沥青材料第八章

第八章沥青材料沥青的定义：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。第八章沥青材料沥青的分类：沥青地沥青

焦油沥青天然沥青：石油在自然条件下，长时间经受地球物理因素作用形成的产物

石油沥青：石油经各种炼制工艺加工而得的沥青产品煤沥青：煤经干馏所得的煤焦油，经再加工后得到煤沥青页岩沥青：页岩炼油工业的副产品

柏油

广泛用于建筑、公路、桥梁等工程中，主要用于生产防水材料和铺筑沥青路面、机场道面等。土木工程建筑主要应用石油沥青。应用：第八章沥青材料第八章沥青材料天然沥青：天然沥青是石油在自然条件下，经过千百万年的时间，在温度、压力、气体、无机物催化剂、微生物以及水分等综合作用下氧化聚合而成的沥青类物质。由于它常年与自然环境共存，故其性质特别稳定。由沥青、矿物质、水分构成。根据天然沥青生成矿床的不同，可以分为：湖沥青岩沥青海底沥青第八章沥青材料（1）湖沥青

特立尼达湖沥青（TriniadaLakeAsphalt）是世界上最为著名的天然沥青湖。该沥青湖面积44万平方米，深约82米，湖中沥青储量达1200万吨，是世界上最大的天然沥青产地。特立尼达沥青湖第八章沥青材料（2）岩沥青

岩沥青生成于岩石的夹缝中，缝宽很窄，仅数十厘米，深可达几百米。天然岩沥青是一种纯天然的碳氢化合物，熔点在150℃以上，我国青海及克拉玛依地区有所开采，但很少用于道路。状态颜色褐色或黑褐色常温下呈固态、半固态或粘性液态由许多高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物成分组分石油沥青的三大组分组分状态作用油分粘性液态使沥青具有流动性树脂粘稠状半固态使沥青具有塑性和粘结性地沥青质固态使沥青具有粘滞性和温度稳定性基本性质：第八章沥青材料第八章沥青材料主要内容

石油沥青的组成与结构

石油沥青的技术性质和技术指标改性沥青与乳化沥青第八章沥青材料一、石油沥青的化学组成和结构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、钙等碳氢比：C/H大庆石油沥青：C/H=0.657环烷基石油沥青：C/H=0.710化学组分分析方法：将沥青分离为化学性质相近，而且与其工程性质有一定联系的几个组，这些组就称为组分。我国现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000)规定有三组分和四组分两种分析方法。第八章沥青材料2.石油沥青的化学组分三组分分析法（溶解-吸附法）：油分（芳香油和饱和油）：油状液体，密度最小，加热可以挥发，能溶于有机溶剂，它们赋予沥青以流动性。分子量为100～500。树脂（沥青脂胶）：粘稠状液体（半固体），密度大于油分，属于中性树脂，能溶于有机溶剂（苯、汽油）。它们赋予沥青以良好的粘结性、塑性和可流动性，分子量为500～1000。地沥青质（沥青质）：固态无定性物质，密度大于1，决定沥青的温度敏感性和粘滞性，其含量越高，沥青软化点越高，粘性越大，越硬脆。分子量大于1000～6000。第八章沥青材料第八章沥青材料四组分：饱和分－S芳香分－A胶质－R沥青质－At沥青四组分分析发流程四组分分析法：又称色谱法，具体分析流程如图所示。第八章沥青材料表8-1沥青四组分对沥青性能的影响

组分分子量含量（%）高温粘度低温变形能力化学稳定性饱和分S500~7005~20低低高芳香分A800~90040~65低低高胶质R1200~130015~30高高低沥青质At1000~20005~25高低无影响3.沥青含蜡量蜡是沥青中的有害成分，高温时会软化，低温时结晶析出、延性降低。易出现的问题：高温会软化，会导致沥青路面高温稳定性下降，出现车辙；低温结晶析出，使沥青变脆硬，低温抗裂性降低，出现裂缝；沥青与石料的粘附性降低，在有水的条件下，使路面石子产生剥落现象，造成路面破坏；路面的抗滑性降低，影响路面的行车安全。第八章沥青材料第八章沥青材料石油沥青的胶体结构1.胶体结构的形成沥青材料在微观上呈胶体结构。根据胶体理论，绝大多数沥青是以沥青质为核心，吸附胶质形成的胶团作为分散相，分散在饱和分和芳香分的分散介质中。2.胶体结构的分类根据沥青胶团的大小、数量、分散状态的不同，沥青可分为溶胶型、凝胶型和溶-凝胶型三种。第八章沥青材料溶胶结构油分较多，胶团较少，温度稳定性差；胶团相对运动自由，分散度高，流动性和塑性较好。凝胶结构油分与树脂较少，沥青质较多，温度稳定性好；胶团相互连接成不规则空间网状的凝胶结构，弹性和粘性较高，流动性和塑性较低。溶－凝胶结构介于溶胶结构与凝胶结构之间。第八章沥青材料溶胶结构凝胶结构沥青的胶体结构第八章沥青材料沥青的组成与结构胶体结构：溶胶型、凝胶型、溶-凝胶型元素组成：C、H、O、S、N→C/H化学组分：饱和分、芳香分、胶质、沥青质石油沥青的基本性能第八章沥青材料二、石油沥青的技术性质1.物理性质1）密度：标准规定沥青密度测定的标准温度为15℃，用d15表示。d沥青质＞d胶质＞d芳香分＞d饱和分2）体膨胀系数3）介电常数第八章沥青材料

2.黏滞性1）沥青的粘度沥青的粘滞性是指在外力作用下沥青粒子产生相互位移以抵抗剪切变形的能力，通常用黏度指标来表示。沥青粘度测定⑴绝对粘度测定方法毛细管法、真空减压毛细管法、旋转粘度计法、布洛克菲尔德法、滑板黏度计法(2)相对粘度测定方法标准黏度计法、针入度法、软化点法第八章沥青材料3.延展性沥青延展性简称延性，是沥青在外力作用下能承受的塑性变形的总能力。延展性反应的是沥青的低温性能，用延度来表示。延度试验的温度为15℃、10℃，其中15℃延度为强制性指标。研究表明：当沥青化学组分不协调、胶体结构不均匀、含蜡量较高时，沥青的延度会降低。第八章沥青材料4.低温性能随着温度的变化，沥青通常呈现出三态：沥青的三态：流动态————橡胶态————玻璃态软化点脆点温度升高，沥青由橡胶态向液态转变；温度降低时，沥青由橡胶态向玻璃态转变。第八章沥青材料（1）脆点试验沥青材料在低温下受到瞬时荷载时，常表现为脆性破坏。通常采用脆点作为条件来衡量脆性指标。脆点是测量沥青在低温不引起破坏时温度，实质上反映沥青由黏弹体转变为弹脆体即玻璃态转变温度。（2）弯曲梁流变试验（BBR）劲度是沥青或沥青混合料在一定温度和一定负荷时间下应力与应变的比值，反映了沥青的黏弹性，用劲度模量来表示。第八章沥青材料（3）直接拉伸试验（DTT）直接拉伸试验是通过测定沥青在低温时的极限拉伸应变来反映沥青的低温拉伸性能。试验温度为0~36℃，沥青呈脆性特性。第八章沥青材料5.感温性感温性——指石油沥青的黏度和劲度随温度升降而变化的性能。工程意义：感温性过大会使沥青材料高温软化、低温开裂、影响其防水效果。评价指标：针入度指数（PI）：沥青针入度指数有两个作用：一是判断沥青的胶体结构，二是评价沥青的感温性。规定A级沥青PI为-1.5~+1.0、B级沥青PI为-1.8~+1.0.针入度-温度指数（PTI）：根据不同温度条件下的针入度值得比率来评价沥青的感温性。PTI值越小，表明沥青的感温性越小，温度稳定性越好。第八章沥青材料6.黏弹性（1）沥青的黏弹现象通常沥青材料在低温时表现为弹性、高温时表现为黏性，而在相当宽的温度范围内则表现为黏性与弹性并存的黏弹性。1）沥青材料的粘-弹性现象

蠕变—在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加

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

第八章沥青材料沥青材料的粘－弹性现象时间t变形ε温度T1温度T2弹性粘性第八章沥青材料（2）沥青的劲度模量

定义：S=(/

)t,T

确定方法：沥青滑板粘度试验时间t劲度模量S0℃25℃荷载时间与温度对沥青劲度模量的影响第八章沥青材料7.粘附性

——反映沥青与集料的粘结能力。粘附机理：（1）机械黏附理论（2）化学反应理论（3）表面能理论（4）极性理论（5）表面构造理论第八章沥青材料影响因素：集料的酸碱性：

SiO2:0%52%65%碱性集料中性集料酸性集料沥青的粘度与极性：沥青的黏度提高，粘附性提高；沥青混合料的空隙率：沥青混合料的压实空隙率过低，易出现沥青-矿料的粘附性问题。

改进措施：其一，采用碱性集料；其二，掺抗剥落剂。第八章沥青材料评价方法：（1）水煮法和水浸法当集料最大粒径大于13.2mm时采用水煮法；当集料最大粒径小于等于13.2mm时采用水浸法。沥青试样经过水煮或水浸后沥青膜脱落面积越大，则说明沥青粘附性越差。（2）光电分光光度法第八章沥青材料水煮法试样第八章沥青材料水煮法试样第八章沥青材料8.耐久性沥青的耐久性主要指沥青的抗老化性。现象：沥青性能随着时间推移而发生变化如针入度下降、粘度增加、软化点增加→变脆变硬→老化诱因：热、氧气、光（紫外线）老化阶段：沥青短期氧化：沥青在储存运输、加热拌合等过程中所发生的老化；沥青长期氧化：沥青在正常使用阶段的老化较为缓慢，此阶段的光老化很明显。第八章沥青材料老化机理：芳香分→胶质胶质→沥青质

老化性能评价方法：①蒸发损失试验②薄膜烘箱加热试验TFOT③旋转薄膜烘箱试验RTFOT④PAV压力老化试验评价指标：质量损失、针入度比、延度第八章沥青材料9.安全性评价沥青施工安全性有两个指标：闪点：加热沥青初次闪火的温度；所有沥青的闪电都必须大于230℃；燃点：加热沥青能持续燃烧5S以上的温度。沥青的燃点通常比闪点搞10℃左右。10.溶解度沥青的溶解度是指沥青在三氯乙烯、四氯化碳、苯等有机溶剂中可溶物的百分含量。溶解度反映了沥青中起黏结作用的有效成分的含量。第八章沥青材料二、沥青胶结料评价方法土木工程中常用的石油沥青主要分为道路石油沥青、建筑石油沥青、防水防潮石油沥青等。1.道路沥青的评价方法（1）道路石油沥青的分级方法⑴针入度分级－P按所测得的沥青25℃针入度所处水平来划分沥青牌号⑵粘度分级－A按所测得沥青60℃粘度所处水平划分来沥青牌号☆AC－按新鲜沥青60℃粘度分级☆AR－按TFOT或RTFOT试验后残余物60℃粘度分级⑶性能分级PG按沥青所能够适应的最高和最低环境温度来划分沥青牌号第八章沥青材料重交通道路石油沥青质量要求（AH）按P25分级：AH-50AH-70AH-90AH-110AH-13040~6060~8080~9090～110110~130其它指标：软化点、延度(15ºC)、含蜡量、溶解度、薄膜烘箱(残留物质量损失、针入度比、延度)中、轻交通道路石油沥青质量要求(A)按P25分级:A-60甲/A-60乙/A-100甲/100-乙/A-140/A-180/A-200其它指标：软化点、延度(25ºC)、溶解度、闪点蒸发试验（质量损失、针入度比）等按沥青25℃针入度所处水平划分沥青牌号第八章沥青材料①合并了2个技术要求，按照性能分为A、B和C三级；②沥青质量要求充分考虑气候条件，增加了气候分区高温指标：1.夏炎热区、2.夏热区、3.夏凉区低温指标：1.冬严寒区、2.冬寒区、3.冬冷区、4.冬温区雨量指标：1.潮湿区、2.湿润区、3.半干区、4.干旱区如：1-1-4为夏炎热冬寒冷干旱区③增加了沥青感温性指标——针入度指数PI④适当提高软化点要求，对A级沥青增加了60℃动力粘度⑤延度温度修订：增加了10℃延度2004年沥青路面施工技术规范主要修订内容按沥青25℃针入度所处水平划分沥青牌号第八章沥青材料三、改性沥青传统沥青材料往往具有高温软化、低温易脆裂、耐久性差等不足，随着高速公路的发展，对沥青材料的性能也提出了更高的要求。改性沥青是指掺加橡胶、树脂、天然沥青、胶粉或其他改性剂，使沥青或沥青混合料性能得以改善而制成的沥青胶结料。1.常用改性沥青（1）聚合物改性沥青1）热固性橡胶类改性沥青丁苯橡胶（SBR）改性沥青、氯丁橡胶（CR）改性沥青2）热塑性橡胶类改性沥青苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青第八章沥青材料3）热塑性树脂类改性沥青a.聚乙烯（PE）改性沥青b.乙烯-乙酸乙烯酯（EVA）改性沥青c.无规则聚丙烯（APAO）改性沥青4）热固性树脂类改性沥青环氧树脂（EP）改性沥青（2）天然沥青改性沥青天然沥青是石油在自然界长期受地壳挤压、变化，并与空气、水接触逐渐变化而形成的，以天然状态存在的石油沥青，其中常混有一定量的矿物质。由于常年与自然环境共存，性质特别稳定。按形成环境分为湖沥青、岩沥青、海底沥青等。天然沥青改性沥青是将湖沥青等天然沥青作为改性剂，按一定比例，通常为30%，回掺到基质沥青中去，进行调和，用以改善基质沥青的高温性能。第八章沥青材料3.改性沥青的性能与选用（1）改性沥青的性能沥青改性机理有物理共混说、网络填充说、化学共混说、高分子合金说等。改性沥青性能评价指标有关键指标和针对指标；关键指标：针入度针对指标：弹性恢复、延度、黏度、离析、低温弯曲性能等；第八章沥青材料改性剂品种改性效果高温性能低温性能感温性弹性恢复粘附性耐久性SBS星型优优优优优优SBS线型优中中中优优SBR优优优优优中EVA优中中中中中PE优差中差差中常用改性沥青性能第八章沥青材料（2）改性沥青选用改性沥青分为三大类：SBS类、SBR类、EVA和PE类；SBS类主要用于改善沥青高低温性能，用在我国南、北方地区；SBR类可改善沥青的低温性能，多用在我国北方寒