第一章 沥青概述

环境与资源分院

道路用乳化沥青的生产与应用第一章

绪论

一、沥青1.定义：沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂的混合物，是高黏度有机液体的一种，呈液态，表面呈黑色。2.性质：沥青属于憎水性材料，它不透水，也几乎不溶于水、丙酮、乙醚、稀乙醇，溶于二硫化碳、四氯化碳、氢氧化钠。在公元前3800年到公元前2500年间人类就开始使用沥青。第一条用沥青铺装的路面大约在公元前600年在巴比仑出现，技术不久失传。直到19世纪人们才又用沥青来铺路。第一节

沥青相关知识第一章

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一、沥青沥青路面比一般砂石（水泥）路面具有以下优点：1.可以提高车速；提高运输效率；2.降低油耗；节省燃料油20%；3.降低运输成本20%-35%；4.延长轮胎使用寿命；由平均5万公里延长到17万公里；5.延长汽车大修里程；由平均6万公里延长到24万公里；6.节省养路费及材料费20%-25%；7.提高行车的平稳性与舒适性，降低噪音；8.提高行车的安全性，降低事故发生率。

地沥青天然沥青石油沥青煤沥青按其在自然界获得的方式可分为两大类焦油沥青页岩沥青石油在天然条件下，长时间地球物理作用下所形成的产物→由页岩炼油所得的工业副产品石油经炼制加工后所得的产物由煤干馏所得到的煤焦油在加工所得的产物→→→按生产方法分：直馏沥青、溶剂脱油沥青、氧化沥青、调和沥青、乳化沥青、改性沥青；按外观形态分：液体沥青、固体沥青、稀释液、乳化液、改性体等；按用途分：道路沥青、建筑沥青、防水防潮沥青、以用途或功能命名的各种专业沥青等；

分类

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1.煤焦沥青

煤焦沥青是炼焦的副产品，即焦油蒸馏后残留在蒸馏釜内的黑色物质。它与精制焦油只是物理性质有分别，没有明显的界限，一般的划分方法是规定软化点在26.7℃（立方块法）以下的为焦油，26.7℃以上的为沥青。煤焦沥青中主要含有难挥发的蒽、菲、芘等。这些物质具有毒性，由于这些成分的含量不同，煤焦沥青的性质也因而不同。温度的变化对煤焦沥青的影响很大，冬季容易脆裂，夏季容易软化。加热时有特殊气味；加热到260℃在5小时以后，其所含的蒽、菲、芘等成分就会挥发出来。

沥青主要可以分为煤焦沥青、天然沥青和石油沥青三种

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2.天然沥青

天然沥青储藏在地下，有的形成矿层或在地壳表面堆积。这种沥青大都经过天然蒸发、氧化，一般已不含有任何毒素。沥青材料分为地沥青和焦油沥青两大类。地沥青又分为天然沥青和石油沥青；天然沥青是石油渗出地表经长期暴露和蒸发后的残留物；石油沥青是将精制加工石油所残余的渣油，经适当的工艺处理后得到的产品。焦油沥青是煤、木材等有机物干馏加工所得的焦油经再加工后的产品。工程中采用的沥青绝大多数是石油沥青，石油沥青是复杂的碳氢化合物与其非金属衍生物组成的混合物。通常沥青闪点在240℃~330℃之间，燃点比闪点约高3℃~6℃，因此施工温度应控制在闪点以下。

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3.石油沥青

石油沥青是原油蒸馏后的残渣。根据提炼程度的不同，在常温下成液体、半固体或固体。石油沥青色黑而有光泽，具有较高的感温性。由于它在生产过程中曾经蒸馏至400℃以上，因而所含挥发成分甚少，但仍可能有高分子的碳氢化合物未经挥发出来，这些物质或多或少对人体健康是有害的。目前工程中常用的主要有石油沥青和少量的煤沥青。

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3.石油沥青

（1）组成

石油沥青的组成元素主要是碳（82~88%）、氢（8~11%），其次是硫（＜6%）、氧（＜1.5%）、氮（＜１％）等和微量的金属元素。但沥青的化学成分极为复杂，将其分离为纯粹的化合物单体，目前还有一定困难，而且沥青的元素组成与其物理性质的关系不甚密切，因此通常采用组分分离法将沥青分离为化学性质相近而且与技术性质有一定联系的几个组，即沥青的化学组分，我国现行标准JTJ052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定有三组分和四组分两种分析方法。各组分的含量多少会直接影响沥青的性能。

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3.石油沥青

（1）组成

三组分法为：将石油沥青分离为油分(含蜡)、胶质(树脂)、地沥青质（沥青质）。①油分(含蜡)：为淡黄色至红褐色的油状液体，分子量为100-500。②胶质(树脂)：为黄色至黑褐色半固体粘稠物质，分子量600-1000。大部分属于中性树脂，其化学稳定性差，容易氧化缩合。

③地沥青质（沥青质）为深褐色至黑色固态无定形物质（固体粉末），分子量比树脂更大（1000以上）。染色力强，对光的敏感性强，感光后就不能溶解。

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3.石油沥青

（1）组成

表1-1石油沥青各组分的特性

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3.石油沥青（1）组成

四组分法为：将石油沥青分离为饱和分、芳香分、胶质、沥青质，此外，还有一定的石蜡固体。蜡会降低石油沥青的粘性和塑性，同时对沥青的温度敏感性（及温度稳定性差）有较大的影响，高温时使沥青容易发软，低温时会使沥青变得脆硬易裂。此外，还会使沥青与集料（又称骨料。分为粗骨料和细骨料，混凝土的主要组成材料之一。主要起骨架作用和减小由于胶凝材料在凝结硬化过程中干缩湿胀所引起的体积变化，同时还作为胶凝材料的廉价填充料）的粘附性降低，是石油沥青中的有害成分。

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3.石油沥青（2）石油沥青的胶体结构

沥青中的油分和树脂能浸润地沥青质。沥青的结构是以地沥青质为核心，周围吸附部分树脂和油分，构成胶团，无数胶团分散在有分钟形成胶体结构。根据石油沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同可以形成溶胶型、溶胶—凝胶型、凝胶型三种不同的胶体结构。

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3.石油沥青（2）石油沥青的胶体结构

三种胶体结构的特点：1.溶胶型结构---地沥青质含量较少，具有较好的自愈性和低温变形能力，但是高温稳定性差（黏度很小）。2.溶--凝胶型---沥青质、油分、树脂介于溶胶与凝胶之间，具有粘弹性和触变性（在机械力作用下被破坏后恢复最初结构的能力即触变性），故亦称弹性溶胶，大多数优质沥青属于这种结构状态。3.凝胶型---地沥青质含量很多，常温下具有较好的温度稳定性，但低温变形能力较差；膜层较薄，塑性、温度敏感性小，粘性大，开裂后自愈能力差。

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二、技术指标1.密度沥青试样在规定温度下单位体积所具有的质量，以t/㎥或g/c㎥计。未经注明，规定温度为15℃。2.相对密度在规定温度下，沥青质量与同体积的水质量之比值。3.针入度在规定温度和时间内，附加一定质量的标准针垂直贯入沥青试样的深度，以0.1mm表示。

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二、技术指标4.针入度指数一种沥青结合料的温度感应性指标，反映针入度随温度而变化的程度，有不同温度的针入度按规定方法计算得到。5.延度规定形态的沥青试样，在规定温度下以一定速度受拉伸至断开时的长度，以cm表示。

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二、技术指标

6.软化点沥青试样在规定尺寸的金属环内，上置规定尺寸和质量的金属钢球，放于水或甘油中，以规定的速度加热，至钢球下沉达规定距离时的温度，以℃表示。7.溶解度沥青试样在规定溶剂中可溶物的含量，以质量百分率表示。

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二、技术指标

6.软化点沥青试样在规定尺寸的金属环内，上置规定尺寸和质量的金属钢球，放于水或甘油中，以规定的速度加热，至钢球下沉达规定距离时的温度，以℃表示。7.溶解度沥青试样在规定溶剂中可溶物的含量，以质量百分率表示。

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二、技术指标

8.蒸发损失沥青试样在内径55mm、深35mm的盛样皿中，在163℃温度条件下加热并保持5h后质量的损失，以百分率表示。

9.闪点沥青试样在规定的盛样器内按规定的升温速度受热时所蒸发的气体以规定的方法与试焰接触，初次发生一瞬即燃时的试样温度，以℃表示。盛样器对粘稠沥青是克利夫兰开口杯（简称COC），对液体沥青是泰格开口杯（简称TOC）。

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二、技术指标10.弗拉斯脆点涂于金属片上的沥青试样薄膜在规定条件下，因被冷却和弯曲而出现裂纹时的温度，以℃表示。11.粘度沥青试样在规定条件下流动时形成的抵抗力或内部阻力的度量，也称粘滞度。

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三、主要技术性质1.粘滞性（粘性）是反映材料内部阻碍其相对运动流动的一种特性，表示沥青的软硬、稀稠程度，是划分沥青牌号的主要性能指标。固体或半固体沥青的粘滞性用“针入度”表示，液体沥青的粘滞性用“粘滞度”表示。

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三、主要技术性质(1)粘滞性（粘性）

针入度的检测是在25℃的温度下和在5s的时间内，用荷重100土0.1g的标准针垂直穿入沥青的深度，称为石油沥青的“针入度”，单位以1/10mm表示。它在某种程度上反映沥青的硬度。针入度数值越小，表明粘度越大，沥青越硬，延伸度小，软化点高。

石油沥青的牌号是以针入度的平均值来表示的。如30号建筑石油沥青就是用针入度为25～40的平均值。

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三、主要技术性质(1)粘滞性（粘性）

针入度测定示意图石油沥青针入度测试仪

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三、主要技术性质

(1)粘滞性（粘性）道路石油沥青、建筑石油沥青和防水防潮石油沥青都是按针入度指标来划分牌号的。在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），而温度敏感性增大（软化点降低）。

按针入度分级的国家（现行标准）有：中国，美国，日本，欧盟，澳大利亚，印度，奥地利等。

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三、主要技术性质

(1)粘滞性（粘性）粘滞性表示液态沥青在一定温度（25℃或60℃）条件下，经规定直径（3.5mm或10mm）的孔，漏下50mL所需的秒数。粘度常以符号表示，其中d为孔径（mm），t为试验时沥青的温度（℃）。数值越大沥青材料的粘滞性就越好。

粘度测定示意图

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三、主要技术性质

(1)粘滞性（粘性）粘性的大小与组分及温度有关。沥青质含量较高，当树脂适量、油质含量较少时，则粘性较大；温度升高时，则粘性随之降低，反之则随之增大。当针入度大于200以上的道路石油沥青，已无法标出延伸度值。影响因素：组成：地沥青含量越大，沥青材料的粘滞性越好；温度：温度越高粘滞性越差。

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三、主要技术性质(2)温度敏感性（石油沥青软化点）

温度敏感性指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能。由于沥青是一种高分子非晶态热塑性物质，故没有固定的熔点。温度敏感性用软化点表示。当温度升高，沥青由固态或半固态逐渐软化而呈为液被态，随温度下降，又由液态凝固变硬变脆。

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三、主要技术性质(2)温度敏感性（石油沥青软化点）在相同的温度变化间隔里，各种沥青粘性变化幅度不同，随温度变化而产生的粘性变化幅度较小的沥青，其温度稳定性就好。软化点越高，沥青的耐热性越好，即温度敏感性越小，温度稳定性好。建筑工程要求沥青的粘性和塑性在温度变化时，其变化幅度较小，即温度敏感性小。工程中常通过加入滑石粉、石灰石粉等矿物质来减小其温度敏感性。

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三、主要技术性质

(3)塑性（石油沥青延伸度）塑性是指石油沥青在外力作用时产生变形而不破坏的能力。用延伸度表示，简称为延度。按标准试验方法，制成“8”形标准试件，试件中间最狭处断面积为1cm2，在规定温度（一般为25℃）和规定速度（5cm/min）的条件下在延伸仪上进行拉伸，延伸度以试件拉细而断裂时的长度（cm）表示。沥青的延伸度越大，沥青的塑性越好。

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三、主要技术性质

(3)塑性（石油沥青延伸度）石油沥青的塑性与其组分有关，其中树脂含量增加，则塑性随之增高。温度及沥青膜层厚度也影响塑性，温度升高，塑性增大；沥青的膜层愈厚，塑性愈大，当膜层薄至1µm时，塑性近于消失。在25℃的常温下，沥青的塑性很好。沥青对振动冲击荷载有一定承受能力，塑性较好的沥青在产生裂缝时，也会自行愈合。石油沥青的延伸度愈大，塑性愈好，柔性和抗断裂性能越好。

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三、主要技术性质

(4)大气稳定性石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等大气因素的长期作用下抵抗老化的性能，称为大气稳定性，也是沥青的耐久性。在大气因素的综合作用下，沥青中的各组分会发生不断递变，低分子化合物将逐步转变成高分子物质，即油分和树脂逐渐减少，而地质沥青逐渐增多，随着时间的进展，流动性和塑性将逐渐减少，硬脆性逐渐增大，直至脆裂，这个过程称为老化。所以大气稳定性即为沥青抵抗老化的性能。

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三、主要技术性质

(4)大气稳定性大气稳定性可以用沥青试样在加热蒸发前后的“蒸发损失百分率”和“蒸发针入度比”来表示。蒸发损失百分率越小，蒸发后针入度越大，则表示沥青的大气稳定性好。

以上四种性质是石油沥青材料的主要性质，此外，为评定沥青的品质和保证施工安全，还应该了解石油沥青的溶解度、闪点、燃点等。

我国石油沥青是根据沥青的针入度（粘性）、延伸度（塑性）、软化点（温度稳定性）三项主要指标来评定的，所以石油沥青的三项指标必须全部符合规定，才能明确石油沥青的牌号。

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四、石油沥青的分类及选用标准

根据我国现行石油沥青标准，在工程建设中常用的石油沥青分为道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青等、各品种按技术性质划分为不同牌号。见表1-2。

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四、石油沥青的分类及选用标准

表1-2道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青的技术标准

从上表可看出，道路石油沥青。建筑石油沥青和普通石油沥青都是按针入度指标划分牌号的，在同一品种的石油沥青中，牌号越小，沥青越硬；牌号越大，沥青越软。同时随着牌号的增加，沥青的粘性减小（针入度增加），塑性增加（延度增大），而温度敏感性增大（软化点降低）。

四、石油沥青的分类及选用标准34

在选用沥青材料时，应根据工程性质（房屋、道路、防腐）及当地就气候条件、所处的工程部位（屋面、地下）来选用不同品种和牌号的沥青。道路沥青牌号较多，主要用于道路路面或车间地面工程；建筑石油沥青粘性较大，耐热性好，但塑性较小，主要用作制造油毡、油纸、防水涂料和沥青胶。绝大部分用于屋面及地下防水沟槽防水、防腐蚀及管道防腐工程等。对于屋面防水工程，应注意防止过于软化。四、石油沥青的分类及选用标准35

为避免夏季流淌，屋面用沥青材料的软化点还应比当地气温下屋面可能达到的最高温高20℃以上，但软化点也不宜选择过高，否则冬季低温时易发生硬脆甚至开裂，对一些不受温度影响的部位，可选用牌号较大的沥青。

普通石油沥青含蜡较多，其一般含量大于5%，有的高达20%以上（称多蜡石油沥青），因而温度敏感性大，故在工程中不单独使用，只能与其他种类石油沥青掺配使用。四、石油沥青的分类及选用标准361.沥青的高温性能；2.沥青的低温性能；3.沥青的抗老化性能（短期和长期）；4.沥青的温感性；5.沥青的频感性（触变性：在机械力作用下被破坏后恢复最初结构的能力即触变性）；6.剥离（石料）。理想的道路沥青评价体系37

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四、生产方法1.蒸馏法是将原油经常压蒸馏分出汽油、煤油、柴油等轻质馏分，再经减压蒸馏（残压10~100mmHg）分出减压馏分油，余下的残渣符合道路沥青规格时就可以直接生产出沥青产品，所得沥青也称直馏沥青，是生产道路沥青的主要方法。2.溶剂沉淀法非极性的低分子烷烃溶剂对减压渣油中的各组分具有不同的溶解度，利用溶解度的差异可以实现组分分离，因而可以从减压渣油中除去对沥青性质不利的组分，生产出符合规格要求的沥青产品，这就是溶剂沉淀法。

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四、生产方法3.氧化法是在一定范围的高温下向减压渣油或脱油沥青吹入空气，使其组成和性能发生变化，所得的产品称为氧化沥青。减压渣油在高温和吹空气的作用下会产生汽化蒸发，同时会发生脱氢、氧化、聚合缩合等一系列反应。这是一个多组分相互影响的十分复杂的综合反应过程，而不仅仅是发生氧化反应，但习惯上称为氧化法和氧化沥青，也有称为空气吹制法和空气吹制沥青。

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四、生产方法4.调合法调合法生产沥青最初指由同一原油构成沥青的四组分按质量要求所需的比例重新调合，所得的产品称为合成沥青或重构沥青。随着工艺技术的发展，调合组分的来源得到扩大。例如可以从同一原油或不同原油的一、二次加工的残渣或组分以及各种工业废油等作为调合组分，这就降低了沥青生产中对油源选择的依赖性。随着适宜制造沥青的原油日益短缺，调合法显示出的灵活性和经济性正在日益受到重视和普遍应用。

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四、生产方法

5.乳化法沥青和水的表面张力差别很大，在常温或高温下都不会互相混溶。但是当沥青经高速离心、剪切、重击等机械作用，使其成为粒径0.1~5微米的微粒，并分散到含有表面活性剂（乳化剂——稳定剂）的水介质中，由于乳化剂能定向吸附在沥青微粒表面，因而降低了水与沥青的界面张力，使沥青微粒能在水中形成稳定的分散体系，这就是水包油的乳状液。这种分散体系呈茶褐色，沥青为分散相，水为连续相，常温下具有良好流动性。从某种意义上说乳化沥青是用水来“稀释”沥青，因而改善了沥青的流动性。

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四、生产方法

6.改性沥青

就是在基质沥青中添加适当和适量的改性剂（一种或多种），如掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、天然沥青、磨细的橡胶粉或者其他材料等外掺剂（改性剂），以提高或改善沥青或沥青混合料的某些性能，达到路用要求的过程或手段。沥青的质量可以通过资源优化、工艺优化得到改善。

五、常用沥青生产工艺常减压蒸馏工艺原油汽油、柴油馏分油沥青常压塔常压炉减压炉减压塔43五、常用沥青生产工艺常压炉常减压蒸馏--氧化工艺

原油汽油、柴油馏分油沥青常压塔减压炉减压塔氧化塔44五、常用沥青生产工艺常减压塔常减压蒸馏—溶剂脱沥青—调和工艺汽油、柴油、馏分油脱沥青油沥青渣油或重芳烃油溶剂脱

沥青调和45六、沥青的储运

沥青在生产和使用过程中需要在贮罐内保温贮存，如果处理适当，沥青可以重复加热，即可在较高温度保持相当长的时间而不会使其性能受到严重损害。但是如果接触氧、光和过热就会引起沥青的硬化，最显著的标志是沥青的软化点上升，针入度下降，延度变差，使沥青的使用性能受到损失。主要包括：1.不同品牌的沥青最好单储单运；2.相同工艺生产的沥青可直接混储；3.不同工艺生产的沥青要在等粘温度下混合储运；4.道路沥青尽量避免在水的沸点附近储存；5.沥青的加温，在避免局部过热的情况下，尽量高温快速升温。

46七、主要用途

由于沥青具有很好的粘结性、绝缘性、隔热性及防湿、防渗、防水、防腐、防锈等性能，所以，除了铺路外，还有很广泛的用途。在修建防屋时，常用沥青做防水层，修建冷藏库时，常用沥青和木屑混合制成隔热层；铁路枕木上涂上沥青可以防腐；地下管道涂上沥青可以防锈；水库水坝铺上一层沥青可以防渗、防漏；桥梁板面接合处注入沥青可以起到热胀冷缩的作用。

47七、主要用途

沥青还可以与其它材料混合制成沥青油漆、沥青油毡、沥青橡胶、沥青涂料、沥青绝缘胶等产品。随着现代科学技术的发展，石油沥青的用途也更加广泛。在建筑材料方面，将沥青和土混合，可制成强度高、吸水性小、美观耐用的沥青砖和沥青板，这是一种新型的建筑材料。在农业方面，将沥青和肥料混合后喷洒在土壤表面，可起到保温、减少水份蒸发、防止肥料流失的作用。在电气工业方面，可用沥青作绝缘材料和电缆保护层，尤其是地下电缆、水下电缆更离不了沥青。另外，若将沥青作进一步加工处理，可制得炼钢工业必需的石油焦，也可提供制造宇宙飞船必需的碳素纤维等等。48八、国内发展现状

沥青是支撑国民经济建设的重要物资之一，为炼厂副产