道路建筑材料_申爱琴_授课教案幻灯片第2章沥青材料(2)

第二章第二章沥沥沥沥沥沥沥沥青青青青青青青青材材材材材材材材料料料料料料料料道路建筑材料·沥青计划课时与上课手段：本章计划用8个课时。以课堂授课、习题练习和试验室操作相结合的方法进行教学，其中课堂教学6学时。学习目的与任务：本章应掌握石油沥青的组成、技术性质和技术标准，在此基础上了解聚合物改性沥青和乳化沥青的技术性质和技术标准。道路建筑材料·沥青前言前言111111111111石油沥青的组成石油沥青的组成222222222222石油沥青的技术性质石油沥青的技术性质333333333333道路建筑材料·沥青第一节前言道路建筑材料·沥青第一课时道路建筑材料·沥青沥青定义沥青定义沥青定义沥青定义：沥青是黑色或暗黑色固体、半固体或粘稠状物，由天然或人工制造而得，主要为高分烃类所组成，完全溶解于二硫化碳。沥青分类：石油沥青：地壳中的原油，经开采加工得到的沥青。可以从生产工艺中考虑。天然沥青：当地下原油通过岩石裂缝渗透到地表后并长期暴露在大气中时，其中所含轻质部分蒸发，而残留物经氧化后成为天然沥青，一般存在于岩石裂缝中、地面上或形成湖泊，如著名的特立尼达湖沥青。焦油沥青：是煤、木材、页岩等有机物经干馏加工而得到的焦油再加工所得的产物。第二节第二节石油沥青的组成石油沥青的组成道路建筑材料·沥青一、元素和组分1.石油沥青的元素组成石油沥青是十分复杂的烃类和非烃类的混合物混合物混合物混合物，是石油中相对分子量最大、组成及结构最为复杂的部分。主要原子：C、H，杂原子：S、N、O。微量金属元素：V、Ne、Fe、Na、Ca、Cu等。不同产地沥青性质差异非常大，但元素组成相近。——元素的数量组成与沥青性质关系不明确。元素组成与性质无明显关联。道路建筑材料·沥青道路建筑材料·沥青22．沥青的化学组分．沥青的化学组分（（11）石油沥青的化学组成）石油沥青的化学组成①①三组分分离法三组分分离法吸附法吸附法：以沥青在吸附剂上的吸附性和在抽提溶剂中溶解性的差异为基：以沥青在吸附剂上的吸附性和在抽提溶剂中溶解性的差异为基础。例如先用低分子烷烃沉淀出沥青质，再用白土吸附可溶分，础。例如先用低分子烷烃沉淀出沥青质，再用白土吸附可溶分，将其分成吸附部分将其分成吸附部分————胶质和未被吸附部分胶质和未被吸附部分————油分，这样，可油分，这样，可将沥青分成三组分。将沥青分成三组分。②②四组分分离法四组分分离法色谱法色谱法：该方法分为两大步骤。：该方法分为两大步骤。第一步，用正庚烷使沥青中的沥青质沉淀并定量；第一步，用正庚烷使沥青中的沥青质沉淀并定量；第二步，对可溶分用中性氧化铝为吸附剂，在液固色谱柱中，以正庚烷第二步，对可溶分用中性氧化铝为吸附剂，在液固色谱柱中，以正庚烷（或石油醚）、甲苯、甲苯一乙醇（（或石油醚）、甲苯、甲苯一乙醇（11：：11）、甲苯）、甲苯——乙醇为冲乙醇为冲剂，梯度冲洗出饱和分、芳香分和胶质馏分，分别除去溶剂后定剂，梯度冲洗出饱和分、芳香分和胶质馏分，分别除去溶剂后定量。对于低沥青质含量（小于量。对于低沥青质含量（小于10%10%）的沥青可以省略第一步，直）的沥青可以省略第一步，直接在色谱柱中进行冲洗。由此得到饱和分（接在色谱柱中进行冲洗。由此得到饱和分（SS）、芳香分（）、芳香分（ArAr））胶质（胶质（RR）和沥青质（）和沥青质（AtAt）共四组分，又称为）共四组分，又称为SARASARA分析。这一分分析。这一分析方法得到广泛应用，如美国析方法得到广泛应用，如美国ASTMD4124ASTMD4124——9797和我国和我国SH/TSH/T05090509——9292（（19981998）就是沥青四组分分析的标准试验方法。）就是沥青四组分分析的标准试验方法。道路建筑材料·沥青（2）四组分的结构和特征①沥青质沥青质：是不溶于正庚烷而溶于苯（或甲苯）的黑色或棕色的无定型固体，除含有碳和氢外，还有一些氮、硫、氧。形态：固体粉末分离：在正庚烷中沉淀分子量：1000～100000颗粒粒径：5～30mm原子：C/H:1.6～2.8，绝大部分由C、H组成。含量：5～25％，石蜡基原油1％，中东原有生产的沥青5％。特点：极性很强。随着沥青质含量的增加，沥青的粘结力、粘度增加，温度稳定性、硬度提高。针入度小、软化点高。道路建筑材料·沥青②胶质胶质：也称为树脂，有很强的极性。这一突出的特性使胶质有很好的粘结力。胶质是沥青的扩散剂或胶溶剂，胶质与沥青质的比例在一定程度上决定沥青是溶胶或是凝胶的特性。胶质赋予沥青以可塑性、流动性和粘结性，对沥青的延性、粘结力有很大的影响。形态：深棕色固体或半固体，极性很强。具有很好的粘附力。分离：溶解于正庚烷。分子量：1000～50000颗粒粒径：1～5mm原子：C/H:1.3～1.4，大多由C、H组成，含少量的O、S、N。③芳香族芳香族：是由沥青中最低的分子量的环烷芳香化合物组成，是胶溶沥青质的分散介质的主要部分。形态：深棕色的粘稠液体。含量：占沥青总量的20％～50％。分子量：300～2000结构：分子量最低，环烷芳香化合物组成，是胶融沥青质的分散介质的组要成分。非极性碳链，溶解力很强。道路建筑材料·沥青④饱和分饱和分：是由直链或支链脂肪属烃以及烷基环烃和一些烷基芳香烃组成的，它们是非极性稠状油类，呈稻草色或白色。形态：稻草色或白色，非极性稠状油类。含量：占沥青总量的5％～20％。分子量：300～2000结构：直链和支链脂肪属烃及烷基环烃和一些烷基芳香烃组成。作用：软化胶质和沥青质。⑤蜡分蜡分：是指沥青除去沥青质和胶质后，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，其主要是高熔点的烃类混合物结构：结构较简单，正构烷烃及长烷基侧链的少环烃类为主。特点：高温易软化，低温延展性降低，影响沥青与矿料粘结，水稳性差。原因：原油，石蜡基。道路建筑材料·沥青道路建筑材料·沥青道路建筑材料·沥青二、沥青的胶体结构胶体理论：大多数沥青属于胶体体系，它是由相对分子量很大，芳香性很高的沥青质分散在分子质量较低的可溶性介质中形成的。沥青中不含沥青质，只有单纯的可溶质时，沥青则只具有粘性液体的特征而不成为胶体体系。沥青质分子由于对极性强大的胶质具有很强的吸附力，因而形成了以沥青质为中心的胶团核心，而极性相当的胶质吸附在沥青质周围形成中间相。由于胶团的胶溶作用，而使胶团弥散和溶解于分子量较低、极性较弱的芳香分和饱和分组成分散介质中，形成了稳固的胶体。根据胶团粒子大小、数量及其在连续相中的分散状态，沥青的胶体结构可分为三种类型。第二课时道路建筑材料·沥青1．溶胶型沥青概念：当沥青质的含量不多（小于10%），相对分子量不很大，或分子尺寸较小，与胶质的相对分子质量相近时，饱和分和芳香分的溶解能力很强，分散相和分散介质的化学组成比较接近，这样的沥青分散度很高，胶团可以在连续相中自由移动自由移动自由移动自由移动，近似真溶液，具有牛顿流动特性，粘度与应力成比例，称之为溶胶型沥青。特点：这类沥青对温度的变化敏感，高温时粘度很小，低温时由于粘度增大而使流动性变差，冷却时变为脆性固体。溶胶型沥青结构示意图见图2-5。2．凝胶型沥青概念：当沥青质含量很大，达到或超过25%~30%时，胶质的数量不足以包裹在沥青质周围使之胶溶胶溶胶溶胶溶，沥青质胶团会相互连结，形成三维网状结构，胶团在连续相中移动比较困难，此时就形成了凝胶型沥青。特点：这类沥青在常温下呈现非牛顿流动特性，并具有粘弹性和较好的温度稳定性。随着温度的升高，连续相的溶解能力增强，沥青质胶团可逐渐解缔，或胶质从沥青质吸附中心脱附下来。当温度足够高时，沥青的分散度加大，沥青则又可近似真溶液而具有牛顿流特性。道路建筑材料·沥青3．溶—凝胶型沥青概念：当沥青或沥青质中含有较多的烷基侧链，生成的胶团结构比较松散，可能含有一些开式网状结构，网状结构的形成与温度密切相关，在常温时，在变形的最初阶段表现出明显的弹性效应，但在变形增加至一定阶段时，则表现为牛顿液体状态。特点：高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的形变能力。高分子溶液学说理论认为，沥青是以高分子量的沥青质为溶质，以低分子量的软沥青质（树脂和油分）为溶剂的高分子溶液。当沥青质含量很小，沥青质与软沥青质溶解度参数很小时能够形成稳定的真溶液。这种高分子溶液的特点是对电解质稳定性较大，而且是可逆的，也就是说，在沥青高分子溶液中，加入电解质并不能破坏沥青的结构。当软沥青质减少，沥青质增加时，为浓溶液，即凝胶型沥青；如果沥青质减少，软沥青质增加时则为稀溶液，溶胶型沥青即可视为稀溶液。介乎二者之间的即溶凝胶型沥青。沥青的胶体结构与沥青的技术性质有密切关关系，但从化学角度来评价沥青的胶体结构是很困难的，常采用针入度指数（PI）法、容积度法、絮凝比一稀释度法等来评价胶体结构类型及其稳定性。有的学者不采用胶体结构学说，而采用高分子溶液学说进行研究。道路建筑材料·沥青第三节石油沥青的技术性质道路建筑材料·沥青第三课时道路建筑材料·沥青一、沥青的物理性质1．密度概念：沥青密度是在规定温度规定温度规定温度规定温度下单位体积所具有的质量，单为为t/m3或g/cm3，我国现行试验方法（JTJ052T0603—1993）规定的温度条件为15℃。也可用相对密度表示，相对密度是指在规定温度下，沥青质量与同体积的水质量之比值。影响因素：沥青的相对密度与沥青的化学组成有密切的关系，它取决于沥青各组分的比例及排列的紧密程度。沥青中含硫量大、芳香族含量高、沥青质含量高则相对密度较大；蜡分含量较多则相对密度较小。用处：沥青的密度是沥青在质量与体积之间互相换算以及沥青混合料配合比设计时必不可少的重要参数。在沥青使用、贮存、运输、销售和设计沥青容器时也是不可缺少的数据。特点：密度随温度的升高而降低，体积膨胀。道路建筑材料·沥青2．体膨胀系数概念：当温度上升时，沥青材料的体积发生膨胀。作用：对于沥青与储罐的设计和沥青作为填缝、密封材料是十分重要的数据，与沥青路面的路用性能也有密切的关系，体膨胀系数越大，沥青路面在夏季易泛油，冬季因收缩而产生裂缝。计算：沥青的体膨胀系数可以通过测定不同温度下的密度，由式（2-2）计算。(2-2)式中：A——沥青的体膨胀系数；T1,T2——密度测试温度，℃；DT1,DT2——分别为温度T1和T2时的密度，g/cm3。3．介电常数概念：沥青的介电常数与沥青对氧、雨、紫外线等的耐候性（耐老化性）有关，介电常数定义为：英国道路研究所（TRRL）研究认为，沥青路面的抗滑阻力的改善与介电常数有关，因此英国标准对道路用沥青介电常数提出了要求。行板电容器的电容真空作为介质时相同平电容器的电容沥青作为介质时平行板道路建筑材料·沥青二、沥青的路用性能1.粘滞性（1）沥青粘滞性的定义粘滞性：是指沥青材料在外力作用下沥青粒子产生相互位移的抵抗剪切变形抵抗剪切变形抵抗剪切变形抵抗剪切变形的能力。沥青作为胶结材料，应将松散的矿质材料胶结为一整体而不产生位移。如图2-7所示，在金属板中夹一沥青层，当其受到简单剪切变形时，沥青在高温时表现为牛顿流状态，按牛顿粘度公式表征沥青层抵抗移动的抗力由式（2-3）表示。（2-3）式中：F——引起沥青层移动的力（亦即等于沥青抵抗移动的抗力），N；A——沥青层的面积，m2；dv/dy——速度变化梯度（即剪变率），s-1；η——沥青的内摩阻系数（即沥青的动力粘度），pa·s。由于，代入式（2-3），沥青的粘度由式（2-4）表示。（2-4）式中：η——沥青的动力粘度，pa•s。τ——剪应力，N/m2；——剪变率，s-1。yvddAF•=ηγτη&/=γ&第四课时道路建筑材料·沥青（2）沥青粘度的测定方法沥青的粘度随温度而变化，变化的幅度很大，因而需采用不同的仪器和方法来测定。为了确定沥青60℃粘度分级，国际普遍采用真空减压毛细管粘度计测定其动力粘度（pa·s），还有布洛克菲尔德粘度计方法用以测定其表观粘度。真空减压毛细管法真空减压毛细管法是测定沥青动力粘度的一种方法（JTJ052T0619—2000）。该法是沥青试样在严密控制的真空装置内，保持一定的