土木工程材料第六章沥青及沥青混合料韩玉民主讲

土木工程材料第七章沥青及沥青混合料韩玉民主讲7.1沥青沥青是高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的极其复杂的混合物。是有机胶凝材料。常温下呈黑色或黑褐色的固体或半固体或液体。沥青分类：地沥青：天然沥青、石油沥青焦油沥青：煤沥青、页岩沥青1.石油沥青石油沥青是由石油原油经蒸馏提炼出各种轻质油（如汽油、柴油等）及润滑油以后的残留物，再经过加工而得的产品。1.1石油沥青的组分石油沥青是由许多高分子碳氢化合物及其非金属（主要为氧、硫、氮等）衍生物组成的复杂混合物。将沥青中化学成分及性质极为接近，并且与物理力学性质有一定关系的成分，划分为若干个组，这些组就称为“组分”。沥青中各组分的主要特性简述如下：（１）油分。油分为淡黄色至红褐色的油状液体，是沥青中分子量最小和密度最小的组分，密度介于0.7～1.0ｇ／cm3之间。在170°Ｃ较长时间加热，油分可以挥发。油分能溶于石油醚、二硫化碳、三氯甲烷、苯、四氧化碳和丙酮等有机溶剂中，但不溶于酒精。油分赋予沥青以流动性。(２)树脂（沥青脂胶）。沥青脂胶为黄色至黑褐色粘稠状物质（半固体），分子量比油分大（600～1000），密度为1.0～1.1g／cm3。沥青脂胶中绝大部分属于中性树脂。中性树脂能溶于三氯甲烷、汽油和苯等有机溶剂，但在酒精和丙酮中难溶解或溶解度很低，它赋予沥青以良好的粘结性、塑性和可流动性。中性树脂含量增加，石油沥青的延度和粘结力等品质愈好。另外，沥青树脂中还含有少量的酸性树脂，即地沥青酸和地沥青酸酐，是沥青中的表面活性物质。它改善了石油沥青对矿物材料的浸润性，特别是提高了对碳酸盐类岩石的粘附性，并有利于石油沥青的可乳化性。沥青脂胶使石油沥青具有良好的塑性和粘结性。（３）地沥青质（沥青质）。地沥青质为深褐色至黑色固态无定形物质（固体粉末），分子量比树脂更大（1000以上），密度大于1g／cm3，不溶于酒精、正戊烷，但溶于三氯甲烷和二硫化碳，染色力强，对光的敏感性强，感光后就不能溶解。地沥青质是决定石油沥青温度敏感性、粘性的重要组成部分，其含量愈多，则软化点愈高，粘性愈大，即愈硬脆。另外，石油沥青中还含２～３％的沥青碳和似碳物，是石油沥青中分子量最大的。它降低石油沥青的粘结力。石油沥青中还含有蜡，它会降低石油沥青的粘结性和塑性，同时对温度特别敏感（即温度稳定性差）。所以蜡是石油沥青的有害成分。1.2石油沥青的胶体结构油分、树脂和地沥青质是石油沥青的三大组分，其中油分和树脂可以互相溶解，树脂能浸润地沥青质，并在地沥青质的超细颗粒表面形成树脂薄膜。所以石油沥青的结构是以地沥青质为核心，周围吸附部分树脂和油分的互溶物而构成胶团，无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。根据沥青中各组分的相对比例不同，胶体结构可分为溶胶型、凝胶型和溶凝胶型三种类型。（1）溶胶结构。地沥青质含量较少，胶团间完全没有引力或引力很小，在外力作用下随时间发展的变形特性与粘性液体一样。直馏沥青的结构多为溶胶结构。（2）凝胶结构。凝胶结构地沥青质含量很多，胶团间有引力形成立体网状，地沥青质分散在网格之间，在外力作用下弹性效应明显。氧化沥青多属于凝胶结构。（3）溶一凝胶结构介于溶胶与凝胶之间，并有较多的树脂，胶团间有一定吸引力，在常温下受力变形的最初阶段呈现出明显的弹性效应，当变形增加到一定数值后，则变为有阻尼的粘性流动。大部分优质道路沥青均配成溶～凝胶型结构，具有粘弹性和触变性，故亦称弹性溶胶。1.3石油沥青的技术性质（1）粘滞性石油沥青的粘滞性又称粘性。粘滞性应以绝对粘度表示，但因其测定方法较复杂，故工程中常用相对粘度（条件粘度）来表示粘滞性，对使用粘稠（半固体或固体）的石油沥青用针入度表示，对液体石油沥青则用粘滞度表示。粘稠石油沥青的针入度是在规定温度（25℃）条件下，以规定质量（100ｇ）的标准针，在规定时间（５s）内贯入试样中的深度来表示，单位以1/10mm计。针入度反映了石油沥青抵抗剪切变形的能力。针入度值越小，表明粘度越大。（P317附图6-1）粘滞度是将一定量的液体沥青，在某温度下经一定直径的小孔流出50cm3所需的时间，以秒表示。常用符号“CdtT”表示粘滞度，其中ｄ为小孔直径（mm），ｔ为试样温度，Ｔ为流出50cm3沥青的时间。ｄ有10、５、３mm三种，ｔ通常为25℃或60℃。（２）塑性塑性指石油沥青在外力作用下产生变形而不破坏，除去外力后，仍能保持变形后的形状的性质。沥青的塑性对冲击振动荷载有一定吸收能力，并能减少摩擦时的噪声，故沥青是一种优良的道路路面材料。石油沥青的塑性用延度表示。延度愈大，塑性愈好。延度测定是把沥青制成“８”字形标准试件，置于延度仪内25℃水中，以5cm／min的速度拉伸，用拉断时的伸长度来表示，单位用cm计。（P319附图6-2）（３）温度敏感性温度敏感性是指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能。由于沥青是一种高分子非晶态热塑性物质，故没有一定的熔点。沥青的粘滞性和塑性随温度变化而变化。石油沥青中地沥青质含量较多时，其温度敏感性较小。在工程中使用时往往加入滑石粉、石灰石粉等矿物填料，以减小其温度敏感性。沥青中含蜡量较多时，则会产生温度较高（60℃左右）时就发生流淌，在温度较低时又易变硬开裂。温度敏感性以软化点指标表示。由于沥青材料从固态至液态有一定的变态间隔，故规定以其中某一状态作为从固态转变到粘流态的起点，相应的温度则称为沥青的软化点。沥青软化点一般采用‘环球法’测定。它是把沥青试样装入规定尺寸（直径15.88mm，高６mm）的铜环内，试样上放置一标准钢球（直径9.53mm，质量3.5ｇ），浸入水或甘油中，以规定的速度升温（５℃／min），当沥青软化下垂至规定距离（25.4mm）时的温度即为其软化点，以摄氏度（℃）计。（P321附图6-3）另外，沥青的脆点是反映温度敏感性的另一个指标，它是指沥青从高弹态转到玻璃态过程中的某一规定状态的相应温度，该指标主要反映沥青的低温变形能力。寒冷地区应用的沥青应考虑沥青的脆点。沥青的软化点愈高，脆点愈低，则沥青的温度敏感性越小。（４）大气稳定性石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等大气因素的长期综合作用下抵抗老化的性能，称为大气稳定性。也是沥青材料的耐久性。在大气因素的综合作用下，沥青中各组分会发生不断递变，低分子化合物将逐步转变成高分子物质，即油分和树脂逐渐减少，而地沥青质逐渐增多。石油沥青随着时间的进展，流动性和塑性将逐渐减小，硬脆性逐渐增大，直至脆裂。这个过程称为石油沥青的“老化”。所以大气稳定性即为沥青抵抗老化的性能。石油沥青的大气稳定性以加热蒸发损失百分率和加热前后针入度比来评定。其测定方法是：先测定沥青试样的质量及其针入度，然后将试样置于烘箱中，在160℃下加热蒸发５h,，待冷却后再测定其质量及针入度。计算出蒸发损失质量占原质量的百分数，称为蒸发损失百分率；测得蒸发后针入度占原针入度的百分数，称为蒸发后针入度比。蒸发损失百分数愈小和蒸发后针入度比愈大，则表示沥青的大气稳定性愈好，即‘老化”愈慢。以上四种性质是石油沥青材料的主要性质，前三项是划分石油沥青牌号的依据。此外，为评定沥青的品质和保证施工安全，还应了解石油沥青的溶解度、闪点和燃点等性质。1.4石油沥青的技术标准及应用（１）石油沥青的技术标准根据我国现行石油沥青标准，在工程建设中常用的石油沥青分道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青等，各品种按技术性质划分牌号。不同石油沥青的技术指标要求见表10-1、10-2、10-3。从表10-1、10-2、10-3可以看出，道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青都是按针入度指标来划分牌号的。在同一品种石油沥青材料中，牌号愈小，沥青愈硬；牌号愈大，沥青愈软。同时随着牌号增加，沥青的粘性减小（针入度增加），塑性增加（延度增大），而温度敏感性增大（软化点降低）表7-1重交通道路石油沥青的技术要求（GB50092-1996）标号项目AH-130AH-110AH-90AH-70AH-50针入度（25℃，100ｇ，5s）0.1mm120~140100~12080~10060~8040~60延度（5cm/min,15℃），cm，不小于10010010010080软化点（环球法）℃，不小于40~5041~5142~5244~5445~55闪点（开口）℃，不低于230含腊量（蒸馏法）%，不大于3溶解度（三氯乙烯）%，不小于99.0表7-2道路石油沥青的技术指标要求（GB50092-2000）标号项目A-200A-180A-140A-100甲A-100乙A-60甲A-60乙针入度（25℃，100ｇ）0.1mm201~300161~200121~16081~12081~12041~8041~80延度（25℃），cm，不小于—10010080606040软化点（环球法）℃，不小于30~4535~4538~4842~5242~5245~5545~55溶解度（三氯乙烯）%不小于99.099.099.099.099.099.099.0蒸发损失（163℃，5ｈ）%，不大于1111111蒸发后针入度比，%，不小于50606065657070表7-3建筑石油沥青与普通石油沥青的技术指标要求建筑石油沥青普通石油沥青牌号指标3010756555针入度（25℃，100ｇ，5s）0.1mm25~4010~25756555延度（5cm/min,25℃），cm，不小于31.521.51软化点（环球法）℃，不小于70956080100溶解度（三氯乙烯）%，不小于99.599.5989898蒸发损失（163℃，5ｈ）%，不大于11———闪点（开口）℃，不低于230230230230230（2）石油沥青的应用在选用沥青材料时，应根据工程性质（房屋、道路、防腐）及当地气候条件、所处工程部位（屋面、地下）来选用不同品种和牌号的沥青。道路石油沥青牌号较多，主要用于道路路面或车间地面等工程，一般拌制成沥青混凝土、沥青拌合料或沥青砂浆等使用。建筑石油沥青粘性较大，耐热性较好，但塑性较小，主要用作制造油毡、油纸、防水涂料和沥青胶。它们绝大部分用于屋面及地下防水沟槽防水、防腐蚀及管道防腐等工程。对于屋面防水工程，应注意防止过分软化。为避免夏季流淌，屋面用沥青材料的软化点还应比当地气温下屋面可能达到的最高温度高20℃以上。但软化点也不宜选择过高，否则冬季低温易发生硬脆甚至开裂。对一些不易受温度影响的部位，可选用牌号较大的沥青。普通石油沥青含蜡较多，其一般含量大于5％，有的高达20％以上（称多蜡石油沥青），因而温度敏感性大，故在工程中不直单独使用，只能与其他种类石油沥青掺配使用。1.5石油沥青的掺配与稀释当不能获得合适牌号的沥青时，可采用两种牌号的石油沥青掺配使用，但不能与煤沥青相掺。两种石油沥青的掺配比例可用下式估算：式中Ｑ1——较软石油沥青用量（％）；Ｑ2——较硬石油沥青用量（％）；Ｔ——掺配后的石油沥青软化点（℃）；Ｔ1——较软石油沥青软化点（℃）；Ｔ2——较硬石油沥青软化点（℃）。以估算的掺配比例和其邻近的比例（５％～10％）进行试配（混合熬制均匀），测定掺配后沥青的软化点，然后绘制“掺配比一软化点”关系曲线，即可从曲线上确定出所要求的掺配比例。121221100%100QQTTTTQ2.煤沥青煤沥青是炼焦厂或煤气厂的副产品。烟煤在干馏过程中的挥发物质，经冷凝而成黑色粘性液体称为煤焦油，煤焦油经分馏加工提取轻油、中油、重油、蒽油以后，所得残渣即为煤沥青。2.1煤沥青的特性煤沥青的主要组分为油分、脂胶、游离碳等，常含有少量酸、碱物质。由于煤沥青的组分和石油沥青不同，故其性能也不同，主要表现在温度敏感性大，大气稳定性较差，塑性较差。煤沥青中的酸、碱物质都是表面活性物质，由于含表面活性物质较多，故与矿料表面的粘附力较好；防腐性好。因含酚、蒽等有毒物质，防腐蚀能力较强，故适用于木材的防腐处理。2.2煤沥青与石油沥青的鉴别方法2.3煤沥青的应用煤沥青具有很好的防腐