第九章沥青

第九章、沥青和合成高分子材料9．1沥青沥青由一些极其复杂的高分子碳氢化合物及其非金属（氧、氮、硫等）衍生物所组成的混合物多种有机化合物。其化学成分在常温下呈固体、半固体或是液体状态；颜色呈褐色以至黑色；能溶解于多种有机溶剂。沥青是具有良好的防水、抗渗、耐蚀等性能以及能与其它材料牢固粘结的有机胶结材料，是建筑工程中最重要的防潮、防水材料。建筑工程中主要应用的是石油沥青和煤沥青。9．1．1石油沥青石油沥青是由多种化合物所组成的混合物，由于它的结构复杂性，将其分离为纯粹的化合物单体，目前分析技术还有一定困难。由于相同化学组成构成的化合物的多样性，不可能通过分离出各种化学成分的办法来了解沥青的性质，因而，人们采取“组分分析法”将化学特性及物理-化学性质接近的一些化合物分别提取出来，做为组分（或称组丛）。然后进一步认识构成沥青的几个组分的各自特性及其对沥青性质间的关系。1、石油沥青的组分三组分分析法：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。见表9-1三组分的形状表9.1石油沥青三组分分析法的各组分性状2、石油沥青的胶体结构１）溶胶结构：石油沥青的胶体结构，是以地沥青质为核，其表面层被树脂浸润包裹，而树脂又溶合于油分中构成胶团，无数胶团通过油分（连续相）互相溶合而形成的结构。将地沥青质相对含量少，油分、树脂相对含量高的沥青胶体结构称为“溶胶结构”。其宏观性质表现为沥青塑性大、粘性小、温度敏感性大。2）凝胶结构：将地沥青质相对含量多的沥青胶体结构称为“凝胶结构”；由于地沥青质表面包裹的膜层薄，地沥青质间距离近，分子引力大，表现出沥青流动性差，塑性小，粘性大，温度敏感性小建筑石油沥青多属凝胶结构。3）溶—凝胶结构：沥青中沥青质含量适当（例如在15%～25%之间），形成的胶团数量增多，胶团距离相对靠近它们之间有一定的吸引力。这是一种介乎溶胶与凝胶之间的结构，称为溶—凝胶结构。组分外观特征平均分子量碳氢比（原子比）C/H含量％物化特征在沥青中的主要作用油分淡黄透明液体200～7000.5～0.745～60几乎可溶于大部分有机溶剂，具有光学活性，常发现有荧光，相对密度约0.7～1.0，170度加热长时间可挥发是决定沥青流动性的组分。油分多，流动性大，而粘性小，温度敏感性大树脂红褐色粘稠半固体800～30000.7～0.815～30温度敏感性高，溶点低于100℃，相对密度大于1.0～1.1是决定沥青塑性的主要组分。树脂含量增加，沥青塑性增大，温度敏感性增大沥青质深褐色固体末状微粒1000～50000.8～1.05～30加热不熔化，分解为硬焦碳，使沥青呈黑色，相对密度1.1～1.5，除了不溶于酒精、石油醚和汽油外能溶于大多有机溶剂是决定沥青粘性的组分。含量高，沥青粘性大，温度敏感性小，塑性降低，脆性增大溶—凝胶型结构沥青，在高温时具有较小的感温性，低温时又具有较好的形变能力，其性质介于溶胶型和凝胶型两者之间。3、石油沥青的技术性质石油沥青的技术性质主要包括粘性、塑性、温度敏感性、大气稳定性等性质。１）粘滞性（1）概念：是沥青材料在外力作用下沥青粒子产生相互位移的抵抗变形的能力。（2）表示方法：固体或是半固体的沥青的粘滞性用针入度表示：针人度是在温度为25℃时，以附重100g的标准针，经5s沉入沥青试样中的深度，每深1／10mm，定为1度。针入度一般在5—200度之间，是划分沥青牌号的主要依据。针入度愈小，表明沥青粘性愈大。建筑石油沥青含有较多的沥青质，其粘性较大。液体沥青的粘滞性用粘滞度表示：滞度是在规定温度t（通常为20℃、25℃、30℃或60℃），规定直径d（为3mm、5mm或者10mm）的孔流出50㎝３沥青所需的时间秒数T。２）塑性：（1）概念延性通常也称塑性。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。（2）表示方法：塑性较大的沥青防水层，能随建筑物变形而变形，防水层不破裂。塑性大的沥青往往还具有较强的自愈合能力，这是适合做柔性防水材料的重要原因之一。塑性用延度（延伸度）表示。沥青的延度用延度仪测定。沥青的塑性随温度升高(降低)而增大(减小)；沥青质含量相同时，树脂和油分的比例将决定沥青的塑性大小，油分、树脂含量愈多，沥青延度越大，塑性越好。（3）温度稳定性：（1）概念：温度稳定性也称温度敏感性。是指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能。（2）表示方法：软化点：软化点越高，表明沥青的耐热性越好，即温度稳定性越好。软化点可以通过“环球法”测得。在工程上使用的沥青，要求有较好的温度稳定性，否则容易发生沥青材料夏季流淌或冬季变脆甚至开裂等现象。所以在选择沥青的时候，沥青的软化点不能太低也不能太高，因为太低，夏季易融化发软；但也不能太高，品质太硬，就不易施工，而且冬季易发生脆裂现象。4）大气稳定性：（1）概念：大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能。（2）表示方法：石油沥青的大气稳定性以沥青试样在加热蒸发前后的“蒸发损失百分率”和“蒸发后针入度比”来评定。蒸发损失百分率愈小，蒸发后针入度比愈大，则表示沥青大气稳定性愈好，亦即“老化”愈慢。在大气因素的综合作用下，沥青中的低分子量组分会向高分子量组分转化递变，即油分→树脂→地沥青质。由于树脂向地沥青质转化的速度要比油分变为树脂的速度快得多，因此石油沥青会随时间进展而变硬变脆，亦即“老化”。针入度变小、延度降低、软化点和脆点升高。表现为沥青变硬、变脆、延伸性降低，导致路面、防水层产生裂缝等破坏等。针人度、延度、软化点是评价粘稠石油沥青性能最常用的经验指标，所以统称为沥青的“三大指标”5）其它性质：闪点、燃点、溶解度等4.石油沥青的分类、标准及应用（1）石油沥青的分类及技术标准分类：石油沥青按照用途和性质分为道路石油沥青、建筑石油沥青、防水防潮石油沥青和普通石油沥青四类。技术指标：石油沥青中的道路、建筑和普通沥青的牌号是依据针入度的大小来划分的，牌号越小沥青的硬度越大，随着沥青的牌号的增大沥青的粘性越小，塑性越大，温度稳定性变差。防水防潮沥青是按针入度指数划分沥青牌号的，随着牌号的增大，温度敏感性减小，脆性降低，应用温度范围扩大。(2）石油沥青的选用和掺配选用原则：选用石油沥青的原则是根据工程性质（房屋、道路、防腐）及当地气候条件、所处工程部位（层面、地下）来选用。在满足上述要求的前提下，尽量选用牌号高的石油沥青，以保证有较长的使用年限。一般屋面用的沥青，软化点应比本地区屋面可能达到的最高温度高20～25℃，以避免夏季流淌，如可选用10号或30号石油沥青。一些不易受温度影响的部位，或气温较低的地区，可选用牌号较高的沥青，如地下防水防潮层，可选用60号或100号沥青。当某一牌号的石油沥青不能满足工程技术要求时，可采用两种品牌的石油沥青进行掺配。在进行掺配时，为了不使掺配后的沥青胶体结构破坏，应选用表面张力相近和化学性质相似的沥青。沥青的掺配：同源掺配两种沥青掺配的比例可用下式估算：100%较软沥青软化点较硬沥青软化点要求的沥青软化点较硬沥青软化点）较软沥青掺量（较硬沥青的掺量（%）=100-较软沥青的掺量如果有三种沥青进行掺配，可先计算两种的掺量，然后再与第三种沥青进行掺配。9.1.2煤沥青煤沥青是炼焦或生产煤气的副产品。烟煤干馏时所挥发的物质冷凝为煤焦油，煤焦油经分馏加工，提取出各种油质后的产品即为煤沥青。煤沥青的许多性能都不及石油沥青。煤沥青塑性、温度稳定性较差，冬季易脆，夏季易于软化，老化快。加热燃烧时，烟呈黄色，有刺激性臭味，煤沥青中含有酚，所以有毒性，但具有较高的抗微生物侵蚀作用，适用于地下防水工程或作为防腐材料用。9.1.3改性沥青建筑上使用的沥青必须具有一定的物理性质和粘附性；在低温条件下应有良好的弹性和塑性；在高温条件下要有足够的强度和稳定性；在加工使用条件下具有抗“老化”能力；与各种矿料和结构表面有较强的粘附力；对构件变形的适应性和耐疲劳性等。通常，石油加工厂制备的沥青不一定能全面满足这些要求，致使目前沥青防水屋面渗漏现象严重，使用寿命短。因此对沥青进行改性是必然的手段。橡胶、树脂和矿物填料等通称为石油沥青改性材料。(1)橡胶改性沥青橡胶是沥青的比较理想的改性材料。通过掺入橡胶，使改性沥青中引用了橡胶的高弹性能等优点。目前，用做沥青改性材料的橡胶主要有氯丁橡胶改性沥青、丁基橡胶改性沥青、再生橡胶改性沥青、热塑性丁苯胶（SBS）改性沥青等。(2)树脂改性沥青将树脂掺入沥青中，可以改善沥青的粘性、低温柔韧性和气密性。常掺入的树脂有：聚氯乙烯、聚乙烯、古马隆树脂、聚丙烯等。(3)橡胶和树脂改性沥青同时加人橡胶和树脂，可使沥青兼具橡胶和树脂的特性。由于树脂比橡胶便宜，橡胶和树脂又有较好的混溶性，故能取得满意的综合效果(4)矿物填充料改性沥青是指为了提高沥青的粘结力和耐热性，降低沥青的温度敏感性，扩大沥青的使用温度范围，加人一定数量矿物填充料(滑石粉、石灰粉、云母粉、硅藻土)的沥青（5）炭黑改性沥青当前对提高沥青耐久性有实际效果的添加剂为专用炭黑。炭黑粒径细微、表面积大，它弥散于沥青中，易于被热和氧作用产生的游离基吸附，从而阻止沥青老化的链式反应，使老化进程受到抑制。9.1.4乳化沥青乳化沥青是将粘稠沥青加热至流动态，经机械力的作用，而形成微滴（粒径约为2～5µm）分散在有乳化剂—稳定剂的水中，由于乳化剂—稳定剂的作用而形成均匀稳定的乳状液。又称沥青乳液，简称乳液。乳化沥青主要用于修筑路面9.2建筑防水卷材防水卷材是工程防水材料的重要品种之一，由于这种材料的尺寸大，施工效率高，防水效果好，并具有一定的延伸性和耐高温以及较高的抗拉强度、抗撕裂能力等优良的特性。所以在防水材料的应用中处于主导地位。目前使用的常用的沥青基防水卷材是传统的防水卷材，也是以前应用最多的防水卷材，但是其使用寿命较短。有些品种不能满足工程的耐久性要求，所以像纸胎油毡基本上已经属于淘汰产品。随着合成高分子材料的发展，为研制和生产优良的防水卷材提供了更多的原料来源，目前防水卷材已由沥青基向高聚物改性沥青基和橡胶、树脂等合成高分子防水卷材发展，油毡的胎体也从纸胎向玻璃纤维胎或聚酯胎方向发展，防水层的构造有多层向单层方向发展它是建筑柔性防水工程中的主材，并随着科技的进步，防水材料的品种也就越来越多。按照组成材料分为沥青防水卷材、高分子改性沥青防水卷材和合成高分子防水卷材三大类。9.2.1防水卷材的主要技术性质1．抗拉强度抗拉强度是指当建筑物防水基层产生变形或开裂时，防水卷材所能抵抗的最大应力。2．延伸率延伸率是指防水卷材在一定的应变速率下拉断时所产生的最大相对变形率。3．抗撕裂强度当基层产生局部变形或有其它外力作用时，防水卷材常常受到纵向撕扯，防水卷材抵抗纵向撕扯的能力就是抗撕裂强度。4.不透水性防水卷材的不透水性反映卷材抵抗压力水渗透的性质，通常用动水压法测量。基本原理是当防水卷材的一侧受到0.3MPa的水压力时，防水卷材另一侧无渗水现象即为透水性合格。5.其它技术性能防水卷材还有外观质量、吸水性、耐热度、低温柔韧性和耐老化性等性能指标。9.2.2沥青基防水卷材沥青基防水卷材是指以各种石油沥青或煤沥青为防水基材，以原纸、织物、毯等为胎基，用不同矿物粉料、粒料或合成高分子薄膜、金属膜作为隔离材料所制成的可卷曲片装防水材料。具有原材料广、价格低、施工技术成熟等特点，可以满足建筑物的一般防水要求。沥青基防水卷材主要产品有：1．石油沥青纸胎油毡、油纸石油沥青纸胎油毡的防水性能较差，耐久年限低，一般只能用作多层防水。且消耗大量的优质纸源，所以基本属于淘汰产品，胎的卷材中500号粉毡用于“三毡四油”的面层，350号粉毡用于里层和下层，也可用“二毡三油”的简易做法来做非永久性建筑的防水层，200号油毡也适应于简易防水、临时性建筑防水，建筑防潮及包装等。2.石油沥青玻璃布油毡和玻璃纤维油毡（简称玻纤油毡）按JC/T84-96《石油沥青玻璃布胎油毡》规定。该类卷材的抗拉强度高于500号纸胎石油沥青油毡，柔韧性较好，耐磨、耐腐蚀性较强，吸水率低，耐热性也要