Transcript 第四章沥青材料二、分类一

第四章
沥青材料
一、概念:沥青材料是一种有机胶凝材料，其内部组成
是一些十分复杂的碳氢化合物及其非金属衍
生物的混合物。
二、分类
第二节
石油沥青 Petroleum asphalt
一、生产工艺
原油
常压塔
减压塔
溶剂膜
溶剂沥青
沥青
直馏沥青
氧化塔
氧化沥青
二、分类
1.按原油成分：石蜡基沥青（含蜡量 > 5%）（蜡常温下以结晶
形式存在，降低沥青的黏结性和塑性）；
沥青基沥青或环烷基沥青（含蜡量 < 2%）；
混合基沥青或中间基沥青（含蜡量2% ~ 5%）：
（ 性质介于石蜡基和环烷基沥青之间）
2.按加工方法 ：直馏沥青：常压蒸馏或减压蒸馏或深拔装置
氧化沥青：在250℃ —300℃的高温下吹入空气，
经数小时氧化反应
溶剂沥青：用溶剂提取一部分石蜡
3.按沥青在常温下的稠度分类：
针入度>300，液体沥青
针入度<=300，黏稠沥青：
又分为固体沥青（<40）和半固体沥青(40-300)
三、石油沥青的组成
沥青分子通式是：Cn H 2n aOb Sc N d ，通常在石油沥
青中碳含量为80%-87%，氢为10%-15%，氧、硫、和氮的
含量少于3%。由于石油沥青化学组成结构的复杂性，工
程上常将沥青所含烃类化合物中化学性质相近的成分归
类分析，从而划分为若干组，即用组分进行分析。
1.三组分分析法
（1）油分：粘性液体，使沥青具有流动性
（2）树脂：半固体，有酸性和中性之分
酸性树脂（地沥青酸、地沥青酸酐）：提高黏附
性
中性树脂（含量多）：使沥青具有可塑性。
（3）沥青质：固体粉末，使沥青具有粘性和耐高温性，但也
降低沥青的塑性。 含量高，沥青变硬、变脆。
2.四组分分析法
沥青质、饱和分、芳香分、胶质
（1）饱和分：也称饱和烃。相当于油分，在老化过程
中基本不变。
（2）芳香分：亦称芳香烃。相当于油分的一种，
老化过程中部分会转变成胶质。
（3）胶质：相当于树脂。
（4）沥青质。
3.沥青的含蜡量（对路面性能的影响）
高温时，石蜡变软，导致沥青路面的高温稳定性降
低，出现车辙，另一方面，低温会使沥青变脆硬，导致路
面低温抗裂性降低，出现裂缝，且蜡会使石料与沥青之间
的粘附性降低，使路面石料与沥青产生剥落，造成路面的
破坏；石蜡的存在还会降低沥青路面的抗滑性能。
四、石油沥青的结构
1.胶体理论
沥青的胶体结构是以沥青质为胶核，胶质被吸附
其表面，并逐渐向外扩散形成胶团，胶团再分散于芳
香分和饱和分中。
2.胶体结构类型（三种）
a、溶胶型结构
b、溶－凝胶型结构
c、凝胶型结构
溶胶结构：沥青质含量少，饱和分和芳香分、胶质多。
凝胶结构：沥青质含量较多，并有相应数量的胶质形成
胶团，使得胶团的相互移动较困难。
溶-凝胶结构：适中（理想结构）。
3.胶体结构的评价方法——针入度指数（PI）
沥青的针入度指数和胶体结构类型
沥青的针入度指数 沥青胶体结构类型
＜－2
－2～＋2
溶胶
溶凝胶
＞＋2
凝胶
五、石油沥青的技术性质
1.黏滞性：指沥青在外力作用下抵抗变形的能力，其大小取决
于沥青的化学组分及温度。用黏度表示。
1）沥青的绝对黏度
（动力黏度）
2）沥青的相对黏度
（条件黏度）
技术指标：针入度 、黏度
沥青绝对黏度概念图
针入度 penetration
针入度试验适用于测定道路石
油沥青稠度，针入度划分沥青技术
等级的重要指标。
1）定义：在规定的温度和时
间内，附加一定质量的标准针垂直
贯入试样的深度，以0.1mm表示。
2）表示方法： PT ,m ,t
P(25 C ,100g,5s)  65
o
沥青针入度试验示意图
黏度 viscosity
1）定义：液态沥青在规定温度条件下，
通过规定的流孔直径，流出50ml体积所需
要的时间。（适用于测定液体石油沥青、软
煤
沥青等的黏度）
2）试验方法：标准粘度计法
CT ,d
3）表示方法：
C  100s
eg： 60 ,5
4）结论：
相同的温度和流孔条件下，流出时间
越长，表示沥青黏度越大。
道路标准黏度计
2.塑性
1）定义:沥青在外力作用下发生变形而不破坏的能力。
2）影响因素：沥青的组分及温度
3）衡量指标：延度
4）试验：延度仪测定
延度试件
结论：沥青延度越大，塑性越好，
柔性和抗断裂性能越好。
3.温度稳定性
定义：指沥青的黏滞性和塑性随温度升降而变化的性能。
1）高温敏感性（用软化点表示，单位：℃ ）
测定方法：环球法软化点仪；
以沥青由固化点到滴落点的温度间隔的87.21%为软
化点。
环球法的软化点仪
软化点越高，表明沥青的耐热性越好，即温度稳定性愈好。
沥青的三大指标：针入度、延度、软化点
2）低温抗裂性（用脆点表示）
脆点的表示：沥青材料由黏塑状态转变为固体状态达
到条件脆裂时的温度。
测定方法：弗拉斯脆点仪
要求沥青具有较高的软化点和较低的脆点。
4.加热稳定性
1）定义：沥青在过热或长时间加热过程中，会发生轻质馏分
挥发、氧化、裂化、聚合等一系列物理及化学变化，使沥青的
化学组成及性质相应地发生变化，称为沥青加热稳定性。
2）试验：按规定要进行对沥青的加热质量损失和加热后残渣
性质的试验
•对于道路石油沥青（黏稠沥青）：沥青的薄膜加热试验
•对于液体石油沥青：液体石油沥青蒸馏试验
测定：
1.质量损失百分率
2.针入度
3.延度（25℃）(cm)
4.延度（15℃）(cm)
5.安全性
1）指标:主要是闪点和燃点。
闪点：指加热沥青挥发出可燃气体与空气组成的混合气体在规
定条件下与火接触，产生闪光时的沥青温度。
燃点：指沥青加热产生的混合气体与火接触，持续燃烧 5s 以
上时的沥青温度，一般与闪点相差10℃。
2）闪点测定方法：克利夫兰开口杯式闪点测定仪
各种沥青的最高加热温度都必须低于其闪点和燃点。
6.溶解度
定义：石油沥青在三氯乙烯中溶解的百分率。（用以确定沥青含有
对筑路有利的有效成分的百分含量）
7.含水量
含水危害：1.施工中挥发太慢，影响施工速度
2.加热时“溢锅”易引起火灾
3.造成材料损失，影响沥青与矿质材料的粘结。
解决措施：在熔化沥青时，加快搅拌速度，促进水分蒸发，控制
加热温度。
粘稠沥青用水分测定仪测定，液体沥青可直接抽提。
8. 其他性能指标
（1）针入度指数（PI）：是表征沥青感温性和胶体结构的指标。
则：
l g p  AT  K
A-针入度温度感应性系数
试验研究认为，沥青达到软化点，
此时的针入度在600～1000之间，假定为
800（0.1mm），温度感应性系数A可由式：
A
lg 800 lg P( 25 C ,5 s ,100 g )
TR& B  25
得出：针入度指数
PI 
30
 10
1  50A
（2）劲度模量
定义：表示沥青的黏性和弹性联合效应的指标。
对于某一给定沥青材料而言，弹性变形部分和永久变形部分的
比例，取决于应力、荷载作用时间和温度。
 
Sb   
  t ,T
沥青的劲度与温度、荷载作用时间和沥青的流变类型（即
针入度指数PI）等参数有关，故：
Sb  f T , t , PI 
T—欲求劲度时的路面温度与沥青软化点之差值。
根据沥青材料的针入度指数(PI)、软化点、路面温度及荷载作用时
间（或频率）等因素，可通过劲度模量诺模图获得沥青的劲度模量。
（3）黏附性
直接影响沥青路面的使用质量和耐久性。
不仅与沥青的性质有关，而且与集料性质（酸碱性）也有关。
一般应优先使用碱性集料，当采用酸性石料时，可掺加
各种抗剥剂来提高黏附性。
试验方法：水煮法和水浸法
（4）老化
沥青在自然因素（热、氧化、光和水）作用下，产生不可逆
的化学变化，导致路用性能劣化，称之为老化。
其组分变化规律为：
油分  树脂  沥青质
饱和分，芳香分（较慢）  胶质（较快）  沥青质
沥青随着时间的进展，流动性和塑性将逐渐减小，硬脆性逐渐增
大，直至脆裂，导致路面、防水层产生裂缝等破坏等。
将沥青抵抗老化的能力称为大气稳定性，也是沥青材料的耐久性
指标。
沥青的大气稳定性以加热蒸发损失百分率和加热
前后针入度比来评定。
蒸发损失百分数愈小和蒸发后针入度比愈大，则表示沥青的
大气稳定性愈好，即‘老化”愈慢。
六、石油沥青的技术标准
1.道路石油沥青的技术标准
（1）分级：A、B、C三级，适用范围见表4-3；
（2）标号：根据针入度划分160号、130号、110号、90号、
70号、50号、30号七个标号。
随着标号增加，沥青的黏度减小（针入度增加），塑性
增加（延度增大），而温度稳定性变差（软化点降低）。
•
2.道路液体石油沥青的技术标准
按其凝结速度分快凝、中凝、慢凝三个等级
1.石油沥青的化学组分及其基本特征？
2.石油沥青的三大指标是什么？分别表示沥青的什么性
质？如何测定？
3.怎样划分石油沥青的标号？标号大小与沥青主要性质
间的关系如何？在施工中选用沥青时，是不是标号越高
的沥青质量越好？
2.石油沥青的三大指标是什么？分别表示沥青的什么性
质？如何测定？
针人度、延度、软化点统称为沥青的“三大指标”。
针入度表示固体或是半固体沥青的黏性指标 ，其实质反映了沥青
胶体结构的紧密程度，即胶团之间引力大小的性质。对于固态沥青主要
用针入度表示。数值愈大，表示沥青黏性愈小。液态沥青黏性用黏度表
示。
延度是表示沥青塑性指标，是指沥青受到外力作用时，产生连续变
形而不破坏，当外力撤消，能保持获得的变形的能力。
软化点是表示沥青温度敏感性的指标，是指沥青的黏性和塑性随温
度变化而改变程度的性能。软化点高，反映需要在较高温度作用下，才
会发生沥青的黏性流动，说明在这样的使用状态下，沥青的塑性和粘性
改变程度不大，即温度敏感性小。若在相同使用条件下，沥青的软化点
低，则塑性和粘性变化大，沥青的温度敏感性大。
3.石油沥青的标号主要是根据沥青的针入度划分的。标号由小到大，沥
青性质表现为黏性逐渐降低、塑性增大、温度敏感性增大。
选用石油沥青的原则是根据工程性质（房屋、道路、防腐）及当地
气候条件、所处工程部位（层面、地下）来选用。在满足上述要求的前
提下，尽量选用标号高的石油沥青，以保证有较长的使用年限。这是因
为标号高的沥青比标号低的沥青含油分多，其挥发、变质所需时间较长，
不易变硬，所以抗老化能力强，耐久性好。但是标号太高沥青也会出现
软化点较低的现在，在高温环境下使用就会出现流淌等现在，所以说沥
青不是标号越高质量越好。
第二节
其他沥青
其他沥青
改性沥青
乳化沥青
煤沥青
一、煤沥青
煤沥青是烟煤炼焦或制煤气时，从干馏所挥发的物质中
冷凝出煤焦油，将焦油再继续蒸馏提取轻油、中油及重油后
所剩的残渣，即是煤沥青。
根据干馏温度的不同，分为：高温煤焦油——路用煤焦
油，及低温煤焦油两类。
1.煤沥青的化学组成和结构特点
1）化学组成
① 游离碳（自由碳）：增加沥青的黏滞性、提高热稳定性
② 树脂：硬树脂：黏滞性
软树脂：塑性
③ 油分：流动性
此外，煤沥青中还含有少量碱性物质（吡啶、喹啉等）和酸性物质
（酚），酚有毒且能溶于水。
煤沥青中的酸性物质都属表面活性物质，其含量高于石油沥青。所以
煤沥青表面活性比石油沥青高，与石料黏结力好。
2）煤沥青的结构——胶体分散系
2.煤沥青的技术性质和技术标准
1）煤沥青的技术性质
与石油沥青的差异：
①煤沥青含有较多不饱和的碳氢化合物，化学稳定性差，所
以大气稳定性差，易老化。
②煤沥青含有较多的游离碳，塑性较差，使用时易因受力变
形而开裂。
③可溶性树脂含量多，受热易软化，所以温度稳定性
差。
④煤沥青所含的酸、碱性物质都是表面活性物质，与
矿料的粘结力较强。
⑤煤沥青含有酚、蒽油等有毒物质，防腐性能好。
⑥煤沥青的密度比石油沥青大。
由于煤沥青的主要技术性质比石油沥青差，但煤沥青与矿料的
黏结性好，适量掺入石油沥青中，可增强石油沥青的黏结力，但不
应随意混合，否则产生沉渣、变质等现象，黏结性急剧下降甚至完
全失去粘结力。
2）煤沥青的技术指标
⑴ 黏度：用标准黏度计测量。与液体沥青一样。
⑵ 蒸馏试验馏分含量及残渣性质：测定试样受热时，在规定温度
范围内蒸出的馏分含量，及蒸馏后残留物的含量。
馏分含量的限制控制了煤沥青由于蒸发而老化的安全性；
残渣性质试验保证了煤沥青残渣具有适宜的黏结性。
⑶ 煤沥青焦油酸含量：导致路面强度降低，且有毒，在沥青中的
含量必须加以限制。
⑷ 含萘量：萘是有害物且易升华，有毒，能加速老化，萘易使沥
青失去塑性。含量越低越好。
⑸甲苯不溶物：沥青中不溶于甲苯的物质。
⑹水分：过量的水分造成沥青损失，易引起火灾。
3.煤沥青与石油沥青的鉴别（见后页表）
石油沥青和煤沥青的简易鉴别方法
鉴别方法
石油沥青
煤沥青
相对密度
接近1.0
1.25 – 1.28
燃烧
烟少，无色，无毒
烟多，黄色，臭味大，有毒
颜色
呈辉亮褐色
浓黑色
溶解试验
可溶于汽油或煤油
难溶于汽油或煤油
捶击
韧性较好，有弹性感，不易碎
韧性差，较脆
大气稳定性
较高
较低
抗腐蚀性
弱
强
二、乳化沥青
1.概述
1）定义：石油沥青与水在乳化剂、稳定剂等的作用下，经乳化
加工制的的均匀沥青产品，在常温下具有较好的流动性。
2）优点：
①冷态施工，操作方便，节约能源
②可在潮湿地基上施工（与湿集料拌和，具有足够的黏结力）
③ 无毒、无臭、施工安全，环保、污染少
3）缺点：
①稳定性差，贮存期不超过半年（贮存期长易产生分层）
②修筑路面成型期长
2.组成材料
乳化沥青 = 沥青 + 乳化剂 + 稳定剂 + 水
1）沥青 （主要组成材料，占55-70﹪）
2）乳化剂（关键材料）
⑴沥青乳化剂是表面活性剂的一种类型，分子结构中的亲水
基团和亲油基团能使互不相容的沥青与水连接起来。
⑵ 分类
按亲水基在水中是否电离分：离子型和非离子型乳化剂；
离子型乳化剂又分为：阴离子型、阳离子型和两性离子型乳化剂。
3）稳定剂
⑴作用：为了储存或施工时增加沥青的稳定性
⑵分类：有机稳定剂和无机稳定剂
⑶用量：为沥青乳液的0.1﹪ -0.15﹪
4）水
⑴作用：起润湿、溶解及化学反应的作用。
(2)要求：不含杂质，对硬度也有要求，不能含钙离子过多
(3)用量：30﹪ -70﹪
3.乳化沥青的形成机理
沥青能均匀稳定地分散在乳化剂水溶液中，主要原因有：
1）乳化剂降低界面能的作用
2）增强界面膜的保护作用
3）界面电荷稳定作用
乳化剂在沥青微滴表面形成界面膜
4.乳化沥青技术性质和技术要求
5.乳化沥青的分裂机理
1）分裂：从乳液中分裂出来的沥青微滴在集料表面凝结成
一层连续的沥青薄膜 。
2）乳液分裂的外观特征：沥青由棕褐色变成黑色
3）分裂原因：
①乳液与集料表面的吸附作用
②水分的蒸发作用
6.乳化沥青的应用
1）洒布法：如透层、粘层、表面处治或贯入式沥青碎石路面
2）拌和法：稀浆封层或冷拌沥青混合料
透层：为使沥青面层与非沥青材料基层结合良好，在基层上喷洒液体石油
沥青、乳化沥青、煤沥青而形成的透入基层表面一定深度的薄层。
粘层：为加强路面沥青层与沥青层之间、沥青层与水泥混凝土路面之间的
粘结而洒布的沥青材料薄层。
稀浆封层：用适当级配的石屑或砂、填料（水泥、石灰、粉煤灰、石粉
等）与乳化沥青、外掺剂和水，按一定比例拌和而成的流动状
态
的沥青混合料，将其均匀地摊铺在路面上形成的沥青封层。
三、改性沥青
1.定义
为了提高沥青混合料的路用性能，掺加某些高分子化合物或
其他填料等外掺剂，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青
的性能得以改善而制成的沥青结合料。
2.改性剂的种类
1）聚合物类 （橡胶类、热塑性橡胶类、树脂类）
2）纤维类
3）固体颗粒类
4）粘附性改性剂
5）耐老化改性剂（常用的是碳黑）等
课堂训练
一、填空题
1.道路粘稠石油沥青的“三大指标”指的是
其表征的技术性质分别为
、
和
为
、
和
。
2.沥青的粘滞性对于粘稠沥青用
、
和
，其单位分别
表示，液体沥青用
，
表示。
3.石油沥青的结构有
、
和
三种类型，判定其结构类
型的依据是
，路用优质沥青属于
结构。
和
4.石油沥青的温度稳定性用
表示。
5.我国道路石油沥青的标号是按
划分的。
黏度表示方式C（t，d）中 ，t表示
，d表示
6.乳化沥青的组成材料有
、
7.表征石油沥青安全性的指标有
8.石油沥青按四组分分析法可分离为
、
和
、
。
和
。
。
、
和
。
二、选择题
1.以下哪项对沥青的描述有误（
）
A.是有机胶凝材
B.常温下是固体或半固体
C.可溶于三氯乙烯等有机溶剂
D.颜色通常为黑褐色或褐色
2.以下属于地沥青的是（
A.石油沥青
3.以下（
B.煤沥
）
C.页岩沥青
D.木沥青；
）不是沥青所具有的特点。
A.具有良好的憎水性
B.具有良好的粘结性
C.具有较大的塑性变形
D.具有较高的抗压强度
4.以下（
）不是按原油加工方法分类得到的沥青。
A.直馏沥青
B.氧化沥青
5.石蜡的含量（
A.大于10%
C.乳化沥青
）的沥青称为石蜡基沥青
B.大于5%
C.大于2%
6.三组分分析法将沥青分成的组分中不包括（
A.油分
B.树脂
7.沥青中的油分使沥青具有（
A.流动性
D.溶剂沥青
B.塑性
C.沥青质
D.大于0.5%
）。
D.石蜡
）。
C.粘附性
D.热稳定性
8.若沥青中石蜡含量过高，可能出现的结果是（
A.沥青粘结性强
B.沥青温度稳定性好
C.沥青不易老化
D.路面抗滑性较差
9.煤沥青的组中不包括（
）
A.树脂
C.沥青质
B.游离碳
）。
D.油分
10.沥青能够均匀稳定地分散在乳化剂水溶液中的原因不包括：（
A.乳化剂降低界面能的作用
C.界面电荷稳定作用
B.界面膜的保护作用
D.沥青自身在水中的分散作用
）
三、判断题
1.（
）90号沥青比70号沥青软。
2.（
）石油沥青中， 石蜡含量越丰富，沥青路用性能越好。
3.（
）沥青老化后，其针入度、延度减小，而软化点升高。
4.（
）PI大于2的沥青为溶胶结构，小于-2的沥青的为凝胶结构。
5.（
）煤沥青的表面活性比石油沥青大。
6.（
）乳化沥青中所用沥青材料的针入度越大越好。
7.（
）煤沥青的防腐蚀性和温度稳定性要优于石油沥青。