第二章瀝青材料-2012

1、第二章第二章 瀝青材料瀝青材料單麗巖 博士 講師交通科學(xué)與工程學(xué)要內(nèi)容n瀝青材料簡(jiǎn)介n石油瀝青的生產(chǎn)工藝n石油瀝青的組成、組分與結(jié)構(gòu)n瀝青的物理性質(zhì)n瀝青的技術(shù)性質(zhì)、評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)2.1瀝青材料簡(jiǎn)介-歷史與發(fā)展歷史與發(fā)展公元前3800公元前2500年，開始使用瀝青；公元前600年，古巴比倫出現(xiàn)第一條用瀝青鋪裝的路面，后失傳；1712年瑞士發(fā)現(xiàn)巖瀝青，隨后在德、法等國相繼發(fā)現(xiàn)。1850年前后，法國首先把巖瀝青用于道路路面。1871年E.J.Desdment在紐約市把砂、碎石、特立尼達(dá)湖瀝青用以鋪筑瀝青路面獲得成功，并且獲得施工專利，這是近代熱鋪湖瀝青路面之始。 2.

2、1瀝青材料簡(jiǎn)介-定義定義n瀝青材料瀝青材料（Bituminous material）是黑色或暗）是黑色或暗黑色固體、半固體或粘稠狀物質(zhì)；黑色固體、半固體或粘稠狀物質(zhì)；n由天然形成或人工煉制而成；由天然形成或人工煉制而成；n定義定義：由由及非金屬（氧、硫、及非金屬（氧、硫、氮）的氮）的組成的固體或半固體混合物組成的固體或半固體混合物，呈，呈暗褐色至黑色，可溶于苯或二硫化碳等溶劑，暗褐色至黑色，可溶于苯或二硫化碳等溶劑，是自然界中天然存在的或從原油經(jīng)蒸餾得到的是自然界中天然存在的或從原油經(jīng)蒸餾得到的殘?jiān)?。殘?jiān)?.1瀝青材料簡(jiǎn)介-分類分類p瀝青的種類（按來源劃分）瀝青的種類（按來源劃分） 地地 瀝

3、瀝 青青 焦油瀝青焦油瀝青 （干餾）（干餾）Tar 湖瀝青 特立尼達(dá)湖瀝青（特立尼達(dá)湖瀝青（Triniada Lake Asphalt）是世界上最為著名）是世界上最為著名的天然瀝青之一，它產(chǎn)于南美洲加勒比海島國風(fēng)景秀麗的的天然瀝青之一，它產(chǎn)于南美洲加勒比海島國風(fēng)景秀麗的特立特立尼達(dá)和多巴哥尼達(dá)和多巴哥境內(nèi)的瀝青湖。該瀝青湖又叫彼奇湖，面積境內(nèi)的瀝青湖。該瀝青湖又叫彼奇湖，面積44萬平萬平方米，深約方米，深約82米，湖中瀝青儲(chǔ)量達(dá)米，湖中瀝青儲(chǔ)量達(dá)1200萬噸，是世界上最大的萬噸，是世界上最大的天然瀝青產(chǎn)地。天然瀝青產(chǎn)地。巖瀝青 巖瀝青生成于巖石的夾縫中，縫寬很窄，僅數(shù)十厘巖瀝青生成于巖石的夾縫

4、中，縫寬很窄，僅數(shù)十厘米，深可達(dá)幾百米。天然巖瀝青是一種純天然的碳米，深可達(dá)幾百米。天然巖瀝青是一種純天然的碳?xì)浠衔?，熔點(diǎn)在氫化合物，熔點(diǎn)在150 以上，我國青海及克拉瑪以上，我國青海及克拉瑪依地區(qū)有所開采，但很少用于道路。美國北部猶他依地區(qū)有所開采，但很少用于道路。美國北部猶他州的州的Uintah盆地的盆地的UNTAITE巖瀝青是世界上最為著巖瀝青是世界上最為著名的巖瀝青。名的巖瀝青。技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)數(shù)值數(shù)值軟化點(diǎn)，軟化點(diǎn)， 160175針入度，針入度，250比重比重1.041.06閃點(diǎn)，閃點(diǎn)， 25 3157.920.91537701211672172800501001502002503

5、001960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000年份我國道路瀝青生產(chǎn)量我國道路瀝青生產(chǎn)量道路瀝青產(chǎn)量，萬噸102.2 石油瀝青的生產(chǎn)工藝11p按關(guān)鍵餾分特性分類：石蠟基、中間基、環(huán)烷基按關(guān)鍵餾分特性分類：石蠟基、中間基、環(huán)烷基第一關(guān)鍵餾分相對(duì)密度 0.8506 第二關(guān)鍵餾分 0.9302 石油在半精餾裝置中于常壓下蒸得250275的餾分稱為“第一關(guān)鍵餾分”；5.33kpa的壓力下減壓蒸餾，取得275300的餾分稱為“第二關(guān)鍵餾分” 。一、石油的基屬分類一、石油的基屬分類12 第一關(guān)鍵餾分基屬第一關(guān)鍵餾分基屬第二關(guān)鍵餾分基屬第二關(guān)鍵餾分基屬石蠟基石蠟基

6、中間基中間基環(huán)烷基環(huán)烷基石蠟基石蠟基石蠟基石蠟基中間中間石蠟基石蠟基中間基中間基石蠟石蠟中間中間基基中間基中間基環(huán)烷環(huán)烷中間基中間基環(huán)烷基環(huán)烷基中間中間環(huán)烷基環(huán)烷基環(huán)烷基環(huán)烷基優(yōu)質(zhì)瀝青：環(huán)烷基原油優(yōu)質(zhì)瀝青：環(huán)烷基原油中間基原油中間基原油石蠟基原油石蠟基原油p按含硫量分類按含硫量分類 硫含量硫含量11 含量：含量：5 52525，石蠟基原油，石蠟基原油1 1，中東原油生產(chǎn)的瀝青，中東原油生產(chǎn)的瀝青55。 特點(diǎn)：極性很強(qiáng)。特點(diǎn)：極性很強(qiáng)。 對(duì)路用性能的影響對(duì)路用性能的影響： 隨著瀝青質(zhì)含量的增加，瀝青的粘結(jié)力、粘度增加，溫度穩(wěn)隨著瀝青質(zhì)含量的增加，瀝青的粘結(jié)力、粘度增加，溫度穩(wěn)定性高、硬度提高。針

7、入度小、軟化點(diǎn)高，變形能力差。定性高、硬度提高。針入度小、軟化點(diǎn)高，變形能力差。二、化學(xué)組分二、化學(xué)組分2021-10-1727膠質(zhì)分膠質(zhì)分膠質(zhì)分：溶于正庚烷，深棕色固體或半固體，極性膠質(zhì)分：溶于正庚烷，深棕色固體或半固體，極性密度密度1粘附力強(qiáng)，是瀝青質(zhì)的擴(kuò)散劑。粘附力強(qiáng)，是瀝青質(zhì)的擴(kuò)散劑。對(duì)路用性能的影響對(duì)路用性能的影響：膠質(zhì)對(duì)瀝青質(zhì)的比例在一定程度上決定了瀝青膠體結(jié)構(gòu)膠質(zhì)對(duì)瀝青質(zhì)的比例在一定程度上決定了瀝青膠體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；的穩(wěn)定；提高瀝青的延度，減小瀝青的針入度；提高瀝青的延度，減小瀝青的針入度；瀝青質(zhì)瀝青質(zhì)+膠質(zhì)分比例高，粘度增加。膠質(zhì)分比例高，粘度增加。 二、化學(xué)組分二、化學(xué)組分20

8、21-10-1728芳香分芳香分芳香分：溶于正庚烷，由甲苯?jīng)_洗得到；由非極性碳鏈組成，芳香分：溶于正庚烷，由甲苯?jīng)_洗得到；由非極性碳鏈組成，對(duì)其他高分子烴類有很高的溶解能力對(duì)其他高分子烴類有很高的溶解能力 。黃色至紅色液體，弱極性。黃色至紅色液體，弱極性。密度密度1是膠融瀝青質(zhì)分散介質(zhì)的主要部分，占瀝青總量的是膠融瀝青質(zhì)分散介質(zhì)的主要部分，占瀝青總量的20%50%對(duì)路用性能的影響對(duì)路用性能的影響：芳香分含量增加，具有良好的延展性，低溫變形能力好。芳香分含量增加，具有良好的延展性，低溫變形能力好。 二、化學(xué)組分二、化學(xué)組分2021-10-1729飽和分飽和分飽和分：溶于正庚烷，由直鏈和支鏈脂肪屬

9、烴和烷基芳飽和分：溶于正庚烷，由直鏈和支鏈脂肪屬烴和烷基芳香烴組成，包括蠟質(zhì)及非蠟質(zhì)飽和物。香烴組成，包括蠟質(zhì)及非蠟質(zhì)飽和物。無色液體，無極性無色液體，無極性密度密度1 膠質(zhì)膠質(zhì) 芳香分芳香分 飽和分飽和分p 極性：瀝青質(zhì)極性：瀝青質(zhì) 膠質(zhì)膠質(zhì) 芳香分芳香分 飽和分飽和分二、化學(xué)組分二、化學(xué)組分瀝青四組分對(duì)瀝青性能的影響瀝青四組分對(duì)瀝青性能的影響 組分組分分子量分子量高溫粘度高溫粘度 低溫變形能力低溫變形能力化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性飽和分飽和分S500700芳香分芳香分A800900膠質(zhì)膠質(zhì)R12001300瀝青質(zhì)瀝青質(zhì)At10002000蠟：高溫軟化、低溫結(jié)晶析出蠟：高溫軟化、低溫結(jié)晶析出202

10、1-10-1732高溫：高溫時(shí)融化，使瀝青粘度降低，溫度敏感性增大高溫：高溫時(shí)融化，使瀝青粘度降低，溫度敏感性增大低溫：低溫時(shí)易析出，分散在瀝青中，減少瀝青分子間低溫：低溫時(shí)易析出，分散在瀝青中，減少瀝青分子間的緊密聯(lián)系，降低瀝青的延展性的緊密聯(lián)系，降低瀝青的延展性粘附性：使瀝青與石料表面親和力變小，影響瀝青與石粘附性：使瀝青與石料表面親和力變小，影響瀝青與石料的粘附性料的粘附性抗滑性：使瀝青路面抗滑性能降低抗滑性：使瀝青路面抗滑性能降低重交通道路瀝青要求：蠟含量重交通道路瀝青要求：蠟含量 2.2%p 蠟對(duì)瀝青路用性能的影響蠟對(duì)瀝青路用性能的影響二、化學(xué)組分二、化學(xué)組分2021-10-1733

11、三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)p瀝青的技術(shù)性質(zhì)，不僅取決于它的瀝青的技術(shù)性質(zhì)，不僅取決于它的化學(xué)組分化學(xué)組分和和化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)結(jié)構(gòu)，而且取決于它的，而且取決于它的膠體結(jié)構(gòu)膠體結(jié)構(gòu)。 膠體結(jié)構(gòu)的形成膠體結(jié)構(gòu)的形成 膠體結(jié)構(gòu)的分類膠體結(jié)構(gòu)的分類 膠體結(jié)構(gòu)類型的判定膠體結(jié)構(gòu)類型的判定2021-10-1734現(xiàn)代膠體理論：瀝青材料是一種膠體分散系現(xiàn)代膠體理論：瀝青材料是一種膠體分散系瀝青質(zhì)瀝青質(zhì)分散相，固態(tài)分散相，固態(tài)飽和分和芳香分飽和分和芳香分分散介質(zhì)，液態(tài)分散介質(zhì)，液態(tài)膠質(zhì)膠質(zhì)保護(hù)作用，使分散相能夠很好地膠溶于分散介質(zhì)保護(hù)作用，使分散相能夠很好地膠溶于分散介質(zhì)中形成穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)。中形成穩(wěn)

12、定的膠體結(jié)構(gòu)。p 膠體的形成膠體的形成膠團(tuán)膠團(tuán)三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)2021-10-1735p瀝青是一種膠體分散系，瀝青質(zhì)是核心，吸附膠質(zhì)分形瀝青是一種膠體分散系，瀝青質(zhì)是核心，吸附膠質(zhì)分形成成“膠團(tuán)膠團(tuán)”作為分散相，逐漸向外擴(kuò)散，使瀝青質(zhì)的膠作為分散相，逐漸向外擴(kuò)散，使瀝青質(zhì)的膠核膠溶于芳香分和飽和分形成的分散介質(zhì)中，形成穩(wěn)定核膠溶于芳香分和飽和分形成的分散介質(zhì)中，形成穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)。的膠體結(jié)構(gòu)。p只有在各組分的化學(xué)組成和相對(duì)含量相匹配才能形成穩(wěn)定只有在各組分的化學(xué)組成和相對(duì)含量相匹配才能形成穩(wěn)定的膠體。的膠體。p 膠體結(jié)構(gòu)膠體結(jié)構(gòu)三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)2

13、021-10-1736p 膠體結(jié)構(gòu)分類依據(jù)膠體結(jié)構(gòu)分類依據(jù) 瀝青中各組分的化學(xué)特性、相對(duì)含量和流變特瀝青中各組分的化學(xué)特性、相對(duì)含量和流變特性不同，可分下列性不同，可分下列3個(gè)類型。個(gè)類型。三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)2021-10-1737（1）溶膠型（）溶膠型（Sol type）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)u結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 瀝青質(zhì)含量很少（瀝青質(zhì)含量很少（30），有相當(dāng)數(shù)量的膠質(zhì)），有相當(dāng)數(shù)量的膠質(zhì)形成膠團(tuán)。膠團(tuán)濃度增加、引力增強(qiáng)，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)形成膠團(tuán)。膠團(tuán)濃度增加、引力增強(qiáng)，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。構(gòu)。三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)2021-10-1742力學(xué)特性：力學(xué)特性：荷載很

14、小或作用時(shí)間很短時(shí)，有明顯彈性效應(yīng)；荷載很小或作用時(shí)間很短時(shí)，有明顯彈性效應(yīng)；應(yīng)力超過屈服值應(yīng)力超過屈服值之后，表現(xiàn)為粘一彈性變形。具有觸變性。之后，表現(xiàn)為粘一彈性變形。具有觸變性。路用性能：路用性能：具有較低的溫度感應(yīng)性和較好的粘彈特性，具有較低的溫度感應(yīng)性和較好的粘彈特性， 低溫變形能力較差。低溫變形能力較差。p 深度氧化的瀝青多屬于凝膠型瀝青深度氧化的瀝青多屬于凝膠型瀝青三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)2021-10-1743n 膠體結(jié)構(gòu)類型的判定膠體結(jié)構(gòu)類型的判定： 針入度指數(shù) PI+2 凝膠結(jié)構(gòu)。 三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)三、石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)2021-10-1744四、瀝青的物理

15、性質(zhì)四、瀝青的物理性質(zhì)1. 瀝青在規(guī)定溫度瀝青在規(guī)定溫度 (15)條件下、單位體積的質(zhì)條件下、單位體積的質(zhì) 量。也用量。也用相對(duì)密度相對(duì)密度表示：在規(guī)定溫度下，瀝青質(zhì)量表示：在規(guī)定溫度下，瀝青質(zhì)量與同體積水質(zhì)量之比。與同體積水質(zhì)量之比。 密度與化學(xué)組成密切相關(guān)，粘稠瀝青密度密度與化學(xué)組成密切相關(guān)，粘稠瀝青密度0.961.04范圍。我國富產(chǎn)石蠟基瀝青，密度在范圍。我國富產(chǎn)石蠟基瀝青，密度在1.00以下。以下。用處：瀝青在質(zhì)量與體積之間互相換算及瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)必不可少的重要參數(shù)。特點(diǎn)：隨溫度的升高而降低，體積膨脹。2021-10-17452. 熱脹系數(shù)：熱脹系數(shù)：溫度上升溫度上升1時(shí)的長(zhǎng)度

16、或體積的變化，分別稱為時(shí)的長(zhǎng)度或體積的變化，分別稱為線脹系數(shù)或體脹系數(shù)，統(tǒng)稱熱脹系數(shù)。線脹系數(shù)或體脹系數(shù)，統(tǒng)稱熱脹系數(shù)。3. 介電常數(shù)介電常數(shù): 瀝青的介電常數(shù)與瀝青對(duì)氧、雨、紫外線等的耐瀝青的介電常數(shù)與瀝青對(duì)氧、雨、紫外線等的耐候性（耐老化性）有關(guān)，英國道路研究所研究認(rèn)為，介電候性（耐老化性）有關(guān)，英國道路研究所研究認(rèn)為，介電常數(shù)與瀝青路面抗滑性有很好的相關(guān)性。常數(shù)與瀝青路面抗滑性有很好的相關(guān)性。 四、瀝青的物理性質(zhì)四、瀝青的物理性質(zhì)2021-10-17462.4瀝青的技術(shù)性質(zhì)、評(píng)價(jià)方法 粘滯性粘滯性 延性延性 脆性脆性 感溫性感溫性 耐久性耐久性 安全性安全性 勁度模量勁度模量2021-1

17、0-1747n dvdyvdvhdy瀝青的技術(shù)性質(zhì)瀝青的技術(shù)性質(zhì)單位：Pas dydvAF2021-10-1748(2) 運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)-牛頓流體牛頓流體考慮密度的影響，瀝青在某一溫度考慮密度的影響，瀝青在某一溫度下動(dòng)力粘度與密度之比為運(yùn)動(dòng)粘度下動(dòng)力粘度與密度之比為運(yùn)動(dòng)粘度單位：米單位：米2/秒秒(斯斯)(3) 表觀粘度表觀粘度(視粘度視粘度)-非牛頓流體非牛頓流體瀝青在高溫條件下接近牛頓流體，正常溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)為瀝青在高溫條件下接近牛頓流體，正常溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)為粘彈性體，不同的剪變率粘度不同。粘彈性體，不同的剪變率粘度不同。ac單位：?jiǎn)挝唬篜as s2021-10-1749u瀝青的

18、復(fù)合流動(dòng)系數(shù)瀝青的復(fù)合流動(dòng)系數(shù)C：評(píng)價(jià)瀝青流變性質(zhì)的重要指標(biāo)。評(píng)價(jià)瀝青流變性質(zhì)的重要指標(biāo)。C=1.0表示牛頓流型瀝青，表示牛頓流型瀝青，C1.0表示非牛頓流型瀝青，表示非牛頓流型瀝青，C值愈小表示非牛頓性愈強(qiáng)。值愈小表示非牛頓性愈強(qiáng)。(3) 表觀粘度表觀粘度(視粘度視粘度)-非牛頓流體非牛頓流體（a）牛頓流體）牛頓流體 （b）非牛頓流體）非牛頓流體2021-10-1750(1) 動(dòng)力粘度（絕對(duì)粘度）動(dòng)力粘度（絕對(duì)粘度）:真空減壓毛細(xì)管法真空減壓毛細(xì)管法 瀝青在真空裝置中保持一定溫度瀝青在真空裝置中保持一定溫度(60)通通過規(guī)定型號(hào)毛細(xì)管粘度計(jì)流經(jīng)規(guī)定體積所過規(guī)定型號(hào)毛細(xì)管粘度計(jì)流經(jīng)規(guī)定體積所需

19、的時(shí)間（需的時(shí)間（Pa.s） T=kt（k為粘度計(jì)常數(shù)）為粘度計(jì)常數(shù)）(2)運(yùn)動(dòng)粘度（絕對(duì)粘度）：毛細(xì)管法運(yùn)動(dòng)粘度（絕對(duì)粘度）：毛細(xì)管法 指瀝青試樣在規(guī)定的試驗(yàn)溫度（指瀝青試樣在規(guī)定的試驗(yàn)溫度（135）下，流經(jīng)規(guī)定體積所需的時(shí)間。下，流經(jīng)規(guī)定體積所需的時(shí)間。 vT=ct（c為粘度計(jì)標(biāo)定常數(shù)）為粘度計(jì)標(biāo)定常數(shù)）2021-10-1751(3) 相對(duì)粘度測(cè)定方法相對(duì)粘度測(cè)定方法 標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)法標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)法。我國我國測(cè)定液體石油瀝青、測(cè)定液體石油瀝青、煤瀝青和乳化瀝青等粘度，采用道路標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)法。煤瀝青和乳化瀝青等粘度，采用道路標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)法。p試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法：液態(tài)瀝青在標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)中，于：液態(tài)瀝青在標(biāo)準(zhǔn)

20、粘度計(jì)中，于規(guī)定溫度規(guī)定溫度通過通過規(guī)定流孔規(guī)定流孔直徑流出直徑流出50ml體積體積所需時(shí)間。溫度和孔徑根據(jù)粘所需時(shí)間。溫度和孔徑根據(jù)粘度度選擇，常用的有選擇，常用的有3,4,5和和10mm等等4種。種。p相同溫度和流孔條件下，流出時(shí)間愈長(zhǎng)，粘度愈大。相同溫度和流孔條件下，流出時(shí)間愈長(zhǎng)，粘度愈大。2021-10-1752 標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)法標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)法2021-10-1753100 gInitialPenetration in 0.1 mmAfter 5 seconds 該法是瀝青材料在該法是瀝青材料在條件下，以條件下，以的標(biāo)準(zhǔn)針的標(biāo)準(zhǔn)針經(jīng)過經(jīng)過貫入，瀝青試樣的深度（以貫入，瀝青試樣的深度（以0.1mm為單位計(jì)）為單位計(jì)）25,100 ,5CgsP針入度試驗(yàn)針入度試驗(yàn): :等溫粘度等溫粘度2021-10-1754常用的試驗(yàn)條件為P25，100g，5S。為確定針入度指數(shù)（PI）時(shí)，針入度試驗(yàn)常用條件為5、15、25和35等，但標(biāo)準(zhǔn)針質(zhì)量和貫入時(shí)間是均為100g和5s。 針入度試驗(yàn)針入度試驗(yàn)AH-90: 重交通重交通90號(hào)瀝青，號(hào)瀝