土木工程材料：第8章沥青与沥青混合料

1、第8章 沥青与沥青混合料Asphalt & Asphalt Mixtures2沥青沥青是一种以碳氢化合物及其非金属衍生物为主要成分的有机胶凝材料。常温下，沥青呈黑色或黑褐色的固体、半固体或粘性液体。 它与水泥具有同样的功能，即经过自身的物理化学变化，产生一定的强度，并且具有胶结能力，能够把砂、石等矿物质材料粘结为一个整体。 3沥青混合料将大小不同粒径的矿质骨料、填料，根据工程需要，按最佳级配原则组配，与适当的沥青材料搅拌均匀而成的混合物叫做沥青混合料。沥青混合料经浇注或铺筑成型，硬化后成为具有一定强度的固体，称为沥青混凝土。 沥青概述一种有机胶凝材料，常温下呈固体、半固体或稠液体孔隙率构造致密

2、力学性能亲水性抗腐蚀性耐久性憎水材料耐酸碱盐塑性材料沥青概述物理性质沥青的分类沥青地沥青焦油沥青由石油系统得到的沥青天然沥青(湖、岩）石油沥青煤沥青-柏油页岩沥青由有机物（煤、页岩干馏所得焦油，再加工所得沥青概述沥青概述天然沥青天然沥青矿沥青概述沥青概述沥青概述岩沥青11煤沥青与石油沥青Tar & Petroleum Asphalts外观接近，但性能差别很大。煤沥青大量用于木轨枕防腐涂料、防水材料等。70年代以前，国内主要用煤沥青修建柏油路面。它的大气稳定性不良，含致癌类组分大约为石油沥青的上万倍。80年代以后高速公路基本上都用石油沥青。12Ancient Use of Asphalt在圣经中

3、提到：沥青为诺亚方舟（Noahs Ark） 作防水处理。最早的记载是公元前3800年左右苏美尔人用于造船和建筑灰浆，5000多年以来沥青以不同形式用作防水或胶粘剂。巴比伦王善用沥青为宫殿建筑物作防水处理，并灌浆铺砌石块路。13沥青应用发展史I1599：在欧洲对沥青分类和沥青和石油之间联系的初步科学探索。1777：由法国的P.C Le Sage 首先给出了沥青起源的科学解释。1802：在法国里昂，岩石沥青使用在沥青砂路面的铺设上。1832：苏格兰道路工程师J. L. McAdam发展了碎石路面工艺。1876：在美国华盛顿特区宾西法尼亚大道铺筑第一个单层沥青路面。141901：Warrin兄弟开始

4、用沥青混凝土铺路。1902： 使用最新发明的从石油精炼沥青的技术；1946： 二次世界大战后，美国开始了道路建设的新时代。在十年内修建了81万公里的新路。提出了马歇尔沥青混合料设计方法，现在已在全世界使用；1960：开始使用全厚度沥青路面。沥青应用发展史II1570年代：奥地利的R. Felsinger尝试利用聚合物对沥青进行改性。80年代：以性能为基础的Superpave（ 高性能沥青路面）沥青胶结料设计和评价的概念得到发展应用。沥青应用发展史III16我国公路发展的现状与规划我国公路建设迅速发展，2003年全国高速公路里程已达2.97万公里，居世界第二。截至年底，全国公路网总里程达到万公里

5、，其中高速公路通车里程达到万公里(美国10万公里，居世界第一)到2020年，高速公路里程达到10万公里以上，基本形成国家高速公路网。17沥青路面与水泥混凝土路面我国水泥路面和沥青路面两种高等级路面的建成总里程28.86万km，其中水泥路面16.75万km，占58%。水泥路面在高速公路上大约占25%，二级国道上约占67%。交通部公路司2002年底统计资料18沥青混合料与水泥混凝土的组成材料对比19沥青路面与水泥混凝土路面混凝土路面：破损以后较难修复噪音大行车的舒适度差沥青路面的发展前景好20白变黑2002年，武汉市投资7000万元，将以内环线为主的共50公里长的路面 “黑化”2003年，北京市全

6、长约48公里的三环路主辅路全面加铺沥青2002年，安徽投资9亿元，将服役了11年的合宁高速公路安徽段“黑化” （全长134公里，我国最早、最长的一条水泥混凝土路面高速公路，曾被交通部评为“全国十大交通重点工程”第三名）2004年，安徽投资5亿元，将服役了8年的全长100km的合巢芜高速公路更换成全沥青混凝土路面。2004年，湖北第一条高速公路武黄高速70km全部在现有水泥混凝土路面的基础上加铺沥青路面，另有400km的高速公路也将黑化21沥青路面与水泥混凝土路面但沥青很多都需要进口，而水泥混凝土供应量大选用水泥混凝土还可带动当地的水泥工业。对于普通公路路面来说，水泥混凝土路面会保持较快的发展速

7、度，因为它拉动投资效果较好，可就地取材。另外，普通公路若普遍用高性能沥青，价格上也承受不起。 22沥青的消耗量高速公路每公里约需耗用沥青350吨400吨（四车道）。据估计仅2001年，全国道路建设耗用沥青约650万吨，其中进口沥青150万吨。近10年来，我国每年进口重交通沥青的费用都在30亿元以上。23一.石油沥青石油原油经常压蒸馏和减压蒸馏，提炼出汽油、煤油、柴油等轻质油以及润滑油后，在蒸馏塔底部残留下来的黑色粘稠物，需要经脱蜡等处理后使用。241、石油沥青的组成沥青中分子量在某一范围之内，物理、力学性质相近的化合物划分为几个组，称为石油沥青的组丛（组分）。各组丛具有不同的特性，直接影响石油

8、沥青的宏观物理、力学性质。25 石油沥青的三个主要组丛 表8-1油分树脂（地）沥青质261）油分（Oils）含量4060% 常温下呈淡黄色至红褐色的油状液体，是石油沥青中分子量最低的组分(平均分子量300-2000）。可溶于大多数溶剂中。对沥青性质的影响：增加流动性、变形能力，降低稠度、软化点。272）树脂（Resins）含量1530% 黄色黑褐色的粘稠状半固体，分子量范围在100050000之间。对沥青性质的影响：赋予石油沥青可塑性和粘结性，但不利于耐久性。树脂含量越多，变形能力、粘结力越强，耐老化性差。亲油的，可溶于油分。283) 地沥青质 (Asphaltenes）含量1030% 深褐色

9、黑色无定形、脆性固体微粒，分子量1000100000。地沥青质含量越高，石油沥青的软化点越高，粘性越大，温度稳定性越好，但同时脆性也越大。憎油，不溶于油分。与树脂是浸润的。4） 蜡蜡在高温时融化，降低石油沥青的粘结性和塑性。同时对温度敏感(即温度稳定性差)。 所以蜡是石油沥青的有害成分。 石油沥青中还含2一3的沥青碳和似碳物，为无定形的黑色固体粉末302.沥青胶体结构（表8-2）(a)溶胶型 (b) 凝胶型 (c)溶-凝胶型313.石油沥青的主要技术性质憎水材料、密实结构防水材料1）粘滞性2）变形性能（延性或塑性）3）温度稳定性（温度敏感性）4）大气稳定性（耐久性）5) 安全性321）粘滞性（

10、粘性或稠度）沥青材料在外力作用下抵抗粘性变形的能力。它是沥青材料粘结力、软硬、稠稀程度的反映影响粘滞性的主要因素：沥青的组成：地沥青质含量增多，粘滞性越大；环境温度：外界温度升高，粘滞性减小。33石油沥青粘滞性的评价针入度（Penetration）：用于粘稠（半固态、固态）石油沥青；粘度（Viscosity）：用于液态石油沥青。34针入度试验25、100克重标准针，自由下落5秒，标准针插入试件的深度，单位（1/10mm）。针入度值越大，表明沥青在外力的作用下越容易变形，即沥青的粘滞性低。 35针入度试验缝纫机针特定的时间、重量、温度100 gInitialPenetration in 0.1

11、mmAfter 5 seconds36Temperature25oC (77F)Penetration, 0.1 mmHighMediumLowTemperature and penetration37针入度试验仪38 在一定温度（T）条件下，液体沥青经一定直径(d=3-10mm)的小孔流出50cm3所需的时间,记为CT,d. 沥青流出的时间越长，即粘度值越大，表示沥青的粘度越高。 粘度计液体沥青的粘滞性用粘度来表示392）变形性能（延性或塑性）指石油沥青在外力作用下产生变形而不破坏，除去外力后，仍能保持变形后的形状的性质。常温下，塑性较好的沥青在产生裂缝时，由于其特有的粘塑性可自行愈合，故塑

12、性也反映了沥青开裂后的自愈能力。沥青的塑性对冲击振动荷载有定吸收能力，并能减少摩擦时的噪声，故沥青是一种优良的道路路面材料。402）变形性能（延性或塑性）沥青具有良好的塑性。沥青的塑性大小受内部组成及外界温度的影响，树脂含量越多的沥青，塑性越好；外界温度升高，沥青的塑性增大。表征沥青塑性的指标是延度。41沥青的延伸性试验（延度）一定温度（25oC）下，以5cm/min的速度对沥青试件进行拉伸直至断裂时所伸长的长度(cm)。42延度试验样品（图10-54 p242）43延度试验夹具443）温度稳定性（温度敏感性） (Temperature susceptibility)沥青的粘滞性和塑性等随温度

13、变化而变化的性质称为温度稳定性。当温度升高时，沥青由固态或半固态逐渐软化，产生粘性流动，称为粘流态。当温度降低时又逐渐由粘流态凝固为固态，甚至变硬变脆，成为玻璃态。建筑工程宜选用温度稳定性较高的沥青。453）温度稳定性（温度敏感性） (Temperature susceptibility)影响温度稳定性的主要因素：沥青的组成：地沥青质含量越多，温度稳定性越好；树脂和油分、蜡含量越大，温度稳定性越差；46温度稳定性用软化点表示随温度升高，沥青试件软下垂，达到底板时的温度即为软化点()图10-55 p244。47软化点试验仪484） Ageing & Durability大气稳定性耐久性石油沥青在

14、温度、湿度、阳光、氧气等大气因素作用下，抵抗老化变质的能力称为大气稳定性。沥青老化：在大气因素作用下，沥青材料塑性逐渐减小、脆性增加的现象。49沥青老化的原因分子量较小的油分、树脂发生氧化、挥发、缩合、聚合等作用，沥青组丛中油分、树脂含量相对减少，地沥青质含量相对增加。50沥青老化的评价进行加热试验，比较蒸发损失、针入度。此外，还有加热老化时间、薄膜烘箱试验及回转薄膜烘箱试验等。测定方法是：先测定沥青试样的质量及其针入度，然后在160下加热蒸发5h，待冷却后再测定其质量和针入度。蒸发损失百分率小、蒸发后针入度比大，大气稳定性好，老化慢。52闪点（也称闪火点）：沥青加热挥发出可燃气体与空气混合，

15、与火焰接触闪火时的最低温度。燃点（也称着火点）：与火焰接触能持续燃烧5s以上时的最低温度。二者高低表明沥青引起火灾或爆炸的可能性的大小，它关系到运输、储存和加热使用等方面的安全。一般燃点比闪点高10 .例如，建筑石油沥青闪点约230在熬制时般温度为185-200，为安全起见，沥青还应与火焰隔离。 5) 安全性4、石油沥青的技术标准（表8-3、4、5）及选用 石油沥青的分类分类道路石油沥青建筑石油沥青防水防潮石油沥青普通石油沥青牌号按针入度指标等来划分同一品种石油沥青材料中，牌号愈小，沥青愈硬；牌号愈大，沥青愈软。同时随着牌号增加，沥青的粘性减小(针入度增加)，塑性增加(延度增大)，而温度敏感性

16、增大(软化点降低)。(2)石油沥青的选用 应根据工程性质(房屋、道路、防腐)及当地气候条件、所处工程部位(屋面、地下)来选用不同品种和牌号的沥青。路 面道路石油沥青屋 面建筑石油沥青4.石油沥青的技术标准及选用 55道路石油沥青牌号较多且较大（满足塑性要求），一般拌制成 沥青拌合料或沥青砂浆等使用。还可作密封材料、粘结剂及沥青涂料等。 建筑石油沥青粘性较大，耐热性较好，但塑性较小，主要用作制造油毡、油纸、防水涂料和沥青胶。它用于屋面及地下防水、沟槽防水、防腐蚀及管道防腐等工程。56对于屋面防水，应注意防止过分软化。通常沥青屋面表面温度比当地最高气温高2530，为避免夏季流淌，屋面用沥青材料的软化点应比屋面最高温度高20以上。 例如某地区沥青屋面温度可达65，选用的沥青软化点应在85以上。地下防水，温度变化小，可选用牌号较大的沥青，以延长使用年限。 （3） 沥青的掺配条件一种牌号的沥青不能满足工