道路工程材料4.沥青材料

4.沥青材料沥青的定义：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，并含有微量元素颜色：暗褐色或黑色形态：常温下为固体或半固体沥青的分类：①地沥青天然沥青：湖沥青、岩石沥青、海底沥青石油沥青：用石油经开采、精炼加工而得到的②焦油沥青煤沥青木沥青天然沥青天然沥青是石油在自然条件下，经过千百万年的时间，在温度、压力、气体、无机物催化剂、微生物以及水分等综合作用下氧化聚合而成的沥青类物质。由于它常年与自然环境共存，故其性质特别稳定。由沥青、矿物质、水分构成。根据天然沥青生成矿床的不同，可以分为：湖沥青岩沥青海底沥青（1）湖沥青特立尼达湖沥青（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44万平方米，深约82米，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（2）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。天然岩沥青是一种纯天然的碳氢化合物，熔点在150℃以上，我国青海及克拉玛依地区有所开采，但很少用于道路。美国北部犹他州的Uintah盆地的UNTAITE岩沥青是世界上最为著名的岩沥青。技术指标数值软化点，℃160～175针入度，250比重1.04～1.06闪点，25℃315＋7.920.9153770121167217280050100150200250300196019651970197519801985199019952000年份我国道路沥青生产量道路沥青产量，万顿4.沥青材料主要内容石油沥青的组成与性能的关系沥青的技术性质和技术指标改性沥青与乳化沥青4.1石油沥青4.1.1石油沥青的生产工艺简介插图4.1.1.1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：相对密度特性因素K（教材表4-1）基属分类：由两个关键馏分的特征参数和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）2)含硫量的分类低硫：含硫量＜0.5%；含硫：0.5~2%；高硫：含硫量＞0.5%。3）石油基属与沥青路用性能的关系按照路用性能优排队：环烷基＞中间基＞石蜡基4.1.1.2石油沥青生产工艺概述原油→常压渣油→减压渣油→粘稠沥青直馏沥青：较好的变形能力，温度敏感性较大氧化沥青：较好的温度稳定性溶剂沥青：丙烷脱液体沥青：在粘稠沥青中掺加煤油、汽油、柴油调配沥青：调和沥青、混合沥青乳化沥青：水＋乳化剂＋沥青4.1.2石油沥青的化学组成和结构4.1.2.1石油沥青的化学元素组成主要化学元素：碳C氢H硫S氧O氮N82~88%；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=0.7104.1.2.2石油沥青的化学组分化学组分：化学性质、物理性质、路用性能三组分→多组分四组分：饱和分－S芳香分－A胶质－R沥青质－At表4-1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：高温软化、低温结晶析出4.1.2.3沥青的胶体结构胶体：分散相——At吸附R→胶团分散介质——S、A1)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2)凝胶型结构At分子量大、数量多—氧化沥青、老化沥青特点：变形能力差，脆性3)溶凝胶型结构沥青性能石油基属：环烷基＞中间基＞石蜡基直馏沥青制作工艺氧化沥青液体沥青:掺加煤油、汽油、柴油调配沥青：掺加其他沥青乳化沥青：水＋乳化剂＋沥青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本性能4.1.3石油沥青的技术性质4.1.3.1物理性质1）密度：d25或d15d沥青质＞d胶质＞d芳香分＞d饱和分2）体膨胀系数a：Vt=V0+at3）介电常数4.1.3石油沥青的技术性质粘滞性延性和脆性感温性粘弹性粘附性耐久性4.1.3.2粘滞性1）沥青的粘度图4-5牛顿液体⑴牛顿液体→粘度（单位：Pa∙s）图4-6τ与应变速率⑵非牛顿液体→视粘度或表观粘度C－复合流动系数⑶动力粘度和运动粘度FdVdy牛顿液体受力示意图dydvAFη—粘滞系数（粘度）沥青FAttdyudydvtudv1；τAFu应力与剪应变速率的关系示意图c——沥青的复合流动系数2）沥青粘度测定方法⑴绝对粘度测定方法①毛细管粘度示意图1②旋转粘度示意图2③滑板粘度示意图3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毛细管粘度仪试验示意图14ConcentricCylinderConcentricCylinderRheometersRMiRi2LRRo-Ri旋转粘度计：测定沥青施工温度区的粘度双筒旋转粘度计CCR旋转粘度试验示意图滑板粘度试验示意图FdVdyudydvAF⑵条件粘度测定方法①标准粘度计法CT,d——单位s图4-7标准粘度计②针入度法PT,m,t——单位0.1mm图4-8针入度法③软化点TR&B——单位℃图4-9软化点测试（表征沥青热稳定性）★针入度是等温粘度★软化点是等粘温度4.1.3.3延性和脆性1)延度D——单位cm，反映沥青的塑性图4-10沥青延度2)脆点TFrass——单位℃，反映沥青低温变形能力图沥青脆点仪沥青的三态：流动————橡胶————玻璃软化点脆点标准粘度计测定液体沥青示意图规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50mL体积所需时间，以s为单位。如：C25，5=100表示：试验温度25℃，流孔直径5mm，时间100s。针入度法测定粘稠沥青针入度示意图在规定温度条件下，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粘度变化软化点测试示意图固态液态硬化点滴落点TR&B(℃)条件粘度粘度变化在规定的温度条件下，按规定的速率拉伸沥青试件至断裂时的长度，单位cm。沥青延度测试示意图沥青脆点仪和弯曲器在规定的速率下降温，等速弯曲11次/min，记录沥青薄膜的开裂温度，单位℃。4.1.3.4沥青的感温性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1)针入度－温度关系温度TlgPlogP=AT+KA－针入度－温度感应性系数A值的确定方法温度TlgP25℃P25TR&BPR&B600~1000③数组（Pi,Ti）→进行回归255s100g,,25lg800lgB&RTPA℃①2121lglgTTPPA②2）针入度指数PI的确定令：感温性最大A=∞，PI值为-10感温性最小A=0，PI值为+20501PI10PI20A1050130PIAlogP=AT+KPI与沥青感温性的关系⑶针入度指数的确定方法①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②计算方法计算A值→PI查图1050130PIA3）当量软化点（T800）和当量脆点值（T1.2）由logP=AT+K：P＝800P＝1.24）针入度指数与胶体结构的关系PI-2→溶胶型沥青PI+2→凝胶型沥青PI=-2~+2→溶凝胶型沥青9031.2log800800AKAKT0792.0log1.21.2AKAKT感温性：沥青的粘度随温度的不同而产生明显的变化的特性感温性评价指标：针入度指数（PI）针入度粘度指数PVN粘度温度数VTN4.1.3.5沥青的粘弹性1）沥青材料的粘-弹性现象插图◇蠕变—在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加◇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插图沥青材料的粘－弹性现象蠕变与应力松弛现象蠕变——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4.1.3.5沥青的粘弹性插图2）沥青的劲度模量◇定义：S=(/)t,T◇确定方法：滑板粘度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PI时间t劲度模量S0℃25℃由针入度指数预测沥青劲度时间t变形ε温度T1温度T2弹性粘性沥青材料的粘－弹性现象沥青的感温性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温度TlgPlogP=AT+K感温性评价指标：针入度指数（PI）针入度粘度指数PVN粘度温度数VTN1050130PIA4.1.3.6沥青的粘附性——反映沥青与集料的粘结能力水损害影响因素：集料的亲水性：SiO2:0%52%65%碱性集料中性集料酸性集料沥青的粘度与极性沥青混合料的空隙率评价方法：水煮法和水浸法试样光电分光光度法沥青路面坑洞沥青路面坑洞沥青路面坑洞损坏机理分析环境与路面因素动水压力导致雨水进入路面，并积聚于层底；重复荷载导致沥青-集料剥离水煮法试样水煮法试样水煮法试样4.1.3.7沥青的耐久性——沥青的“老化”现象：沥青性质随着时间推移而发生变化→变脆变硬→老化针入度下降、粘度增加、软化点增加、沥青诱因：热氧气光（紫外线）过程：贮存运输加热拌和使用4.1.3.7沥青的耐久性——沥青的“老化”老化机理：轻质组分挥发氧化、组分转化老化前老化后饱和分S芳香分A胶质S沥青质At胶质→沥青质芳香分→胶质老化性能评价方法：①蒸发损失试验插图4-17②薄膜加热试验TFOT插图4-17③旋转薄膜烘箱试验RTFOT插图4-18④PAV压力老化试验插图评价指标：质量损失针入度比延度4.1.3.8安全性——闪点和燃点4.1.3.9有效成分——溶解度4.1.3.7沥青的耐久性——沥青的“老化”图4-17沥青薄膜加热烘箱示意图试件：50g沥青试样试验条件：163℃，5h试验指标：质量损失针入度比延度膜厚度～3mm针入度皿～21mm图4-18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℃，75minPAV压力老化试验仪试件：RTFOT后的薄膜试样试验条件：90～110℃，20h，2.07MPa沥青闪点仪示意图4.1.4石油沥青的技术标准道路沥青的产品主要分级方法针入度分级粘度分级PG性能分级⑴针入度分级－P按所测得的沥青25℃针入度所处水平来划分沥青牌号⑵粘度分级－A按所测得沥青60℃粘度所处水平划分来沥青牌号☆AC－按新鲜沥青60℃粘度分级☆AR－按TFOT或RTFOT试验后残余物60℃粘度分级⑶性能分级PG按沥青所能够适应的最高和最低环境温度来划分沥青牌号道路沥青的产品主要分级方法⑴针入度分级－P按所测得的沥青25℃针入度所处水平划分沥青牌号⑵粘度分级－A按真空毛细管法所测得沥青60℃粘度所处水平划分沥青牌号☆按新鲜沥青60℃粘度分级(AC)；☆按薄膜烘箱(TFOT)或旋转薄膜烘箱(RTFOT)试验后残余物60℃粘度分级(AR)两种分级体系⑶性能分级PG按沥青所能够适应的最高和最低环境温度来划分沥青牌号道路沥青的产品主要分级方法我国石油沥青的技术标准重交通道路石油沥青质量要求按P25分级：AH-50、AH-70、AH-90、AH-110AH-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