第七章-沥青课件

第七章沥青及防水材料1概述2一、沥青材料（一）沥青

沥青是一种有机胶凝材料，常温下呈黑色或黑褐色的固体、半固体或粘稠性液体，能溶于汽油、二硫化碳等有机溶剂，但几乎不溶于水，属憎水材料。3（二）沥青的特点与用途

与矿物材料有较强的粘结力，具有良好的防水、抗渗、耐化学侵蚀性。在交通、建筑、水利等工程中，广泛用作路面、防水、防潮和防护材料。45678（三）沥青的种类

工程上使用的沥青材料主要为石油沥青和煤沥青，石油沥青的技术性质优于煤沥青，故应用最广。△石油沥青——用石油炼制其它油品后的残渣加工而得到的产品。△煤沥青(俗称柏油)——由煤干馏所得的煤焦油，经再加工后得到的沥青。9第一节沥青材料10一、石油沥青定义

石油沥青是石油(原油)经蒸馏等方法提炼出各种轻质油(如汽油、煤油、柴油等)及润滑油以后的残留物，或经再加工而得的产品。1112(一)石油沥青的组成与结构1.石油沥青的组成

组成元素碳(80～87%)氢(10～15%),少量的氧、硫、氮等元素(<5%).(2)主要组分将沥青分离为物理化学性质相近，而且与沥青性质又有一定联系的几个组，这些组称为组分。沥青中主要组分：油分、树脂（沥青脂胶）、沥青质（地沥青质）。13(3).石油沥青的组分特性（表7－1）(a)

油分：赋予沥青以流动性，降低沥青粘度与软化点，含量适当还能增大沥青延度。含量过大时温度稳定性差。(b)

树脂（沥青脂胶）：树脂使石油沥青具有良好的塑性和粘性。(c)

沥青质（地沥青质）：是决定温度敏感性和粘性的重要组成。其含量愈高，则软化点愈高，粘性愈大，愈硬脆。14

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树脂黑褐色粘稠半固体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沥青质黑色固体微粒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石油沥青三组分分析法的各组分性状

以及一定含量的蜡。15四组分分析法

石油沥青的四组分分析法是将石油沥青分离为：饱和分、芳香分、胶质和沥青质。石油沥青按四组分分析法所得各组分的性状如下表：

组分外观特征平均相对密度平均分子量主要化学结构饱和分无色液体0.89625烷烃、环烷烃芳香分黄色至红色液体O.99730芳香烃、含S衍生物胶质棕色粘稠液体1.09970多环结构，含S、O、N衍生物沥青质深棕色至黑色固态1.153400缩合环结构，含S、O、N衍生物性状162.石油沥青的胶体结构

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

沥青质可溶质：油分+树脂17(二)石油沥青的技术性质粘滞性耐热性塑性温度稳定性耐久性其它技术指标181.粘滞性l

粘滞性是指沥青在外力作用下抵抗变形的能力,反映了沥青的软硬程度和胶结能力.l沥青质含量越多,沥青的粘滞性越高,其粘结性越好.

l

在施工拌和中,粘滞性高,不易拌和均匀.因此,施工时常用加热或掺入溶剂的方法降低沥青的粘滞性。19针入度及其测定l针入度是粘稠石油沥青的粘度指标，表示沥青材料抵抗剪切变形的能力。l在一定温度条件下，在规定时间内，标准针垂直贯入沥青试件的深度(以l／l0mm计)称为针入度。

针入度值表示沥青材料抵抗剪切变形的能力。针入度值越大，沥青的粘度越小。针入度值P(25℃,100g,5s)越小,表示沥青的粘滞性越大。l石油沥青的牌号就是按针入度值的大小来划分的。20针入度测定

针入度试验通常规定：试验温度为25oC，标准针质量为l00g，贯入时间为5s，表示为P(25oC，l00g，5s)。21标准粘度及其测定l标准粘度是表示液体沥青粘度的指标。用流出型粘度计测定。l一定温度(20、25、30、50℃或60oC)的沥青试样，通过一定孔径(3、5或10mm)的孔口流出50mL所经历的时间(s)，即为其标准粘度。l

标准粘度表示为CtdT，上标d代表流孔的直径，下标t代试验温度，T代表流出时间。l

试验温度越高，流孔直径越大，流出时间越长，则表示沥青的粘度越大。222.耐热性l

耐热性是指粘稠沥青在高温下不软化、不流淌的性能.可用软化点(t软)表示。l软化点是沥青达到特定粘性流动状态时的温度,试验证明沥青在软化点温度下的针入度值约为800。l软化点越高,沥青的耐热性越好。l沥青材料的软化点应与环境温度相适应,不能太低,也不能太高.23软化点的测定测定方法：环球法3.5g钢球，50C/min加热，下垂25.4mm。加热速度过快，测定值偏高。24253.塑性l

塑性是指沥青材料在外力作用下，产生变形而不破坏，除去外力后，仍能保持变形后形状的性质。l

沥青材料采用延伸度(简称延度)表示塑性。l

延度越大，表示沥青的塑性越好。塑性好的沥青材料能随着构件的变形而变形，不致产生裂缝，这对水工建筑物的防水作用有着重要意义.

26延度的测定将一定温度(25、15或0℃)的沥青标准试件,以一定的拉伸速度(50或100mm/min)延伸,试件拉断时延伸的长度即为延伸度,单位以cm计。通常采用的试验条件为温度25℃,拉伸速度50mm/min.试验时拉伸速度快，沥青延度偏小。

274温度稳定性

温度稳定性是指沥青的粘度受温度影响的程度。温度稳定性差的沥青，对温度变化的反应敏感，较小的温度变化就可能使沥青粘度出现较大的变化。

沥青材料从固态转变为液态的温度间隔越大，沥青的温度稳定性越好。由于沥青材料的变态稳定间隔通常随软化点提高而增大，温度稳定性也相应提高，所以软化点也是反映沥青材料温度稳定性的一个指标。软化点越高，温度稳定性越好。28

式中：

A——为直线斜率，称为针入度-温度感应性系数。表示沥青针入度随温度的变化率。如图，A值越高，沥青对温度的敏感性越大。K——为截距（常数）。

针入度-温度感应性关系图

针入度指数(P·I)29

沥青针入度的对数与温度呈直线关系，直线斜率表示沥青粘度对温度的变化率，斜率越大，温度稳定性越差。可用斜率作为沥青温度稳定性的评价指标，称为针入度－温度感应系数(A):针入度指数：

30针入度指数的应用:•针入度指数愈大，表示沥青的温度稳定性愈好•划分沥青的胶体结构PI＜-2者，属溶胶型沥青PI=-2～+2之间者，属溶-凝胶型沥青PI＞+2者，属凝胶型沥青315.耐久性l沥青的耐久性称为抗老化性，或大气稳定性，耐候性。l老化：沥青在施工过程高温加热和使用过程中空气、阳光、和风雨冻害作用，内部发生物理化学作用，导致塑性降低、脆性增加、性能不断恶化，逐步失去使用功能的过程。l石油沥青的抗老化性以163oC加热5h后的蒸发损失和蒸发后针入度比来评定。32l蒸发损失：蒸发损失重量占原重量的百分数。l蒸发后针入度比：蒸发后针入度占原针入度的百分比。l蒸发损失愈小和蒸发后针入度比愈大，则表示大气稳定性愈高，老化愈慢。336.其它技术指标l

脆点l溶解度l闪点和燃点34(三)石油沥青的技术标准

我国石油沥青产品主要分为（三类）l

道路沥青类；l

建筑沥青类；l

普通沥青。是土建及水利工程中应用的主要沥青产品。三类石油沥青都是按针入度指标来划分标号的，每个标号还应保证相应的延度和软化点。针入度、软化点和延伸度三个指标是确定试验沥青牌号的主要依据,常被称为沥青的三大技术指标.35

1．道路石油沥青

道路石油沥青有七个标号，标号越高，粘性越小(即针入度越大)、塑性越好(即延度越大)、温度敏感性越大(即软化点越低)。l

主要用于道路路面或车间地面等工程，一般拌制成沥青混凝土或沥青砂浆等拌和料使用。l

还可作密封材料和粘结剂以及沥青涂料等。此时一般选用粘性较大和软化点较高的沥青，如A一60甲。362．建筑石油沥青l

建筑石油沥青与道路石油沥青相比，针入度较小(粘性较大)，软化点较高(耐热性较好)，但延伸度较小(塑性较小)。l

主要用于制造油纸、油毡、防水涂料和沥青嵌缝油膏等。它们绝大部分用于屋面及地下防水、沟槽防水及管道防腐蚀等工程。373839404142433．普通石油沥青

l

普通石油沥青含有害成分的蜡较多，一般含量大于5％，有的高达20％以上，故又称多蜡石油沥青。l

由于含有较多的蜡，针入度较大(即粘性较小)，塑性较差。故在建筑工程上不宜直接使用。44二、煤沥青1.定义

煤沥青又称焦油沥青。在烟煤炼焦或制煤气时，从所挥发的物质中冷凝出煤焦油，再将煤焦油继续蒸馏出轻油、中油、重油和蒽油后所剩的残渣即为煤沥青。2.应用

煤沥青具有很好的防腐能力、良好的粘结能力。用于配制防腐涂料、胶粘剂、防水涂料、油膏以及制作油毡等。45

(一)煤沥青的组成煤沥青主要组分如下：1.油分油分主要由较低分子量的液态芳香族碳氢化合物所组成。它赋予煤沥青流动性，但降低粘性。2.树脂油可提高煤沥青的粘性；使煤沥青具有塑性。3.游离碳游离碳有利于提高煤沥青的粘性和温度稳定性。但超过一定限度，将使煤沥青变得硬脆。46(二)煤沥青的性质特点煤沥青与石油沥青相比，其性质具有以下特点：(1)

温度稳定性较差：温度敏感性较大，夏天易软化流淌，冬天易脆裂。(2)

塑性较差：煤沥青由于含有较多的游离碳，塑性降低，易因变形而开裂。(3)

大气稳定性差：在热、阳光、氧气等长期综合作用下，其组分容易变化，故易老化而硬脆。47(4)

防腐性较好：煤沥青中含有蒽、酚等具有毒性和臭味的物质，故其防腐能力较好。适用于木材等材料的防腐处理。(5)

粘结性较好：煤沥青中含有较多的表面活性物质，与矿物材料表面有较强的粘结力。l

根据煤沥青和石油沥青的某些特征，可按表10-7所列方法识别两种沥青。48煤沥青与石油沥青的鉴别方法煤沥青＞1.1音清脆，韧性差烟呈黄色，有刺激味汽油或煤油溶解后，溶液滴于滤纸上呈内黑外棕或黄色石油沥青~1.0音哑，弹韧性好烟无色，无刺激味斑点完全均匀散开，呈棕色。方法密度锤击燃烧溶液颜色49第二节改性石油沥青50一、石油沥青改性的目的

建筑上使用的沥青必需具有一定的物理性质:l

在低温条件下应有弹性和塑性；l

在高温条件下要有足够的强度和稳定性；l

在加工和使用时具有抗“老化”能力；l

与各种矿料和结构表面有较强的粘附力；l

对构件变形的适应性和耐疲劳性。通常，炼油厂生产的沥青不一定能全面满足这些要求，为此，常用改性材料对沥青进行改性。51二、沥青材料的掺配T2TT1T10Q1100100Q20

当石油沥青的针入度或软化点不能满足工程要求时，可用不同标号沥青进行掺配.进行掺配时，应选用表面张力相近和化学性质相似的沥青，同产源的沥青。52三、石油沥青与煤沥青的掺配(混合沥青)

选择化学性质及密度均相近的石油沥青和煤沥青，按适当的比例掺混，能得到稳定的混合沥青。石油沥青的掺量一般小于20％或大于70％。混合沥青综合了石油沥青和煤沥青的优点，使温度稳定性、延性和粘结性均得到改善。

53四、液态沥青和乳化沥青

液体沥青和乳化沥青在常温下具有流动性，不需加热即可使用。

(一）液体沥青――

冷底子油用30～50%的石油沥青加50～70%的轻柴油或煤油调配而成，为防水涂料，它粘度小，能渗透到混凝土或木材的孔隙中去，形成一层牢固的粘膜。水利工程中常用它涂刷防水底层，提高底层与其他材料的粘结力。

54（二）乳化沥青1.沥青或冷底子油用作防水材料的不足

需要加热熔化及大量的汽油、煤油或其他有机溶剂稀释，而这些有机溶剂是较为贵重的材料，在沥青溶液中只起稀释作用，使用后全部挥发掉，很不经济。552.乳化沥青及其作用乳化沥青又称为沥青膏,是以50～60%的低软化点沥青为基本材料,以40～50%的水为稀释剂,在乳化剂（掺量约为1％～3％）的作用下,以强烈的机械搅拌将沥青以细颗粒状态均匀而稳定地分散在水溶液中，形成乳胶型的稳定分散体系，即为乳化沥青。乳化沥青用于涂刷基层表面，等水分蒸发后，沥青颗粒即形成一层薄膜,起到防水作用。56乳化原理乳化剂和水膜能够阻止沥青颗粒的聚结，使沥青稳定分布于溶液中。573.种类阴离子型（如肥皂、洗衣粉、松香皂等）阳离子型胶体乳液4.乳化沥青特点l

乳化沥青是一种棕黑色的水乳液，无毒、无嗅、不燃、干燥快、粘结力强等585.乳化沥青的用途l

在0℃以上任意温度下可流动，宜于涂刷和喷涂，在潮湿基层上使用，更为方便，加快了施工速度。l

采用乳化沥青粘结防水卷材做防水层，造价低、用量省。l

水利工程及道路工程中，乳化沥青可以与湿骨料混合，用于铺筑坝面、渠道、路面等。59用作道路表面修补处理60橡胶改性沥青

橡胶有：氯丁橡胶、丁基橡胶、再生橡胶等。改性机理：橡胶分子加入到沥青中，改变了沥青中分散介质的组成，促进沥青分子相互排斥，并改变了分散相的结构，形成弹性结构网。改性效果：气密性、低温柔性、耐化学腐蚀性、耐光、耐臭氧、耐气候和耐燃烧性等得到大大改善和提高。掺入方法：溶剂法和乳液法

溶剂法是先将橡胶溶于一定的溶剂（如甲苯）中形成溶液，然后掺入液态沥青中并混合均匀即可。水乳法是将橡胶和石油沥青分别制成乳液，然后混合均匀即可使用。

五、其它改性沥青61树脂改性沥青

树脂有：

古马隆树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、酚醛树脂和天然松香等。改性机理：与橡胶相同。改性效果：可以改善沥青的耐寒性、耐热性、粘结性和不透气性。掺入方法：溶剂法或乳液法。62矿物填充料改性沥青

矿物填充料的品种：滑石粉、石灰石粉、硅藻土、云母粉、石棉绒、粉煤灰、水泥等。作用机理：由于沥青对矿物填充料的润湿和吸附作用，沥青分子可能成单分子装排列在矿物颗粒（或纤维）表面，形成结合力牢固的沥青薄膜，因而又称为“结构沥青”。改性作用：在沥青中加入一定数量的矿物填充料，可以提高沥青的粘性和耐热性，减小沥青的温度敏感性，同时也减少了沥青的耗用量，主要适用于生产沥青胶。63四、沥青材料使用的注意事项l

沥青在贮运中，应分别堆放，避开热源，防止砂、土等杂质和水分混入；l

沥青材料加热温度不能过高，加热时间不能过长，避免反复加热；l

沥青材料是易燃物质，高温操作施工应注意安全防火及火灾事故发生；l

煤沥青略具毒性，施工中应遵守劳动保护规程，防止中毒事故。

6465第三节

沥青混凝土

（沥青混合料）666768APAVEMENTWITHSOMEPROBLEMS一条存在一些问题的路面69701．定义

以沥青为胶凝材料，并与级配合适的矿物质材料拌和配制成沥青混合料，经铺筑、成型后则成为沥青混凝土。矿物质材料又称为矿料，包括：l

粗骨料——指粒径大于2.5mm的矿料；l

细骨料——指粒径2.5～0.075mm的矿料；l填料——指粒径小于0.075mm的矿料。712．分类(1)

按所用矿料的最大粒径分l

粗粒式——矿料最大料径为35mm或30mm；l

中粒式——矿料最大料径为25mm或20mm；l

细粒式——矿料最大料径为15mm或10mm；l

砂粒式——矿料最大料径为5mm。水工沥青混凝土矿料多选择Dmax＝15~25mm，即细粒式和中粒式。72

(2)按密实程度分l

密级配——沥青混凝土的孔隙率小于5％，主要用作防渗层材料；l

开级配——沥青混凝土的孔隙率大于5％，主要用作整平胶结层材料；l沥青碎石——沥青碎石的孔隙率大于15％，渗透性强，主要用作排水层材料。73

(3)按施工方法分l

碾压式——沥青混凝土须用碾压机械压实；l

浇筑式——沥青混凝土具有大的流动性，混合料在自重作用下可自行密实。碾压式和浇筑式沥青混凝土在防渗墙工程中均被采用。74（4）按施工温度分l

热铺沥青混凝土是将材料加热后，在高温下进行拌和、摊铺和压实。l

冷铺沥青混凝土采用稀释沥青或乳化沥青配制，可在常温下施工。75（5）按矿物集料级配分类l

连续级配沥青混凝土l

间断级配沥青混凝土763．组成结构悬浮-密实结构：细集料较多，粗骨料无法直接形成骨架；骨架-空隙结构：细集料较少，粗骨料相接紧密但存有较多空隙；密实-骨架结构：一定数量细集料填充于粗骨料间的空隙；774．沥青与集料间的相互作用当沥青主要以结构沥青存在时，沥青混凝土的黏聚力较大；反之，黏聚力较小。785．应用

水利工程中，沥青混合料主要用作防渗和防护材料，在堤坝、渠道、贮水池等工程中广泛应用。水工沥青防渗工程结构型式有(两类)l

沥青混凝土面板自下而上由排水层沥青混凝土(沥青碎石)、整平胶结层沥青混凝土(开级配)、防渗层沥青混凝土(密级配)及封闭层沥青胶或沥青砂浆组成。l

沥青混凝土心墙碾压式沥青混凝凝土和浇筑式沥青混凝土两种心墙。7980818283(一)水工沥青混凝土组成材料1、石油沥青应根据气候条件、建筑物工作条件、沥青混凝土种类和施工方法等来选择沥青材料。l

气候炎热地区，受荷载较大的建筑物，细粒或砂粒混合料，应选用标号较低的沥青；反之选用标号较高的沥青。l

较重要的工程宜采用AH--70或AH--90重交通道路石油沥青；l

封闭层宜采用A--50沥青；l

浇筑式沥青混凝土工程，温和地区宜用A—60甲，寒冷地区宜用A--100甲，均需通过试验和技术经济论证。842.矿料(粗、细骨料)

沥青混凝土矿料应质地坚硬、密实、清洁、不含过量的有害杂质，级配良好，与沥青材料有较好的粘结性。853.掺料掺料是为了改善沥青混凝土的某些技术性质而掺人的材料。l

为了提高矿料与沥青的粘附性，增强抗剥离的能力，可掺入消石灰，水泥；l

为了提高沥青混凝土的耐热性和低温抗裂能力，可掺入橡胶或合成高分子材料；l

为了提高沥青混凝土的温度稳定性，可掺入石棉。86

(二)水工沥青混凝土的技术性质

水工沥青混凝土的主要技术要求有抗渗性、稳定性、柔性、耐久性及施工和易性等。

1．抗掺性沥青混凝土抗渗性用渗透系数来评定。

防渗用密级配沥青混凝土的渗透系数一般为10-6～10-9mm／s，排水层开级配沥青混凝土的渗透系数可达1.0～0.1mm／s。

87沥青混凝土抗渗性可用沥青混凝土孔隙率来评定。当孔隙率小于4％时，渗透系数可小于10-6mm／s。沥青混凝土抗渗性还随所受压力的增加而增大。882．稳定性

l

稳定性——指沥青混凝土在高温条件下及外荷长期作用下不发生严重变形或流淌的性质，又称为高温稳定性。l

沥青混凝土的稳定性可用高温抗压强度、热稳定性系数或斜坡流淌值及马歇尔试验来评定。l常用马歇尔试验的稳定度和流值作为评定沥青混凝土稳定性指标。

89马歇尔试验将Φ101.6mm×63.5mm的圆柱试件侧放在加荷压头内，使试件在试验机上以50±5mm／min的变形速率加荷，试件破坏时达到的最大荷载即为稳定度(以N计)，试件达到最大荷载时所发生的变形即为流值(以1/10mm计)。90马歇尔稳定度和流值试验91马歇尔稳定度和流值试验92l

水工沥青混凝土用马歇尔试验对其配合比进行初步选择，并用马歇尔试验作为施工质量控制的主要方法。l

沥青混凝土的稳定性与原材料的性质及其配合比有关。为提高稳定性应选用软化点较高、温度稳定性较好的沥青，并选用级配良好的碱性岩石碎石作骨料。l

温度升高时，沥青材料体积膨胀，膨胀的沥青会造成矿料颗粒间距增大，稳定性降低。当孔隙率大于2％时，可保证沥青混凝土具有较好的稳定性。933．柔性（抗裂性）

柔性是指沥青混凝土(或砂浆)在自重或外力作用下，能适应变形而不产生裂缝的性能。l

柔性好的沥青混凝土，能适应变形而不易裂缝，即使产生裂缝，在高水头压力作用下裂缝也能自行封闭。l

沥青混凝土的柔性主要取决于沥青的性质和用量青、矿质混合料的级配以及填充料与沥青用量的比值。l

为了提高沥青混合料的柔性，应选用针人度较大、低温延伸度较大的沥青，但沥青的软化点必须能保证耐热性的要求。944．耐久性

沥青混凝土耐久性指水饱和状态下沥青混凝土抗压强度、马歇尔稳定度不严重降低，用水稳定性系数和残留稳定度作为评定指标。水工沥青混凝土防渗层要求水稳定系数不小于0.85.。耐久性合格的沥青混凝土，残留稳定度应不小于0.85。95

5．施工和易性施工和易性指沥青混凝土在拌和、运输，摊铺及压实过程中具有与施工条件相适应，既保证质量又便于施工的性能。

96

(三)水工沥青混凝土配合比设计设计任务——合理选材，初步选择配合比参数，通过试验，选出满足设计要求且经济合理的配合比。两个参数——矿料级配和沥青用量技术要求——孔隙率、稳定度和流值等97设计方法及基本步骤1．矿料级配的确定（1）

矿料设计级配的选定矿料设计级配可按表10-14的范围选择。（2）矿料合成级配的确定用图解法、解析法、试算法等方法，确定各种矿料（粗、细骨料及矿物粉）的合成比例，使合成级配曲线与设计级配曲线尽量相近。例：设防渗层沥青混凝土采用矿料为：15—10mm碎石、10～5mm碎石、河砂及矿物粉四种，试求四种矿料的合成比例。98

2．配合比初选试验(1)沥青用量的初步选择沥青混凝土的配合比，通常以矿料总量为100，沥青用量按其占矿料总量的百分率计。沥青用量选择可参考表10-11或10-14所列沥青用量范围。如两者不一致时，以表10-11为准。

例前例的防渗层沥青混凝土中，沥青用量范围为7.5％一9.0％，现选择沥青用量为：7.5％、8.0％、8.5％、9.0％。

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（2）

马歇尔试验将沥青用量为7.5％、8.0％、8.5％、9.0％四种配合比的沥青混凝土进行马歇尔试验，并测定沥青混凝土的表观密度及孔隙率。l

设计要求的技术指标——孔隙率为2％～4％，稳定度大于4kN，流值为40～60；