沥青材料土木工程材料

第九章沥青材料第9章沥青材料

主要内容：

1.沥青材料的基本概念

2.石油沥青的化学组分和胶体结构

3.石油沥青的技术性质和技术标准

4.其他沥青材料

概述

1.定义

沥青材料——是由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属（氧、硫、氮）的衍生物所组成的混合物。在常温下，沥青呈黑色或黑褐色的固态、半固态或液态。2.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

3.应用:

广泛用作路面、屋面、防水、耐腐蚀等工程材料。土木工程建筑主要应用石油沥青。

1石油沥青的生产工艺概述2石油沥青的组成和结构

1.化学组分化学组分分析方法: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。三组分分析法按三组分分析法所得各组分的性状列如下表。

石油沥青三组分分析法的各组分性状

性状

组分外观特征平均分子量碳氢比/原子比含量/%物化特征油分淡黄透明液体200～7000.5～0.745～60几乎可溶于大部分有机溶剂，具有光学活性，常发现有荧光，相对密度约0.910～0.925树脂红褐色粘稠半固体800～30000.7～0.815～30温度敏感性高，溶点低于100℃，相对密度大于1.000地沥青质深褐色固体微粒1000～50000.8～1.O5～30加热不熔化，分解为硬焦炭，使沥青呈黑色，相对密度1.100～1.500

2.石油沥青的结构

（1）溶胶型结构

（2）溶-凝胶型结构（3）凝胶型结构

a)b)c)

沥青胶体结构示意图a)溶胶型结构；b)溶-凝胶型结构；c)凝胶型结构

3石油沥青的技术性质

1.物理常数

2.粘滞性

3.延性

4.温度敏感性5.耐久性6.安全性7.其他性质√√√√

1.粘滞性

——反映沥青材料内部阻碍沥青粒子产生相对流动的能力，简称为粘性，是划分沥青牌号的主要技术指标。沥青的粘度是沥青首要考虑的技术指标之一。

粘度

针入度（适应粘稠石油沥青）∆液体沥青的粘滞度（适应液体石油沥青）（1）针入度1）针入度的定义针入度——在规定温度条件下，以规定质量的标准针经过规定的时间贯入沥青试样的深度，单位：0.1mm。常用试验条件：规定温度：25℃

标准针质量：100g

贯入时间：5s2）表示方法：P（25℃，100g，5s）。3）表征意义

沥青的针入度值愈大，表示沥青的粘度愈小。针入度是目前我国粘稠石油沥青的分级指标。标号：一般取针入度的平均值。例如：90号沥青，针入度范围为80～１００（０.１mm）

110号沥青，针入度范围为80～１００（０.１mm）

2.延性

——是沥青材料当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不变的性质，以延度作为塑性的表征指标。（1）延度的定义延度——将沥青试样制成8字形标准试件，采用延度仪，在规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度，单位：cm。

规定条件为：试验温度有0℃、15℃、25℃三种；拉伸速度5cm/min。沥青延度测定示意图（2）延度的表示方法：D（T，v）其中，T为试验温度，v为拉伸速度。（3）测定延度的意义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：

•

随着沥青胶体结构发育成熟度的提高，含蜡量的增加，以及饱和蜡和芳香蜡的比例增大等，都会使沥青的延度值相对降低。

•

沥青延度越大，其塑性变形越大，有利于低温变形。

3.温度敏感性

（1）软化点

（2）脆点

——高温性能指标——低温性能指标（1）软化点沥青材料是一种非晶质高分子的混合材料，没有固定的熔点。沥青材料在由固态转变为液态的温度阶段是一种粘滞流动状态，在工程施工和使用中为保证沥青不致由于温度升高而产生流动的状态，常常采用软化点来表示沥青的温度敏感性。

1）定义

软化点——人为选定的沥青由固态到液态的转变温度范围中的粘度。2）测定方法我国现行试验方法要求采用环与球法软化点。如图，该法是将沥青试样注于规定内径的铜环中，环上置一钢球，在规定的加热速度下，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的温度，称为软化点，单位：℃。

•

表示：TR&B•

注意：初始温度5℃

加热速度为5℃/min

3）软化点的意义

•

沥青软化点越高，沥青的温度稳定性越好。

•针入度是在规定温度下测定沥青的粘度，软化点则是沥青达到规定条件粘度时的温度。因此，软化点既是反映沥青材料温度稳定性的一项指标，又是沥青粘度的一种量度。（2）脆点

•沥青材料在低温下受到瞬时荷载时常表现为脆性破坏，沥青脆性的测定极为复杂。

•

目前测试方法：采用弗拉斯（Fraass）脆点。

•拉斯脆点试验原理：将沥青试样在一个标准的金属薄片上摊成薄层，将其置于脆点仪内并使其稍稍弯曲。当以1℃/min的速度降温时，沥青薄膜的温度随之逐渐降低，当降至某一温度时，沥青薄膜在规定弯曲条件下会出现一个或多个裂缝，此时的温度即为沥青的脆点。

我们讲述了石油沥青的粘滞性、延性和温度敏感性。表征这三项性质的三大指标为：针入度、延度、软化点是评价粘稠石油沥青技术性质最常用的经典指标。

4.耐久性（大气稳定性）（1）影响因素沥青材料在施工时需要加热，工程完成投入使用过程中又要长期经受大气、日照、降水、气温变化等自然因素的作用而影响耐久性。（2）沥青的老化

1）定义：在上述因素的综合作用下会产生不可逆的化学变化，而导致工程性能逐渐劣化的过程称为老化。

2）评价方法：采用蒸发损失试验和薄膜加热试验。（沥青试样在160℃条件下，加热蒸发5h）3）评价指标：•

•

5.安全性

沥青使用时必须加热，由于沥青在加热过程中挥发出的油会与周围的空气组成混合气体，当遇到火焰会发生闪火，此时的温度称为闪点。评价指标：闪点。闪点是保证沥青安全加热和施工的一项重要指标。通常采用克利夫兰开口杯法测定（简称COC法）。

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。

（1）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。（2）蜡：性脆，易裂缝，对沥青的生产和使用都有重要的影响。对我国采用石蜡基原油炼制的沥青尤为重要，含蜡量将直接影响沥青产品的质量。（3）粘附性：评价石料的化学等级，等级越高，沥青与石料的粘附性越强。

9.1.3石油沥青的技术标准

1.建筑石油沥青技术标准

标号：建筑石油沥青按针入度值划分为40号、30号和10号三个标号。

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/T494-98的规定，见下表：建筑石油沥青技术标准

试验项目10号30号40号

针入度（25℃，100g,5s）

/0.1mm10～2526～3536～50

延度（25℃，5cm/min）不小于/cm1.52.53.5

软化点（环球法）不小于/℃957560

溶解度（三氯乙烯、四氯化碳、苯）不小于/%99.5

蒸发损失试验（163℃、5h）质量损失不大于/%1

针入度比不小于/%65

闪点（COC）不小于/℃230

9.1.4.道路石油沥青技术标准道路石油沥青的质量应符合道路石油沥青技术标准。沥青结合料各个等级的适用范围、适宜的气候分区应如下表。沥青等级A级沥青各个等级的公路，适用于任何场合和层次B级沥青1.高速公路、一级公路沥青下面层及以下的层次，二级及二级以下公路的各个层次2.用做改性沥青、乳化沥青、改性乳化沥青、稀释沥青的基质沥青C级沥青三级及三级以下公路的各个层次沥青路面温度分区由高温和低温组合而成。

第一个数字代表高温分区：采用最近30年内年最热月的平均日最高气温的平均值作为反映高温和重载条件下出现车辙等流动变形的气候因子。

第二个数字代表低温分区：采用最近30年内的极端最低气温作为反映路面温缩裂缝的气候因子。数字越小表示气候因素越严重。气候区名最热月平均最高气温/℃年极端最低气温/℃备注1-1夏炎热冬严寒>30<-37.0

1-2夏炎热冬寒-37.O～-21.5

1-3夏炎热冬冷-21.5～-9.0

1-4夏炎热冬温>-9.0

2-l夏热冬严寒20～30<-37.0

2-2夏热冬寒-37.O～-21.5

2-3夏热冬冷-21.5～-9.O

2-4夏热冬温>-9.0

3-1夏凉冬严寒<20<-37.0不存在3-2夏凉冬寒-37.O～-21.5

3-3夏凉冬冷-21.5～-9.0不存在3-4夏凉冬温>-9.0不存在

9.1.5乳化沥青乳化沥青是将粘稠沥青热融，经过机械的作用，以细小的微滴（粒径约为2～5μm）状态分散于含有乳化—稳定剂的水溶液中，形成水包油状的沥青乳液。

1.乳化沥青的优点（1）常温施工、节约能源。（2）便于施工、节约沥青（3）保护环境、保障健康。（4）路面粗糙，减少事故。

2.乳化沥青的应用

一般，针入度为10～30（0.1mm）的石油沥青多用来制备建筑防水用乳化沥青；针入度为100～300（0.1mm）的石油沥青多用来制备路用乳化沥青。近几年阳离子乳化沥青发展很快。在道路工程中，以阳离子乳化沥青为主，可以用于路面的保护层结构、修补路面，也可以用作路面抗滑表层。

改性沥青

改性沥青是通过在沥青中加入不同的改性剂，实现改善沥青多种性能的目的。目前，道路沥青可以采用热塑橡胶、热塑聚合物和热固树脂三种改性剂改善其使用性能。其中，热塑橡胶弹性体改性剂使用最为普遍，如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）、丁苯橡胶（SBR）、聚丙烯（APP)在道路改性沥青中都具有良好的使用效果。

9.1.6煤沥青

1.化学组成和组分煤沥青的组成主要是芳香族碳氢化合物及其氧、硫、碳的衍生物的混合物。煤沥青化学组分的分析方法与石油沥青的方法相似，目前主要将煤沥青分离为：油分、树脂A、树脂B、游离碳C1和游离碳C2等5个组分。

2.技术性质煤沥青与石油沥青相比，在技术性质上有下列差异：（1）温度稳定性较差。（2）气候稳定性较差。（3）与矿质集料的粘附性较好。§9.2

沥青基防水材料9.2.1冷底子油和沥青胶一、冷底子油用汽油和煤油作溶剂调制石油沥青制得。用于涂刷在水泥砂浆或混凝土基层及金属表面上作打底之用，它可在基层表面与玛蹄脂、油膏、涂料等之间形成一层胶质薄膜，提高胶结性能。二、沥青胶沥青胶（玛蹄脂），是在沥青中加人工填充料，如滑石粉、云母粉、石棉粉、粉煤灰等加工而成，分冷热两种。适用于粘结防水卷材、油地毡及各种墙面砖和地面砖等。9.2.2沥青防水卷材沥青防水卷材成本低廉；总的造价较低，抗拉强度低，延伸率小。抗裂性不好，对温度变化较敏感，冬天易脆裂，夏天易流淌，容易出现流淌、老化、开裂等质量问题，严重影响使用效果。高聚物改性沥青防水卷材和合成高分子卷材综合性能好，可单层冷施工、重量轻、污染小，对基层伸缩或开裂的适应性强等特点，应用日益广泛，是防水卷材的发展方向。一、沥青纸胎油毡及油纸

用低软化点的石油沥青浸渍原纸．然后用高软化点的石油沥青涂盖油纸的两面，再涂撒防粘材料制成的一种防水材料。有石油沥青油毡、石油沥青油纸和煤沥青油毡。油毡按原纸1M2的重量克数分为200、350和500共3种标号；按物理性能分为合格品、一等品和优等品3个等级；200号油毡，油纸适用于简易防水、临时性建筑防水、防潮及包装等。350号和500号油毡适用于多层建筑防水。二、高聚物改性沥青防水材料以合成高分子聚合物改性沥青（SBS、APP、SBR）等为涂盖层，纤维织物或纤维毡为胎体、粉状、片状或薄膜材料力覆盖面材料制成的可卷曲片状防水材料。材料克