Transcript 第二章沥青材料 - 山东建筑大学

第二章 沥青材料
山东建筑大学 交通工程专业
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道路建筑材料·沥青材料
学习内容
基本要求：
⑴ 了解道路石油沥青的生产工艺和组分分析方法；掌握道路石
油沥青的组成结构；
⑵ 掌握道路石油沥青技术性质(物理性质、路用性能—粘滞性、
感温性、耐老化性、粘弹性、低温性能、安全性、黏附性、溶解度、
含蜡量)及评价方法；
⑶ 掌握道路石油沥青的技术标准。
重点与难点：
道路石油沥青的技术性质以及评价方法。
2
道路建筑材料·沥青材料
主要内容
2.1 沥青基础知识
2.2 道路石油沥青生产工艺及组成结构
2.3 道路石油沥青技术性质
2.4 改性沥青与乳化沥青
2.5 小结与习题
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道路建筑材料·沥青材料
2.1 沥青基础知识
1. 沥青材料的定义
黑色或暗黑色固体、半固体或者粘稠状物质，由天然或人工制造而得，主
要由高分烃类组成。
2. 沥青材料的分类
⑴ 天然沥青：一般存于岩石裂缝、地面或形成湖泊；
 地下原油通过岩石裂缝渗透到地表，其轻质油蒸发，残留物经氧化后形成；

特立尼达湖沥青；四川青川沥青矿、新疆克拉玛依乌尔木沥青湖；
⑵ 焦油沥青：
 煤、木材、页岩炭化或减压蒸馏得到；

煤焦油、松节油，页岩沥青；
使用最广泛
课程主要内容；
⑶ 石油沥青：
 石油加工所得的渣油或由渣油氧化所得产物；

普通沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青等；
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道路建筑材料·沥青材料
Ⅰ石油沥青的分类：


加工工艺不同：
环烷基和中间基
原油较适合生产
优质道路沥青；

直馏沥青：性质与原油来源有关；

氧化沥青：主要用于生产建筑沥青或低标号道路沥青；

调和沥青：关键在于组分的配伍性，混合均匀；

溶剂脱沥青：
形态不同：

粘稠沥青：使用广泛；

液体沥青：通常的乳化沥青，用于路面养护

用途不同：道路沥青、建筑沥青、水工、防腐沥青；

是否加入高分子添加剂：普通沥青与改性沥青
5
Ⅰ石油沥青的分类：


普通沥青：
SBS类、SBR类及
EVA、PE类有国家规
范，其余仅为指南；

针入度分级：A70#，A90#，A110#；

PG性能分级：PG64-22，PG58-22；
改性沥青：向普通沥青中加入一定高分子改性剂；

橡胶类：SBR类；

热塑性树脂类：EVA、PE类；

热塑性橡胶类：SBS类；

其他改性沥青材料：岩改性沥青、橡胶改性沥青；
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道路建筑材料·沥青材料
Ⅱ 石油沥青的发展及我国使用情况：

石油沥青的发展历史

公元前1600年，约旦河上游沥青矿—制涂料；

公元前600年，巴比伦—沥青铺筑路面，不久失传；

1681年，英国人研发出煤焦油沥青；

1866年，匹兹堡沥青诞生—硫磺与沥青共热，硫磺改性沥青；

1870年，开始开采特立尼达湖沥青，年产10万吨；

1894年，柏尔来沥青诞生—氧化沥青；

1876年，美国华盛顿特区宾夕法尼亚大道第一个单层沥青路面；

1901年， Warrin兄弟开始用沥青混凝土铺路；

1902年，加利福尼亚修建38座沥青炼厂；

1960年，开始使用全厚度沥青路面；

70年代，奥地利开始尝试用聚合物改性沥青；
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道路建筑材料·沥青材料
Ⅱ 石油沥青的发展及我国使用情况：

我国道路石油沥青使用情况
2021
456
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道路建筑材料·沥青材料
2.2 道路石油沥青生产工艺及组成结构
1. 石油沥青生产工艺


常减压工艺：

直馏沥青或普通道路沥青；

生产原理：蒸馏将原油中高沸点组分浓缩，减压塔底渣油—沥青；
氧化工艺：

生产建筑沥青或低标号道路沥青；

生产原理：高温渣油吹空气氧化生产的高软化点沥青；

溶剂脱沥青工艺：通过调和或氧化生产合格道路沥青；

调和工艺：以沥青四组分作为调和依据，使组分配伍性良好；
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道路建筑材料·沥青材料
沥青生产流程
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道路建筑材料·沥青材料
常减压工艺
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常减压工艺
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道路建筑材料·沥青材料
2. 石油沥青的组成结构
⑴ 元素组成

主要是C、H；少量杂原子S、N和O；微量金属元素Fe、Ni、V；
元素组成与沥青的技术性质相关性较差；
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道路建筑材料·沥青材料
2. 石油沥青的组成结构
⑵ 族组成

沥青是一种复杂混合物，一般的化学分析方法难以将其分离；

化学族组成分析

定义：物理和化学特性相近似的化合物集合体——族；

分析原理：不同分子大小、极性及分子空间构型不同；

族组成分析方法：四组分分析法
吸附法：沥青在吸附剂上的吸附性不同及抽提溶剂中溶解度不同而分离；
色谱法：液固吸附色谱进行梯度冲洗；

常用四组分分析法(SARA法)：
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道路建筑材料·沥青材料
沥青四组分分析法
 液相冲洗色谱柱；
 SARA法将沥青分
饱和分
油分
芳香分
胶质
沥青质
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道路建筑材料·沥青材料
沥青四组分结构特点
沥青质
胶质
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道路建筑材料·沥青材料
溶剂溶解的沥青质
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道路建筑材料·沥青材料
沥青四组分结构特点
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道路建筑材料·沥青材料

沥青四组分特点：



饱和分S：

直链和支链脂肪烃及烷基、环烷基烃；

温度敏感性差；S%越大，沥青越软； 占5-20%；起软化沥青质-胶质的作用；
芳香分A：

沥青中最低的分子量的环烷芳香化合物；

非极性较强，对高分子有强的溶解能力；A%越大，沥青越软； 沥青中占30-45%；
胶质R：



溶于正庚烷，极性强，粘结力强，是沥青的胶溶剂；
化学稳定性差，易氧化缩合，具有很好的粘附性； 沥青中占30-40%；
沥青质AT：

溶于苯或甲苯，不溶于正庚烷；

AT%增加，沥青硬度增大，对沥青的感温性有好的影响；但过高，使沥青较脆；

沥青中占5-20%；
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道路建筑材料·沥青材料
常见沥青的族组成
注：C5戊烷沥青质比C7庚烷沥青质数值要大；
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道路建筑材料·沥青材料
沥青中的蜡

定义：
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：

正构烷烃及长烷基侧链的少环烃类为主。

相对其他组分其结构和组成相对简单；
特点：

高温易软化，使沥青粘度降低，温度敏感性增大；

低温时结晶，降低沥青的低温延展能力，柔韧性变差；

降低沥青与集料的粘附性；
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道路建筑材料·沥青材料
蜡晶体的不同几何结构
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道路建筑材料·沥青材料
2. 石油沥青的组成结构
⑶ 沥青的胶体结构
胶体理论：多数沥青为胶体体系，以沥青质为胶核，胶质吸附在
沥青质周围，饱和分、芳香分作为分散介质，包裹外围，从而形成
稳固的胶体结构；
简单的胶体模型
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道路建筑材料·沥青材料
溶胶型沥青及凝胶型沥青示意图
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道路建筑材料·沥青材料
扫描电子显微镜SEM观测的凝胶型沥青
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道路建筑材料·沥青材料
不同胶体结构的沥青特点：



溶胶型沥青：

沥青质含量<10%，分子尺寸与胶质相近，饱和分与芳香分溶解能力强；

沥青胶束分散度高，胶束可自由移动，具有牛顿流体特性；

对温度变化敏感；
凝胶型沥青：

沥青质含量很大，超过25%，胶质不足以裹覆沥青质使其胶溶；

沥青质胶团相互连接，沥青胶束移动较困难，呈非牛顿流动特性；

较好的温度敏感性，高温下粘度较大，低温下较脆，柔韧性差；
溶凝胶型沥青：

沥青质含量适中，沥青中存在的网络结构相对较松散；

常温时，变形初期有明显的粘弹性，

高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的形变能力；
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道路建筑材料·沥青材料
沥青胶体结构的评价方法


胶体结构的判断——针入度指数法：

PI值<-2时，溶胶型沥青；

PI值>2时，凝胶型沥青，

PI在-2～2时，溶胶—凝胶型沥青；
PI指数的计算：

通常采用针入度实验来确定确定：

计算公式：
30
PI 
 10
1  50 A
式中：P—— 沥青针入度，0.1mm；
A—— 针入度-温度感应性系数；
T—— 针入度的实验温度，℃；
lg P1  lg P2
A
T1  T2
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道路建筑材料·沥青材料
小结
 道路石油沥青沥青的化学族组成；
 四组分分析方法；
 饱和分、芳香分、胶质、沥青质分别起的作用；
 道路石油沥青的胶体结构；
 溶胶型沥青：沥青质少，抗冻，高温粘度低；
 凝胶型沥青：沥青质多，低温较脆；
 溶凝胶型沥青：
 PI指数的判定及其计算；
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2.3 道路石油沥青技术性质
1.物理性质

密度
体膨胀系数
 介电常数

29
2.3 道路石油沥青技术性质
2.路用性质

粘滞性——粘度表征
测定方法
(1) 毛细管粘度法
(2) 真空减压毛细管法
(3) 布氏粘度
(4) 标准粘度
(5) 针入度
沥青绝对粘度概念图
(6) 软化点
30
2.路用性质——粘滞性

真空减压毛细管法——60℃动力粘度，Pa.s，高温指标
31
2.路用性质——粘滞性

针入度——分级指标P25℃，100g，5s
0 sec
100 g
penetration
5 sec
100 g
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2.路用性质——粘滞性

软化点——环球法软化点，高温指标
实验过程：
制模；空气中0.5h，热刮刀切
模，温度浴中护15min；
实验条件：
SP<80℃，5℃水中养护；
SP>80℃，32℃甘油中养护；
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2.路用性质

沥青低温性能

测定方法： 延性(延度)、脆性、弯曲梁流变实验 BBR；

沥青低温蠕变劲度：BBR测定
•
蠕变劲度定义：
S ，沥青劲度模量，Pa；
δ，应力，Pa；
ε，应变；
T ，温度，℃；
t ，荷载时间，s；
•
意义：表征沥青在某一温度和某一荷载作用时间的应力与应变关系，是
反映沥青粘性和弹性联合效应的指标。
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2.路用性质

沥青低温性能

测定方法： 延性(延度)、脆性、弯曲梁流变实验 BBR；
延度测定
35
2.路用性质

沥青低温性能

测定方法： 延性(延度)、脆性、弯曲梁流变实验 BBR；
BBR测定沥青蠕变劲度
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2.路用性质

沥青感温性能——针入度指数PI
lgP  AT  K
A
A：针入度—温度敏感性系数；
P：沥青在某一温度下针入度；
lg 800 lg P25℃，
100 g，
5s
A
TR &B  25
lg P1  lg P2
T1  T2
30
PI 
 10
1  50 A
37
2.路用性质

沥青耐久性

定义：沥青运输、加热、拌合、碾压及自然条件作用发生物理化
学变化而变硬、变脆的现象；

影响因素：温度、空气、水、时间

评价方法
(1) 薄膜烘箱试验 TFOT
(2) 旋转薄膜烘箱试验 RTFOT
(3) 压力老化试验 PAV
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2.路用性质——耐久性
39
2.路用性质

沥青粘弹性

定义：低温时表现为弹性，高温时表现为粘性，常温粘弹性共存

测定：动态剪切流变仪DSR
40
2.路用性质

沥青粘附性

粘附原因：沥青偏酸性，与碱性石料产生强化学吸附；

粘附性差：导致沥青路面松散；

实验方法
水煮法水浸法、光电分光光度法。
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3.道路石油沥青的技术要求


道路石油沥青的分级体系
针入度分级：

分级指标：25℃针入度划分沥青标号；

技术要求：JTG F40-2004

粘度分级：以60℃粘度大小划分沥青标号；

PG分级：ASTM D6373
技术指标
符号
实验仪器
试验目的
抗车辙因子
G*/sinσ
DSR
高温性能
抗疲劳因子
G*×sinσ
DSR
中温疲劳特性
蠕变劲度变化率
m
BBR
低温性能
蠕变劲度
S
BBR
低温性能
粘度
η
布氏粘度计
施工和易性
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3.道路石油沥青的技术要求
我国道路石油沥青的技术要求
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2.4 改性沥青与乳化沥青
1. 改性沥青：
定义：向普通沥青中加入一定高分子改性剂；
分类：
•
橡胶类：SBR类；
•
热塑性树脂类：EVA、PE类；
•
热塑性橡胶类：SBS类；
•
其他改性沥青材料：岩改性沥青、橡胶改性沥青等；
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道路建筑材料·沥青材料
2. 乳化沥青

定义：粘稠沥青经热融和机械作用以微滴状态分散于含有
乳化剂—稳定剂的水中，形成水包油的沥青乳液；

形成机理：

应用：主要应用于路面养护；
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2.5 小结与习题
重点：
1.评价沥青高温、低温、温度敏感性、施工和易性、耐久
性的常用指标；
2. 什么是三大指标，简述实验过程；
3. 道路沥青的分级体系有几种，并简述其技术指标及其指
标的意义；
作业：P92 2-15
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本章结束
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