第9章沥青材料

2023/2/41第9章沥青和沥青混合料本章的目的要求1、掌握沥青的组成、技术性质和技术标准；2、掌握石油沥青的参配；3、了解煤沥青和石油沥青改性的相关内容。2023/2/429.1沥青

沥青是高分子碳氢化合物及其非金属（氧、氮、碳等）衍生物组成的极其复杂的混合物，在常温下呈黑色或黑褐色的固体、半固体或液体状态。沥青是一种有机胶凝材料，具有粘性、塑性、耐腐蚀及憎水性等，因此在建筑工程中主要用作防潮、防水、防腐材料，用于屋面、地下、以及其他防水工程、防腐工程以及道路工程。2023/2/439.1.1沥青的分类与基本组成结构1.沥青的分类沥青主要分为地沥青和焦油沥青。地沥青又分为天然沥青和石油沥青。焦油沥青分为煤沥青，木沥青，页岩沥青。见表9－1（P158）。2023/2/442.沥青的基本组成结构1）石油沥青的基本组成石油沥青是以原油为原料，经过炼油厂常压蒸馏、减压蒸馏等提炼后，提取汽油、煤油、柴油、重柴油、润滑油等产品后得到的渣油，通常这些渣油属于低标号的慢凝液体沥青。组分：将沥青中化学成分和物理性质相近，并且有某些共同特征的部分，划分为一个组分。石油沥青组分划分方法有三组分法（油分、树脂、地沥青质）与四组分法（饱和分、芳香分、胶质、沥青质）。2023/2/452）石油沥青的结构（1）溶胶型（针入度指数＜－２）（2）凝胶型（针入度指数＞＋２）（3）溶胶－凝胶型（针入度指数－２～＋２）

a)b)c)沥青胶体结构示意图a)溶胶型结构；b)溶胶-凝胶型结构；c)凝胶型结构

2023/2/46３.沥青的老化及再生沥青的老化（Ageing）是指沥青材料在路面中受各种因素（氧、光、热、水等）的作用下，随时间而产生“不可逆的”化学组成结构和物理－力学性能变化的过程。2023/2/47再生沥青（Reclaimedasphalt）：已经老化的沥青，经掺加再生剂（Rejuventor）后使其恢复到原来（甚至超过原来）性能的一种沥青。再生沥青机理：Ａ、相容理论（沥青老化是沥青中的组分相容性降低造成的，增加氮基和第一酸性分即可再生）；Ｂ、组分调节理论（沥青老化是由于沥青中某些成分偏多，而另一些成分偏少造成的，补充偏少的成分即可再生）2023/2/482）煤沥青的基本组成煤沥青是煤干馏得到的煤焦油，经再提炼加工得到的产品，也称煤焦油沥青或柏油。采用选择性溶解等方法，将煤沥青分离为游离碳、油分、软树脂和硬树脂四个组分。煤沥青分为低温、中温、高温煤沥青三大类。建筑中主要使用半固体的低温煤沥青。煤沥青和石油沥青相比，煤沥青密度较大，塑性较差，温度敏感性较大，在低温下易变脆硬、老化快，与矿质材料表面结合紧密，防腐能力强，有毒和臭味等。因此，煤沥青适用于地下防水工程及防腐工程中。2023/2/499.1.2石油沥青的主要性质及技术要求1.石油沥青的主要性质（1）黏滞性（简称黏性）是指沥青在外力作用下抵抗变形的能力。沥青在工程使用中可能受到各种力的作用，如重力、温度应力、车轮荷载等。在沥青路面中，沥青作为粘结材料将矿料粘结起来，形成强度，沥青的黏滞性决定了路面的力学行为。为防止路面夏天出现车辙，冬天出现开裂，沥青的黏性选择是首要考虑的参数。沥青的黏性通常用粘度表示，黏度和针入度是划分沥青等级（标号）的主要依据。2023/2/410

测定液体沥青等材料流动状态的黏度时，应采用标准黏度计，该试验方法是：在标准黏度计中，液体状态的沥青，于规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50ml体积，所需的时间秒数（s）被称为沥青的黏度，并以CT,d表示（T为试验温度℃，d为流孔直径mm）。在温度和流孔直径相同的条件下，流出时间（T）愈长，表示沥青黏度愈大。2023/2/411

针入度是在规定温度（25度）和时间（5秒）条件下，一定重量的标准针（100g），垂直贯入试样的深度表示沥青的针入度值，并以0.1mm为单位（0.1mm=1度）。沥青的针入度用PT,m,t表示，其中P为针入度，T为试验温度，m为标准针（包括连杆及砝码）的质量，t为贯入时间。按我国现行试验法，试验条件为P25℃,100g,5s，根据需要如采用其它试验条件时，应在试验结果中注明。针入度是目前我国粘稠石油沥青的分级指标。针入度大，粘性小，沥青愈软。

牌号的数值：一般取针入度波动范围的中间值。例如：90号沥青，针入度范围为80～100。2023/2/412（2）塑性

塑性是指在外力作用下，产生变形而不破坏的能力。用延度表示。

沥青延度值的大小直接反映了工程中沥青在外力作用下，保持内部结构连续或抵抗开裂的能力。沥青的延度值是采用延度仪测定的，它是将沥青试样制成8字形标准试件（最小断面1cm2），在规定的试验温度（通常为25℃或15℃）和拉伸速度（通常为5cm/min）条件下，拉断时的长度伸长值（以cm计）。在科研中有时需测定沥青低温（0℃，4℃）时的延度，其拉伸速度常为1cm/min。2023/2/413

沥青延度与其流变特性、胶体结构和化学组分等有着密切的关系。研究表明：沥青中油分和地沥青质适量时，树脂含量愈多，沥青的塑性愈大。温度升高，沥青的塑性增大。在常温下，塑性较好的沥青在产生裂缝时，也可能由于特有的粘塑性而自行愈合（反映了沥青开裂后的自愈能力）。沥青延度越大，其塑性变形越大，有利于低温变形。2023/2/4143、温度敏感性沥青物理性能随温度变化的性质。沥青是一种组成和结构非常复杂的非晶质高聚物，它由液态转变为固态时，没有敏感的固化点或液化点。对于沥青的物理性质与温度之间的关系，通常采用产生硬化与滴落时相对应的某一温度区域范围来表示，在此温度区间内，沥青是一种粘滞流动状态。在工程实际中为保证沥青不致由于温度升高而产生流动的状态，取这一温度区间的0.8721倍作为反映沥青物理状态与温度之间关系的参数，并称之为软化点——是指沥青由固态转变为液态时的温度。。软化点用环球法测定。2023/2/415软化点测定方法——环球法：如图，该法是将沥青试样注于规定内径的铜环中，试样上放置一标准钢球（3.5g），把它们一起放入水或甘油中，在规定的加热速度下（5℃/min），沥青试样逐渐软化，直至在钢球荷重作用下滴落到下层金属板时（25.4mm）的温度，称为软化点，单位：℃

软化点高,温度敏感性小；温度稳定性好；耐热性好。土木工程必须选用软化点高(即温度敏感性小，或温度稳定性好)的沥青。2023/2/416表征石油沥青的黏滞性、塑性和温度敏感性这三项性质的三大指标为：针入度、延度、软化点。是划分沥青标号的主要依据，是评价粘稠石油沥青技术性质最常用的经典指标。2023/2/417（4）大气稳定性（也称抗老化性）指沥青长期在阳光，空气，温度等的综合作用下，性能稳定的程度。沥青在上述的这些因素综合作用下，逐渐失去粘性、塑性，而变脆变硬直至脆裂的现象称为沥青的老化。老化的原因——

低分子量组分向高分子量组分转化，即：油分树脂地沥青质。

∴地沥青质相对含量少的沥青，具有较？的大气稳定性。大气稳定性的好坏，反映了沥青的使用寿命的长短。大气稳定性好的沥青，耐老化，使用寿命长。2023/2/418评价指标：沥青的大气稳定性用蒸发前后的减量值（蒸发损失百分率）及针入度比来表示。

蒸发损失百分率越小,蒸发后针入度比越大,则表示沥青大气稳定性越好,亦既老化越慢。2023/2/419（5）安全性沥青的闪点与燃点。闪点（也称闪火点）指沥青加热产生的可燃气体与空气的混合物，在规定的条件下与火焰接触，初次产生兰色闪光时的沥青温度。燃点（着火点）指沥青加热产生的可燃气体与空气的混合物，与火焰接触能维持燃烧5s以上，此时沥青的温度就为燃点。燃点是沥青可持续燃烧的最低温度，燃点温度比闪点温度高约10℃。闪点和燃点是保证沥青安全加热和施工的一项重要指标。2023/2/420（6）其他性质为综合评价沥青的技术性能，还应全面地了解沥青的其他性质，如溶解度、含蜡量、粘附性等。

溶解度：指沥青在有机溶剂（三氯乙烯、四氯化碳、苯等）中可溶物的百分含量。可以反映沥青中起粘结作用的有效成分的含量。2023/2/4212.石油沥青的技术要求1）石油沥青的选用（1）石油沥青按用途分

①建筑石油沥青——制作防水卷材、防水涂料和密封膏；用于建筑屋面和地下防水；管道防腐工程。（3个牌号）②防水防潮石油沥青——性能高于建筑石油沥青，适用于作油毡的覆盖材料及建筑屋面和地下防水的胶粘剂。（4个牌号）③道路石油沥青——适用于铺筑路面，也可用于屋面防水、生产油纸、油毡和绝缘材料。（7个牌号）④普通石油沥青——含蜡量较多，温度敏感性大，不宜在建筑工程中直接使用，可与其他沥青掺配使用。（3个牌号）2023/2/422（2）石油沥青的牌号主要根据针入度、延度和软化点等指标划分，并以针入度（平均）值表示。牌号大，针入度大，延度大，软化点低；沥青愈__软___。牌号大，粘性__小___，塑性__好___，温度敏感性__高__。牌号大，使用年限愈__长___。∴在选用石油沥青时，在满足使用要求的前提下应尽量选用较大牌号的沥青，可以保证较长的使用年限。2023/2/423（3）石油沥青的选用选用原则——根据工程类别（房屋、道路或防腐）、气候条件及工程部位（屋面、地下）选择石油沥青的品种和牌号。屋面工程用沥青——软化点应比当地屋面最高温度高20～25℃（而沥青屋面温度高于气温25～30℃）。气温较高的南方地区——主要考虑路面热稳定性，宜采用针入度较小、粘度高的沥青。北方严寒地区——为防止和减少地面开裂，面层宜采用针入度较大的沥青。地下防水工程——要求沥青粘性较大，塑性较大，能与基层牢固粘结，并能适应建筑物的各种变形，保证防水层完整。由于不受高温影响，通常选用牌号稍大的沥青。2023/2/424①道路沥青的选用

石油道路沥青分为：•重交通道路沥青•中、轻交通道路沥青重交通道路——高速公路、一级公路、城市快速路及主干道。中、轻交通道路——其它等级公路和城市道路。2023/2/425

石油沥青在道路工程中主要用作胶凝材料，与各级集料形成沥青混合料铺筑路面。道路石油沥青牌号越大，针入度越大，延展性越好。选择石油沥青重点考虑的技术性质是高温稳定性和低温抗裂性，即避免石油沥青路面出现高温下流淌、低温下脆裂以及拥包、推移、车辙等永久变形。一般来说，南方高温地区宜选用低牌号石油沥青，如AH-50、AH-70、A-60、A-100等；北方寒冷地区宜选用高牌号石油沥青，如AH-90、AH-110、A-140、A-180等。2023/2/426②建筑沥青的选用

建筑石油沥青主要用作：制造油纸、油毡、防水涂料、沥青嵌缝膏等。这些石油沥青制品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。施工时制成的沥青胶膜较厚，加之本身为黑色易吸热，使其温度敏感性很大。选用时必须重点考虑工程环境及使用要求。比如作屋面防水层，高温季节沥青防水屋面的表面温度会比其它材料表面温度高得多，常常比当地最高气温高出25℃～30℃。所以选用屋面沥青材料时，其软化点应比本地区屋面最高温度高20℃～25℃，即比当地最高气温高出50℃以上。2023/2/427③普通石油沥青的选用

普通石油沥青含蜡量较高，又称多蜡石油沥青。这种沥青，针入度较大，塑性较差，与其它石油沥青相比，其温度敏感性较大，到达液态时的温度与其软化点相差很小，故这种沥青一般不单独用于建筑工程，有时可少量掺配在其它沥青中使用。2023/2/4282）石油沥青的技术标准（1）建筑石油沥青的技术标准标号：建筑石油沥青按针入度值划分为40号、30号和10号三个牌号。

特点：与道路石油沥青相比，针入度较小，延度较小，软化点较高。技术标准：《建筑石油沥青》GB/T494-2010的规定，见表9－4（P164）。2023/2/429（2）道路石油沥青的技术标准道路石油沥青的质量应符合表9－6（P165－166）的技术要求规定。各沥青等级的适用范围应符合表9－5（P164）的规定。2023/2/4303.煤沥青的主要性质与石油沥青相比，煤沥青有如下特点：

1、大气稳定性差；

2、温度敏感性大；

3、塑性较差；

4、有毒性和臭味，防腐能力较好；

5、与矿料表面的粘附力较好。综上所述，煤沥青目前已较少应用，或用于次要或暂设工程。2023/2/431鉴别方法：由于煤沥青和石油沥青相似，使用时必须加以区别，鉴别方法见下表。鉴别方法煤沥青石油沥青密度>1.1(约为1.25）接近1.0锤击音清脆，韧性差音哑，富有弹性，韧性好燃烧烟呈黄色，有刺激味烟无色，无刺激性臭味溶液颜色用30-50倍的汽油或煤油溶解后，将溶液滴于滤纸上，斑点分为内外两圈，呈内黑外棕或黄色溶解方法同左，斑点完全均匀散开，呈棕色。2023/2/4329.1.3沥青的掺配、改性及主要沥青制品1.沥青的掺配（1）掺配原则——同属石油沥青或同属煤沥青的才可以掺配（2）掺配估算公式

Q2=1-Q1

式中：Q1、Q2——分别表示较软(软化点低)、较硬(软化点高)沥青用量(%)

T1、T2——分别表示较软(软化点低)、较硬(软化点高)沥青软化点(℃)

T——需要配制沥青的软化点(℃)2023/2/433

例：某工地需要使用软化点为85℃的石油沥青5吨，现有10石油沥青（软化点95℃）3.5吨,30石油沥青（软化点为70℃）1.0吨和60石油沥青（软化点为45℃）3.0吨。试通过计算确定出三种牌号石油沥青各需用多少吨？

解：由题知10与30、10与60均可配制出软化点为85℃的石油沥青，故按上述两组分别配制。①10与30掺配

Q30=(95-85)100/(95-70)=40%；则Q10

=1–40%=60%

设30用1.0吨，10用x吨；由Q30

/Q10

=40/60=1/x

得x=1.5吨，即10用1.5

吨②10与60掺配

Q60乙

=(95-85)100/(95-45)=20%；则Q10=1–20%=80%

10与60乙共需5-1.0-1.5=2.5吨设60乙用y

吨，则10需2.5-y吨；由Q10

/Q60乙

=80/20=(2.5-y)

/y

得y=0.5吨，即60乙用0.5

吨，10用2.5-0.5=2.0

吨③由上述计算知

10共需用1.5+2.0=3.5

吨；30需用1.0吨；60乙需用0.5

吨合计共3.5

+1.0+0.5=5.0

吨2023/2/4342.改性沥青沥青材料具有：高温易流淌；低温易脆裂；大气中易老化；耐用年限短的特点。为了提高沥青的使用性能，通常在沥青中加入改性材料。聚合物（如合成橡胶、合成树脂）和矿物填料是最常用的改性材料。

矿物填料改性——为了提高沥青的粘结力和耐热性，降低沥青的温度敏感性，常加入一定数量的粉状（如滑石粉、石灰石粉等）或纤维状（如石棉等）矿物填料。

聚合物改性——合成橡胶（如SBS等）改性，可以提高沥青的变形能力。——合成树脂（如APP等）改性，可以提高沥青的耐寒、耐热及粘结性。2023/2/4353.沥青制品

沥青胶主要用来粘贴防水材料，为了提高与基层的粘结力，常在基层上先涂一层冷底子油。1）冷底子油（基层处理剂，属溶剂型沥青基防水涂料）冷底子油是用建筑石油沥青加入汽油、煤油、轻柴油；或者用软化点为50-70度的煤沥青加入苯，融合而配制成的沥青溶液，可以在常温下涂刷，故称冷底子油。2023/2/436冷底子油作用机理：涂刷在多孔材料表面——渗入材料孔隙——溶剂挥发——沥青形成沥青膜（牢固结合于基层表面，且具有憎水性）。配制：常使用30%～40%的石油沥青和60%～70%的溶剂（汽油或煤油），首先将沥青加热至180～200℃，脱水后冷却至130～140℃，并加入溶剂量的10%煤油，待温度降至约70℃时，再加入余下的溶剂（汽油）搅拌均匀为止。冷底子油最好是现用现配。若储藏时，应使用密闭容器，以防止溶剂挥发。用途——施工时在基层上先涂刷一道冷底子油，再刷沥青防水涂料或铺防水卷材。2023/2/4372）沥青胶（也称玛碲脂）定义：沥青胶是在沥青中加入适量的矿质粉料或加入部分纤维状填料配置而成的材料。

特性：与纯沥青相比，沥青胶具有较好的粘性、耐热性、柔韧性和抗老化性。

技术性能：主要有耐热度、柔韧性和粘结力。根据耐热度划分为6个标号。

用途——粘贴防水卷材（沥青防水卷材或高聚物改性防水卷材）、嵌缝、接头、补漏及做防水层的底层。2023/2/438沥青胶分为热用和冷用两种。热用即热沥青玛碲脂，是将70～90%的沥青加热至180～200℃，使其脱水后，与30～10%的干燥填料热拌混合均匀后，热用施工。冷沥青玛碲脂是40～50%的沥青融化脱水后，缓慢加入25～30%的溶剂，再掺入30～10%的填料，混合拌匀制得。并在常温下使用。冷用沥青胶比热用沥青胶施工方便，涂层薄，节省沥青；但是耗费溶剂，成本高。2023/2/439工程实例分析实例9－1沥青路面裂缝分析（P170）2023/2/4409.2沥青混合料定义：沥青混合料是指由矿料（粗骨料、细骨料、矿粉）与沥青拌和而成的混合料。沥青混合料的特点：１）具有良好的力学性能及一定的高温稳定性和低温抗裂性。２）路面有一定的粗糙度，有良好的抗滑性能。３）施工方便快速，能及时开放交通。４）经济耐久，并可分期改造和再生利用。５）有温度敏感性大、易老化等缺点。2023/2/4419.2.1沥青混合料的分类及组成结构1.沥青混合料的分类按剩余孔隙率：小于10％为沥青混凝土；大于10％为沥青碎石。按集料最大粒径：特粗式、粗粒式、中粒式、细粒式和砂粒式。按密实程度：Ｉ型密实沥青混合料（剩余孔隙率为3～6％）、Ⅱ型半密实沥青混合料（剩余孔隙率4～10％）、半开式沥青混合料（剩余孔隙率为10～15％）、开式沥青混合料（剩余孔隙率大于15％）。按施工温度：热拌热铺、热拌冷铺、冷拌冷铺。按用途：路用、机场、桥面。按特性：防滑式、排水性、高强、彩色沥青混合料。2023/2/4422.沥青混合料的组成材料及结构特点1）沥青混合料的组成材料（１）沥青（２）粗骨料粒径大于2.36mm的集料。应清洁、干燥、无风化，符合一定级配要求，具有足够的力学性能（压碎值、磨光值、磨耗值和冲击值），与沥青有较好的粘结性。（３）细骨料粒径小于2.36mm的集料。应清洁、干燥、无风化，符合一定级配要求，与沥青有较好的粘结性。（４）矿粉粒径小于0.075mm的矿质粉末。应用碱性石料磨制，如石灰石、白云石。也可用高钙粉煤灰、消石灰、水泥部分代替矿粉。2023/2/4432）沥青混合料的组成结构悬浮密实结构骨架空隙结构骨架密实结构2023/2/4443.沥青混合料的强度理论

沥青混合料在常温和较高温度下，由于沥青黏结力不足而产生变形或由于抗剪强度不足而破坏，一般用库仑理论来分析其强度和稳定性。即对圆柱形试件进行三轴剪切试验，由摩尔圆可以获得材料的应力情况。2023/2/4459.2.2沥青混合料的性质和测试方法1、高温稳定性2、水稳定性3、低温抗裂性4、耐久性5、抗滑性6、施工和易性2023/2/4461、高温稳定性定义：指沥青混合料在高温下和长期交通荷载作用下，不产生车辙、波浪和油包等破坏现象的性能。主要影响因素：沥青的用量、沥青的黏度、矿料的级配、矿料的尺寸与形态、沥青混合料摊铺面积等。测试评定及其指标：①马歇尔稳定度测定：稳定度、流值、马歇尔模数三项指数。②车辙试验：60°，同一轮迹，反复行走，产生1mm变形所需试验车轮行车次数。(动稳定度)。2023/2/447改善高温稳定性的措施：使用高粘度沥青；适当减少沥青用量；选用形状好、富棱角集料；提高沥青的骨架密实性等。2023/2/4482、水稳定性进入路面的自由水是造成路面损坏的首要原因。在规定的试验条件下进行马歇尔试验和冻融劈裂试验检验沥青混合料的水稳定性。3、低温抗裂性指沥青混合料不出现低温脆化、低温缩裂、温度疲劳等现象，从而导致出现低温裂缝的性能。低温脆化指低温条件下变形能力下降；低温缩裂通常是材料本身抗拉强度不足而造成的，可通过沥青混合料的劈裂试验和线性收缩系数试验来反映。通过弯曲试验（温度－10℃、加载速率50mm/min），测定破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量，并根据应力应变曲线，综合评价沥青混合料的低温抗裂性能。2023/2/449提高低温抗裂性的措施：选用粘度较低的沥青；选用橡胶改性沥青；适当增加沥青用量，以增加沥青混合料的柔韧性。2023/2/4504、耐久性定义：指在外界各种因素（如阳光、空气、水、车辆荷载等）的长期作用下不破坏的能力。影响因素：沥青自身的化学组成与结构、性质；矿物成分及组成结构（空隙、填隙率）。应存留空隙率3～6%，以免夏季的膨胀。评价：马歇尔试验测定沥青混合料的空隙率、沥青饱和度和残留稳定度等指标。2023/2/451改善耐久性的措施：

选用耐老化的沥青；适当增加沥青用量；提高沥青的密实性等。

2023/2/4525、抗滑性影响因素：矿料的表面性质、沥青用量、混合料的级配及宏观构造等。评价：路面抗滑性可用