同济土木工程材料沥青材料

2.0前言沥青是最古老的石油产品。沥青一般是指有高分子的烃类和非烃类组成的黑色到褐色固态或者半固态粘稠物质，主要由石油炼制而得或天然形成。沥青可用于道路建设、水力工程、防水防腐、油漆涂料、绝缘材料等，其中主要用于道路工程。目前全世界石油沥青的生产能力约12亿吨/年，年生产能力超过200万吨的国家有11个。美国3400万吨/年。第一页，共67页。第一页，共67页。我国道路沥青消费量沥青消费量（Mt）随着我国公路建设快速发展，道路沥青消费量逐渐增加，2004年突破1000万吨。。第二页，共67页。第二页，共67页。我国道路沥青生产能力沥青（Mt）国产沥青明显增加，进口沥青总量基本稳定，占市场份额的25～30％。第三页，共67页。第三页，共67页。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沥青是黑色或暗黑色固体、半固体或粘稠状物体，由天然或人工制造而得，主要为高分子烃类组成，可溶于苯或二硫化炭。第四页，共67页。第四页，共67页。沥青的分类：①

地沥青天然沥青：湖沥青、岩沥青、海底沥青石油沥青：用石油经开采、精练加工而得到的按来源分类：按用途分类：道路沥青（pavingasphalt）：主要用于道路建筑水工沥青（hydraulicasphalt）：水力工程中修筑水坝、蓄水池等管道防腐沥青（asphaltusedasaprotectingcoatingforpiping)建筑沥青（asphaltforroofingandwaterroofing）②焦油沥青煤沥青木沥青页岩沥青第五页，共67页。第五页，共67页。2.1石油沥青2.1.1石油沥青的生产工艺简介插图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，250~275C的馏分“第二关键馏分”：减压下（5.33kPa），275~300C的馏分特征参数：相对密度特性因素K第六页，共67页。第六页，共67页。沥青是石油工业的副产品第七页，共67页。第七页，共67页。关键馏分石蜡基中间基环烷基第一关键馏分相对密度<0.8207;特性因素>11.9相对密度0.8207~0.8506;特性因素>11.5~11.9相对密度>0.8506;特性因素<11.5第二关键馏分相对密度<0.8721;特性因素>12.2相对密度0.8721~0.9302;特性因素>11.5~12.1相对密度>0.9302;特性因素<11.5关键馏分基属分类指标第八页，共67页。第八页，共67页。基属分类：由两个关键馏分的特征参数和K确定石油基属第一关键馏分基属石蜡基（P）

中间基（M）环烷基（N）第二关键馏分基属

石蜡基（P）石蜡基（P）中间—石蜡基（M-P）—中间基（M）石蜡—中间基

（P-M）中间基（M）环烷基—中间基（N-M）环烷基（N）—中间—环烷基（M-N）环烷基（N）第九页，共67页。第九页，共67页。2)含硫量的分类低硫：含硫量＜0.5%；含硫：0.5～2.0%；高硫：含硫量＞2.0%。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＞石蜡基大庆－－低硫石蜡基；胜利－－含硫中间基；渤海SZ36-1－－含硫环烷基；伊朗－－含硫中间基；沙特重质油－－高硫中间基；阿拉斯加－－含硫环烷－中间基；第十页，共67页。第十页，共67页。世界各地生产近1500种不同的原油，其中只有260种适于制造道路沥青。在调合和氧化工艺的配合下可以扩大到600种原油，这些原油的产地主要集中在美国、中东、加勒比海周围诸国和俄罗斯联邦。第十一页，共67页。第十一页，共67页。2.1.1.2石油沥青生产工艺概述第十二页，共67页。第十二页，共67页。2.1.1.2石油沥青生产工艺概述第十三页，共67页。第十三页，共67页。常压炉常压塔减压炉减压塔沥青

常减压蒸馏工艺原油汽油、柴油馏分油沥青的生产第十四页，共67页。第十四页，共67页。常压炉常压塔减压炉减压塔氧化塔

原油汽油、柴油馏分油沥青沥青的生产常减压蒸馏--氧化工艺第十五页，共67页。第十五页，共67页。原油→常压渣油→减压渣油→粘稠沥青直馏沥青（Straightasphalt）：原油蒸馏后所得到的复合一定规格的石油沥青。较好的变形能力，温度敏感性较大。氧化沥青（oxidizedasphalt）将空气通入热沥青中制得的一种石油沥青较好的温度稳定性.液体沥青（liquidasphalt）：在粘稠沥青中掺加煤油、汽油、柴油乳化沥青（Emulsifedasphalt）：水＋乳化剂＋沥青第十六页，共67页。第十六页，共67页。2.1.2石油沥青的化学组成和结构2.1.2.1石油沥青的化学元素组成主要化学元素：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：钒、镍、铁、镁和钙氢碳比：H/C大庆：H/C=1.70胜利：H/C=1.62沙中：H/C=1.42第十七页，共67页。第十七页，共67页。2.1.2.2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第十八页，共67页。第十八页，共67页。直链和支链脂肪烃及环烷烃、芳香烃组成，非极性，含量5～20％饱和分芳香分胶质沥青质沥青中最低分子量的环烷芳香烃组成，平均分子量300～2000，含量40～65％主要由C、H组成，并含有S、N、O等杂原子，是沥青质的溶剂和扩散剂。一定程度上决定胶体类型（溶胶、凝胶）最重的组分，平均分子量1000～100000，含量1～20％第十九页，共67页。第十九页，共67页。表2-1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（正构烷烃）：高温软化、低温结晶析出。主要存在于饱和分中，分为结晶和非结晶蜡。第二十页，共67页。第二十页，共67页。2.1.2.3沥青的胶体结构胶体结构模型：分散相——沥青质At吸附胶体R→胶团，分散介质——饱和分S、芳香分A

沥青质是核心，一些沥青质聚集在一起，胶质吸附在表面，逐渐向外扩散，而使沥青质的胶核溶于油分（饱和分＋芳香分）中。第二十一页，共67页。第二十一页，共67页。1)溶胶型结构

At的分子量低、数量少

——直馏沥青、液体沥青

特点：高温粘度较低

冷却时为脆性固体

具有牛顿流动特性

（剪应力与剪变率呈线性）溶胶型结构示意图第二十二页，共67页。第二十二页，共67页。2)凝胶型结构

At分子量大、数量多—氧化沥青、老化沥青

特点：变形能力差，脆性；温度敏感性低3)溶凝胶型结构沥青质含量适当，并有较多胶质作为保护，胶团之间具有一定吸引力。大多优质道路沥青属于这种类型。第二十三页，共67页。第二十三页，共67页。第二节石油沥青的技术性质一、物理性质1）密度：d25或d15

d沥青质＞d胶质＞d芳香分＞d饱和分2）体膨胀系数a：

Vt=V0+at3）介电常数：与沥青耐老化性有关；英国研究认为路面抗滑阻力的改善与介电常数有关。沥青克拉玛依欢喜岭SHELL伊朗相对密度0.97311.0041.0341.030第二十四页，共67页。第二十四页，共67页。

二、粘滞性1）沥青粘度的表示式

图4-5牛顿液体⑴

牛顿液体→粘度（单位：Pa∙s）

图4-6τ与应变速率

⑵非牛顿液体→视粘度或表观粘度C－复合流动系数第二十五页，共67页。第二十五页，共67页。2）沥青粘度测定方法

⑴绝对粘度测定方法①毛细管粘度示意图1②旋转粘度示意图2③滑板粘度第二十六页，共67页。第二十六页，共67页。毛细管粘度仪示意图在严格控制温度和真空度的条件下，测定一定体积沥青被吸过毛细管所需要的时间第二十七页，共67页。第二十七页，共67页。旋转粘度计：测定沥青施工温度区的粘度双筒旋转粘度计CCR第二十八页，共67页。第二十八页，共67页。图2-5牛顿液体受力示意图

η—粘滞系数第二十九页，共67页。第二十九页，共67页。图2-6应力与剪应变速率的关系示意图

c——沥青的复合流动系数第三十页，共67页。第三十页，共67页。⑵条件粘度测定方法①标准粘度计法CT,d——单位s图4-7标准粘度计②针入度法PT,m,t——单位0.1mm图4-8针入度法③软化点TR&B——单位℃图4-9软化点测试（表征沥青热稳定性）★针入度是等温粘度

★软化点是等粘温度

第三十一页，共67页。第三十一页，共67页。三、延性和脆性

延（展）性：沥青受到外来作用时，所能承受的塑性变形的能力。

延度——单位cm，反映沥青的塑性图4-10沥青延度脆性：沥青在低温条件下，受到瞬间荷载作用，常表现脆性破坏。2)脆点TFrass

——单位℃，反映沥青低温变形能力图沥青脆点仪

沥青的三态：流动————橡胶————玻璃软化点脆点低温高温第三十二页，共67页。第三十二页，共67页。图4-7标准粘度计

测定液体沥青示意图规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50mL体积所需时间，以s为单位。如C25，5=100，表示试验温度25℃，流孔直径5mm，需要时间100s。

第三十三页，共67页。第三十三页，共67页。图2-8针入度法测定粘稠沥青针入度示意图在规定温度条件下，以规定质量的标准针经过规定时间贯入沥青试样的深度，以1/10mm为单位P25,100,5=60表示：试验温度25℃质量100g历时5s贯入沥青深度6mm第三十四页，共67页。第三十四页，共67页。图2-9软化点测试示意图

条件粘度硬化点滴落点TR&B(℃)取滴落点与硬化点之间温度间隙87.21％作为软化点。产生25.4mm垂度时的温度。第三十五页，共67页。第三十五页，共67页。图4-10沥青延度测试示意图第三十六页，共67页。第三十六页，共67页。图4-11沥青脆点仪和弯曲器第三十七页，共67页。第三十七页，共67页。四、沥青的感温性感温性：沥青的粘度随温度的不同而产生明显的变化的特性感温性评价指标：针入度指数（PI）针入度粘度指数PVN粘度温度数VTNlogP=AT+K第三十八页，共67页。第三十八页，共67页。1）针入度指数PI的计算1）针入度与温度的关系（普费、范德波尔等）针入度与温度关系logP=AT+K2）针入度指数的确定（普费等人）

令：感温性最大A=∞，PI值为-10感温性最小A=0，PI值为+20

第三十九页，共67页。第三十九页，共67页。A的确定方法:①②2)针入度-温度感应性系数A的确定方法第四十页，共67页。第四十页，共67页。针入度-温度感应性系数A的确定方法③

通过几组数据的回归④查图第四十一页，共67页。第四十一页，共67页。3）针入度指数与胶体结构的关系PI<-2→溶胶型沥青PI>+2→凝胶型沥青PI=-2~+2→溶凝胶型沥青4）当量软化点（T800）和当量脆点值（T1.2）

由logP=AT+K：P=800P=1.2第四十二页，共67页。第四十二页，共67页。沥青的技术性质粘滞性：沥青抵抗剪切变形的能力评价指标：粘度——内摩阻力（粘滞系数）针入度——稠度、粘度

软化点——粘度、感温性延性评价指标：延度——塑性感温性：沥青的粘度随温度的不同而产生明显的变化的特性评价指标：针入度指数——感温性、胶体结构

软化点第四十三页，共67页。第四十三页，共67页。五、沥青的粘弹性1）沥青材料的粘-弹性现象插图

蠕变—在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加

应力松弛—在保持应变不变的情况下，应力随时间增加逐渐衰减插图

2）沥青的劲度模量

定义：在一定温度、荷载作用时间条件下，沥青弹性变形部分与永久变形部分的比例。S=(/

)t,T

确定方法：滑板粘度试验沥青劲度模量诺模图：①荷载作用时间②路面温度差:Tp-TR&B③沥青的PI第四十四页，共67页。第四十四页，共67页。沥青材料的粘－弹性现象第四十五页，共67页。第四十五页，共67页。蠕变与应力松弛现象蠕变——在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加的现象应力松弛——在保持应变不变的情况下，应力随时间的增加而逐渐减弱（衰减）的现象第四十六页，共67页。第四十六页，共67页。由针入度指数预测沥青劲度第四十七页，共67页。第四十七页，共67页。图2-15沥青劲度模量诺模图

①时间标尺：荷重作用时间(t)或频率(ω)②温度标尺：路面温度差（TP－TR&B）③沥青针入度指数PI标尺④劲度模量标尺第四十八页，共67页。第四十八页，共67页。六、沥青的粘附性

——反映沥青与集料的粘结能力水损害影响因素：集料的亲水性（石料对水的亲和力大于对沥青的亲和力）沥青的粘度与极性（沥青中极性物质－沥青酸、酸酐）沥青混合料的空隙率评价方法：水煮法和水浸法试样

光电分光光度法

以颜料作为示踪剂，此颜料对集料吸附，对沥青不吸附。应用分光光度剂很快测定出浓度变化。第四十九页，共67页。第四十九页，共67页。沥青路面坑洞1第五十页，共67页。第五十页，共67页。第五十一页，共67页。第五十一页，共67页。沥青路面坑洞1第五十二页，共67页。第五十二页，共67页。水煮法试样第五十三页，共67页。第五十三页，共67页。七、沥青的耐久性——沥青的“老化”现象：沥青性质随着时间推移而发生变化→变脆变硬→老化针入度下降、粘度增加、软化点增加、沥青变硬过程：贮存运输加热拌和使用原因：热、氧气、紫外线等下→轻质组分挥发；氧化、组分转化老化前后沥青红外光谱（1700cm－1）第五十四页，共67页。第五十四页，共67页。第五十五页，共67页。第五十五页，共67页。老化对沥青组分的影响组分胜利100号沥青老化前老化后饱和分11.611.8芳香分40.738.7胶质42.835.9沥青质4.511.0老化对沥青胶体结构的影响溶胶溶凝胶溶凝胶凝胶第五十六页，共67页。第五十六页，共67页。老化性能评价方法①蒸发损失试验：质量损失、针入度比、延度将50g沥青加入直径55mm深35mm的器皿中163℃、5h

②薄膜加热试验插图4-17

③旋转薄膜烘箱试验插图4-18④PAV压力老化试验插图八、安全性——闪点和燃点石油沥青：克利夫兰开口杯法（COC）液体沥青：泰格式开口杯法（TOC）闪点：出现瞬间蓝色火焰；燃点：持续5s火焰第五十七页，共67页。第五十七页，共67页。图4-17沥青薄膜加热烘箱示意图

试件：50g沥青试样，膜厚度～3mm试验条件：163℃，5h试验指标：质量损失针入度比延度圆盘：内径139.7mm深9.5mm第五十八页，共67页。第五十八页，共67页。图4-18沥青旋转薄膜加热烘箱示意图

试件：35g沥青试样，装入高140mm，直径64mm开口玻璃瓶试验条件：163℃，75min4000ml/min，15RPM第五十九页，共67页。第五十九页，共67页。PAV压力老化试验仪试件：RTFOT后的薄膜试样试验条件：90～110℃，20h，2.07MPa第六十页，共67页。第六十页，共67页。沥青闪点仪示意图第六十一页，共67页。第六十一页，共67页。第三节石油沥青的技术标准一、重交通道路石油沥青质量要求按P25分级：AH-50、AH-70、AH-90、AH-110和AH-13040~6060~8080~9090～110110~130其它指标：软化点、延度(15ºC)、含蜡量、溶解度、闪点、密度(15