瀝青材料課件

1、第六章 瀝青材料v 瀝青材料的品種很多，按其在自然界獲得的方式不同，可分為地瀝青和焦油瀝青兩大類。v1地瀝青 是指地下原油演變或加工而得到的瀝青。又分為天然瀝青和石油瀝青。v2焦油瀝青 是干餾有機(jī)燃料（煤，頁(yè)巖，木材料等）所收集的石油再經(jīng)加工而得到的一種瀝青材料，按干餾原料的不同，焦油瀝青可分為煤瀝青、頁(yè)巖瀝青、木瀝青和泥巖瀝青。工程上常用的焦油瀝青是煤瀝青。v 瀝青材料是這類材料的總稱，它具有良好的憎水性，粘接性和塑性，可以防水，防潮，因而廣泛應(yīng)用與道路和水利工程。通常所講的瀝青是石油瀝青，其它瀝青都要在瀝青倆字前加上名稱以示區(qū)別。在道路建筑中最常用的是石油瀝青和煤瀝青兩類,其次是天然瀝青。

2、第一節(jié) 石油瀝青v一、石油瀝青的分類和產(chǎn)生v（一）石油瀝青生產(chǎn)工藝概述v（二）石油瀝青的分類v二、石油瀝青的組成和結(jié)構(gòu)v（一）元素組成v（二）石油瀝青的化學(xué)組分v（三）石油瀝青的結(jié)構(gòu)v在常壓塔底收集的常壓重油，能否直接加工成瀝青，主要決定于原油的稠度。我國(guó)大多數(shù)油井開(kāi)采的原油，稠度均較低，所得常壓重油通常需要進(jìn)入減壓塔作減壓蒸餾后，再進(jìn)入氧化塔或深拔裝置或溶劑脫瀝青裝置，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工才能得到瀝青。但也有少數(shù)油井開(kāi)采的原油稠度較大，其常壓重油稠度也較大，直接進(jìn)行減壓蒸或深拔后即可得到直餾瀝青。v常用石油瀝青主要是由氧化裝置、溶劑脫瀝青裝置或深拔裝置所產(chǎn)生的粘稠瀝青。為了改善粘稠瀝青的使用性能，

3、還可采取各種方式將其加工成液體瀝青，調(diào)和瀝青，乳化瀝青，混合瀝青和其他改性瀝青等。v1按原油的成分分類v 石蠟基瀝青 ； 環(huán)烷基瀝青 ； 中間基瀝青 ；v2按加工方法分類v 直餾瀝青 ； 氧化瀝青 ； 溶劑瀝青 ； 裂化瀝青 v3按瀝青在常溫下的稠度分類v4. 按用途分類v 道路石油瀝青 ； 建筑石油瀝青 ； 普通石油瀝青 v石油瀝青是由多種碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘伲ㄑ?，硫，氮）的衍生物組成的混合物，它的分子表達(dá)通式為CnH2n+aObScNd。化學(xué)組成主要是碳（80%87%）、氫（10%15%），其次是非烴元素，如氧、硫、氮等（3%）。此外，還含有一些微量的金屬元素，如鎳、 釩、鐵、錳、鎂、鈉等

4、，但含量都極少，約為幾個(gè)至幾十個(gè)ppm(百萬(wàn)分之一) 。v1三組分分析法v石油瀝青的三組分分析法是將石油瀝青分離為油分、樹(shù)脂、瀝青質(zhì)三個(gè)組分。 v2四組分分析法v 瀝青質(zhì) ； 飽和分 ； 環(huán)烷芳香烴 ； 極性芳香分 v3.瀝青的含蠟量v由于瀝青中蠟的存在，在高溫時(shí)使瀝青容易發(fā)軟，導(dǎo)致瀝青的高溫穩(wěn)定性降低，出現(xiàn)車轍。同樣低溫時(shí)會(huì)使瀝青變得脆硬，導(dǎo)致路面低溫抗裂性降低，出現(xiàn)裂縫。 v1膠體理論v2. 膠體的結(jié)構(gòu)類型v根據(jù)瀝青中各組分的化學(xué)組成和相對(duì)含量的不同，可以形成不同的膠體結(jié)構(gòu)。瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，可分為下列三個(gè)類型：v 溶膠型結(jié)構(gòu) v 溶-凝膠型結(jié)構(gòu) v凝膠型結(jié)構(gòu) v3. 膠體結(jié)構(gòu)類型的判定v三

5、、石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)v（一）粘滯性（粘性）v粘滯性是指瀝青在外力作用下抵抗變形的能力。是反映瀝青內(nèi)部材料阻礙其相對(duì)流動(dòng)的特性。 v1瀝青的絕對(duì)粘度（亦稱動(dòng)力粘度） F=A （6-1）v式中：F移動(dòng)頂層平面的力 ( N )（即等于瀝青薄膜內(nèi)部膠團(tuán)抵抗變形的能力）A瀝青薄膜層的面積 ( cm2 )V頂層位移的速度 （ m/s ）D瀝青膜的厚度 （ cm ）反映瀝青粘滯性的系數(shù)，及絕對(duì)粘度 （Pas）v當(dāng)令，=F/A =v/d時(shí)，可將式6-1改寫為： （6-2）v式中：剪應(yīng)變 （ N/cm2 ）(瀝青薄膜層單位面積上所受的剪切力) v剪變率 （ s-1 ）(位移速度在d方向的變化率)v2. 瀝青的相

6、對(duì)粘度v 瀝青的相對(duì)粘度也稱為條件粘度，是反映瀝青材料在溫度條件下表現(xiàn)出的性質(zhì)。 =v 針入度(如圖1所示)v是測(cè)定粘稠石油瀝青粘結(jié)性的常用技術(shù)指標(biāo)，采用針入度儀測(cè)定。瀝青的針入度是在規(guī)定的溫度和時(shí)間內(nèi)，附加一定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)針垂直灌入試樣的深度，以0.1mm表示。試驗(yàn)條件以PT，m ，t表示其中P為針入度，T為試驗(yàn)溫度，m為荷載重，t為貫入時(shí)間。針入度值越小，表示粘度越大。v我國(guó)現(xiàn)行使用的粘稠瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，針入度是劃分瀝青技術(shù)等級(jí)的主要指標(biāo)。針入度值越大，表明瀝青愈軟（稠度愈?。?。v 粘度v粘度又稱粘滯度，是測(cè)定液體瀝青粘結(jié)性的常用技術(shù)指標(biāo)。v粘度是指瀝青試樣在規(guī)定溫度下，通過(guò)規(guī)定孔徑，流出5

7、0mL試樣所需的時(shí)間，以s為單位。我國(guó)目前采用道路標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)測(cè)定. v（二） 塑性v塑性是指瀝青在外力作用下發(fā)生變形而不被破壞的能力。影響塑性大小的因素與瀝青的組分及溫度有關(guān)。瀝青中樹(shù)脂含量多，油分及瀝青質(zhì)含量適當(dāng)，則塑性較大。當(dāng)溫度升高，塑性增大，瀝青膜層愈厚則塑性愈高。反之，塑性愈差。在常溫下，塑性好的瀝青不易產(chǎn)生裂縫，并減少摩擦?xí)r的躁聲。同時(shí)它對(duì)于瀝青在溫度降低時(shí)抵抗開(kāi)裂的性能有著重要影響。瀝青的塑性用延度表示，用延度儀測(cè)定。v（三）溫度穩(wěn)定性（感溫性） v是指瀝青的粘滯性和塑性隨溫度升降不產(chǎn)生較大變化的性能。當(dāng)溫度升高時(shí)，瀝青 由固態(tài)或半固態(tài)逐漸軟化成粘流狀態(tài)，當(dāng)溫度降低時(shí)由粘流狀態(tài)轉(zhuǎn)

8、變?yōu)榘牍虘B(tài)或固態(tài)，甚至變脆。溫度穩(wěn)定性高的瀝青，使用時(shí)不易因夏季高溫而軟化，也不易因冬季低溫而脆。在工程上使用的瀝青，要求具有良好的溫度穩(wěn)定性。 v高溫敏感性用軟化點(diǎn)表示。軟化點(diǎn)是瀝青材料由 固體狀態(tài)變?yōu)闉榫哂幸欢鲃?dòng)態(tài)時(shí)的溫度間隔的87.21%為軟化點(diǎn)。瀝青軟化點(diǎn)用環(huán)球法軟化點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定。v針入度是在規(guī)定溫度下瀝青的條件粘度，而軟化點(diǎn)則是瀝青達(dá)到規(guī)定條件粘度時(shí)的溫度。軟化點(diǎn)既是反映瀝青材料感溫性的一個(gè)指標(biāo)，也是瀝青粘度的一種量度。 v針入度、延度、軟化點(diǎn)是評(píng)價(jià)粘稠石油瀝青路用性能最常用的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，所以通稱“三大指標(biāo)”。v 低溫抗裂性用脆點(diǎn)表示。v脆點(diǎn)是指瀝青材料由粘稠狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)達(dá)到條

9、件脆裂時(shí)的溫度。一般采用弗拉斯脆點(diǎn)儀 測(cè)定。v(四)加熱穩(wěn)定性v瀝青在加熱或長(zhǎng)時(shí)間的加熱過(guò)程中，會(huì)發(fā)生輕餾分揮發(fā)、氧化、裂化、聚合等一系列物理及化學(xué)變化，使瀝青的化學(xué)組成及性質(zhì)相應(yīng)的發(fā)生變化。這種性質(zhì)稱為瀝青熱穩(wěn)定性。v1瀝青的蒸發(fā)損失試驗(yàn)v2瀝青薄膜加熱試驗(yàn)v3液體石油瀝青蒸餾試驗(yàn)（如圖所示）v（五） 安全性v 閃點(diǎn)（閃火點(diǎn)）（如圖所示）v 燃點(diǎn)（著火點(diǎn)）v（六）溶解度v（七）含水量（如圖所示）v（八）針入度指數(shù) v（九）勁度v（十）粘附性：對(duì)瀝青與石料粘附性的試驗(yàn)方法，我國(guó)規(guī)范公路工程瀝青及瀝青混合試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定：采用水煮法和水浸法，如圖所示。v4老化v瀝青在自然因素（熱，氧化，光和水）的作

10、用下，產(chǎn)生“不可逆”的化學(xué)變化，導(dǎo)致路用性能劣化，通常稱之為“老化”。v四、我國(guó)道路石油瀝青的技術(shù)要求v（一）道路石油瀝青的技術(shù)要求vA級(jí)瀝青 ：適用各個(gè)等級(jí)的公路，適用于任何場(chǎng)合和層次 ；B級(jí)瀝青 ：1、高速公路、一級(jí)公路瀝青下面層及以下的層次，二級(jí)及二級(jí)以下公路的各個(gè)層次；2、用做改性瀝青、乳化瀝青、改性乳化瀝青、稀釋瀝青的基質(zhì)瀝青；C級(jí)瀝青：三級(jí)及三級(jí)以下公路的各個(gè)層次 。v（二）道路液體石油瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)v按液體瀝青凝固速度而分為快凝、中凝、慢凝三個(gè)等級(jí)，快凝液體石油瀝青又劃分為三個(gè)標(biāo)號(hào)。 第二節(jié) 其它品種瀝青v一、煤瀝青v（一）煤瀝青的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)v1煤瀝青的化學(xué)組成v 游離碳

11、 ； 樹(shù)脂 ； 油分 ；v2.煤瀝青的結(jié)構(gòu)v（二）煤瀝青的技術(shù)性質(zhì)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)v1煤瀝青的技術(shù)性質(zhì)v 粘度 表示煤瀝青的稠度。 v 蒸餾試驗(yàn)的餾分含量及殘?jiān)再|(zhì) v 煤瀝青焦油酸含量 v 含萘量 v 甲苯不溶物 v 含水分 v2煤瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)v根據(jù)煤瀝青在工程中應(yīng)用要求的不同，按照稠度可劃分為軟煤瀝青（液體、半固體的）和硬煤瀝青（固體的）兩大類。 v3煤瀝青在技術(shù)性質(zhì)上與石油瀝青的差異：v 煤瀝青的溫度穩(wěn)定性差。v 煤瀝青的大氣穩(wěn)定性差。v 煤瀝青塑性較差。v 煤瀝青與礦質(zhì)材料表面粘附性能好。v 煤瀝青防腐性能好。v 煤瀝青含有對(duì)人體有害成分較多，臭味較重。v（三）煤瀝青與石油瀝青的鑒別v二、

12、 乳 化 瀝 青v（一）概 述v乳化瀝青是將粘稠瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，再經(jīng)高速離心、攪拌及剪切等機(jī)械作用，瀝青形成細(xì)小的微粒（25m左右），使瀝青以微粒狀態(tài)均勻有乳化劑和穩(wěn)定穩(wěn)定劑的水溶液之中，形成水包油（O/W）型乳濁液。 v乳化瀝青優(yōu)點(diǎn)如下：v 可冷態(tài)施工，節(jié)余能源。粘稠瀝青通常要加熱至160180施工，而乳化瀝青可以在常溫下進(jìn)行噴灑、貫入或拌和攤鋪，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需加熱，簡(jiǎn)化了施工程序，操作簡(jiǎn)便，節(jié)省了能源。v 可在潮濕基層上使用，能直接與濕集料拌和，粘結(jié)力不會(huì)減低。而用其它瀝青施工，必須在干燥的基層或干燥的集料拌和才能保證有足夠的粘結(jié)力。v 無(wú)毒、無(wú)嗅、不燃、施工安全，保護(hù)環(huán)境，減少污染。v 節(jié)

13、省能源、降低成本、增加結(jié)構(gòu)瀝青。v乳化瀝青的缺點(diǎn)：v 穩(wěn)定性差，貯存期不超過(guò)半年，貯存期過(guò)長(zhǎng)容易引起凝聚分層，貯存溫度在0以上。v 乳化瀝青修筑路面成型期較長(zhǎng)，最初應(yīng)控制車輛行使速度。v（二）、乳化瀝青的組成材料v乳化瀝青主要由瀝青、乳化劑、穩(wěn)定劑和水等組成。v1瀝青v2乳化劑v陰離子型乳化劑 v 陽(yáng)離子型乳化劑 v 兩性離子型乳化劑 v 非離子型乳化劑 v3穩(wěn)定劑v為防止已經(jīng)分散的瀝青乳液在貯存期彼此凝聚，以及在施工噴灑或拌和的機(jī)械作用下有良好的穩(wěn)定性，必要時(shí)加入適量的穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑可分為兩類：v 有機(jī)穩(wěn)定劑 無(wú)機(jī)穩(wěn)定劑v4水v水是乳化瀝青的主要組成部分。水在乳化瀝青中起著潤(rùn)濕、溶解及化學(xué)反

14、應(yīng)的作用。所以要求乳化瀝青中的水應(yīng)當(dāng)純凈，不含其它雜質(zhì)，一般要求用每升水中氧化鈣含量不得超過(guò)80mg的潔凈水，否則對(duì)乳化性能將有很大的影響，并且要多消耗乳化劑。水的用量一般為30%70% 。v（三）乳化瀝青的形成機(jī)理v根據(jù)乳狀液理論，由于瀝青與水這兩種物質(zhì)的表面張力相差較大，將瀝青分散于水中，則會(huì)因表面張力的作用使已分散的瀝青顆粒重新聚集結(jié)成團(tuán)塊。欲使已分散的瀝青能穩(wěn)定均勻地存在（實(shí)際上是懸浮）于水中，必須使用乳化劑，以降低瀝青與水之間的表面張力差。瀝青能夠均勻穩(wěn)定地分散在乳化劑水溶液中的原因主要是：v 乳化劑降低界面能的作用； 增強(qiáng)界面膜的保護(hù)作用 ； 界面電荷穩(wěn)定作用 v（四）乳化瀝青技術(shù)

15、性質(zhì)與技術(shù)要求 v乳化瀝青在使用中，與砂、石骨料拌和成型后，在空氣中逐漸脫水，水膜變薄，使瀝青微粒靠攏，將乳化劑薄膜擠裂而凝成連續(xù)的瀝青粘結(jié)膜層。成膜后的乳化瀝青具有一定的耐熱性、粘結(jié)性、抗裂性、韌性及防水性。v（五）乳化瀝青的生產(chǎn)v 乳化劑水溶液的調(diào)制：在水中加入需要數(shù)量的乳化劑和穩(wěn)定劑。將水溫調(diào)節(jié)至乳化劑和穩(wěn)定劑溶解所需的溫度，使其在水中充分溶解。 瀝青加熱及貯存。 瀝青與水比例控制機(jī)構(gòu)。 乳化，常用設(shè)備為膠體磨或其它同類設(shè)備。 乳化成品貯存。v（六）乳化瀝青在集料表面分裂機(jī)理v分裂是指從乳液中分裂出來(lái)的瀝青微滴在集料表面聚結(jié)成一層連續(xù)的瀝青薄膜，這一過(guò)程稱為分裂（俗稱破乳）。v1蒸發(fā)作用

16、v2乳液與集料表面的吸附作用 v 陰離子乳液（瀝青微滴帶負(fù)電荷）與帶正電荷堿性集料（石灰石、玄武石等）具有較好的粘結(jié)性。v 陽(yáng)離子乳液（瀝青微滴帶正電荷）與帶負(fù)電荷的酸性集料（花崗巖、石英石等）具有較好的粘結(jié)性。同時(shí)與堿性集料也有較好的親和力。v（七）乳化瀝青的應(yīng)用v乳化瀝青用于修筑路面，不論是陽(yáng)離子型乳化瀝青或陰離子型乳化瀝青有兩種施工方法：v1）灑布法：如透層、粘層、表面處治或貫入式瀝青碎石路面。 v2）拌和法：如瀝青碎石或?yàn)r青混合料路面。v三、再生瀝青v（一）瀝青材料的老化v瀝青材料的老化是瀝青材料在使用中受到自然因素（氧、光、熱和水等）的作用，隨時(shí)間而產(chǎn)生“不可逆”的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)和物理

17、力學(xué)性能變化的過(guò)程。v1化學(xué)組分的變化v2物理力學(xué)性質(zhì)變化v（二）瀝青再生v1. 瀝青再生機(jī)理；2. 瀝青化學(xué)組分調(diào)節(jié)v四、改性瀝青v（一）概述v改性瀝青是指摻加橡膠，樹(shù)脂，高分子聚合物，磨細(xì)的橡膠粉或其他填料等外摻劑（改性劑），或采用對(duì)瀝青輕度氧化加工等措施，是瀝青的性能得以改善。改性劑是指在瀝青中加入天然的或人工的有機(jī)或無(wú)機(jī)材料，可熔融、分散在瀝青中，改善或提高瀝青路面性能材料。v從狹義來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在所指道路改性瀝青一般指聚合物改性瀝青。用于改性的聚合物的種類也很多，按照改性劑的不同，一般分為以下幾類：v 熱塑性橡膠類改性瀝青 v 橡膠類改性瀝青 v 熱塑性樹(shù)脂類改性瀝青 v 摻加天然瀝青的改

18、性瀝青 v 其他改性瀝青v(三)我國(guó)改性瀝青標(biāo)準(zhǔn) v1各類聚合物改性瀝青的質(zhì)量應(yīng)符合公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTGF402004）技術(shù)要求。v2關(guān)于改性瀝青的分類及適用范圍v（四）改性瀝青的應(yīng)用和發(fā)展v目前，改性瀝青可用做排水或吸音磨耗層及下面的防水層；在老路面上做應(yīng)力吸收膜中間層，以減少反射裂縫，在重載交通道路的老路面上加鋪薄或超薄的瀝青面層，以提高耐久性；在老路面上或新建一般公路上做表面處置，以恢復(fù)路面使用性能或減少養(yǎng)護(hù)工作量等。vSBS改性瀝青無(wú)論在高溫、低溫、彈性等方面都優(yōu)于其他改性劑，所以我國(guó)改性瀝青的發(fā)展方向應(yīng)該以SBS改性瀝青作為主要方向。 圖1 針入度法測(cè)定粘稠瀝青針入度示意圖圖2 標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)測(cè)定液體瀝青示意圖1-瀝青試樣；2-活動(dòng)球塞；3-流孔；4-水圖3 延度儀1-試模；2-試樣；3-電機(jī)；4-水槽；5-泄水孔；6-開(kāi)關(guān)；7-指針；8-標(biāo)尺 v荷蘭學(xué)者普費(fèi)（Pfeiffer）等研究提出，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的針入度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，找出其間的變化規(guī)律能表征瀝青的感溫性和膠體結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，稱“針入度指數(shù)”（