道路建筑材料-第4章沥青

朱云升1第4章沥青材料主要内容‰‰石油沥青的组成与性能的关系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沥青的技术性质和技术指标‰‰改性沥青与乳化沥青改性沥青与乳化沥青朱云升2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朱云升31．按照沥青用途分类：道路沥青：用于铺筑道路路面的沥青建筑沥青：用于防水防潮，知道防水材料机场沥青：铺筑机场道面其他沥青：其他领域（水利中的水工沥青、电缆沥青、管道防腐沥青、油漆沥青等）4．1沥青材料的分类朱云升4①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2．按照沥青来源分类：4．1沥青材料的分类朱云升5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4．1沥青材料的分类朱云升6（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4．1沥青材料的分类朱云升7（2）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＋4．1沥青材料的分类朱云升87.920.9153770121167217280050100150200250300196019651970197519801985199019952000年份我国道路沥青生产量道路沥青产量万吨2008年848万吨4．1沥青材料的分类朱云升94.2石油沥青4.2.14.2.1石油沥青生产工艺石油沥青生产工艺4.2.1.1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：相对密度朱云升10基属分类：由两个关键馏分的特征参数确定第一关键馏分基属第一关键馏分基属石油基属石油基属石蜡基（石蜡基（PP））中间基（中间基（MM））环烷基（环烷基（NN））石蜡基石蜡基（（PP））石蜡基（石蜡基（PP））中间中间——石蜡基石蜡基（（MM--PP））——中间基中间基（（MM））石蜡石蜡——中间基中间基（（PP--MM））中间基中间基（（MM））环烷基环烷基——中间基中间基（（NN--MM））环烷基环烷基（（NN））——中间中间——环烷基环烷基（（MM--NN））环烷基（环烷基（NN））第二第二关键关键馏分馏分基属基属4.2石油沥青朱云升112)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4.2石油沥青朱云升124.2.1.2石油沥青生产工艺概述朱云升13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4.2石油沥青朱云升144.2.2石油沥青的化学组成和结构4.2.2.1石油沥青的化学元素组成主要化学元素主要化学元素：：碳C氢H硫S氧O氮N82～88%；8～11%；0～6%；0～1.5%；0～1%微量金属元素微量金属元素：：钒、镍、铁、镁和钙碳氢比碳氢比：：C/H•大庆石油沥青：C/H=0.657•某环烷基石油沥青：C/H=0.7104.2石油沥青朱云升154.2.2.2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•胶质（树脂或极性芳烃）：半固体或液体状的黄色至褐色的粘稠状物质，极性很强。含量15％～30％胶质是沥青的扩散剂＆胶溶剂，胶质＆沥青质的比例在一定程度上决定沥青是溶胶或者凝胶的特性，胶质可以赋予沥青可塑性、流动性、粘结性，对沥青的延性、粘结力有很大影响4.2石油沥青朱云升16•沥青质：深褐色至黑色的无定形物质，比重大于1，不溶于乙醇、石油醚，易溶于苯、氯仿、四氯化碳等。复杂的芳香分物质，极性很强，含量5％~25%，含量对流变性能影响较大。沥青质的存在对沥青的粘度、粘结力、温度稳定性有很大影响，优质沥青必须含有一定量沥青质。•芳香分：深棕色粘稠液体，含量40％～65％。由沥青中最低分子量的环烷芳香化合物组成，是胶溶沥青质的分散剂•饱和分：是一种非极性稠状油类，由直链烃＆支链烃组成，对温度敏感饱和分＆芳香分都作为油分，在沥青中起到润滑＆柔软作用，油分含量多，沥青软化点低，针入度高，稠度低腊分：以纯正构烷烃或接近纯正构烷烃的其他类烃为主，对沥青流变性、低温性能、界面性质、胶体结构影响大4.2石油沥青朱云升17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4.2石油沥青朱云升18•由于沥青的苯溶液具有丁铎尔现象，说明沥青溶液也是一种胶体溶液•显微镜观察沥青溶液，认为沥青质是分散相、油分是分散介质，但沥青质＆油分不亲和，混合后不能形成稳定体系，沥青质极易发生絮凝。胶质对沥青质＆油分亲和，胶质包裹沥青质形成胶团分散在油分中形成稳定胶体。在胶团结构中从核心到油分是均匀的、逐步递变的，并无明显分界层。•沥青各组分的数量及胶体芳香化程度决定了胶体的结构类型4.2.2.3沥青的胶体结构4.2石油沥青朱云升191)溶胶型结构溶胶型沥青：当油分胶质足够多时，沥青质形成的胶团全部分散，胶团能在分散介质的粘度许可范围内自由运动。特点是沥青质少，芳香树脂较多，具有良好的粘结性，温度敏感性强。当对其施加荷载时，几乎没有弹性效应，剪应力(r)与剪变率(y)成直线关，呈牛顿流型流动，所以这类沥青也称为“牛顿流沥青”4.2石油沥青朱云升202)凝胶型结构油分与胶质很少，胶团浓度相对增加，相互之间靠拢较近，胶团会形成不规则的骨架结构，胶团移动比较困难。特点是弹性好，温度稳定性好，具有触变现象。但是如果沥青中含有较多芳香树脂，即使沥青质含量大，胶团的吸引力也小，也不能形成凝胶型结构。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4.2石油沥青朱云升213)溶凝胶型结构沥青中沥青质含量适当(例如在15％-25％之间)，并有较多数量芳香度较高的胶质。这样形成的胶团数量增多，胶团的浓度增加，胶团距离相对靠近，他们之间有一定的吸引力。特点是比溶胶型沥青稳定，粘结性＆感温性都比较好。这类沥青的路用性能，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。4.2石油沥青朱云升22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4.2石油沥青朱云升234.2.3石油沥青的物理性质1）密度：普遍认为道路沥青的密度，是沥青分子致密程度的指标，也是沥青质量性能的指标，它是以15℃作为测定标准的。沥青的相对密度(比重)也是沥青的一项基本数据，它是沥青密度与水的密度之比，通常的测定条件为25℃/25℃。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是必不可少的参数。在沥青使用、贮存、运输、销售和设计沥青容器时，比重的数据也是不可缺少的。4.2石油沥青朱云升24•首先，沥青的密度和比重的测定温度不一样，其间可以进行换算•沥青比重(25℃)＝沥青密度(15℃)×0.996•此式已列入(公路工程沥青及沥青混合料试验规程)(JTJ052-2000)•d沥青质＞d胶质＞d芳香分＞d饱和分4.2石油沥青朱云升25沥青密度一般在1.0左右，但是由于沥青的化学成分不同，其密度又有所差别，许多研究表明，沥青密度大体有以下几条规律：•与芳香族含量有关，芳香族含量越高，沥青密度密度越大•与各组分之间比例有关，沥青质含量越高，其密度越大•与含腊量有关，由于腊的密度小，含腊量高的沥青密度小•与含硫量有关，硫含量增加，沥青密度增大•与稠度有关，稠度越大密度越大4.2石油沥青朱云升262）比容与热胀系数•比容：沥青的比容是密度的倒数，即单位质量的体积，它随温度的升高而增大。•热胀系数：沥青每升高1℃增加的体积即沥青的热膨胀系数。道路沥青的体积膨胀系数一般可取6×10-4ml/℃4.2石油沥青朱云升273）比热和热传导系数•比热：物质在被加热时，物质的热量增加，温度上升，单位物质升高1℃所吸收的热量，称为热容量，每lg物质的热容量即为比热。•热传导系数：当体系内部存在温度梯度时，热量从温度高的部位单方向地向温度低的部位传递，单位面积内单位时间所传递的热量称为热通量，它与用温度梯度dT／dx表示的温度差成正比，其比例系数称为热传导系数。道路沥青的比热和热传导系数，在计算沥青加热和保温贮存时所需要的能量时是重要参数。导热系数对沥青路面温度变化时的热传导有一些影响，热传导系数大的沥青路面在降温过程中，可以加快热量传播，温度应力得以扩散，减轻路面开裂的可能性。4.2石油沥青朱云升284）介电常数•介电常数试验是在两块平行板电容器之间的空隙中填充沥青试样，施加一个电位差穿过平行板，则沥青的介电常数由下式计算：•介电常数＝沥青作为介质时平行板电容器的电容/真空作介质时相同平行板电容器电容•研究表明沥青的对氧、雨、紫外线等的耐气候老化能力与它的介电常数密切相关，从试验路段上取样发现，路面的抗滑性能(构造深度)与沥青的介电常数有关，而与沥青标号无关4.2石油沥青朱云升295）表面张力•一般表面张力是液体与空气间的力，沥青的表面张力与温度等因素有关，沥青的表面张力对于沥青与石料的粘附性有重要意义。•由于沥青的粘度大，在室温下无法测试表面张力，必须在较高温度（100℃以上）下测定。沥青的表面张力随温度上升而减小，二者之间有良好的线性关系，因此可以通过高温下的表面张力延长关系线求得常温下的表面张力。4.2石油沥青朱云升306）溶解度•在各国的沥青标准中几乎都有沥青溶解度指标，规定不小于99.0％，其主要目的是测试沥青产品的纯净程度。•多年来，我们从未发现过有溶解度指标不合格的情况，试验结果都能大于99.0％，一般都在99.5％以上。因此从这个角度看溶解度指标是没有意义的。•常用溶剂包括：三氯乙烯、四氯化碳、苯、三氯甲烷、石油醚、二硫化碳、二氯甲烷等，使用较多的还是三氯乙烯4.2石油沥青朱云升314.2.4石油沥青的技术指标和技术要求各国对于道路石油沥青，都有自己的标准，除了个别国家采用了一些特殊的指标外，基本上没有太大的差别，但是由于各国的具体情况不同，尤其是所采用的原油不同，沥青厂的生产水平不同，以及长期来的习惯不同，各相关指标略有些差别。主要有针入度级指标＆粘度分级指标以及PG性能分级指标三大类。我国主要采用针入度级指标。4.2石油沥青朱云升32道路沥青的产品主要分级方法道路沥青的产品主要分级