第二章沥青材料

第二章沥青材料第1页，课件共57页，创作于2023年2月2.1概述历史及发展沥青的定义及分类

沥青定义：国际道路会议常设委员会（AIPCR）美国材料试验协会（ASTM）我国沥青定义第2页，课件共57页，创作于2023年2月按在自然界获得方式分：沥青分类地沥青焦油沥青沥青天然沥青石油沥青煤沥青页岩沥青第3页，课件共57页，创作于2023年2月石油的基属分类石油沥青的生产工艺

蒸馏法——直馏沥青氧化法——氧化沥青溶剂法——溶剂沥青调和法——调和沥青2.2石油沥青的生产工艺第4页，课件共57页，创作于2023年2月直馏沥青调和沥青氧化沥青乳化沥青溶剂沥青改性沥青石油沥青第5页，课件共57页，创作于2023年2月2.3石油沥青的组成和结构石油沥青的元素组成

C（80~87%）

H（10~15%）O、N、S（3%）第6页，课件共57页，创作于2023年2月石油沥青的化学组分1.化学组分化学组分分析就是将沥青分离为几个化学性质相近，而且与路用性质有一定联系的组，这些组就称为“组分”。第7页，课件共57页，创作于2023年2月２．组分分析方法吸附法油分树脂沥青质色谱法沥青质饱和分芳香分胶质第8页，课件共57页，创作于2023年2月石油沥青三组分分析法的各组分性状

组分名称颜色状态密度g/cm3分子量含量（%）特点作用油分淡黄至红褐色透明液体0.7～1.0300～50045～60溶于苯等有机溶剂,不溶于酒精赋予沥青以流动性,但含量多时,沥青的温度稳定性差树脂黄色至黑褐色粘性半固体1.0～1.1600～100015～30溶于汽油等有机溶剂,难溶于酒精和丙酮赋予沥青以塑性，树脂组分含量高，不但沥青塑性好，粘性也好。沥青质深褐色至黑色脆性固体微粒1.1～1.51000～60005～30溶于三氯甲烷,二硫化碳,不溶于酒精赋予沥青温度稳定性和粘性，其含量高，温度稳定性好，但沥青的塑性降低，硬脆性增加。第9页，课件共57页，创作于2023年2月沥青正庚烷沉淀软沥青质硅胶氧化铝色谱柱沥青质沉淀正庚烷冲洗甲苯冲洗甲苯/乙醇冲洗饱和分芳香分胶质（或胶质-沥青质）沥青四组分的分析图解第10页，课件共57页，创作于2023年2月石油沥青四组分的性状组分名称颜色状态平均相对密度平均分子量主要化学结构特点及作用饱和分无色液体0.89625烷烃、环烷烃非极性稠状油类。作用是软化胶质和沥青质，保持体系的稳定性。芳香分黄色至红色液体0.99730芳香烃、含S衍生物非极性，分子量最低，是主要的分散介质。溶解力很强胶质棕色粘稠液体1.09970多环结构，含S、O、N衍生物极性很强，具有很好的粘附力，是沥青质扩散的介质，赋予沥青以可塑性、流动性和粘结性。沥青质深棕色至黑色固体1.153400缩合环结构，含S、O、N衍生物极性很强；影响着沥青的粘结力、粘度、温度稳定性、硬度。第11页，课件共57页，创作于2023年2月

蜡分——去除沥青质和胶质后，在油分中含有的经冷冻能结晶析出，熔点在25℃上的混合组分。高温结晶析出蜡分使沥青的温度敏感性增大，影响沥青与矿料的粘结性和水稳性。特点：沥青粘度降低沥青的低温延展性降低融化低温第12页，课件共57页，创作于2023年2月沥青的化学结构与其技术性质的相关性：A、沥青的感温性与沥青化学结构参数中烷碳率和侧链根数及平均侧链长度有关；B、沥青的粘附性与其芳烃指数、芳香环数等有关；C、沥青的耐候性与其饱和碳率有关；D、沥青的粘度与其分子量及聚合度等有关。3．石油沥青的化学结构第13页，课件共57页，创作于2023年2月4.石油沥青的胶体结构（b）溶-凝胶结构（a）溶胶结构（c）凝胶结构第14页，课件共57页，创作于2023年2月溶胶结构——当沥青质的含量不多（小于10%），相对分子量不很大，或分子尺寸较小，与胶质的相对分子质量相近时，饱和酚和芳香酚的溶解能力很强，分散相和分散介质的化学组成比较接近，这样的沥青分散度很高，胶团可以在连续相中自由移动，近似真溶液，具有牛顿流动特性，粘度与应力成比例。在路用性质上具有较好的自愈性和低温变形能力，但是高温稳定性差（粘度很小）。第15页，课件共57页，创作于2023年2月沥青沥青沥青质高分子芳香烃胶质饱和酚芳香酚第16页，课件共57页，创作于2023年2月凝胶结构——当沥青质含量很大，达到或超过25%-30%时，胶质的数量不足以包裹在沥青质周围使之胶溶，沥青质胶团会相互连结，形成三维网状结构，胶团在连续相中移动比较困难。特点：这类沥青在常温下呈现非牛顿流动特性，在路用性能上，常温下具有较好的温度稳定性，但低温变形能力较差。第17页，课件共57页，创作于2023年2月溶一凝胶结构——当沥青或沥青质中含有较多的烷基侧链，生成的胶团结构比较松散，可能含有一些开式网状结构，网状结构的形成与温度密切相关，在常温时，在变形的最初阶段表现出明显的弹性效应，但在变形增加至一定阶段时，则表现为牛顿液体状态。特点：在路用性能上，在高温时具有较低的感温性，低温时又有较好的形变能力。第18页，课件共57页，创作于2023年2月沥青的粘滞性

粘滞性（粘性）是指沥青材料在外力的作用下，沥青粒子产生相互位移时的抵抗变形的能力。

粘滞性是沥青材料最为重要的的性质。以粘度表示。4.沥青材料的路用性能评价方法及指标第19页，课件共57页，创作于2023年2月1.沥青粘度的表达方式牛顿流体：任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体。最简单的牛顿流体流动是二无限平板以相对速度U相互平行运动时,两板间粘性流体的低速定常剪切运动（或库埃特流动）。第20页，课件共57页，创作于2023年2月式中

剪应力;剪切变形速率;流体动力粘性系数（即粘度）。这就是著名的牛顿粘性(内摩擦)定律。凡是符合此定律的流体称为牛顿流体，否则是非牛顿流体。

剪切流动实验1687年，牛顿做了最简单的剪切流动实验。他的实验如图所示。在平行平板之间充满粘性流体，平板间距为d，下板B静止不动，上板C以速度U在自己平面内等速平移。由于板上流体随平板一起运动,因此附在上板的流体速度为U，附在下板的流体速度为零。实验指出，两板之间的速度分布u(y)服从线性规律。作用在上板的力同板的面积、板的运动速度成正比，同间距d成反比。由此得出：说明流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无关。第21页，课件共57页，创作于2023年2月（1）牛顿流型沥青的粘度动力粘度

绝对粘度运动粘度（动比密粘度）注：绝对单位用基本量(例如长度、时间、质量及电荷或电流)的单位所规定的单位,称为绝对单位。这些单位在任何时刻、任何地点都取固定的数值。人们规定米、千克、秒分别为长度、质量、时间的绝对单位。其他物理量的单位,都是根据上面三个基本单位(即SI制单位)制定的。第22页，课件共57页，创作于2023年2月（2）非牛顿流型沥青的粘度沥青的表观粘度

c——沥青的复合流动度系数，是评价沥青流变性质的重要指标。c=1.0时表示为牛顿流型沥青；c小于1.0表示非牛顿流型沥青第23页，课件共57页，创作于2023年2月2.沥青粘度的测定方法绝对粘度法相对粘度法（条件粘度法）绝对粘度测定方法1）毛细管法——运动粘度（通常135℃）2）真空减压毛细管法——动力粘度（通常60℃）第24页，课件共57页，创作于2023年2月条件粘度测定方法标准粘度计法针入度法

标准粘度计法（用于测定液态石油沥青、煤沥青和乳化沥青等的粘度）沥青标准粘度试验（液体沥青）测定：在规定温度下，试样从标准粘度计规定直径（3、4、5、10mm）的流孔流出50ml所需的时间，以ｓ表示。流出时间S越长，粘度越大。第25页，课件共57页，创作于2023年2月条件粘度测定方法标准粘度计法针入度法针入度法（粘稠沥青）沥青的针入度是在规定温度（25℃）和时间(5S)内，附加一定重量（100ｇ）的标准针垂直贯入试样的深度，以0.1ｍｍ表示。结论：针入度越大，粘滞性越小，作为划分沥青标号重要依据。P25℃,100g,5s:针入度试验温度为25℃，标准针质量和贯入时间仍为100g和5s。第26页，课件共57页，创作于2023年2月沥青针入度仪第27页，课件共57页，创作于2023年2月视频第28页，课件共57页，创作于2023年2月软化点：通常采用条件的硬化点和滴落点来表示，称为软化点。（环球法）

将沥青试样注入规定尺寸的金属环内径（15.9±0.1mm），高（6.4±0.1）mm）内，上置规定尺寸和重量的钢球（直径9.53mm，质量（3.5±0.05）g），放于水（或甘油）中，以（5±0.5）℃／min的速度加热，至沥青下垂量达规定距离（25.4mm）时的温度，以℃表示。第29页，课件共57页，创作于2023年2月沥青软化试验视频第30页，课件共57页，创作于2023年2月针入度是在规定温度下测定沥青的条件粘度，而软化点则是测定沥青达到规定条件粘度时的温度。第31页，课件共57页，创作于2023年2月2.沥青的延性和脆性

（1）延性指沥青材料在外力拉伸作用下承受塑性变形的能力。以沥青的延度指标来反映沥青的延性。沥青的延度是规定形状（倒八字形）的试样在规定温度下，以一定速度受拉伸至断开时的长度，以cm表示。对重交通道路石油沥青规定延度试验温度采用15℃，对中、轻交通道路石油沥青规定延度试验温度为25℃，结论：延度越大，沥青的延性越好。沥青的组分不协调，胶体结构不均匀，含蜡量增加，延度降低第32页，课件共57页，创作于2023年2月沥青延度试验视频第33页，课件共57页，创作于2023年2月

针入度、延度、软化点是评价粘稠石油沥青路用性能最常用的经验指标，通称“三大指标”。

第34页，课件共57页，创作于2023年2月（2）脆性沥青材料在低温下受到瞬时荷载作用，突然破坏的性质。用脆点来反映。脆点是涂于金属片的试样薄膜在特定条件下，因被冷却和弯曲而出现断裂时的温度，以℃表示。沥青的脆点更直接地反映了其低温抗裂性。脆点试验仪第35页，课件共57页，创作于2023年2月3.沥青的感温性

感温性：指粘度随温度变化的感应性。

常用评价方法：针入度指数法（PI）针入度－粘度指数（PVN）法软化点试验第36页，课件共57页，创作于2023年2月（1）针入度指数法（PI）针入度指数法（PI）利用针入度和软化点的试验结果来表征沥青感温性的一种指标。同时也可判别沥青的胶体结构状态。①针入度-温度感应性系数A沥青的粘度随温度而变化，当以对数纵坐标表示针入度，以横坐标表示温度时，则：

1gP=AT+K式中：P：沥青的针入度，0.1mm；A：针入度-温度感应性系数K：回归系数。第37页，课件共57页，创作于2023年2月

根据研究发现，沥青在软化点温度时，针入度在600-1000之间，假定为800(0.1mm)。则：

式中：P（25℃，100g,5s）——在25℃，100g,5s条件下测定的针入度值，0.1mm；TR&B——环球法测定的软化点温度，℃。第38页，课件共57页，创作于2023年2月由于软化点温度时的针入度常与800相差甚大，因此斜率A应根据不同温度的针入度值确定，常采用的温度为15℃，25℃及30℃（或5℃），则：

通过回归求取针入度—温度感应系数A值。注：由3个温度的针入度回归相关系数R＞0.997由4个温度的针入度回归相关系数R≮0.995否则试验结果误差过大，不能采用。第39页，课件共57页，创作于2023年2月

②针入度指数（PI）的确定普费等人在制定针入度指数时，假定感温性最小的沥青其针入度指数（PI）为20，感温性最大的沥青为-10，在图中将软化点坐标25与针入度坐标800连成一线，将斜线划成30等分，软化点与针入度连线同斜率交点定为PI值。此PI值将斜线分为两段，根据上式长度比，即为斜率A。则：由于A值很小，为使PI值在（-10，20）之间，A值乘以50第40页，课件共57页，创作于2023年2月第41页，课件共57页，创作于2023年2月PI<-2时，沥青的温度敏感性强。PI>+2时，有明显的凝胶特征，耐久性差。路面修筑所用沥青PI一般取-1～+1。三种胶体结构的划分溶胶结构凝胶结构溶凝胶结构PI＞＋２＜－２-２～十２第42页，课件共57页，创作于2023年2月4.沥青的耐久性

沥青在路面中，受到各种自然因素（氧、热、光和水）的作用，导致组分移行，而逐渐老化，最后导致路用性能随之衰降。产生老化的原因按已有研究认为主要是沥青受到氧化作用，同时在日光紫外线作用下，加之在一定温度条件下加速了反应的进行，并且水又起着催化的作用。第43页，课件共57页，创作于2023年2月

“老化”：沥青在自然因素（热、氧、光和水）的作用下，产生“不可逆”的化学变化，导致路用性能劣化。在力学性质方面，表现为针入度减小，延度降低，软化点升高，绝对粘度提高，脆点降低等。在化学组分含量方面，表现为饱和酚变化甚少，芳香酚明显转变为胶质（速度较慢），而胶质又转变为沥青质（速度较快），但芳香酚转变为胶质不足以补偿胶质转变为沥青质，所以最终是胶质显著地减少，而沥青质显著增加，路用性能劣化。第44页，课件共57页，创作于2023年2月

耐久性的评价方法：（1）热致老化

中轻道路——蒸发损失试验重交通量——薄膜加热试验液体沥青——蒸馏试验第45页，课件共57页，创作于2023年2月

薄膜烘箱加热试验

旋转薄膜加热试验【薄膜烘箱加热试验】将50g的沥青试样装入盛样皿（内径140mm，深9.5mm）内，置于烘箱中，膜的厚度为3.2mm，在163℃下以5.5r/min旋转，保持受热时间5h，冷却。测定质量损失，并测定残留物的针入度。TFOT第46页，课件共57页，创作于2023年2月【旋转薄膜加热试验】旋转薄膜加热试验是将沥青试样３５g装入高１４０mm，直径６４mm的开口玻璃瓶中，盛样瓶插入旋转烘箱中，一边接受以４０００mL／min流量吹入的热空气，一边在１６３℃的高温下以１５r/min的速度旋转，经过７５min老化后，测定沥青的质量损失及针入度，粘度等各种性能指标的变化．RTFOT第47页，课件共57页，创作于2023年2月（2）长期老化沥青加速老化试验(PAV)（压力老化试验）【压力老化试验】由美国Superpave成果提出压力老化试验（PressureAgingVessel，PVA).PVA老化试验相当于路面表层沥青老化5年的情况.第48页，课件共57页，创作于2023年2月5.安全性

沥青的闪点是试样在规定的克利夫兰开口杯盛样器内，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，初次发生一瞬即灭的火焰时的试样温度，以℃表示。沥青的燃点是试样继续受热时，蒸气接触火焰能持续燃烧时间不少于５ｓ时的试样温度，以℃表示，沥青材料在使用时必须加热，加热温度必须低于闪点沥青闪点、燃点测定仪第49页，课件共57页，创作于2023年2月2.沥青的劲度模量

为了描述沥青处于粘弹状态下的力学特性，采用了劲度模量的概念。

劲度模量是温度（T）和载荷作用时间（t）的函数,是表征沥青粘性和弹性联合效应的指标.

ST,t=（σ/ε）T,t式中:S——沥青的劲度模量,Pa

σ——应力,Paε——应变t——时间,sT——温度,℃第50页，课件共57页，创作于2023年2月2.沥青劲度模量的计算

(1)由粘度计算劲度模量

假定沥青为纯粘性材料，有：

ε‘=σ/λ