，希望在常温的条件下具有较大的施工流动性，在施工完

19、成后短时间内又能凝固而具有高的粘结性。为此在粘稠沥青中掺加汽油或煤油等挥发速度较快的溶剂，这种用快速挥发作稀释剂的沥青，称为快凝液体沥青。 为得到不同稠度的沥青，也可以采用硬的沥青与软的沥青（粘稠沥青或慢凝液体沥青）以适当比例调合，称为调合沥青。按照比例不同所得成品可以是粘稠沥青，亦可以是慢凝液体沥青。 快凝液体沥青需要耗费高价的有机稀释剂，同时石料必须是干燥的。为节约溶剂和扩大使用范围，可将沥青分散于有乳化剂的水中而形成沥青乳液，这种乳液亦称为乳化沥青。 为着更好地发挥石油沥青和煤沥青的优点，选择适当比例的煤沥青与石油沥青混合而成一种稳定的胶体，这种胶体称为混合沥青。,第一节 石油沥青,二、

20、石油沥青的组成和结构 、石油沥青的化学组成 石油沥青是由多种极其复杂的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属衍生物所组成的混合物。它的通式可写为CnH2n+aObScNd，化学组成元素主要成分是碳（8087%）和氢（1015%），其次是一些非烃元素，如氧、硫、氮等（5%），此外还含有一些其它金属元素，如镍、钒、铁、铅等，但含量都很少，约在几个至几十个ppm(百万分之一）。,第一节 石油沥青,2、石油沥青的化学组分 由于沥青化学组分结构的复杂性，以及目前分析技术的限制，要将沥青分离为纯粹的化合物的单体，存在许多困难。因此不少研究者都集中力量于研究沥青的化学组成分析。化学组成分析就是利用沥青在不同有机

21、溶剂中的选择性溶解或在不同吸附剂上的选择性吸附，而将沥青分离为几个化学性质比较接近而又与其胶体结构性质、流变学性质和路用性质有一定联系的几个组，这些组就称为沥青的组分。 沥青组分分析方法，近半个多世纪以来，曾提出过近百种。由于各种方法分离得到组分中所含的化学组成不相同，因此各组分在沥青中的作用也不相同。,第一节 石油沥青,沥青组分分析的方法，早年我国曾采用A.N.雷西海娜建议的“溶剂法”，将沥青分离为油分、树脂和沥青质等三个组分。后来又参照R.L.哈巴尔德的方法改用“溶剂吸附法”。近年来根据我国沥青的特点，又进行了“色谱分析法”的研究。该方法的主要分析流程如图10-2，可将沥青分离为下列五个组

22、分,第一节 石油沥青,五个组分： （1）沥青质：不溶于正庚烷而溶于苯的组分；（2）饱和分：溶于正庚烷，吸于谱柱Al2O3上，能为溶于正庚烷稀释的组分； （3）芳香分：经上述处理后，能为苯所稀释的组分； （4）胶质分：经上述处理后 ，能为苯乙醇所稀释的组分； （5）蜡：饱和分和芳香分中以丁酮苯为脱蜡溶剂，在-20下冷冻分离出的固态烷烃。,第一节 石油沥青,3、石油沥青的胶体结构 现代胶体学说认为，沥青中固态的沥青质是分散相，液态的饱和分和芳香分为分散介质，但沥青质不能直接分散在饱和分和芳香分中。而半固态的胶质是一种“胶凝剂”，会阻碍沥青质和胶质在芳香分中的分散。所以沥青的胶体结构是以沥青为胶核，

23、胶质分被吸附于其表面，并逐渐向外扩散形成胶团，胶团再分散于芳香分和饱和分中。 沥青由于各组分的结构和含量不同，可形成不同的胶体结构。通常按沥青的流变特性，可分为溶胶、溶凝胶和凝胶三种结构，示如图10-3。,第一节 石油沥青,第一类沥青为溶胶结构，沥青中沥青质含量很少，沥青胶团由于胶质分的胶溶作用，沥青质完全胶溶分散于芳香分和饱和分的介质中，胶团之间没有吸引力或者吸引力极少。这类沥青完全服从于牛顿液体的规律，在变形时，剪应力（）于剪变率（ ）成直线关系，弹性效应可以忽略或完全没有。,液体沥青多属溶胶型沥青，在路用性质上，它具有较大的感温性。,第一节 石油沥青,第二类沥青为溶凝结构，沥青中沥青质含

24、量适当，并有较多的胶质分作为保护物质，它所组成的胶团之间有一定的吸引力。这类沥青在常温时，其变形的最初阶段，表现为非常明显的弹性效应，但在变形增加至一定数值后，则可变为牛顿流动（即与成正比）。,大多数优质的路用沥青都属于溶凝型沥青，它具有粘弹性和触变性，故亦称弹性溶胶。,第一节 石油沥青,第三类沥青为凝胶结构，沥青中沥青质含量很多，且含一定胶质分，此时胶团互相接触而形成空间网络结构，这种沥青具有明显的弹性效应。 氧化沥青多属于凝胶型沥青，在路用性能上，具有较低的温度感应性，但低温变形能力较差。,第一节 石油沥青,三、石油沥青的技术性质和技术标准 （一）石油沥青的技术性质 .技术规范规定的有关性

25、质 1）粘结性。沥青材料在沥青路面结构中，作为结合料而将各种矿质材料结为一个具有一定强度的整体，首先它应具备有一定的粘结性。粘结性是指沥青材料在外力的作用下，沥青粒子产生相互位移的抵抗变形的能力。沥青的粘结性通常以粘度表示，如图10-4所示，在二金属板中夹一层沥青，当其受到简单剪切作用时，按牛顿定律：,第一节 石油沥青,由于绝对粘度测定较为复杂，因此在实际应用上多测定沥青的“技术粘度”（或称“条件粘度”）。最常采用的技术粘度有： （1）针入度。这种方法适用于测定粘稠沥青的粘度。沥青针入度是沥青试样在规定温度条件下，以规定载荷的标准针，经历规定的时间贯入沥青试样中的深度，以1/10mm为单位表示

26、。通常测定可采用表所列几中条件。,第一节 石油沥青,最常采用的条件为温度25、载荷100g、时间5s。例如某沥青在上述条件时测得针入度为65（1/10mm），可表示为： P,按表条件测定不同温度时的针入度，可按式下计算“针入度温度指数”（P.T.I.）来表示沥青的温度稳定性。,优质的路用沥青。必须保证P.T.I.值在一定范围内。,第一节 石油沥青,（2）粘度。通常粘度为“流出型粘度”的简称，适用于测定液体沥青的粘度。粘度为沥青在规定温度条件下，通过规定的流孔，流出的时间，以s为单位。我国目前采用“道路标准粘度计”测定液体沥青的粘度。 测定结果表示为C ，其中T表示测定温度，d表示流孔直径。例如

27、某沥青在60时，通过 5mm孔径流出50mL所需时间为100s，即可表 示为,我国对液体沥青是采用道路标准粘度计来划分等级（即标号）的，所以液体沥青，亦称为“粘度级沥青”。,第一节 石油沥青,3） 延度。按传统观点，均以延度表示沥青的塑性。所谓塑性是沥青在外力作用下发生变形而破坏的能力。沥青延性以延度指标表示，即以沥青试样制成8字形标准试件（最小断面1cm2）在规定速度和规定温度下拉断时的长度（以cm计）称为延度。沥青的延度是采用延度仪（如图10-6)来测度。最常采用的延度标准条件为：温度t=25,拉伸速度v=5cm/min;或温度t=0,而拉伸速度v=1cm/min。,第一节 石油沥青,4）

28、感温性。沥青的温度感应性除前述可用针入度温度指数表示外，在常规指标中，通常采用软化点表示。 沥青是一种高分子非晶态物质，它没有敏锐的溶点，从固态转变为液态（即由硬化点至滴落点之间）有很宽的温度间隔，因此选择其温度间隔中的一个条件温度称为软化点。所以同一种沥青材料采用不同的测定方法时，所得的软化点数值亦不同。软化点最常采用的测定方法为环与球法（简称R T= -45+(-30)= -75； P.I.= -2.13。,第一节 石油沥青,a在A标尺上取荷载作用时间2000s之点a; b在B标尺上取路面温度低于软化点-75之点b; c在针入度指数P.I.标尺上取-2.13作一水平线cd； dab线与水平

29、线cd的交点，从劲度曲线上即可查得劲度模量 Sb=6*108Pa,第一节 石油沥青,4沥青的老化和改性 1）沥青的老化。沥青是一种高分子化合物的胶体物系，它在外界条件影响下，随时间而逐渐改变其性能的过程，称为“老化”（或“陈化”）。 研究表明：沥青的化学组分并非绝对稳定的物质，它在各种因素的影响下将发生变化。如沥青在施工过程的长时间高温加热，以及在路面中受到空气、阳光、气温和降水，以及矿料相互作用等因素影响下，由于氧化、缩合和聚合的作用，而使沥青的组分发生转移。 在较低分子的组分中，除饱和的饱和分变化较少外，不饱和的芳香分会转化为较高分子组分的胶质。由于氧化作用或硫的加成作用结果，胶质分子又会

30、聚合成较复杂的沥青质分子，在此过程中氢原子成为水而失去。矿料中含有铝、铁等盐类时，此种盐类如催化剂一样，使沥青中的沥青酸类产生有机酸铝盐及铁盐，加速沥青的老化。,第一节 石油沥青,所以沥青材料因大气因素（温度、湿度、光线和水）以及沥青与矿料的物理化学交互作用，使沥青材料中不稳定的物质转变为稳定的化合物，简单构造的物质，转变为复杂构造的物质。即饱和分变化甚小；芳香分因转变而胶质而减少；由于胶质转变为沥青质的速度较芳香分转变为胶质快，故芳香分转变为胶质的数量不足以补偿胶质变为沥青质的数量，最终胶质数量明显减少，而沥青质等固体类物质则大量增加。沥青组分之间存在着一定规律转化，示例如图。,第一节 石油

31、沥青,由于日光氧化作用，沥青中氧化物含量增加，此类氧化物为表面活性物质，能使沥青与矿质材料粘附强度增加。对于低粘度的沥青，在沥青化学组分变化过程的初期，芳香分和胶质含量减少，增加了部分沥青质，一定程度上能使沥青热稳定性得到改善。 但是，对一般沥青而言，随着老化进程的进行，饱和分的变化甚少、芳香分的减少、特别是胶质分的明显减少、高分子化合物沥青质的大量增加，则使沥青塑性逐渐消失，而脆性增加，同时其它技术性能也逐渐恶化。,第一节 石油沥青,2）沥青的改性添加剂。 用于现代高速公路和重型交通路面的沥青材料，由于交通密度的增加和车速的提高，以及新型结构组成和新的施工工艺的出现，因而对其技术性能提出了更

32、高的要求，但完全依赖改进沥青加工工艺已不能满足这些要求。因此，目前许多国家已广泛采用各种添加剂来达到提高沥青的技术性能的目的。,第一节 石油沥青,改善沥青技术性能的添加剂，按其作用大致可分为下列几类： （1）改善沥青流变性的添加剂。用作改善沥青流变性的添加剂，主要是各种高分子聚合物，如油溶性的各种聚合物（如聚异丁烯、丁烯-苯乙烯聚合物等）、各种橡胶（如丁苯、氯丁、丁腈橡胶等）和环氧树脂等。 这类添加剂对改善沥青的感温性（针入度指数）有很好的效果，但是某些添加聚合物，可使沥青低温变形能力（延度）降低。 近年来，由于改进力添加剂的加入方法，不仅可以较好地改善沥青的流变性和粘附性，并且能使沥青具有较

33、好的低温延性。 近年聚乙烯类添加剂日益发展，常采用的乙烯-醋酸乙烯脂共聚物，以及饱和脂肪族二 酸或酐，或者这类化合物的卤化物作为沥青添加剂，如以癸二酸为添加剂可使相同软化点的沥青，针入度增加27.5倍。此外，还有采用微粒子的无机盐类和烷基甘唑啉为添加剂，对改善沥青的感温性和流动性也有较好的效果。,第一节 石油沥青,（2）改善沥青粘附性的添加剂。 为提高沥青与酸性石料以及与湿的石料的粘附性，以及能延长沥青使用寿命的这类抗剥剂的研究有很大发展。 目前最常用作改善沥青粘附性的添加剂是带长烷基链的极性物和胺类、酰胺类、甘唑啉类等。 另外一类为某些有机酸及其皂类（如硬脂酸、硬脂酸钾皂和钠皂）及其盐类（如

34、铁、锌、铝盐等）。 在使用沥青粘附性添加剂时，应考虑石料的性质（酸性或碱性），因为添加剂所含极性物质的有效性是有选择的，如使用不当反而会产生相反的效果。,第一节 石油沥青,（3）沥青抗氧化（耐老化）的添加剂。 沥青的抗氧化剂，按其作用分为两类。 一类为抗氧化的，这类添加剂能抑制沥青氧化的链锁反应，属这类物质的有油溶性酚类化合物，如“2,6-二叔丁基酚”，烷基硫化物和有机亚磷酸酯等。 另一类是减少过氧化物生成的，这类添加剂使沥青中形成的过氧化物分解成为稳定的物质。因为过氧化物的存在，会使沥青氧化过程加速。属于这类物质的有胺类（硫化胺），噻吩嗪等，它们的添加量为0.12%。,第一节 石油沥青,（二

35、）石油沥青的技术标准 1、粘稠石油沥青技术标准 我国石油工业部部颁标准（SY166177，如表10-8）对道路石油沥青针入度的大小划分为油-200、油-180、油-140、油-100和油-60等5个标号，同时对各标号沥青的延度和软化点也提出相应的要求。对油-100、油-60两个标号又按延度的要求分为甲，乙（即正、副）两个标号。此外，对溶解度、蒸发损失、蒸发后针入度比、闪点和水分等亦作了相应的规定。 房屋建筑等用的粘稠沥青，我国国家标准（GB494-75），按针入度分为油-30和油-10两个标号，而油-30又按软化点分为甲、乙（即正、副）两个标号（如表10-8）。 此外，对于以含蜡原油的减压蒸馏

36、渣油为原料，并经氧化制得的高软化点沥青，称为普通石油沥青。我国石油工业部部颁标准（SY1665-77）按针入度分为油-75、油-65和油-弦5等3个标号，各标号的技术要求如表10-8。,第一节 石油沥青,2液体石油沥青技术标准 对于液体石油沥青，根据道路液体沥青材料技术标准，按液体沥青的凝固速度而分为：快凝的、中凝的和慢凝的3个等级，而快凝的液体沥青划分为2个标号。中凝的和慢凝的液体沥青按粘度各划分为6个标号。除粘度外，对蒸馏的馏分及残留物性质、闪点和水分等亦提出相应的要求。技术要求如表10-9。,第二节 其它沥青,一、煤沥青 煤沥青是由煤干馏的产品煤焦油加工而获得的。根据煤干馏的温度不同，而

37、分为：高温煤焦油（700以上）和低温煤焦油（450700）两类。 路用煤沥青主要是由炼焦或制造煤气得到的高温焦油加工而得。以高温焦油为原料可获得数量较多且质量较佳的煤沥青。而低温焦油则相反，获得的煤沥青数量较少，且往往质量亦不稳定。,第二节 其它沥青,1煤沥青的化学组成和结构 煤沥青的组成主要是芳香族碳氢化合物及其氧、硫和氮的衍生物的混合物。其组成元素主要为C、H、O、S和N。煤沥青的化学结构极其复杂，它是由高度缩聚的芳核及其含氧、氮和硫的衍生物，有环结构上带有侧链，但侧链很短。LJ伍德曾对煤沥青的结构进行研究而提出硬煤沥青平均分子式为 C144H87N3O1。,1）煤沥青的化学组分 目前煤沥

38、青化学组分的研究，与前述石油沥青研究方法相同，也是采用选择性溶解等方法煤沥青划分为几个化学性质相近、且与路用性能有一定联系的组。目前煤沥青化学组分的分析的方法很多，最常采用的有EJ狄金松法与BO葛列米尔德法。我国曾采用葛氏法流程划分煤沥青组分。,第二节 其它沥青,煤沥青中各组分的性质简述如下： （1）游离碳。又称自由碳，是高分子的有机化合物的固态碳质微粒，不溶于任何有机溶剂。加热不溶物质，只有在高温下才产生分解。在煤沥青中含有游离碳能增加沥青的 粘度和提高其热稳定性。但随着游离碳含量的增加，低温脆性亦随之增加。,第二节 其它沥青,（2）树脂。这是属于环心含氧的环状碳氢化合物。分为：a硬树脂：固

39、态晶体结构，仅溶于吡啶，类似石油沥青中的沥青质；b软树脂：赤褐色粘-塑性物质,溶于氯仿，类似石油沥青中的胶质。 （3）中性油分。这是液态的碳氢化合物，其结构较其他组分简单。 除上述基本组分外，煤沥青中性油中还含有酚、萘等。萘在煤沥青中当含量低于1015%时，它能溶解于油分中，当含量高于上述界限且温度低于10时，则呈固态晶体析出，影响沥青的低温变形能力。酚为苯环中含烃基物质，它能溶于水，有毒且易氧化。,煤沥青化学组分示例,第二节 其它沥青,2)煤沥青的胶体结构 煤沥青与石油沥青一样，也是复杂的胶体分散系，自由碳和固态树脂是分散相，油分是分散介质，粘塑性树脂溶解于油分中吸附于固体分散微粒并赋予分散

40、系稳定性。,第二节 其它沥青,2煤沥青的技术性质和技术要求 1）煤沥青的技术性质 煤沥青与石油沥青相比，在技术性质上有下列差异： （1）煤沥青的温度稳定性较低。煤沥青是一种较粗的分散系，同时树脂的可熔性较高，所以表现为热稳定性较低。当在一定温度下，随着煤沥青的粘度降低，减少了热稳定性不好的可熔性树脂，而增加了热稳定性较好的油分含量。当煤沥青的粘度升高时，粗分散相的游离碳含量增加，但不足以补偿由于同时发生的可溶树脂数量的变化带来的热稳定性损失。,第二节 其它沥青,（2）煤沥青与矿质集料的粘附性较好。在煤沥青组成中含有较多数量的极性物质，它赋予煤沥青高的表面活性，所以它与矿质集料具有较高的粘附性。

41、 （3）煤沥青的气候稳定性较差。煤沥青的化学组成中含有较高含量的不饱和芳香烃，这些化合物有相当大的化学潜能，它的周围介质（空气中的氧，日光的温度和紫外线以及大气降水）的作用下，老化进程（粘度增加、塑性降低）较石油沥青快。,第二节 其它沥青,2）煤沥青的技术要求 煤沥青的技术要求主要有下列各项： （1）相对密度。煤沥青中含有较多的不饱和烃。这些烃类容易氧化，聚合成分子量较高的烃，随着高分子量烃类（如游离碳等）含量的增加，则其相对密度亦增加，所以通过测量煤沥青的相对密度亦可间接了解其化学组成机构的概况。 煤沥青的相对密度是煤沥青试样在20时的质量与同体积20时的水的质量之比。通常用密度瓶法测定，其

42、值应在1.101.25之间。 （2）粘度。粘度表示煤沥青的稠度。煤沥青的粘度取决于液相与固相在其组成中的数量比例，当煤沥青组分中油分含量减少、固态树脂及游离碳含量增加时，则煤沥青的粘度增加。由于煤沥青 的温度稳定行和大气稳定性较差，故当温度变化或“老化”后其粘度即显著的变化。煤沥青的粘度测定方法与液体沥青相同，亦是用标准粘度计测定。,第二节 其它沥青,（3）分馏试验和分馏后残渣性质。煤沥青中含有各种沸点的油分，这些油分的蒸发将影响其性质。因而煤沥青的起始粘滞度并不能完全表达其在使用过程中粘结性的特征。为了预估煤沥青在路面中使用过程的性质变化，在测定其起始粘度的同时，还必须测定煤沥青中在馏程中所

43、含馏分及其蒸馏后残留物的性质。 根据其化学组成特征将物理化学性质相近的化合物分为：（1）170以前的轻油；（2）270以前的中油；（3）300以前的重油等三个馏程。300以后的馏分为煤沥青中最有价值的油质部分（主要是蒽油）。煤沥青蒸馏试验是用煤沥青蒸馏仪。 在分馏出300前的油质组分后的残渣，用环球法软化点表示其性质。 馏分含量的规定，控制了煤沥青由于蒸发的老化安全性，残渣性质试验保证了煤沥青残渣的具有适当的粘结性。,第二节 其它沥青,（4）有害杂质含量。煤沥青中含有下列杂质则对其技术性有一定的影响，必须加以限制。 a. 游离碳含量。游离碳在煤沥青中能增加其粘度和热稳定性，但其含量增加则会带来

44、低温脆性，故在保证低温塑性和兼顾高温稳定性的条件下，对游离碳的含量加以限制。游离碳不溶于苯等有机溶剂，可用溶解度法测定。 b. 酚含量。酚能溶解于水，易导致路面的强低，同时酚有毒，对人类和牲畜有害，故对其在煤沥青中的含量加以限制。酚主要存在于沥青的中油中，故测定酚在煤沥青中的含量时，是取蒸馏试验所得中油与氢氧化钠作用，使酚（）与氢氧化钠（NaOH)形成水溶性的酚钠（ ), 根据酚钠体积求算出煤沥青中酚含量。,第二节 其它沥青,c. 萘含量。萘在煤沥青中低温时易结晶析出，使煤沥青产生假粘度而失去塑性，同时在常温下易升华，并使“老化”加速，降低煤沥青的技术品质。此外，萘也有毒性，故对煤沥青中萘含量

45、亦应加以限制。萘含量的测定是取酚含量测定后的无酚中油为样品，在低温条件下使萘结晶，然后将其与油分分离而获得“粗萘”。萘含量是以粗萘占煤沥青的质量百分率表示。 d. 含水量。与石油沥青一样，在煤沥青中含有水分会使煤沥青在施工加热时发生许多困难，甚至导致材料质量的劣化或造成火灾事故。煤沥青含水量的测定方法与石油沥青相同。,第二节 其它沥青,3）煤沥青的技术标准 煤沥青按其在工程中的应用要求不同，首先是按其稠度分为：软煤沥青（液体、半固体的）和硬煤沥青（固体的）两大类。 软煤沥青又按其粘度和技术性质分为9个标号，道路工程主要是应用软煤沥青。 硬煤沥青按其软化点等技术性质分为4个标号。这类沥青由于游离

46、碳含量极高，脆性大，不能直接用来修筑道路路面，只能作为掺配合成沥青的原材料。,第二节 其它沥青,二、乳化沥青 乳化沥青是沥青（石油沥青、煤沥青等）经机械作用分裂为细微的液滴，分散在含有表面活性物质（乳化剂-稳定剂）的水介质中，由于乳化剂吸附在沥青微滴表面的定向排列作用而降低水与沥青界面间的界面张力，使沥青微滴均匀的分散在水中，不致产生沉析；同时，由于稳定剂的稳定作用，使沥青微滴在水中形成均匀稳定的分散系。 这种分散系呈茶褐色，具有高流动度，可以冷态使用，并能与潮湿矿料有良好的粘附隆。 因此应用乳化沥青修筑路面具有节约能源、保护环境、便利施工、提高质量和降低造价等优越性。,第二节 其它沥青,1、

47、乳化沥青组成材料 乳化沥青主要是由沥青、水和乳化-稳定剂3个组分所组成。,第二节 其它沥青,1）沥青。沥青是乳化沥青的基本组分，它在乳化沥青中占5570%。用于制造路用乳化沥青的沥青，它们的针入度大多数为100250（1/10mm）。而相当于这种稠度的沥青，它们之间的乳化难易性以及乳化后产品的性能却有很大的差别，这就是由于沥青的化学结构和胶体结构的不同所造成的。 关于沥青中各组分及其在沥青中的含量对乳化沥青乳化难易性以及乳化后性能的影响，一般认为，沥青中活性组分的含量对沥青乳化的难易性有直接的关系，活性组分较低的沥青通常不易乳化。沥青活性组分含量可用酸值来表征，不同化学结构和胶体结构的沥青，对

48、乳化沥青所用的乳化剂也提出不同的要求。低活性碳的石蜡基沥青由于饱和烃组分含量较高，通常要求乳化剂具有较长的烷基链。,第二节 其它沥青,2）水。水是乳化沥青中第二大组成部分，不可忽视水对乳化沥青性能的影响。 水能润湿、溶解、粘附其他物质，并起缓和化学反应的作用，这些是有利于制备乳化沥青的重要因素。 另一方面水可以含有各种矿物质或其他影响乳化沥青形成的物质。自然界获得的水，可能溶融或悬浮各种物质，影响水的pH值，或者含有钙或镁的离子等，这些因素都可能影响某些乳化沥青的形成或引起乳化沥青过早的分裂。 总之，生产乳化沥青的水应当纯净，不含其他杂质。,第二节 其它沥青,3）乳化剂。乳化沥青的性能极大程度

49、依赖乳化剂的性能。乳化剂是使互不相溶的两相（沥青和水）形成一相（沥青）均匀分布于另一相（水）中的稳定分散系，要想获得适用道路建筑中不同道面结构类型和施工方法所需要的各种类型的乳化沥青，首先要深入了解乳化剂的性能。 乳化剂为一种表面活性剂。表面活性剂有天然产物和人工合成制品。由于天然产物纯度较低，随着化学工业的发展，目前主要是采用人工合成的表面活性剂。 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生成离子所带电荷不同分为阴离子型、阳离子型和两性离子型乳化剂等3类。,第二节 其它沥青,乳化剂分子一般是长链的线性分子，此分子是由亲油基和亲水基

50、所组成，这两个基团具有使互不相溶的沥青和水连接起来的特殊功能。 因此表面活性剂在分子结构上的特点是其为两亲性分子，由一端亲油基和一端亲水基所组成。亲油一般为烷基链，它所须的长度有沥青性质决定，烷基链太短，不能很好的于沥青相接（通常为十四烷基以上），但太长（廿烷基以上）有不溶于水。乳化剂性能的差异除亲油基的长短外更主要是亲水基。如阴离子乳化剂按其亲水基的结构，可分为烃酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐和磷酸酯盐等4大类。,第二节 其它沥青,阳离子乳化剂，目前生产的主要是氮化合物，其铵离子中的氢被烷基取代而得到铵盐类型的阳离子乳化剂。按取代的数目不同，分为伯铵盐、仲铵盐、叔铵盐和季铵盐。目前国内生产的“十八烷

51、基三甲基氯化铵”和“十六烷基三甲基溴化铵”都是典型的阳离子乳化剂。 两性离子乳化剂即在亲水基一端既有阳离子又有阴离子，在酸性溶液中呈阳离子，在碱性溶液中呈阴离子，而在中性溶液中又类似非离子的性质。 非离子乳化剂是含有在水中不解离的烃基（OH）和醚基（O）结合，并以它们为亲水基的表面活性剂。 乳化剂在水中可离解的不同的离子，如阴离子乳化剂可离解为RCOO和K离子而分散在水中。,第二节 其它沥青,4）稳定剂。为使乳液具有良好的储存稳定性，往往在其生产时在水溶液中加入适量的稳定剂。常用的稳定剂有氯化钙、聚乙烯醇和聚乙烯醇丁醇等。,第二节 其它沥青,2乳化沥青形成的机理 沥青微滴能够均匀的分散在水中而

52、形成稳定的分散系，其主要原因为： 1）乳化剂降低界面能的作用 2）界面膜的稳定作用 3）界面电荷的稳定作用 综上所述，沥青乳液所以能形成高稳定的分散体系，主要是由于乳化剂降低体系的界面能，截面膜的形成和界面电荷的作用。,第二节 其它沥青,1）乳化剂降低界面能的作用 沥青乳液是沥青（分散相）在水（分散介质）中的分散系。为了使沥青分散，就要对沥青体系作功，这部分能量以表面能的形式保存在沥青体系中，使沥青体系的总能量增加。沥青体系自由表面能的增加是非自发的过程，而自由表面能的减少却是自发的过程。体系自由表面能（G）是水与沥青的界面张力（cw)和表面积（s）的乘积，即G= cw * s 。当界面张力固

53、定时，减小自由表面能的唯一途径就是缩小表面积，故乳化沥青有自动聚结以减少表面积的趋势。 为了使沥青乳液体系保持稳定分散（即不减小表面积）就必须降低界面张力来达到这一目的。加入表面活性剂是降低沥青-水分散系界面张力最有效的方法，例如沥青与水的界面张力一般为374710-5N/cm，加入优良的表面活性剂可使表面张力大幅度降低。,第二节 其它沥青,2）界面膜的稳定作用 在沥青-水的体系中假如表面活性剂后，在降低截面张力的同时，表面活性剂在沥青微滴表面吸附，在界面上形成界面膜，此界面膜具有一定的强度，对沥青微滴起着保护作用，使其在相互碰撞时不易聚结。界面膜的强度和紧密程度与乳化剂的浓度有密切关系。表面

54、剂用量适宜时，界面膜就由密排的定向分子所组成，膜的强度较大，沥青微滴聚结需要克服较大的阻力，故能形成稳定的乳液。最佳乳化效果的乳化剂用量，与乳化剂对沥青的吸附作用有关。我国沥青的特点是饱和分含量较高，沥青质含量较低，因而它与水的界面张力较大，采用较长烷基链（1618烷基）的乳化剂，具有与沥青较多的相互作用。不仅如此，表面膜中若有极性物质存在时，则表面活性大大增加，膜的强度亦提高/分子间相互作用形成“复合物”结果表现为：界面张力降低的更多，从而有利于乳化，界面张力降低则表面吸附量增加，而形成更紧密的分子排列，也增加了截面的强度，提高沥青乳液的稳定性；对于离子型表面活性剂，就会增加沥青微滴所带电荷

55、，增加沥青微滴之间的排斥力，提高沥青乳液的稳定性。,第二节 其它沥青,3）界面电荷的稳定作用 通常稳定的沥青乳液中沥青微滴都带电荷。这电荷来源于电离、吸附和沥青微滴与水之间的摩擦。电离与吸附带电是同时发生的，例如阳离子乳化剂吸附于沥青微滴表面时，伸入水中的极性基团电离而使沥青带正电荷。 沥青-水界面上电荷层的结构，一般是是双电层分布。双电层由两部分组成，第一部分是约为单分子层，基本固定在界面上，这层电荷与沥青微滴电荷相反，这一层称为吸附层；第二部分由吸附层相外，电荷向水介质中扩散，此层称为扩散层。由于每层沥青微滴界面都带有相同电荷，并有扩散双电层的作用，故水-沥青体系称为稳定体系。,第二节 其

56、它沥青,3乳化沥青的制备 目前使用机械分散法制造乳化沥青的设备类型很多，归纳起来主要有下列3大类：即胶体磨、高速搅拌机和齿轮泵型乳化机。,第二节 其它沥青,1）胶体磨。它是由高速转动的转子和固定的定子两个主要部分组成，在转子和定子之间有很细的间隙（小于0.5mm）。它的作用原理是将加热后的沥青和乳化剂水溶液通过定子与转子间隙时，由于转子高速旋转（转速为5000r/min或更高为12000r/min），在此液体中之液层为一层静止，而邻层以极大的速度运动，则两相邻面间之粒子受剪应力的作用而被分裂为胶体颗粒（36m），同时由于乳化-稳定剂的作用而得到均匀稳定的分散系即为乳液。,第二节 其它沥青,2）

57、高速搅拌机。它是由带有叶片的旋转轴和带有固定箍肋的圆筒所组成。肋与叶片之间有很窄的间隙，轴以30004000r/min的转速旋转，加热后的沥青和含有乳化剂的水在叶片的高速搅拌下，使沥青碎裂为细微颗粒而分散在有乳化剂的水中形成乳液。 3）齿轮泵型乳化机。这是目前使用较多、设备简单、且效果较好的一种设备。近年经过很多研究有了改进，取得较好的乳化效果。 前述3种乳化机所得到的乳液比起来，用胶体磨得到的质量较高，而高速搅拌机仅能得到分散性不太高的乳液。齿轮泵型乳化机如经改进亦能得到符合要求的乳液。,第二节 其它沥青,制造过程：沥青预热脱水在送入乳化机前应加热至120140。乳化剂水溶液应加热至6070

58、，先注入乳化机中，然后加入热沥青。用胶体磨是将热沥青与乳化剂均成细流状分别加入。沥青与水的比例约为60：40。沥青与乳化剂相混合的温度应在80左右。在制造过程中要特别注意乳化机的保温。当温度降低时，沥青粘度升高，沥青-水界面上的界面张力增加，则不易得到良好的乳液。随着沥青与乳化剂的品种，以及乳化设备的特点，工艺条件应于调整。,第二节 其它沥青,4乳化沥青的分裂机理 乳化沥青为发挥其粘结的功能，沥青微滴必须从乳液中分离出来，沥青微滴在集料表面聚结形成一层连续的沥青薄膜，这一过程称为分裂。乳化沥青分裂的机理传统的理论认为，阴离子乳液（沥青微滴带负电荷）与表面上基本带正电荷的集料（如石灰石、白云石等

59、）具有较好的粘附性；同时阳离子乳液（沥青微滴带正电荷）与表面上基本带负电荷的集料（如硅质岩或花岗岩等）具有较好的粘附性。,第十一章 沥青混合料,按照现代沥青路面的建筑工艺，沥青与不同组成的矿质集料可以修建成不同结构的沥青路面。 最常采用沥青表面处治和沥青贯入式路面，以及沥青碎石和沥青混凝土路面等。 后2种沥青路面在施工前需要事先在试验室中进行组成设计，对这2种由适量沥青和一定级配的矿料组成的沥青集料混合料，通常称前者为“沥青碎石混合料”，称后者为“沥青混凝土混合料”，统称为“沥青混合料”。,第十一章 沥青混合料,1沥青混合料的定义 沥青混合料是经人工合理选择级配组成的矿质混合料和适量的沥青结合料经拌和所组成的一种优质的高级路面材料。将其摊铺后，经碾压成型，即成为各种类型的沥青路面。,第十一章 沥青混合料,2沥青混合料的分类 1）按结合料品种分类。沥青混合料按沥青结合料的品种不同，可分为石油沥青混合料和煤沥青混合料。 2）按拌和和铺筑时温度分类。沥青混合料按使用沥青的稠度和沥青中挥发物质的馏程及