第四章沥青与沥青混合料

第四章沥青与沥青混合料天然（地）沥青地沥青石油（地）沥青沥青煤沥青木沥青焦油沥青……页岩沥青第一节石油沥青一、石油沥青的生产工艺概述(一)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”进行分类的1．关键馏分特性分类石油在半精馏装置中，于常压下蒸得250～275℃的馏分称为“第一关键馏分”；于5.33kPa的压力下减压蒸馏，取得275～300℃的馏分称为“第二关键馏分”。两个关键馏分的相对密度，决定两个关键馏分的基属，如石蜡基、中间基或环烷基。2．含硫量的分类含硫量0.5％者为低硫原油；含硫量高于0.5％者为含硫原油。（二）石油沥青生产工艺从石油炼制各种石油沥青的生产工艺可按图4-1流程简要说明。二、石油沥青的组成和结构(一)元素组成石油沥青是由多种碳氢化合物及其非金属(氧、硫、氮)的衍生物组成的混合物。所以它的组成主要是碳(80％～87％)、氢(10％～15％)，其次是非烃元素，如氧、硫、氮等(3％)。此外，还含有一些微量的金属元素，如镍、钒、铁、锰、钙、镁、钠等，但含量都很少，约为几个至几十个ppm(百万分之一)。(二)化学组分将沥青分离为化学性质相近，而且与其路用性质有一定联系的几个组，这些组就称为“组分”。1．三组分分析法三组分分析法是将沥青分离为：油分、树脂和沥青质3个组分。在油分中往往含有蜡，在分析时还应将油蜡分离。该方法分析流程是用正庚烷沉淀沥青质，继将溶于正庚烷中的可溶分用硅胶吸附，装于抽提仪中抽提油脂，再用苯-乙醇抽出树脂。最后将抽出的油蜡用丁酮-苯为脱蜡溶剂。在-20℃的条件下，冷冻过滤分离油、蜡。2．四组分分析法饱和分、环烷-芳香分、极性-芳香分和沥青质等的色层分析方法。也有将上述4个组分称为：饱和分、芳香分、胶质和沥青质。将沥青试样先用正庚烷沉淀“沥青质(At)”，再将可溶分(即软沥青质)吸附于氧化铝谱柱上，先用正庚烷冲洗，所得的组分称为“饱和分(S)”；继用甲苯冲洗，所得的组分称为“芳香分(Ar)”；最后用甲苯-乙醇、甲苯、乙醇冲洗，所得组分称为“胶质(R)”。对于含蜡沥青，可将所分离得的饱和分与芳香分，以丁酮-苯为脱蜡溶剂，在-20℃下冷冻分离固态烷烃，确定含蜡量。3.沥青的含蜡量蜡的存在，在高温时会使沥青容易发软，导致沥青路面高温稳定性降低，出现车辙。在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；此外，蜡会使沥青与石料的粘附性降低，在有水的条件下，会使路面石子产生剥落现象，造成路面破坏；使沥青路面的抗滑性降低，影响路面的行车安全。（四）胶体结构沥青的技术性质，不仅取决于它的化学组分及其化学结构，而且取决于它的胶体结构。1．胶体结构的形成沥青的胶体结构，是以固态超细微粒的沥青质为分散相。通常是若干个沥青质麋集在一起，它们吸附了极性半固态的胶质，而形成“胶团”。由于胶溶剂——胶质的胶溶作用，而使胶团胶溶、分散于液态的芳香分和饱和分组成的分散介质中，形成稳定的胶体。2．胶体结构分类可分下列3个类型。（1）溶胶型结构当沥青中沥青质分子量较低，并且含量很少(例如在10％以下)，同时有一定数量的芳香度较高的胶质，称为溶胶型沥青（如图4-3a）。图4—3沥青的胶体结构示意图a)溶胶型结构；b)溶-凝胶型结构；c)凝胶型结构这类沥青的特点是，当对其施加荷载时，几乎没有弹性效应，剪应力（τ）与剪变率成直线关系，呈牛顿流型流动，这类沥青也称为“牛顿流沥青”。这类沥青在路用性能上，具有较好的自愈性和低温时变形能力，但温度感应性较差。(2)溶-凝胶型结构沥青中沥青质含量适当，并有较多数量芳香度较高的胶质。特点是，在变形时，最初阶段，表现出一定程度的弹性效应，但变形增加至一定数值后，则又表现出一定程度的粘性流动，是一种具有粘-弹特性的伪塑性体。这类沥青，在高温时具有较低的感温性；低温时又具有较好的形变能力。(3)凝胶型结构沥青中沥青质含量很高，并有相当数量芳香度高的胶质来形成胶团。这类沥青的特点是，当施加荷载很小时，或在荷载时间很短时，具有明显的弹性变形。当应力超过屈服值(τ0)之后，则表现为粘-弹性变形。这类沥青称为弹性沥青。这类沥青在路用性能上，虽具有较好的温度感应性，但低温变形能力较差。3．胶体结构类型的判定沥青的胶体结构与其路用性能有密切的关系。当PI-2时，沥青的胶体结构为溶胶型，PI+2时为凝胶型，PI=-2～+２时为溶凝胶型结构。三、石油沥青的技术性质(一)物理特征常数我国规定温度为15℃。也可用相对密度表示.。沥青的密度与其化学组成有密切的关系，通过沥青的密度测定，可以概略地了解沥青的化学组成。通常粘稠沥青的密度波动在0.96～1.04g/cm3范围。我国富产石蜡基沥青，其特征为含硫量低、含蜡量高、沥青质含量少，所以密度常在1.00g/cm3以下。(二)粘滞性沥青的粘滞性(简称粘性)通常用粘度表示，所以粘度是现代沥青等级(标号)划分的主要依据。沥青粘度的测定方法1)绝对粘度测定方法沥青绝对粘度的测定方法，沥青运动粘度采用毛细管法；沥青动力粘度采用真空减压毛细管法。2)条件粘度测定方法(1)标准粘度计法测定液体石油沥青、煤沥青和乳化沥青等的粘度。在标准粘度计中，于规定的温度，通过规定的流孔直径，流出50mL体积，所需的时间(s)。试验条件以CT,d表示。其中C为粘度，T为试验温度，d为流孔直径。常用的流孔有3mm、4mm、5mm和10mm等4种。(2)针入度法(Penetration)测定粘稠沥青粘度。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)。常用的试验条件为P25℃，100g，5s。此外，为确定针入度指数(PI)时，针入度试验常用条件15℃、25℃和30℃等，但标准针质量和贯入时间均为lOOg和5s。(3)软化点采用环与球法软化点。将沥青试样注于内径为19.8mm的铜环中，环上置一重3.5g的钢球，在规定的加热速度(5℃/min)下进行加热，沥青试样逐渐软化，直至在钢球荷重作用下，使沥青产生25.4mm挠度时的温度，称为软化点。起始温度为5℃，当软化点高于80℃时，起始温度为32℃，用甘油作为介质。根据已有研究认为：沥青在软化点时的粘度约为1200Pa·s，或相当于针入度值800(1／10mm)。据此，可以认为软化点是一种人为的“等粘温度”。(三)延性用延度作为条件延性指标来表征。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)称为延度。温度T=15℃（或10℃，改性沥青为5℃），拉伸速度v=5±0.25cm／min条件下的延度。(四)流变特性流变学是根据应力、应变和时间来研究物质流动和变形的构成与发展的一般规律的科学。1．感温性沥青材料的温度感应性(简称感温性)是采用“粘度”随“温度”而变化的行为(粘-温关系)来表达。目前最常用的有下述两种方法。1)针入度指数法针入度指数(Penetrationlndex简称PI)：沥青针入度值的对数(1gP)与温度(T)具有线性关系，即lgP=AT+K式中A为直线斜率，K为截距(常数)。称A为针入度-温度感应性系数。（1）基本公式假定软化点时的针入度值为800(1/10mm)，建立针入度-温度感应性系数A的基本公式，25lg800lg5,100,25BandRsgCTPA(2)实用公式对不同温度条件下测试的针入度值取对数，令y=lgP,x=T，直线回归。LgP=K+AlgPen×T式中：T——不同试验温度，相应温度下的针入度为P；K——回归方程的常数项a；AlgPen——为回归方程系数b。按式确定沥青的针入度指数PI，并记为PIlgPen。PenPenPenAAPIlglglg501500202）当量软化点T800当量软化点是相当于沥青针入度为800时的温度，用以评价沥青的高温稳定性.enPAKTlg800800lg(五)粘附性沥青与集料的粘附性直接影响沥青路面的使用质量和耐久性，所以粘附性是评价沥青技术性能的一个重要指标。评价粘附的方法有水煮法和水浸法最大粒径大于13.2mm者采用水煮法；小于(或等于)13.2mm者采用水浸法。水煮法是选取粒径为13.2～19mm形状接近正立方体的规则集料5个，经沥青裹覆后，在蒸馏水中沸煮3min，按沥青膜剥落的情况分为5个等级来评价沥青与集料的粘附性。水浸法是选取9.5～13.2mm的集料lOOg与5.5g的沥青在规定温度条件下拌和。配制成沥青-集料混合料，冷却后浸入80℃的蒸馏水中保持30min，然后按剥落面积百分率来评定沥青与集料的粘附性。(六)耐久性1．影响因素影响沥青耐久性的因素，主要有：大气(氧)、日照(光)、温度(热)、雨雪(水)、环境(氧化剂)以及交通(应力)等因素。2．评价方法1)热致老化由于路面施工加热导致沥青性能变化的评价，：对粘稠石油沥青，应进行“薄膜加热试验。对液体沥青，则应进行蒸馏试验。（1）沥青薄膜加热试验又称“薄膜烘箱试验”(Thinfilmoventest简称TFOT)。将50g沥青试样，盛于内径139.7mm、深为9.5mm的铝皿中，使沥青成为厚约3mm的薄膜。在163±1℃的烘箱中加热5h。以加热前后的质量损失、针入度比和15℃及10℃的延度值作为评价指标。沥青在薄膜加热试验后的性质，相当于在150℃拌和机中拌和1.0～1.5min后的性质。后来又发展了“旋转薄膜烘箱试验”（RTFOT)，试验时间缩短为75min。(2)蒸馏对于液体沥青则用蒸馏试验来代替蒸发损失试验。液体沥青中轻质馏分挥发后，沥青粘度将明显提高，从而使路面粘聚力得到提高。蒸馏试验是确定液体沥青含有此种轻质挥发性油的数量，以及挥发后沥青的性质。2)耐候性评价沥青在气候因素(光、氧、热和水)的综合作用下，路用性能衰降的程度，可以采用“自然老化”和“人工加速老化”试验。通常只有在科研时才进行耐候性试验。(七)安全性将沥青试样盛于标准杯中。当加热到某一温度时，点火器扫拂过沥青试样任何一部分表面，出现一瞬即灭的蓝色火焰状闪光时，此时温度即为闪火点。继续加热，至达点火器扫拂过沥青试样表面发生燃烧火焰，并持续5s以上，此时的温度即为燃烧点。四、石油沥青的技术标准(一)粘稠石油沥青的技术标准各个沥青等级的适用范围应符合表4-3的规定，道路石油沥青质量应符合表4-4规定的技术要求。沥青标号分为30，50，70，90，110，130，160等7个标号。沥青等级适用范围A级沥青各个等级的公路，适用于任何场合和层次B级沥青1。高速公路、一级公路沥青下面层及以下的层次，二级及以下公路的的各层次。2。用做改性沥青、乳化沥青、稀释沥青的基质沥青C级沥青三级以下公路的各层(二)液体石油沥青的技术标准按凝结速度分为快凝AL(R)、中凝AL(M)和慢凝AL(S)3个等级，快凝液体沥青按粘度分为AL(R)-1和AL(R)-2两个标号，中凝和慢凝液体沥青按粘度分为AL(M)-1…AL(M)-6和AL(S)-1…AL(S)-6等6个标号。除粘度的要求外，对不同温度的蒸馏馏分含量及残留物的性质，闪点和含水量等亦提出相应的要求。第二节其他沥青一、煤沥青煤沥青是由煤干馏的产品——煤焦油再加工而获得的。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。(一)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、硫和碳的衍生物的混合物。其元素组成主要为C、H、O、S和N。煤沥青元素组成的特点是“碳氢比”较石油沥青大得多，它的化学结构主要是由高度缩聚的芳核及其含氧、氮和硫的衍生物，在环结构上带有侧链，但侧链很短。(二)技术性质与技术标准1．技术性质煤沥青与石油沥青相比，