《沥青材料》PPT课件.ppt

第六章 沥青材料v 沥青材料的品种很多，按其在自然界获得的方式不同，可分为地沥青和焦油沥青两大类。v1地沥青 是指地下原油演变或加工而得到的沥青。又分为天然沥青和石油沥青。v2焦油沥青 是干馏有机燃料（煤，页岩，木材料等）所收集的石油再经加工而得到的一种沥青材料，按干馏原料的不同，焦油沥青可分为煤沥青、页岩沥青、木沥青和泥岩沥青。工程上常用的焦油沥青是煤沥青。v 沥青材料是这类材料的总称，它具有良好的憎水性，粘接性和塑性，可以防水，防潮，因而广泛应用与道路和水利工程。通常所讲的沥青是石油沥青，其它沥青都要在沥青俩字前加上名称以示区别。在道路建筑中最常用的是石油沥青和煤沥青两类,其次是天然沥青。第一节 石油沥青v一、石油沥青的分类和产生v（一）石油沥青生产工艺概述v（二）石油沥青的分类v二、石油沥青的组成和结构v（一）元素组成v（二）石油沥青的化学组分v（三）石油沥青的结构v在常压塔底收集的常压重油，能否直接加工成沥青，主要决定于原油的稠度。我国大多数油井开采的原油，稠度均较低，所得常压重油通常需要进入减压塔作减压蒸馏后，再进入氧化塔或深拔装置或溶剂脱沥青装置，经过进一步加工才能得到沥青。但也有少数油井开采的原油稠度较大，其常压重油稠度也较大，直接进行减压蒸或深拔后即可得到直馏沥青。v常用石油沥青主要是由氧化装置、溶剂脱沥青装置或深拔装置所产生的粘稠沥青。为了改善粘稠沥青的使用性能，还可采取各种方式将其加工成液体沥青，调和沥青，乳化沥青，混合沥青和其他改性沥青等。v1按原油的成分分类v 石蜡基沥青；环烷基沥青；中间基沥青；v2按加工方法分类v 直馏沥青；氧化沥青；溶剂沥青；裂化沥青 v3按沥青在常温下的稠度分类v4.按用途分类v 道路石油沥青；建筑石油沥青；普通石油沥青 v石油沥青是由多种碳氢化合物及其非金属（氧，硫，氮）的衍生物组成的混合物，它的分子表达通式为CnH2n+aObScNd。化学组成主要是碳（80%87%）、氢（10%15%），其次是非烃元素，如氧、硫、氮等（3%）。此外，还含有一些微量的金属元素，如镍、钒、铁、锰、镁、钠等，但含量都极少，约为几个至几十个ppm(百万分之一)。v1三组分分析法v石油沥青的三组分分析法是将石油沥青分离为油分、树脂、沥青质三个组分。v2四组分分析法v 沥青质；饱和分；环烷芳香烃；极性芳香分 v3.沥青的含蜡量v由于沥青中蜡的存在，在高温时使沥青容易发软，导致沥青的高温稳定性降低，出现车辙。同样低温时会使沥青变得脆硬，导致路面低温抗裂性降低，出现裂缝。v1胶体理论v2.胶体的结构类型v根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同，可以形成不同的胶体结构。沥青的胶体结构，可分为下列三个类型：v 溶胶型结构 v 溶-凝胶型结构 v凝胶型结构 v3.胶体结构类型的判定v三、石油沥青的技术性质v（一）粘滞性（粘性）v粘滞性是指沥青在外力作用下抵抗变形的能力。是反映沥青内部材料阻碍其相对流动的特性。v1沥青的绝对粘度（亦称动力粘度）F=A （6-1）v式中：F移动顶层平面的力 (N)（即等于沥青薄膜内部胶团抵抗变形的能力）A沥青薄膜层的面积 (cm2)V顶层位移的速度 （m/s）D沥青膜的厚度 （cm）反映沥青粘滞性的系数，及绝对粘度 （Pas）v当令，=F/A =v/d时，可将式6-1改写为：（6-2）v式中：剪应变（N/cm2）(沥青薄膜层单位面积上所受的剪切力)v剪变率（s-1）(位移速度在d方向的变化率)v2.沥青的相对粘度v 沥青的相对粘度也称为条件粘度，是反映沥青材料在温度条件下表现出的性质。=v 针入度(如图1所示)v是测定粘稠石油沥青粘结性的常用技术指标，采用针入度仪测定。沥青的针入度是在规定的温度和时间内，附加一定质量的标准针垂直灌入试样的深度，以表示。试验条件以PT，m，t表示其中P为针入度，T为试验温度，m为荷载重，t为贯入时间。针入度值越小，表示粘度越大。v我国现行使用的粘稠沥青技术标准中，针入度是划分沥青技术等级的主要指标。针入度值越大，表明沥青愈软（稠度愈小）。v 粘度v粘度又称粘滞度，是测定液体沥青粘结性的常用技术指标。v粘度是指沥青试样在规定温度下，通过规定孔径，流出50mL试样所需的时间，以s为单位。我国目前采用道路标准粘度计测定.v（二）塑性v塑性是指沥青在外力作用下发生变形而不被破坏的能力。影响塑性大小的因素与沥青的组分及温度有关。沥青中树脂含量多，油分及沥青质含量适当，则塑性较大。当温度升高，塑性增大，沥青膜层愈厚则塑性愈高。反之，塑性愈差。在常温下，塑性好的沥青不易产生裂缝，并减少摩擦时的躁声。同时它对于沥青在温度降低时抵抗开裂的性能有着重要影响。沥青的塑性用延度表示，用延度仪测定。v（三）温度稳定性（感温性）v是指沥青的粘滞性和塑性随温度升降不产生较大变化的性能。当温度升高时，沥青 由固态或半固态逐渐软化成粘流状态，当温度降低时由粘流状态转变为半固态或固态，甚至变脆。温度稳定性高的沥青，使用时不易因夏季高温而软化，也不易因冬季低温而脆。在工程上使用的沥青，要求具有良好的温度稳定性。v高温敏感性用软化点表示。软化点是沥青材料由 固体状态变为为具有一定流动态时的温度间隔的87.21%为软化点。沥青软化点用环球法软化点测定仪测定。v针入度是在规定温度下沥青的条件粘度，而软化点则是沥青达到规定条件粘度时的温度。软化点既是反映沥青材料感温性的一个指标，也是沥青粘度的一种量度。v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，所以通称“三大指标”。v 低温抗裂性用脆点表示。v脆点是指沥青材料由粘稠状态转变为固体状态达到条件脆裂时的温度。一般采用弗拉斯脆点仪 测定。v(四)加热稳定性v沥青在加热或长时间的加热过程中，会发生轻馏分挥发、氧化、裂化、聚合等一系列物理及化学变化，使沥青的化学组成及性质相应的发生变化。这种性质称为沥青热稳定性。v1沥青的蒸发损失试验v2沥青薄膜加热试验v3液体石油沥青蒸馏试验（如图所示）v（五）安全性v 闪点（闪火点）（如图所示）v 燃点（着火点）v（六）溶解度v（七）含水量（如图所示）v（八）针入度指数 v（九）劲度v（十）粘附性：对沥青与石料粘附性的试验方法，我国规范公路工程沥青及沥青混合试验规程规定：采用水煮法和水浸法，如图所示。v4老化v沥青在自然因素（热，氧化，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，通常称之为“老化”。v四、我国道路石油沥青的技术要求v（一）道路石油沥青的技术要求vA级沥青：适用各个等级的公路，适用于任何场合和层次；B级沥青：1、高速公路、一级公路沥青下面层及以下的层次，二级及二级以下公路的各个层次；2、用做改性沥青、乳化沥青、改性乳化沥青、稀释沥青的基质沥青；C级沥青：三级及三级以下公路的各个层次。v（二）道路液体石油沥青的技术标准v按液体沥青凝固速度而分为快凝、中凝、慢凝三个等级，快凝液体石油沥青又划分为三个标号。第二节 其它品种沥青v一、煤沥青v（一）煤沥青的化学组成和结构特点v1煤沥青的化学组成v 游离碳；树脂；油分；v2.煤沥青的结构v（二）煤沥青的技术性质与技术标准v1煤沥青的技术性质v 粘度 表示煤沥青的稠度。v 蒸馏试验的馏分含量及残渣性质 v 煤沥青焦油酸含量 v 含萘量 v 甲苯不溶物 v 含水分 v2煤沥青的技术标准v根据煤沥青在工程中应用要求的不同，按照稠度可划分为软煤沥青（液体、半固体的）和硬煤沥青（固体的）两大类。v3煤沥青在技术性质上与石油沥青的差异：v 煤沥青的温度稳定性差。v 煤沥青的大气稳定性差。v 煤沥青塑性较差。v 煤沥青与矿质材料表面粘附性能好。v 煤沥青防腐性能好。v 煤沥青含有对人体有害成分较多，臭味较重。v（三）煤沥青与石油沥青的鉴别v二、乳 化 沥 青v（一）概 述v乳化沥青是将粘稠沥青加热至流动状态，再经高速离心、搅拌及剪切等机械作用，沥青形成细小的微粒（25m左右），使沥青以微粒状态均匀有乳化剂和稳定稳定剂的水溶液之中，形成水包油（O/W）型乳浊液。v乳化沥青优点如下：v 可冷态施工，节余能源。粘稠沥青通常要加热至160180施工，而乳化沥青可以在常温下进行喷洒、贯入或拌和摊铺，现场无需加热，简化了施工程序，操作简便，节省了能源。v 可在潮湿基层上使用，能直接与湿集料拌和，粘结力不会减低。而用其它沥青施工，必须在干燥的基层或干燥的集料拌和才能保证有足够的粘结力。v 无毒、无嗅、不燃、施工安全，保护环境，减少污染。v 节省能源、降低成本、增加结构沥青。v乳化沥青的缺点：v 稳定性差，贮存期不超过半年，贮存期过长容易引起凝聚分层，贮存温度在0以上。v 乳化沥青修筑路面成型期较长，最初应控制车辆行使速度。v（二）、乳化沥青的组成材料v乳化沥青主要由沥青、乳化剂、稳定剂和水等组成。v1沥青v2乳化剂v阴离子型乳化剂 v 阳离子型乳化剂 v 两性离子型乳化剂 v 非离子型乳化剂 v3稳定剂v为防止已经分散的沥青乳液在贮存期彼此凝聚，以及在施工喷洒或拌和的机械作用下有良好的稳定性，必要时加入适量的稳定剂。稳定剂可分为两类：v 有机稳定剂 无机稳定剂v4水v水是乳化沥青的主要组成部分。水在乳化沥青中起着润湿、溶解及化学反应的作用。所以要求乳化沥青中的水应当纯净，不含其它杂质，一般要求用每升水中氧化钙含量不得超过80mg的洁净水，否则对乳化性能将有很大的影响，并且要多消耗乳化剂。水的用量一般为30%70%。v（三）乳化沥青的形成机理v根据乳状液理论，由于沥青与水这两种物质的表面张力相差较大，将沥青分散于水中，则会因表面张力的作用使已分散的沥青颗粒重新聚集结成团块。欲使已分散的沥青能稳定均匀地存在（实际上是悬浮）于水中，必须使用乳化剂，以降低沥青与水之间的表面张力差。沥青能够均匀稳定地分散在乳化剂水溶液中的原因主要是：v 乳化剂降低界面能的作用；增强界面膜的保护作用；界面电荷稳定作用 v（四）乳化沥青技术性质与技术要求 v乳化沥青在使用中，与砂、石骨料拌和成型后，在空气中逐渐脱水，水膜变薄，使沥青微粒靠拢，将乳化剂薄膜挤裂而凝成连续的沥青粘结膜层。成膜后的乳化沥青具有一定的耐热性、粘结性、抗裂性、韧性及防水性。v（五）乳化沥青的生产v 乳化剂水溶液的调制：在水中加入需要数量的乳化剂和稳定剂。将水温调节至乳化剂和稳定剂溶解所需的温度，使其在水中充分溶解。沥青加热及贮存。沥青与水比例控制机构。乳化，常用设备为胶体磨或其它同类设备。乳化成品贮存。v（六）乳化沥青在集料表面分裂机理v分裂是指从乳液中分裂出来的沥青微滴在集料表面聚结成一层连续的沥青薄膜，这一过程称为分裂（俗称破乳）。v1蒸发作用v2乳液与集料表面的吸附作用 v 阴离子乳液（沥青微滴带负电荷）与带正电荷碱性集料（石灰石、玄武石等）具有较好的粘结性。v 阳离子乳液（沥青微滴带正电荷）与带负电荷的酸性集料（花岗岩、石英石等）具有较好的粘结性。同时与碱性集料也有较好的亲和力。v（七）乳化沥青的应用v乳化沥青用于修筑路面，不论是阳离子型乳化沥青或阴离子型乳化沥青有两种施工方法：v1）洒布法：如透层、粘层、表面处治或贯入式沥青碎石路面。v2）拌和法：如沥青碎石或沥青混合料路面。v三、再生沥青v（一）沥青材料的老化v沥青材料的老化是沥青材料在使用中受到自然因素（氧、光、热和水等）的作用，随时间而产生“不可逆”的化学组成结构和物理力学性能变化的过程。v1化学组分的变化v2物理力学性质变化v（二）沥青再生v1.沥青再生机理；2.沥青化学组分调节v四、改性沥青v（一）概述v改性沥青是指掺加橡胶，树脂，高分子聚合物，磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂（改性剂），或采用对沥青轻度氧化加工等措施，是沥青的性能得以改善。改性剂是指在沥青中加入天然的或人工的有机或无机材料，可熔融、分散在沥青中，改善或提高沥青路面性能材料。v从狭义来说，现在所指道路改性沥青一般指聚合物改性沥青。用于改性的聚合物的种类也很多，按照改性剂的不同，一般分为以下几类：v 热塑性橡胶类改性沥青 v 橡胶类改性沥青 v 热塑性树脂类改性沥青 v 掺加天然沥青的改性沥青 v 其他改性沥青v(三)我国改性沥青标准 v1各类聚合物改性沥青的质量应符合公路沥青路面施工技术规范（JTGF402004）技术要求。v2关于改性沥青的分类及适用范围v（四）改性沥青的应用和发展v目前，改性沥青可用做排水或吸音磨耗层及下面的防水层；在老路面上做应力吸收膜中间层，以减少反射裂缝，在重载交通道路的老路面上加铺薄或超薄的沥青面层，以提高耐久性；在老路面上或新建一般公路上做表面处置，以恢复路面使用性能或减少养护工作量等。vSBS改性沥青无论在高温、低温、弹性等方面都优于其他改性剂，所以我国改性沥青的发展方向应该以SBS改性沥青作为主要方向。图1 针入度法测定粘稠沥青针入度示意图图2 标准粘度计测定液体沥青示意图1-沥青试样；2-活动球塞；3-流孔；4-水图3 延度仪1-试模；2-试样；3-电机；4-水槽；5-泄水孔；6-开关；7-指针；8-标尺 v荷兰学者普费（Pfeiffer）等研究提出，应用经验的针入度和软化点试验结果，找出其间的变化规律能表征沥青的感温性和胶体结构的指标，称“针入度指数”（P.I.）。沥青在不同温度下的针入度值，若以针入度的对数为纵坐标，以温度为横坐标可得到如图所示直线关系，以式6-3表示。v lgP=AT+K 6-3v式中：A针入度温度感应性系数，由针入度和软化点确定；K截距。v跟据试验研究认为，各种沥青达到软化点（Tm）温度时，此时的针入度恒等于800（1/10mm），因此斜率A可由式6-4表示：v A=6-4v v沥青针入度指数P.I.是针入度和软化点的函数。针入度、温度感应性系数（A）与针入度指数（P.I.）的关系可按式6-5绘制成诺模图。v P.I.=6-5