瀝青材料論文綜述

瀝青材料綜述瀝青材料簡介瀝青是在高度縮合的環(huán)烷環(huán)、芳香環(huán)上帶有長短不同的烷基側(cè)鏈的碳氫化合物，及其非金屬〔0、S、N衍生物組成的混合物，并含有微量元素。顏色呈暗褐色或黑色,常溫下為固體或半固體。瀝青可以分為天然瀝青、石油瀝青、煤瀝青、木瀝青。天然瀝青是石油在自然條件下,經(jīng)過千百萬年的時間,在溫度、壓力、氣體、無機物催化劑、微生物以及水分等綜合作用下氧化聚合而成的瀝青類物質(zhì),由瀝青、礦物質(zhì)、水分構(gòu)成。由于它常年與自然環(huán)境共存,故其性質(zhì)特別穩(wěn)定。根據(jù)天然瀝青生成礦床的不同,可以分為：湖瀝青、巖瀝青、海底瀝青。特立尼達湖瀝青〔TriniadaLakeAsphalt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)景秀麗的特立尼達和多巴哥境內(nèi)的瀝青湖。該瀝青湖又叫彼奇湖,面積44萬平方米,深約82米,湖中瀝青儲量達1200萬噸,是世界上最大的天然瀝青產(chǎn)地。巖瀝青生成于巖石的夾縫中,縫寬很窄,僅數(shù)十厘米,深可達幾百米。天然巖瀝青是一種純天然的碳氫化合物,熔點在150°C以上，我國XX及克拉瑪依地區(qū)有所開采,但很少用于道路。美國北部猶他州的Uintah盆地的UNTAITE巖瀝青是世界上最為著名的巖瀝青。石油瀝青可由兩個分類指標進行分類"關(guān)鍵餾分特性"和"含硫量"。第一關(guān)鍵餾分是指常壓下250~275C的餾分，第二關(guān)鍵餾分是減壓條件下275~300的餾分。根據(jù)含硫量可以分為低硫原油、含硫原油和高硫原油3類。煤瀝青是由煤干餾的產(chǎn)品〔煤焦油經(jīng)再加工而獲得的。根據(jù)其在工程中應(yīng)用要求的不同,按稠度可分為軟煤瀝青〔液體、半固體和硬煤瀝青〔固體兩大類。煤瀝青是由芳香族碳氫化合物及其氧、硫、碳的衍生物所組成的混合物,主要元素為C、H、O、S和N,煤瀝青元素組成的特點是"碳氫比"較石油瀝青大得多。煤瀝青化學(xué)組分的分析方法與石油瀝青相似,可分離為：油分、軟樹脂、硬樹脂、游離碳C1和游離碳C2五個組分；其中油分中含有萘、蔥、酚等有害物質(zhì)，對其含量必須加以限制瀝青的化學(xué)組分〔元素含量,元素比例,基屬比例等都對其化學(xué)性質(zhì)有影響。一般瀝青中環(huán)烷基的含量越多其多種性能越好。瀝青的技術(shù)性質(zhì)瀝青性質(zhì)的技術(shù)指標有很多,包括粘滯性、感溫性、延展性和脆性、粘彈性、粘附性、耐久性等。1、 粘滯性粘滯性是反映瀝青材料內(nèi)部阻礙其相對流動的一種特性。各種石油瀝青粘滯性的變化范圍很大,與瀝青組分和溫度有關(guān)。粘度是反映瀝青粘滯性的指標,是瀝青最重要的技術(shù)性質(zhì)指標之—,是瀝青等級〔標號劃分的主要依據(jù)。測定瀝青相對粘度的主要方法有標準粘度計法和針入度法。1標準粘度計法該法適用于液體石油瀝青、較稀的石油瀝青、煤瀝青、乳化瀝青等的粘度測定。標準粘度是在規(guī)定溫度〔20工、25工、30T或60T條件下,規(guī)定直徑〔3mm、4mm、5mm或10mm的孔口流出50cm3瀝青所需的時間秒數(shù)，常用符號"CdT"表示，其中t為試樣溫度、d為流孔直徑、T為流出50cm3瀝青所需的時間。按上述方法,在相同溫度和相同流孔的條件下,流出時間越長,表示瀝青粘度越大。2針入度法該法適用于粘稠〔固體、半固體石油瀝青的粘度測定。在規(guī)定溫度25T下,以規(guī)定重量100g的標準針、經(jīng)歷規(guī)定時間5s貫入試樣中的深度〔以I/10mm為單位來表示，符號為P[25T,100g,5so針入度值反映了瀝青抵抗剪切變形的能力，其值越大,表示瀝青越軟、粘度越小。2、 感溫性感溫性是指瀝青的粘滯性和塑性隨著溫度升降而變化的性能o當(dāng)溫度升高時,瀝青由固態(tài)或半固態(tài)逐漸軟化,發(fā)生象液體一樣的粘性流動,稱為粘滯流動狀態(tài)；與此相反,當(dāng)溫度降低時，瀝青又逐漸由粘流態(tài)凝固為固態(tài)、甚至變硬變脆。工程要求瀝青隨著溫度變化而產(chǎn)生的粘滯性及塑性變化的幅度應(yīng)較小,即感溫性應(yīng)較小o建筑工程中宜選用溫度敏感性較小的瀝青。評價瀝青感溫性的指標很多，常用的是軟化點和針入度指數(shù)?！?軟化點我國現(xiàn)行試驗法是采用環(huán)與球法軟化點o將瀝青試樣注于內(nèi)徑為18.9mm的銅環(huán)中環(huán)上置一重3.5g的鋼球，在規(guī)定的加熱速度FC/min下進行加熱，瀝青試樣逐漸軟化，直至在鋼球自重作用下，使瀝青下墜25.4mm時的溫度稱為軟化點,符號為TR&Bo軟化點越低,表明瀝青在高溫下的體積穩(wěn)定性和承受荷載的能力越差。〔2針入度指數(shù)僅憑軟化點來反應(yīng)瀝青性能隨溫度變化的規(guī)律并不全面,目前用來反映瀝青感溫性的常用指標是針入度指數(shù)〔PI,按下式計算確定。式中P〔25C,100g,5s—在25C、100g、5s條件下測定的針入度值〔1/10mm;Tr&b——環(huán)球法測定的軟化點〔°C。瀝青針入度指數(shù)的范圍是-10~20。針入度指數(shù)不僅可以用來評價瀝青的感溫性，同時也可以來判斷瀝青的膠體結(jié)構(gòu)：當(dāng)PK-2時，瀝青屬于溶膠型結(jié)構(gòu)；當(dāng)PI>2時,瀝青屬于凝膠型結(jié)構(gòu)；介于其間的屬于溶-凝膠型結(jié)構(gòu)。不同的工程也對瀝青的針入度指數(shù)有著不同的要求：如用作膠粘劑,要求PI介于-2~2之間；用作涂料時,要求PI介于-2~5；用作灌縫材料,要求PI介于-3~1之間；路用瀝青一般要求PI>-2o3、延展性延展性是指瀝青在受到外力的拉伸作用時,產(chǎn)生變形而不破壞〔出現(xiàn)裂縫或斷開、除去外力后仍能保持變形后形狀不變的性質(zhì),它反映瀝青受力時所能承受的塑性變形的能力。瀝青之所以能制造出性能良好的柔性防水材料,很大程度上決定于瀝青的延展性。通常用延度作為延展性指標。其試驗方法是：將瀝青試樣制成最小斷面面積為1cm2的8字形標準試件，在規(guī)定拉伸速度和規(guī)定溫度下拉斷時的長度〔以cm計稱為延度，如圖6-7所示。瀝青的延度采用延度儀來測度，常用的試驗溫度有25°C和15°C。瀝青的針入度、軟化點和延度,被稱為瀝青的三大技術(shù)指標。4、 大氣穩(wěn)定性大氣穩(wěn)定性是指石油瀝青在大氣綜合因素〔熱、陽光、氧氣和潮濕等長期作用下抵抗老化的性能。大氣穩(wěn)定性好的石油瀝青可以在長期使用中保持其原有性質(zhì)。石油瀝青在熱、陽光、氧氣和水分等因素的長期作用下,石油瀝青中代分子組分向高分子組分轉(zhuǎn)化,即瀝青中油分和樹脂相對含量減少,地瀝青質(zhì)逐漸增多,從而使石油瀝青的塑性降低,粘度提高,逐漸變得脆硬,直至脆裂,失去使用功能,這個過程稱為老化。5、 安全性閃點〔也稱閃火點是指瀝青加熱揮發(fā)出可燃氣體,與火焰接觸閃火時的最低溫度。燃點〔也稱著火點是指瀝青加熱揮發(fā)出的可燃氣體和空氣混合,與火焰接觸能持續(xù)燃燒時的最低溫度。閃點和燃點的高低表明瀝青引起火災(zāi)或爆炸的可能性的大小,它關(guān)系到運輸、儲存和加熱使用等方面的安全。例如,建筑石油瀝青閃點約230C.在熬制時一般溫度為185~200C，為安全起見，瀝青還應(yīng)與火焰隔離。瀝青材料的用途路用和建筑生活中瀝青應(yīng)用最多的是公路和建筑物建設(shè),我國的路用瀝青產(chǎn)量在1960年到2000年年產(chǎn)量幾乎逐年升高,2000年已達到280萬噸。建筑用瀝青主要是油氈防水材料,20世紀初期國外防水材料主要以油氈為主,后來相繼出現(xiàn)了各種改性瀝青原料生產(chǎn)的油氈。由于先進技術(shù)的使用使得國外的防水材料遠遠高于我國水平。80年代,我國的生產(chǎn)水平,生產(chǎn)技術(shù)都相對落后,近10年來由于新技術(shù)和新的生產(chǎn)線的引進才有所改觀。選用瀝青是要考慮工程性質(zhì),氣候條件,所處工程部位等多種因素。一般高牌號瀝青比低牌號瀝青含油分多、抗老化能力強,故在滿足要求的前提下,應(yīng)盡量選用牌號高的石油瀝青,以保證有較長的使用年限。道路石油瀝青又分為重交通石油瀝青、中輕交通石油瀝青、乳化石油瀝青、液體石油瀝青和改性瀝青等。道路工程中選用瀝青材料應(yīng)考慮交通量和氣候特點。南方高溫地區(qū)宜選用高粘度的石油瀝青,以保證夏季瀝青路面具有足夠的穩(wěn)定性,不出現(xiàn)車轍等；而北方寒冷地區(qū)宜選用低粘度的石油瀝青,以保證瀝青路面在低溫下仍具有一定的變形能力,避免出現(xiàn)開裂。建筑石油瀝青針入度較小〔粘性較大、軟化點較高〔耐熱性較好,但延伸度較小〔塑性較小,主要用作制造油紙、油氈、防水涂料和瀝青嵌縫膏等。它們絕大部分用于建筑屋面工程、地下防水工程、溝槽防水、防腐蝕工程及管道防腐工程等。使用時制成的瀝青膠膜較厚,增大了對溫度的敏感性；同時黑色瀝青表面又是好的吸熱體,一般同一地區(qū)瀝青屋面的表面溫度比其他材料的都高；瀝青屋面達到的表面溫度比當(dāng)?shù)刈罡邭鉁馗?5T~30TO為避免夏季流淌，一般屋面用瀝青材料的軟化點還應(yīng)比本地區(qū)屋面最高溫度高20T~25T，可選用10號或30號石油瀝青。改性瀝青傳統(tǒng)意義上的瀝青是由樹脂包裹的瀝青質(zhì)分子團組成的膠體物質(zhì),它呈現(xiàn)出很強的油質(zhì)狀態(tài)〔即石油質(zhì)。膠體分為溶膠〔主要指液態(tài)密度和凍膠〔主要指固體密度，這取決于其成分間的平衡狀態(tài)o對瀝青來說，兩種狀態(tài)的平衡取決于瀝青質(zhì)和樹脂間的相互作用,并受到外界溫度的強烈影響。事實上,瀝青溫度的升高打破了其凍膠狀態(tài),使瀝青分子團演變成溶膠狀態(tài)。因而瀝青的一個重要特性就是常溫下呈現(xiàn)出固體或半固體,但隨溫度升高極易溶化。這一顯著的熱敏感性是瀝青的最重要的特征,也是其主要弱點。事實上,瀝青混合物應(yīng)能夠在全年不同的工作條件下保持其良好的性能。顯著的熱敏感性妨礙了瀝青混合物在高溫和低溫時呈現(xiàn)出良好的性能,因而必須改進瀝青的特性以提高產(chǎn)品性能。二十多年來,國際國內(nèi)交通容量增長迅速,重型車輛在其中的比例也不斷增長。面對現(xiàn)在和將來的繁重的交通容量,使用傳統(tǒng)材料、按傳統(tǒng)方法設(shè)計的高速公路和機場跑道的瀝青路面的壽命將不斷降低。為了提高瀝青的產(chǎn)品性能,一個可行的方法就是選用某些高分子聚合體改變傳統(tǒng)瀝青的特性?，F(xiàn)代土木工程不僅要求瀝青具有較好的使用性能、還要求具有較長的使用壽命,但瀝青材料受環(huán)境影響較大、易老化。通過各種技術(shù)措施,在傳統(tǒng)瀝青材料中加入其它材料,來進一步改善瀝青的性能,稱為改性瀝青。改性的目的在于提高瀝青材料的流變性能、延長瀝青的耐久性等、改善瀝青與集料的粘附性。由此可以發(fā)現(xiàn),改性瀝青主要是在傳統(tǒng)瀝青中加入化學(xué)添加劑。以提高瀝青的流變性和耐久性為主要目的。但并不是每種添加劑都能達到我們預(yù)期的效果,可能由于技術(shù),安全,造價等多種原因使得某種添加劑或改性劑不能大量生產(chǎn),從而失去了其科研價值。當(dāng)今研究主要是針對化學(xué)改性劑的研究,使改性劑更加安全,有效,方便生產(chǎn)是我們研究的主要目。提高瀝青流變性的途徑很多,改性效果較好的有下列幾類改性劑：樹脂類改性劑、橡膠類改性劑、橡膠和樹脂共混類改性劑、微填料類改性劑、纖維類改性劑。目前提高瀝青耐久性方法,主要是摻加一些較為昂貴的化學(xué)添加劑,例如抗氧劑等；但使用抗氧劑前,必須通過試驗對其技術(shù)上的有效性進行鑒定。當(dāng)前對提高瀝青耐久性最有效的添加劑為專用炭黑,炭黑經(jīng)助劑預(yù)處理后,可配制"炭黑改性瀝青"。SBS防水卷材防水卷材是一種可卷曲的片狀防水材料。根據(jù)其主要防水組成材料可分為瀝青防水材料、高聚物改性防水卷材和合成高分子防水卷材三大類。瀝青防水卷材：瀝青防水卷材是在基胎〔如原紙、纖維織物上侵涂瀝青后,再在表面撒布粉狀或片狀的隔離材料而制成的可卷曲片狀防水材料?？煞譃椋?、石油瀝青紙?zhí)ビ蜌帧铂F(xiàn)已禁止生產(chǎn)使用。2、石油瀝青玻璃布油氈。3、石油瀝青玻璃纖維胎油氈。4、鋁箔面油氈。改性瀝青防水卷材：改性瀝青與傳統(tǒng)的氧化瀝青相比,其使用溫度區(qū)間大為擴展,制成的卷材光潔柔軟,可制成4--5mm厚度,可以單層使用,具有15--20年可靠的防水效果?？煞譃椋?、彈性體改性瀝青防水卷材〔SBS卷材。2、塑性體改性瀝青防水卷材〔APP卷材。合成高分子防水卷材：合成指的是以合成橡膠、合成樹脂或兩者共混體為基料,加入適量化學(xué)助劑和填充料,經(jīng)一定工序加工而成的可卷曲片狀防水卷材。這種卷材拉伸強度高、抗撕裂強度高、斷裂伸長率大、耐熱性好、低溫柔性好、耐腐蝕、耐老化及可冷施工等優(yōu)越的性能?？煞譃椋?、橡膠系防水卷材。2、塑料系防水卷材。3、橡膠塑料共混系防水卷材。改性瀝青防水卷材的生產(chǎn)使用量非常大,改性瀝青的研究也是最近的科學(xué)熱點。改性瀝青防水卷材可分為彈性瀝青防水卷材〔SBS防水卷材和塑性瀝青防水卷材〔APP瀝青防水卷材。SBS改性瀝青防水卷材,是以聚酯氈或玻纖氈為胎基,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯〔SBS熱塑性彈性體作改性劑,兩面覆以隔離材料所制成的建筑防水卷材,產(chǎn)品標記按以下程序進行：彈性體改性瀝青防水卷材、型號、胎基、上表面材料、厚度和本標準號，例：3mm厚砂面聚酯胎I型彈性體改性瀝青防水卷材標記為SBSIPYS3GB18242°〔此卷材使用品牌效應(yīng)最響，比例最大，占全部防水材料的60.91％APP改性瀝青防水卷材,是以聚酯氈或玻纖氈為胎基，無規(guī)聚丙烯APP或聚烯烴類聚合物APAO、APO作改性劑，兩面覆以隔離材料所制成的建筑防水卷材產(chǎn)品標記按以下程序進行：塑性體改性瀝青防水卷材、型號、胎基、上表面材料、厚度和本標準號，例：3mm厚砂面聚酯胎I型塑性體改性瀝青防水卷材標記為APPIPYS3GB18243。另外還有一種瀝青復(fù)合胎柔性防水卷材簡稱為"復(fù)合胎卷材",以瀝青為基料,以無紡布--網(wǎng)格布兩種材料復(fù)合為胎體,細砂、礦物?！财?、聚酯膜、聚乙烯膜等為覆面材料,以浸涂、滾壓工藝而制成的防水卷材,該胎體價格低廉、耐霉菌、耐水性、耐久性極差,生產(chǎn)的卷材易分層,其中無紡布一般用回收的廢布制成,化纖成份極高,不易浸透,網(wǎng)格布是用國家淘汰的陶土坩堝生產(chǎn)線生產(chǎn)的高堿玻纖織成的,其瀝青通常用廢膠粉進行改性。用此卷材施工的僅占3.04％。SBS是一種熱塑性彈性體,常溫下具有橡膠的高彈性。通常在瀝青中添加適量的SBS以改善瀝青的力學(xué)性能,如低溫脆性、高溫抗變形性能以及抗疲勞老化性能。SBS防水橡膠是在60年代在國外開始研究起步,目前國內(nèi)的生產(chǎn)水平相對落后。是目前科學(xué)研究的一大熱門項目。但限于生產(chǎn)技術(shù)等諸多問題發(fā)展較為緩慢,甚至屬于起步階段。目前，國內(nèi)SBS改性瀝青的加工方法一般多采用機械式共混法,在工廠進行預(yù)拌或工地現(xiàn)場改性。工廠預(yù)拌工藝通過溶脹、剪切、發(fā)育3個階段，將SBS經(jīng)強力剪切分散到瀝青