土木工程材料(第10章沥青及沥青混合料)

1、朱朱 凯凯( (上海应用技术学院上海应用技术学院 城建学院城建学院) )第十章第十章 沥青及沥青混合料沥青及沥青混合料l10.1 沥青材料沥青材料煤沥青页岩沥青焦油沥青石油沥青天然沥青地沥青沥青沥青按产源可分为地沥青和焦油沥青两大类：l天然沥青：天然沥青：是自然界的一种矿产（如沥青湖或含有沥青的砂岩、砂）经提炼加工后得到的沥青产品。l石油沥青：石油沥青：石油原油经分馏提炼出各种轻质油（如汽油、煤油、柴油等）及润滑油以后的残留物，再经加工而得。l页岩沥青：页岩沥青：油页岩炼油工业的副产品。l煤沥青：煤沥青：烟煤经干馏得到的煤焦油，再经蒸馏提取轻油、中油、重油及蒽油后所得的残渣。一一 石油沥青石油

2、沥青 l（1） 石油沥青的组分石油沥青主要由碳（8087%）、氢（1015%），及少量的氧、氮、硫等（5%）元素组成。沥青的化学组成极为复杂，通常将沥青中化学成分和物理性质相近，并且具有某些共同特征的部分划分为一组，称为组分组分（组丛）。通常石油沥青可划分为油分油分、树脂树脂和地沥青地沥青质三个主要组分。 表表 8.1 石油沥青各组分主要特征石油沥青各组分主要特征组分组分状态状态密度密度kg/cmkg/cm3 3颜色颜色含量含量% %使沥青具有特性使沥青具有特性油分油分油状油状液体液体0.71.00.71.0淡黄淡黄 红褐色红褐色40604060具流动性；具流动性；含量高，粘性、耐热含量高，粘

3、性、耐热性低性低树脂树脂粘稠状粘稠状物体物体1.01.11.01.1红褐红褐 黑褐色黑褐色15301530具塑性、流动性、粘具塑性、流动性、粘附性；附性；含量高，塑性高、粘含量高，塑性高、粘附性大附性大地沥地沥青质青质无定形无定形固体粉固体粉末末1.11.51.11.5 深褐深褐 黑色黑色 10301030具温度稳定性、粘性、具温度稳定性、粘性、硬性；硬性；含量高，软化点高、含量高，软化点高、脆性大。脆性大。石油沥青中还含有一定量的固体石蜡，它是沥青中的有害物质。石蜡含量多，会使沥青的粘结力、塑性和温度稳定性变坏。l （2） 石油沥青的胶体结构石油沥青的结构在沥青中，油分与树脂互溶，树脂浸润地

4、沥青质颗粒而在其表面形成薄膜，从而以地沥青质为核心，周围吸附部分树脂和油分，构成胶团。无数胶团分散在油分中形成胶体结构。石油沥青的胶体结构胶体结构包括溶胶、凝胶、溶凝胶结构溶胶、凝胶、溶凝胶结构三种。l溶胶结构。地沥青质含量较少，胶团间完全没有引力或引力很小，在外力作用下随时间发展的变形特性与粘性液体一样。直馏沥青的结构多为溶胶结构。l凝胶结构。凝胶结构地沥青质含量很多，胶团间有引力形成立体网状，地沥青质分散在网格之间，在外力作用下弹性效应明显。氧化沥青多属于凝胶结构。l溶一凝胶结构介于溶胶与凝胶之间，并有较多的树脂，胶团间有一定吸引力，在常温下受力变形的最初阶段呈现出明显的弹性效应，当变形增

5、加到一定数值后，则变为有阻尼的粘性流动。大部分优质道路沥青均配成溶凝胶型结构，具有粘弹性和触变性，故亦称弹性溶胶。l2石油沥青的技术性质l（1） 粘滞性（粘性）粘滞性是反映沥青材料在外力作用下，材料内部阻碍其相对流动的能力。它反映了沥青软硬、稀稠的程度，是划分沥青牌号的主要技术指标。液体石油沥青的粘滞性用粘滞度（粘滞度（粘度）表示，它表征了液体沥青在流动时的内部阻力；半固体或固体的石油沥青用针入度针入度表示，它反映了石油沥青抵抗剪切变形的能力。针入度是沥青划分牌号的主要技术指标 粘滞度是液体沥青在一定温度t（25或60）、经规定直径d（3mm，5mm或10mm）的孔流出50cm3沥青所需的时间

6、秒数T，常用符号CdtT表示。CdtT 粘滞度值越大，表示沥青的稠度越大。粘滞度测定示意图见下图。 秒数粘滞度测定示意图CdtTt 温度d 直径T 时间秒数粘滞度测定针入度针入度是在温度25条件下，以规定质量100g的标准针，在规定时间5s内贯入试样中的深度，以0.1mm为1度表示。针入度越大，表示沥青流动性大，粘滞性差。其数值范围在5200度之间。针入度测定示意图见图8.2。针入度沥青材料(25)开始时5s 后针入度0.1mm为1度表示l（2） 塑性塑性是指石油沥青在外力作用时发生变形而不破坏，除去外力后仍保持变形后的形状不变的性质。塑性表示沥青开裂后自愈能力及受机械应力作用后变形而不破坏的

7、能力，它是石油沥青的主要性能之一。沥青的塑性用延度（延伸度或延伸率）延度（延伸度或延伸率）表示。延度以cm为单位。沥青的延度值愈大，表示沥青塑性愈好 开始拉断时延伸度（mm）试件试件l（3） 温度敏感性温度敏感性是指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能，是沥青一个很重要的性质。温度敏感性较小的石油沥青其粘滞性和塑性随温度变化较小。温度敏感性常用软化点软化点来表示，软化点是指沥青材料由固态转变为具有一定流动性膏体的温度。软化点可采用环球法环球法测定 沥青软化点大致在25100之间。软化点越高，表明沥青的耐热性越好，即温度稳定性越好。 9.53l（4） 大气稳定性大气稳定性是指石油沥青在热

8、、阳光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能。它反映沥青的耐久性。石油沥青的大气稳定性以沥青试样在加热蒸发前后的“蒸发损失百分率蒸发损失百分率”和“蒸发后针入度比蒸发后针入度比”来评定。100%100%蒸发前针入度蒸发后针入度蒸发后针入度比蒸发前质量量蒸发前质量蒸发后质蒸发损失百分率n蒸发损失百分率愈小，蒸发针入度比愈大，则表示沥青大气稳定性愈好，亦即“老化”愈慢。 l其它性质粘附性粘附性是指沥青与骨料粘结在一起的抗剥离能力，粘附性好的沥青与骨料的粘结牢固，不易在骨料表面与沥青间产生剥离现象；溶解度溶解度是指石油沥青在溶剂中（苯或二硫化碳）可溶部分质量占全部质量的百分率，它用来确定沥青

9、中有害杂质的含量；闪点闪点是指石油沥青在规定的条件下，加热产生的挥发性可燃气体和空气的混合物达到初次闪火时的温度，又常称着火点；达到着火点温度的沥青，若温度再度上升与火接触产生火焰，并能持续燃烧5s以上，这个开始燃烧的温度就称为燃点燃点。 l3石油沥青的技术标准及选用l（1） 石油沥青的技术标准根据我国现行石油沥青标准，按用途分为道路石油沥青、建筑石油沥青、普通石油沥青等。三种石油沥青都是按针入度或针入度指数指标按针入度或针入度指数指标来划分标号来划分标号的，而每个标号还应保证相应的延度和软化点，以及溶解度、蒸发损失、蒸发针入度比、闪点等。有些标号有甲乙之分，是由于它们针入度相同，而延度和软化

10、点不同而加以区分的。项目项目标号标号AH-130AH-110AH-90AH-70AH-50针入度（针入度（25，100，5s）0.1mm1201401001208010060804060延度（延度（5cm/min, 15），），cm，不小于，不小于10010010010080软化点（环球法）软化点（环球法），不小于不小于40504151425244544555闪点（开口）闪点（开口），不低于，不低于230含蜡量（蒸馏法）含蜡量（蒸馏法）%，不大于，不大于 3溶解度溶解度 （三氯乙烯）（三氯乙烯）%，不小于不小于99.0重交通道路石油沥青的技术要求重交通道路石油沥青的技术要求项目项目标号标号A-

11、200A-180A-140A-100甲甲A-100乙乙A-60甲甲A-60乙乙针入度（针入度（25，100）0.1mm201300161200121160811208112041804180延度（延度（25），），cm，不小于不小于10010080606040软化点（环球法）软化点（环球法），不小于，不小于3045354538484252425245554555溶解度溶解度 （三氯乙烯）（三氯乙烯）%不小于不小于99.099.099.099.099.099.099.0蒸发损失（蒸发损失（163，5）%，不大，不大于于1111111蒸发后针入度比，蒸发后针入度比，%，不小于，不小于5060606

12、5657070闪点（开口）闪点（开口），不低于，不低于180200230230230230230道路石油沥青的技术指标要求道路石油沥青的技术指标要求 建筑石油沥青与普通石油沥青的技术指标要求建筑石油沥青与普通石油沥青的技术指标要求 标号标号指标指标建筑石油沥青建筑石油沥青普通石油沥青普通石油沥青3010756555针入度（针入度（25，100，5s）0.1mm2540 1025756555延度（延度（5cm/min, 25），），cm，不小于，不小于31.521.51软化点（环球法）软化点（环球法），不，不小于小于70956080100溶解度溶解度 （三氯乙烯）（三氯乙烯）%，不小于不小于99

13、.599.5989898蒸发损失（蒸发损失（163，5）%，不大于，不大于11闪点（开口）闪点（开口），不低于，不低于230230230230230标号标号简易鉴别方法简易鉴别方法140 100质软质软60用铁锤敲，不碎，只变形用铁锤敲，不碎，只变形30用铁锤敲，成为大的碎块用铁锤敲，成为大的碎块10用铁锤敲，成为较小的碎块，表面黑用铁锤敲，成为较小的碎块，表面黑色有光色有光l（2） 石油沥青的选用石油沥青应根据工程性质与要求（房屋、防腐、道路）、使用部位、环境条件选用。在满足使用的前提下，应选用牌号较大的石油沥青，以保证使用寿命较长。道路石油沥青多用于配制沥青砂浆、沥青混凝土，用于道路路面、

14、车间地面等。道路石油沥青在水利工程中还可作密封材料和粘结剂以及沥青涂料等。 建筑石油沥青针入度较小（粘性较大），软化点较高（耐热性较好），但延伸度较小（塑性较小），土要用作制造油毡、油毡的粘结剂、防水涂料和沥青嵌缝膏。它们绝大部分用于屋面及地下防水，沟槽防水、防腐蚀及管道防腐等工程。 二二 煤沥青煤沥青l煤沥青是烟煤炼焦或制煤气时，从于馏所挥发的物质中冷凝出煤焦油，将煤焦油再继续蒸馏得轻油、中油、重油和蒽油后所剩的残渣，即是煤沥青。l煤沥青的化学成分和性质与石油沥青大致相同，但煤沥青的质量和耐久性均次于石油沥青，其塑性、大气稳定性差温度敏感性较大，冬季易脆、夏季易软化，老化快。但防腐和粘结性能

15、较好。l煤沥青的主要技术性质都比不上石油沥青，所以建筑工程上少用。l它具有很好的防腐和粘结性能，主要用于配制防腐涂料、胶粘剂、防水涂料、油膏以及制作油毡等，适宜于地下防水层或材料防腐，适量掺入石油沥青中，可增强石油沥青的粘结力。 鉴别方鉴别方法法石油沥青石油沥青煤沥青煤沥青密度法密度法密度近似于密度近似于1.0gcm3大于大于1.10 gcm3锤击法锤击法声哑，有弹性、韧性感声哑，有弹性、韧性感声脆，韧性差声脆，韧性差燃烧法燃烧法烟无色，基本无刺激性臭味烟无色，基本无刺激性臭味烟呈黄色，有刺激性臭烟呈黄色，有刺激性臭味味溶液溶液比色法比色法用用3050倍汽油或煤油溶解倍汽油或煤油溶解后，将溶液

16、滴于滤纸上，后，将溶液滴于滤纸上，斑点呈棕色斑点呈棕色溶解方法同左。斑点有溶解方法同左。斑点有两圈，内黑外棕两圈，内黑外棕三三 改性沥青改性沥青l通常的沥青不一定能全面满足工程各方面的要求，因此常需对沥青进行改性处理。常用的方法有采用矿物填料矿物填料和聚合物聚合物（树脂和橡胶）进行改性，其种类如下：l1. 矿物填料改性沥青矿物填料改性沥青（1）常用矿物填料l矿物填料有粉状和纤维状两种，常用的有滑石粉、石灰石粉、硅藻土、石棉绒和云母粉等。（2）矿物填充料改性机理l由于沥青对矿物填充料的润湿和吸附作用，沥青可以单分子状态排列在矿物颗粒（或纤维）表面，形成结合力牢固的沥青薄膜，而使沥青具有较高的粘性

17、和耐热性等。l 2. 树脂改性沥青用树脂改性石油沥青，可以改善沥青的耐寒性、耐热性、粘结性和不透气性。常用的树脂有：古马隆树脂，聚乙烯，聚丙烯，酚醛树脂及天然松香等。工程中用的APP改性沥青改性沥青，是以APP即无规聚丙烯均聚物进行改性，它具有软化点提高明显，抗老化能力很好的特点。l3. 橡胶改性沥青l（1）氯丁橡胶改性沥青石油沥青中掺入氯丁橡胶后，可使其气密性、低温柔性、耐化学腐蚀性、耐光、耐臭氧性、耐候性和耐燃性等得到大大改善。氯丁橡胶掺入的方法有溶剂法和水乳法。溶剂法是先将氯丁橡胶溶于一定的溶剂（如甲苯）中形成溶液，然后掺入液态沥青中并混合均匀即可。水乳法是将橡胶和石油沥青分别制成乳液，

18、然后混合均匀即可使用。l（2）丁基橡胶改性沥青丁基橡胶沥青的配制方法与氯丁橡胶沥青类似。l（3）热塑性丁苯橡胶（SBS）改性沥青SBS热塑性橡胶热塑性橡胶兼有橡胶和塑料的特性，常温下具有橡胶的弹性，在高温下又能像塑料那样熔融流动，成为可塑的材料。所以采用SBS橡胶改性沥青，其耐高、低温性能均有较明显提高。l（4）再生橡胶改性沥青再生橡胶掺入石油沥青中，同样可大大提高石油沥青的气密性，低温柔性，耐光、热和臭氧性，以及耐候性，且价格低廉。10.2沥青防水材料沥青防水材料 l沥青防水材料是以沥青为主要原料制成用于防水的材料。常用制品有沥青防水制品（沥青防水卷材、沥青油膏、沥青涂料）和用来粘贴防水卷材

19、的沥青胶等。l工程中有热用热用和冷用冷用两种方法热用是将沥青材料加热熔化后使用。冷用是加溶剂稀释或使其乳化后在常温下使用。l沥青防水卷材是将纸胎、石棉布或麻布等浸涂沥青而成。工程中常用的沥青防水卷材可分为有胎的浸渍卷材和无胎的辊压卷材。l1浸渍卷材 浸渍卷材是用原纸、玻璃布、石棉布、麻布、合成纤维布等为胎，经浸渍沥青后所制成的卷状材料。l以纸胎纸胎沥青卷材最为常见，它包括石油沥青纸胎油毡及石油沥青油纸两种。l以纤维玻璃布为胎基纤维玻璃布为胎基涂盖石油沥青的称为石油沥青玻璃布油毡。（1） 石油沥青纸胎油毡l 石油沥青纸胎油毡（简称油毡），系采用低软化点石油沥青浸渍原纸，然后用高软化点石油沥青涂盖

20、油纸两面，再涂或撒上隔离材料所制成的一种纸胎卷材。l油毡按所用隔离材料分为粉状面油毡粉状面油毡和片状面片状面油毡油毡两个品种，表示为“粉毡”与“片毡”。l油毡按原纸原纸1m2的质量克数的质量克数分为200号、350号和500号三种标号。l按浸涂材料总量和物理性质分为合格品、一等品、优等品三个等级。l200号油毡适用于简易防水、临时性建筑防水、建筑防潮及包装等；350号和500号粉面油毡适用于屋面、地面、水利等工程的多层防水；片状面油毡用于单层防水。（2） 石油沥青玻璃布油毡和玻璃纤维油毡l石油沥青玻璃布油毡是以纤维玻璃布为胎基，用石油沥青浸涂其两面，并撒布粉状隔离材料所制成的。玻璃布油毡的柔度

21、大优于纸胎油毡，能耐霉菌腐蚀。适用于铺设地下防水、防腐层。l石油沥青玻璃纤维油毡以玻璃纤维薄毡为胎基，用石油沥青浸涂其两面，表面涂撒矿物材料或覆盖聚乙烯膜为隔离材料所制成的。l玻纤油毡按上表面材料分为膜面、粉面和砂面三个品种；l根据油毡油毡10 m2标称重量（标称重量（kg）分为15、25、35三个标号。15号玻纤油毡用于一般建筑的多层防水，25、35号适用于屋面、地下、水利等工程的多层防水，其中35号采用热熔法施工用于多层（或单层）防水。l2辊压卷材 沥青再生橡胶油毡是一种最常见的辊压卷材，它是采用再生橡胶、10号石油沥青和石灰石粉等填料，经混炼、辊压而成的。它具有抗拉强度大、弹性好、低温柔

22、性好、不透水性及耐蚀性强等优点，尤其适用于对防水层的延伸性和低温柔性要求较高的工程中。l1沥青溶液（冷底子油） 冷底子油冷底子油是用有机溶剂（汽油、煤油、轻柴油、苯等）与沥青溶合后制成的一种胶体溶液。l它具有粘度小，流动性好的特点。l可在常温下涂刷于材料（混凝土、砂浆或木材）基面上，作为结合层提高了底层与其他防水材料的粘结能力。l在常温下使用且用作防水层的底层，故称为冷底子油。冷底子油配制方法有热配法热配法和冷配法冷配法两种。热配法热配法是将沥青加热到180200，脱水后冷却至130140，并加入溶剂量为10的煤油，待温度降至约70时再加入余下的溶剂（汽油）搅拌均匀而成。冷配法冷配法是将沥青打

23、碎成小块后，按重量比加入溶剂中，不停搅拌至沥青全部溶化为止。 l2沥青乳液 沥青乳液是以沥青极微小的颗粒稳定地分散悬浮在水中形成的沥青乳胶体，沥青乳液是借助于乳化剂作用，在机械强力搅拌下，将溶化的沥青分散而制成的。沥青乳液的特点是：l可在常温下进行涂刷或喷涂；l可在较潮湿的基层上施工；l具有无毒、无臭、不燃、干燥较快的特点；l不使用有机溶剂，费用较低，施工效率高；l不易储存。l1沥青胶（玛脂） 沥青胶是在沥青中掺人适量的矿质粉料或再掺人部分纤维状填料配制成的胶体材料。常用的矿物填充料主要有滑石粉、石灰石粉和石棉等。沥青胶以耐热度大小将耐热度大小将沥青胶划分为S60、S65、S70、S75、S8

24、0、S85 六个标号。l2沥青嵌缝油膏沥青嵌缝油膏 沥青嵌缝油膏是以石油沥青为基料，掺入改性材料、稀释剂及填充料混合配制而成的冷用膏状材料。改性材料有废橡胶粉和硫化鱼油；稀释剂有松焦油、重松节油和机油；填充料有石棉绒和滑石粉等。沥青嵌缝油膏具有温度稳定性好，粘结性、温度稳定性好，粘结性、防水性强，便于施工防水性强，便于施工的特点。 沥青嵌缝油膏品种很多，主要用于屋面、渠道、渡槽等沟、缝的填料，也可修补裂缝及用来粘结其它防水材料。使用效果较好的有建筑防水沥青嵌缝油膏、建筑油膏、聚氯乙烯胶泥等。10.3沥青混合料沥青混合料 沥青嵌缝油膏是以石油沥青为基料，掺入改性材料、稀释剂及填充料混合配制而成的

25、冷用膏状材料。改性材料有废橡胶粉和硫化鱼油；稀释剂有松焦油、重松节油和机油；填充料有石棉绒和滑石粉等。沥青嵌缝油膏具有温度稳定性好，粘结性、温度稳定性好，粘结性、防水性强，便于施工防水性强，便于施工的特点。 沥青嵌缝油膏品种很多，主要用于屋面、渠道、渡槽等沟、缝的填料，也可修补裂缝及用来粘结其它防水材料。使用效果较好的有建筑防水沥青嵌缝油膏、建筑油膏、聚氯乙烯胶泥等。沥青拌合料是指矿料(如碎石、石屑、砂和矿粉等)与沥青拌和而成的混合物。 沥青拌合料是高等级公路的最主要的路面材料。主要包括：沥青混凝土沥青碎石两者的区别在于：沥青混凝土的空隙率小于10，而沥青碎石的空隙率在10以上；沥青混凝土中掺

26、入的矿粉比沥青碎石多。二、沥青拌合料二、沥青拌合料1、沥青 沥青路面所用的沥青材料包括道路石油沥青、煤沥青、液体石油沥青等。 2、粗集料 沥青拌合料用粗集料有碎石、破碎砾石、筛选砾石和矿渣等。 3、细集料 拌制沥青拌合料的细集料，可以用天然砂、人工砂或石屑。 4、矿粉 矿粉是由石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨制而成的，也可以由石灰、水泥、粉煤灰代替，但高级公路、一级公路的沥青混凝土面层不宜用粉煤灰做填料。（一）沥青拌合料的组成材料（一）沥青拌合料的组成材料1、高温稳定性 沥青拌合料在高温下承受外力不断作用时，抵抗永久变形的能力叫高温稳定性。2、低温抗裂性 为保证路面在冬季低温时不产

27、生裂缝，沥青拌合料应具有低温抗裂性。3、耐久性 沥青拌合料的耐久性是指其在外界各种因素的作用下，仍能保持原有性能的性质。沥青混合料的耐久性直接影响道路的使用时间。4、抗滑性 为保证长期行车的安全，粗集料应选用耐磨光性好的材料。另外，骨料的颗粒适当大些，沥青用量少些，都可以提高路面的抗滑性。5、施工和易性 沥青混凝土应有较好的和易性，以保证施工顺利进行。（二）沥青拌合料的技术性质（二）沥青拌合料的技术性质10.4沥青混合料配合比设计沥青混合料配合比设计 确定粗集料，细集料，矿粉和沥青材料的最佳配合比例。沥青用量0.5%左波动范围一 选择矿质混合料配合比例公路沥青路面施工技术规范推荐设计级配，详见教材P200页，表9-12沥青混合料的矿料级配按教材P200页，表9-11选用粗型和细型混合料。二 确定沥青最佳用量二 确定沥青最佳用量采用马歇尔实验法来确定沥青最佳用量，按所设计的矿料配合比配制五组矿质混合料，每组按规范推荐的沥青用量范围加入适量沥青，并按0.