同济大学-道路工程材料课件-沥青材料2-2

1第二章沥青材料沥青材料基础知识石油沥青的技术性质改性沥青1道路工程建设与养护、建筑防水材料、绝缘材料、农田保墒等。主要用于道路工程。用途：第一节沥青基础知识沥青材料简介沥青材料分类沥青材料的组成与结构23沥青是最古老的石油产品沥青一般是指有高分子的烃类和非烃类组成的黑色到暗褐色固态或者半固态粘稠物质，主要由石油炼制而得或天然形成。目前全世界石油沥青的生产能力约12亿吨/年，年生产能力超过200万吨的国家有11个。美国3400万吨/年。我国情况4沥青的定义：形态：常温下为固体或半固体颜色：暗褐色或黑色在高度缩合的环烷环、芳香环上带有长短不同的烷基侧链的碳氢化合物，及其非金属（O、S、N）衍生物组成的混合物，并含有微量元素5一、沥青的分类：①地沥青天然沥青：湖沥青、岩沥青、海底沥青石油沥青：石油经开采、精炼加工而得到的②焦油沥青煤沥青木沥青湖沥青特立尼达湖沥青TAL（TriniadaLakeAsphalt）是世界上最为著名的天然沥青之一，它产于南美洲加勒比海岛国——风景秀丽的特立尼达和多巴哥境内的沥青湖。该沥青湖又叫彼奇湖，面积44万m2，深约82m，湖中沥青储量达1200万吨，是世界上最大的天然沥青产地。特立尼达沥青湖27岩沥青岩沥青生成于岩石的夹缝中，缝宽很窄，仅数十厘米，深可达几百米纯天然的碳氢化合物，黑褐色固体，熔点在150℃以上青海及新疆克拉玛依地区美国Uintah盆地的UNTAITE8天然沥青特性沥青、矿物质、水分构成。常年与自然环境共存，性质特别稳定。根据天然沥青生成矿床的不同，可以分为：湖沥青岩沥青岩石沥青海底沥青9原油→常压渣油→减压渣油→粘稠沥青直馏沥青（Straightasphalt）：原油蒸馏后所得到的复合一定规格的石油沥青。较好的变形能力，温度敏感性较大。氧化沥青（oxidizedasphalt）：将空气通入热沥青中制得的一种石油沥青，有着较好的温度稳定性.液体沥青（liquidasphalt）：在粘稠沥青中掺加煤油、汽油、柴油乳化沥青（Emulsifedasphalt）：水＋乳化剂＋沥青10石油沥青性能取决于石油基属11二、石油的基属分类分类指标：“关键馏分特性”和“含硫量”。1)关键馏分特性分类关键馏分：“第一关键馏分”：常压下，250~275C的馏分“第二关键馏分”：减压下(5.33kPa)，275~300C的馏分特征参数：相对密度ρ420特性因素K12基属分类：由两个关键馏分特征参数ρ420和K确定石油基属第一关键馏分基属石蜡基（P）中间基（M）环烷基（N）第二关键馏分基属石蜡基（P）石蜡基（P）中间—石蜡基（M-P）—中间基（M）石蜡—中间基（P-M）中间基（M）环烷基—中间基（N-M）环烷基（N）—中间—环烷基（M-N）环烷基（N）石油基属与沥青路用性能的关系按照路用性能优劣排队：环烷基＞中间基＞石蜡基313四、石油沥青的组成与结构元素和组分胶体结构141、石油沥青的元素和组分（1）石油沥青的元素组成主要化学元素：碳C氢H硫S氧O氮N83~87%；8~11%；0~6%；0~1.5%；0~1%微量金属元素：钒、镍、铁、镁和钙碳氢比：C/H大庆石油沥青：C/H=0.657某环烷基石油沥青：C/H=0.71015（2）石油沥青的化学组分四组分：饱和分－S芳香分－A胶质－R沥青质－At组分特征：化学性质、物理性质、路用性能相近三组分→多组分16沥青四组分对沥青性能的影响组分分子量高温粘度低温变形能力化学稳定性饱和分S500~700××√芳香分A800~900×√×胶质R1200~1300√√×沥青质At1000~2000√×—蜡（正构烷烃）：高温软化、低温结晶析出主要存在于饱和分中172.沥青的胶体结构胶体结构模型：分散相：沥青质At吸附胶质R→胶团分散介质：饱和分S＋芳香分A沥青质是核心，一些沥青质聚集在一起，胶质吸附在表面，逐渐向外扩散，而使沥青质的胶核溶于油分（饱和分＋芳香分）中。181.溶胶型结构At的分子量低、数量少——直馏沥青、液体沥青特点：高温粘度较低4192.凝胶型结构3.溶凝胶型结构特点：变形能力差，脆性At分子量大、数量多—氧化沥青、老化沥青20沥青的组成与结构胶体结构：溶胶型、凝胶型、溶凝胶型元素组成：C、H、O、S、N→C/H化学组分：饱和分、芳香分、胶质、沥青质石油沥青的基础知识沥青石油沥青：直馏沥青、氧化沥青天然沥青：湖沥青、岩沥青地沥青煤沥青焦油沥青木沥青第二节石油沥青的技术性质物理性质路用性能技术要求21一、沥青的物理性质1.密度（d25或d15）：d沥青质＞d胶质＞d芳香分＞d饱和分2.体膨胀系数：～10-4/℃3.介电常数：2.7～3.022二、沥青的路用性质粘滞性低温性能感温性粘弹性粘附性耐久性231.粘滞性⑴定义：抵抗剪切变形的能力①牛顿液体→粘度（单位：Pa∙s）②非牛顿液体→视粘度或表观粘度C－复合流动系数③动力粘度（Pa∙s）和运动粘度（mm2/s）245牛顿液体受力示意图η—粘滞系数简称粘度dydvAF沥青FAttdyudydvtudv1；τAFFdvdyu应力与剪应变速率的关系示意图c——沥青的复合流动系数试验温度剪切变速率⑵沥青粘度测定方法绝对粘度测定方法条件粘度测定方法27绝对粘度测定方法①毛细管粘度②滑板粘度③旋转粘度28毛细管粘度仪试验示意图在严格控制温度和真空度的条件下，测定一定体积沥青被吸过毛细管所需要的时间tη＝k.t29旋转粘度仪试验示意图30定子转子规定温度、转动速率旋转力矩M→粘度:η＝f（M）沥青6条件粘度测定方法①粘度—标准粘度计法CT,d——单位s②针入度PT,m,t——单位0.1mm③软化点TR&B——单位℃（表征沥青热稳定性）31★针入度是等温粘度★软化点是等粘温度标准粘度计法在规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50mL体积所需时间，以s为单位。32如：C25,5=100表示：试验温度25℃，流孔直径5mm，时间100s。针入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33粘度变化如：P25,100,5=60表示：试验温度25℃荷载质量100g历时5s贯入沥青深度6mm软化点固态液态硬化点滴落点34TR&B(℃)条件粘度粘度降低取硬化点与滴落点之间温度的87.21％作为软化点。产生25.4mm垂度时的温度。2.沥青的低温性能⑴延性：沥青受到外力作用时，变形而不破坏的能力延度D（25/15/10/5℃）——单位cm，反映沥青的塑性⑵脆性：沥青在低温条件下，受到瞬间荷载作用，常表现脆性脆点TFrass——单位℃，反映沥青低温变形能力⑶弯曲梁流变试验⑷直接拉伸试验破坏应变35在规定的温度条件下，按规定的速率（5cm/min）拉伸沥青试件至断裂时的长度，单位cm。36延度7在规定的速率下降温（1℃/min），等速弯曲11次/min，记录沥青薄膜的开裂温度，单位℃。37脆点沥青脆点仪和弯曲器实验前长度荷载破坏时长度破坏时伸长度破坏拉伸应变，%破坏拉伸应力，MPa直接拉伸试验DTT（DirectTensionTest）伸长度实验前长度破坏应变=3.沥青的感温性39沥青的粘度等性能随温度的不同而产生明显的变化的特性⑴针入度指数PI40温度TlgPlogP=AT+K①针入度～温度感应性系数A针入度与温度的关系41A值的确定方法温度T25℃P25TR&BPR&BlgP600~1000③数组（Pi,Ti）→进行回归，试验温度：5~30℃（3组以上）25lg800lgB&R5s100g,,25TPA℃①2121lglgTTPPA②T2P2P1T1②针入度指数PI感温性最大：A=∞，令PI值为-10感温性最小：A=0，令PI值为+2042501PI10PI20A1050130PIAlogP=AT+K8针入度指数的确定已知条件：不同温度下的针入度（Pi、Ti）（2组以上）或针入度与软化点1050130PIA计算法：计算A值→壳牌诺模图→针入度指数PI的意义44PI与沥青感温性的关系PI与沥青胶体结构的关系PI与沥青针入度的关系6.沥青的粘弹性沥青材料的粘-弹性现象①蠕变—在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加②应力松弛—在保持应变不变的情况下，应力随时间增加逐渐衰减45沥青的感时性——蠕变现象蠕变——在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加的现象46沥青的感时性—应力松弛现象47应力松弛——在保持应变不变的情况下，应力随时间的增加而逐渐减弱（衰减）的现象⑴沥青的劲度模量定义：S=(/)t,T48时间t劲度模量S0℃25℃9⑵劲度模量确定方法试验沥青劲度模量诺模图：①荷载作用时间②路面温度差:Tp-TR&B③沥青的PI49沥青劲度模量诺模图①时间标尺：荷重作用时间(t)或频率(ω)②温度标尺：路面温度差（TP－TR&B）③沥青针入度指数PI标尺④劲度模量标尺50514.沥青的粘附性⑴评价方法：水煮法和水浸法光电分光光度法——反映沥青与集料的粘结能力52⑵影响因素集料的亲水性~酸碱性SiO2:0%52%65%碱性集料中性集料酸性集料集料的洁净度沥青的粘度与极性沥青混合料的空隙率535.沥青的耐久性——沥青的“老化”诱因：热氧气光（紫外线）过程：贮存运输（热）加热拌和（热、空气）使用（空气、光）表象：沥青性质随着时间推移而发生变化→变脆变硬→老化针入度降低粘度增大软化点增加延度减小54沥青的“老化”老化机理：轻质组分挥发氧化、组分转化芳香分→胶质胶质→沥青质1055①蒸发损失试验②薄膜加热试验TFOT③旋转薄膜烘箱试验RTFOT④PAV压力老化试验沥青热老化性能评价方法评价指标：质量损失针入度比（25℃）延度56沥青加热烘箱示意图试件：50g沥青试样试验条件：163℃，5h⑵薄膜厚度～3mm①针入度皿～21mm57沥青旋转薄膜加热烘箱示意图试件：35g沥青试样，试验条件：163℃，75min三、我国道路石油沥青的技术要求道路沥青产品的主要分级方法针入度分级－P粘度分级－A性能分级－PG针入度指标体系A－70A级70号道路沥青针入度中间值以针入度为基准:按所测得的沥青25℃针入度所处水平划分针入度指标体系AH－70重交通道路沥青针入度中间值以针入度为基准:按所测得的沥青25℃针入度所处水平划分11粘滞性粘度——内摩阻力（粘滞系数）针入度——稠度、粘度软化点——粘度、感温性延性延度——塑性三大指标感温性针入度指数——感温性、胶体结构软化点耐久性质量损失针入度比、粘度比针入度分级系统的主要技术指标我国道路石油沥青的技术标准⑴重交通道路石油沥青质量要求⑵中、轻交通道路石油沥青质量要求⑶2004年《沥青路面施工技术规范》（JTGF30-2004）道路石油沥青的质量要求按P25分级：AH-50、AH-70、AH-90、AH-110、AH-13040~6060~8080~9090～110110~130其它指标：软化点、延度(15ºC)、含蜡量、溶解度薄膜烘箱(残留物质量损失、针入度比、延度)⑵中、轻交通道路石油沥青质量要求按P25分级:A-60甲/A-60乙/A-100甲/100-乙/A-140/A-180/A-20041~8081~120121~160/161~200/201~300其它指标：软化点、延度(25ºC)、溶解度、闪点蒸发试验（质量损失、针入度比）等⑴重交通道路石油沥青质量要求按照针入度指标进行沥青分级——7个标号⑶2004年沥青路面施工技术规范（JTGF40-2004）对道路石油沥青的质量要求标号16013011090705030针入度范围140~200120~140100~12080~10060~8040~6020~40主要技术指标：①针入度、软化点、延度②60℃粘度、针入度指数PI③TFOT或RTFOT④蜡含量、闪点、溶解度65①合并了2个技术要求，按照性能分为A、B和C级②沥青质量要求考