第二章沥青材料

第二章沥青材料教学目标学习沥青的概念；描述石油沥青的化学组分、胶体结构；学习石油沥青的技术性质和技术标准；学习沥青技术性质的测定方法；合理选用沥青材料。教学重点石油沥青的技术性质和评价方法。石油沥青的化学组分分析、胶体结构。教学难点沥青材料的概念和特点概念沥青是一种有机胶凝材料，是由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物及其非金属（氧、氮、硫）的衍生物的混合物。在常温下，沥青呈褐色或黑褐色的固体、半固体或液体状态，能溶于二硫化碳、四氯化碳、三氯甲烷和苯等有机溶剂。沥青材料的特点具有不透水性、不导电、耐酸碱、盐等的腐蚀，还具有良好的粘结性和塑性，因此沥青材料在建筑工程中得到广泛应用。其最大缺点就是易老化（温度敏感性大）。页岩沥青木沥青煤沥青焦油沥青石油沥青天然沥青地沥青沥青材料一、沥青材料的分类是指地下原油演变或加工而得到的沥青。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，以天然状态存在的石油沥青。俗称“柏油”由石油经蒸馏、吹氧、调和等工艺加工得到，主要为可溶于二硫化碳的碳氢化合物的粘稠状物质即石油沥青。道路上所用沥青95%以上均为此。天然沥青湖沥青岩沥青海底沥青油页岩等国内已经探明的天然岩沥青矿产资源主要分布于我国新疆，青海以及四川青川一带。青川岩沥青矿分布在我国有着天府之国美誉的四川北部龙门山地区，目前初步探明的储量在300万吨以上，远景储量1000万吨，被专家誉为“中国乃至世界罕见的沥青天然矿体”，储藏量位居全国第一。1.沥青的总类岩沥青开采现场岩沥青煤沥青1）按原油成分分类石蜡基沥青(含蜡量5％)；环烷基沥青(含蜡量2％)；中间基沥青(含蜡量2~5％)。2）按加工方法分类蒸馏沥青（直馏沥青）；氧化沥青；溶剂沥青；调和沥青。2.石油沥青的分类道路沥青；建筑沥青；水工沥青；防腐沥青；其他沥青。3）按常温下的稠度分类粘稠石油沥青；液体石油沥青。4.按用途分类简单概括为：a：提出燃料油（汽油、煤油、柴油等）b：提出润滑油、机械油、化工产品等c：将剩余残渣进一步炼制沥青二、原油的分类（自己看）三、石油沥青的生产工艺1.常减压蒸馏工艺2.氧化工艺3.溶剂脱沥青工艺4.调和工艺元素组成很难与沥青技术性质相关联。（一）石油沥青的元素组成主要组成元素有碳、氢、氧、硫、氮五种；碳含量80～87％；氢含量10～15％；氧、硫、和氮的含量少于3％。沥青分子通式：ＣnＨ2n+aＯbＳcＮd四、石油沥青的组成与结构（二）石油沥青的化学组分组分概念利用沥青各组分在不同有机溶剂中的选择性溶解和选择性吸附，把沥青分离为几个化学性质相近、而且与路用性质有一定联系的组，把这些组叫做沥青的化学组分，相应的分析方法叫做沥青的组分分析方法。沥青中各组分的含量与沥青技术性质有直接的关系。化学组分分析方法三组分分析的组分有：油分、树脂、沥青质。四组分分析的组分有：饱和分、芳香分、胶质、沥青质。三组分分析流程沥青沥青质树脂软沥青质油分正庚烷沉淀不溶分可溶分苯-甲醇抽提正庚烷抽提SiO2吸附四组分分析流程沥青沥青质胶质软沥青质饱和分正庚烷沉淀不溶分可溶分甲苯-乙醇洗释正庚烷冲洗Al2O3吸附芳香分甲苯洗释沥青各组分特性的比较性状组分颜色外观分子量C/H比特性特征油分淡黄粘稠透明液体200~700平均5000.5~0.7溶于几乎所有溶剂，具有光学活性，很多情况下发荧光，密度小于0.910~0.925发生氧化和缩聚反应红褐色树脂红褐色有粘性的半固体500~3000平均10000.7~0.8密度大于1.0，对温度敏感，熔点低于100℃深褐色沥青质深褐色固体脆性粉末微粒1000~50000.8~1.0加热不熔化，分解为硬焦炭（这是沥青呈黑色的原因）黑色沥青炭黑色固体100001.0~1.3通常在沥青中含量很少甚至几乎没有似炭物黑色固体1000001.3通常在沥青中含量极少，几乎没有，是沥青质的最终生成物饱和分芳香分沥青的化学组分与沥青的物理、力学性质有着密切的关系，主要表现为沥青组分及其含量的不同将引起沥青性质趋向性的变化。一般认为：油分使沥青具有流动性；树脂使沥青具有塑性，树脂中含有少量的酸性树脂（即地沥青酸和地沥青酸酐），是一种表面活性物质，能增强沥青与矿质材料表面的吸附性；沥青质能提高沥青的粘结性和热稳定性。沥青中的蜡分是指沥青在除去沥青质和胶质之后，在油分中含有的经冷冻能结晶析出的，熔点在25℃以上的混合组分，其中主要是高熔点的烃类化合物。与沥青中其他组分相比，其组成和结构相对简单。影响：由于蜡的存在，1）高温时会使沥青容易发软，导致沥青路面的高温稳定性下降，出现车辙；2）低温时，会使沥青变得脆硬，导致路面低温抗裂性降低，出现裂缝；3）会使沥青与集料的粘附性降低，在水分作用下，会使路面石子与沥青产生剥落现象，造成路面损坏；4）蜡的存在会使沥青路面的抗滑性降低，影响路面的行车安全。我国现行规范要求：A级沥青蜡含量不大于2.2%；B级沥青不大于3.0%；C级沥青不大于4.5%。沥青的含蜡量胶体结构的形成分散相由沥青质所吸附的高分子量树脂组成；分散介质由溶有油分的低分子量树脂组成。胶体结构的组成单元－胶团胶团以沥青质为核心周围吸附部分树脂和油分；无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。胶团由分散相和分散介质组成（三）石油沥青的胶体结构沥青胶体结构的三个类型溶胶型结构溶－凝胶型结构凝胶型结构1.溶胶型胶体结构的沥青沥青的粘滞性小，流动性大、塑性好，开裂后自行愈合能力强，但温度稳定性较差。如直馏沥青。溶胶型胶体结构的组分组成沥青质含量很少(10％)，油分、树脂含量较多，胶团外膜较厚，胶团间吸引力比较小，胶团之间相对运动自由，所形成的一种溶胶型结构。溶胶型胶体结构的特点2.凝胶型胶体结构的沥青凝胶型胶体结构的组分组成油分及树脂含量较少，沥青质含量较多(30%），胶团外膜较薄，胶团靠近团聚，胶团相互吸引力增大，相互移动困难。凝胶型胶体结构的特点沥青在高温时温度稳定性好，弹性和粘性较高，温度敏感性较小，流动性、塑性较低。如氧化沥青。3.溶－凝胶型胶体结构的沥青沥青在高温时温度稳定性好，低温时的变形能力也比较好。优质的路用沥青，都应属于这类胶体结构类型。溶－凝型胶体结构的组分组成沥青质含量适当(15～25％)，胶团的浓度增加，胶团间具有一定的吸引力，它介于溶胶型结构和凝胶型结构之间，所形成的一种溶－凝胶型结构。溶－凝型胶体结构的特点沥青的针入度指数（PI）沥青胶体结构类型＜-2溶胶-2~+2溶-凝胶＞+2凝胶沥青的针入度指数和胶体结构类型常采用针入度指数法（PI法）、容积度法、絮凝比－稀释度法等来评价胶体结构类型及稳定性。第二节石油沥青的技术性质一、沥青的物理性质密度、体膨胀系数、介电常数和比热二、沥青的路用性能提得很少1.粘滞性2.低温性能3.感温性4.粘附性5.耐久性6.粘弹性一、沥青的物理性质1.密度沥青的密度与化学组成有密切关系，通常粘稠沥青的密度波动在0.97～1.04之间。国产沥青的密度通常在1.00以下。2.体膨胀系数沥青在温度上升1℃时的长度或体积的变化称为体膨胀系数，沥青路面的开裂与混合料体膨胀系数有关。3.介电常数介电常数与沥青使用的耐久性有关，同时与沥青路面的抗滑性有较好的相关性。二、沥青的路用性能1.粘滞性沥青材料在外力作用下，沥青粒子产生相互位移时抵抗变形的性能。它随沥青的组分和温度而定，沥青质含量高粘滞性大，随温度升高粘滞性降低。沥青的粘滞性通常用粘度表示，它是沥青标号划分的主要依据。沥青粘度的表示方式牛顿流型沥青的粘度；非牛顿流型沥青的粘度。1）粘滞性的定义绝对粘度法；相对粘度（条件粘度）2）粘滞性的测定方法毛细管法－－－运动粘度通常为135℃坎－芬式逆流毛细管粘度计真空减压毛细管法－－－动力粘度通常为60℃美国沥青学会真空毛细管粘度计布洛克菲尔德法－－－表观粘度45℃以上布洛克菲尔德粘度计，SHRP计划绝对粘度法相对粘度法道路标准粘度计法（沥青标准粘度试验）主要用来测定液体石油沥青、煤沥青和乳化沥青等的粘度。针入度法主要用来测定粘稠沥青的粘度。软化点主要用来测定粘稠沥青的等粘温度。①道路标准粘度计法：液体状态的沥青材料，在标准粘度计中，在规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50ml体积，所需要的时间(s)。用符号CT,d表示液体沥青的粘度如C25,5、C60,5、C30,10、C60,10等。②针入度法试验温度T（5℃、15℃、25℃等）；连杆和标准针的质量m（100±0.05g）；贯入时间t（5s）。适用范围：测定粘稠石油沥青的粘度。测定方法：沥青材料在规定温度条件下，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1/10mm为单位计)。用符号PT,m,t表示粘稠沥青的条件粘度。试验条件③软化点－－即可评价沥青的条件粘度也可评价沥青材料的热稳定性将沥青试样注于内径为18.9mm的铜环中，环上置一重3.5g的钢球，在规定的加热速度(5℃/min)下加热，沥青试样逐渐软化，在钢球的作用下，沥青下至25.4mm时的温度为沥青的软化点。单位：℃。试验方法2.沥青的低温性能我国现行规范中主要用延度和脆点来表示。1）延性——是指沥青受到外力拉伸时，所能承受的塑性变形的总能力，是沥青的内聚力的衡量，通常用延度来表征。它表示沥青开裂后的自愈能力及受机械作用后产生变形而不破坏的能力。将沥青试样制成8字形标准试件(最小断面1cm2)，在规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度(以cm计)即为沥青的延度。规定的试验温度为15℃、10℃，拉伸速度5cm/min；单位：cm。延度试验方法：用延度仪测定。沥青延度指标的评定优质的路用沥青要求延度指标100cm。2）脆性——是指沥青材料在低温下受到瞬时荷载作用时，常表现为脆性破坏。通常用A.弗拉斯脆点试验求出沥青达到临界硬度发生开裂时的温度作为条件脆性指标。脆点试验就是将沥青试样0.4g在一个标准的金属片上摊成薄层，将此金属片置于有冷却设备的脆点仪内，摇动脆点仪的曲柄，能使涂有沥青薄膜的金属片产生弯曲。随着温度的进一步降低（每分钟1℃的速度），当温度降低到某一温度时，沥青薄膜在规定的弯曲条件下断裂，该温度为沥青的脆点。性能优异的沥青应具有较高的软化点和较低的脆点。3）弯曲梁流变试验（BBR）——SHRP计划测量沥青在低温下的劲度，评价沥青的低温性能。BendingBeamRheometer弯曲梁流变仪FluidBath液体浴AirBearing空气轴承LoadCell荷载传感器DeflectionTransducer位移传感器Computer计算机弯曲梁流变仪试样BendingBeamRheometer弯曲梁流变仪S(t)=PL34bh3d(t)式中S(t)=随时间变化的蠕变劲度P=施加荷载，NL=梁支架间距(102mm)b=梁宽，12.5mmh=梁高，6.25mmd(t)=随时间变化的变形弯曲梁流变仪Creepstiffness蠕变劲度Slopeofresponse(calledm-value)斜率＝m值LogCreepStiffness,S(t)蠕变劲度的对数8153060120240LogLoadingTime,t(sec)加载时间的对数试验完成后，用以下两个指标评价：①蠕变劲度模量S（弯拉模量），要求不超过300MPa；②蠕变曲线的斜率要求不小于0.3。沥青材料的蠕变劲度越大，沥青越脆，沥青路面越容易开裂。而蠕变曲线的斜率值m越大，沥青开裂的可能性就越小，所以m值越大越好。4）直接拉伸试验（DTT）——SHRP计划测试沥青的拉伸性能，主要用来测试沥青在低温时的极限拉伸应变。DirectTensionTest直接拉伸试验SideView侧视图TopView俯视图specimeninserts试样端塞balljointpins球柱直接拉伸试验示意图fStress应力Strain应变f直接拉伸试验数据ConstantStrainRate试验时采用固定的延伸率3.沥青的感温性沥青粘度随温度变化的感应性称为感温性。常用的方法有：针入