沥青与沥青混合料精选文档.ppt
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1、沥青与沥青混合料本讲稿第一页,共一百二十一页第一节 石油沥青 n一、石油沥青的生产工艺概述n(一)石油的基属分类n石油是炼制石油沥青的原料,石油沥青的性质首先与石油的基属有关。n我国目前的原油分类是按照“关键馏分特性”和“含硫量”进行分类的 本讲稿第二页,共一百二十一页n1关键馏分特性分类n石油在半精馏装置中,于常压下蒸得250275的馏分称为“第一关键馏分”;于 5.33kPa的压力下减压蒸馏,取得275300的馏分称为“第二关键馏分”。两个关键馏分的相对密度,决定两个关键馏分的基属,如石蜡基、中间基或环烷基。n2含硫量的分类n含硫量0.5者为低硫原油;含硫量高于0.5者为含硫原油。本讲稿第
2、三页,共一百二十一页(二)石油沥青生产工艺n从石油炼制各种石油沥青的生产工艺可按图4-1流程简要说明。本讲稿第四页,共一百二十一页本讲稿第五页,共一百二十一页二、石油沥青的组成和结构n(一)元素组成n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。所以它的组成主要是碳(8087)、氢(1015),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、钙、镁、钠等,但含量都很少,约为几个至几十个ppm(百万分之一)。本讲稿第六页,共一百二十一页(二)化学组分n将沥青分离为化学性质相近,而且与其路用性质有一定联系的几个组,这些组就称为“组分
3、”。本讲稿第七页,共一百二十一页n1 1三组分分析法三组分分析法n三组分分析法是将沥青分离为:油分、树脂和沥青质3个组分。在油分中往往含有蜡,在分析时还应将油蜡分离。n该方法分析流程是用正庚烷沉淀沥青质,继将溶于正庚烷中的可溶分用硅胶吸附,装于抽提仪中抽提油脂,再用苯-乙醇抽出树脂。最后将抽出的油蜡用丁酮-苯为脱蜡溶剂。在-20的条件下,冷冻过滤分离油、蜡。本讲稿第八页,共一百二十一页n2 2四组分分析法四组分分析法n饱和分、环烷-芳香分、极性-芳香分和沥青质等的色层分析方法。也有将上述4个组分称为:饱和分、芳香分、胶质和沥青质。将沥青试样先用正庚烷沉淀“沥青质(At)”,再将可溶分(即软沥青
4、质)吸附于氧化铝谱柱上,先用正庚烷冲洗,所得的组分称为“饱和分(S)”;继用甲苯冲洗,所得的组分称为“芳香分(Ar)”;最后用甲苯-乙醇、甲苯、乙醇冲洗,所得组分称为“胶质(R)”。对于含蜡沥青,可将所分离得的饱和分与芳香分,以丁酮-苯为脱蜡溶剂,在-20下冷冻分离固态烷烃,确定含蜡量。本讲稿第九页,共一百二十一页n3.3.沥青的含蜡量沥青的含蜡量n蜡的存在,在高温时会使沥青容易发软,导致沥青路面高温稳定性降低,出现车辙。在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;此外,蜡会使沥青与石料的粘附性降低,在有水的条件下,会使路面石子产生剥落现象,造成路面破坏;使沥青路面的抗滑性降低
5、,影响路面的行车安全。本讲稿第十页,共一百二十一页(四)胶体结构n沥青的技术性质,不仅取决于它的化学组分及其化学结构,而且取决于它的胶体结构。n 1 1胶体结构的形成胶体结构的形成n沥青的胶体结构,是以固态超细微粒的沥青质为分散相。通常是若干个沥青质麋集在一起,它们吸附了极性半固态的胶质,而形成“胶团”。由于胶溶剂胶质的胶溶作用,而使胶团胶溶、分散于液态的芳香分和饱和分组成的分散介质中,形成稳定的胶体。本讲稿第十一页,共一百二十一页n2 2胶体结构分类胶体结构分类n可分下列3个类型。n(1)溶胶型结构 当沥青中沥青质分子量较低,并且含量很少(例如在10以下),同时有一定数量的芳香度较高的胶质,
6、称为溶胶型沥青(如图4-3a)。本讲稿第十二页,共一百二十一页n图43 沥青的胶体结构示意图na)溶胶型结构;b)溶-凝胶型结构;c)凝胶型结构本讲稿第十三页,共一百二十一页n这类沥青的特点是,当对其施加荷载时,几乎没有弹性效应,剪应力()与剪变率成直线关系,呈牛顿流型流动,这类沥青也称为“牛牛顿顿流流沥沥青青”。这类沥青在路用性能上,具有较好的自愈性和低温时变形能力,但温度感应性较差。本讲稿第十四页,共一百二十一页n(2)溶-凝胶型结构 沥青中沥青质含量适当,并有较多数量芳香度较高的胶质。特点是,在变形时,最初阶段,表现出一定程度的弹性效应,但变形增加至一定数值后,则又表现出一定程度的粘性流
7、动,是一种具有粘-弹特性的伪塑性体。这类沥青,在高温时具有较低的感温性;低温时又具有较好的形变能力。本讲稿第十五页,共一百二十一页n(3)凝胶型结构 沥青中沥青质含量很高,并有相当数量芳香度高的胶质来形成胶团。这类沥青的特点是,当施加荷载很小时,或在荷载时间很短时,具有明显的弹性变形。当应力超过屈服值(0)之后,则表现为粘-弹性变形。这类沥青称为弹性沥青。这类沥青在路用性能上,虽具有较好的温度感应性,但低温变形能力较差。本讲稿第十六页,共一百二十一页n3 3胶体结构类型的判定胶体结构类型的判定n沥青的胶体结构与其路用性能有密切的关系。n当PI+2时为凝胶型,PI=-2+时为溶凝胶型结构。本讲稿
8、第十七页,共一百二十一页三、石油沥青的技术性质n(一一)物理特征常数物理特征常数n我国规定温度为15。也可用相对密度表示.。n沥青的密度与其化学组成有密切的关系,通过沥青的密度测定,可以概略地了解沥青的化学组成。通常粘稠沥青的密度波动在0.961.04 g/cm3范围。我国富产石蜡基沥青,其特征为含硫量低、含蜡量高、沥青质含量少,所以密度常在1.00 g/cm3以下。本讲稿第十八页,共一百二十一页(二)粘滞性n沥青的粘滞性(简称粘性)通常用粘度表示,所以粘度是现代沥青等级(标号)划分的主要依据。本讲稿第十九页,共一百二十一页n沥青粘度的测定方法沥青粘度的测定方法n1)绝对粘度测定方法n沥青绝对
9、粘度的测定方法,沥青运动粘度采用毛细管法;沥青动力粘度采用真空减压毛细管法。本讲稿第二十页,共一百二十一页n2)条件粘度测定方法n(1)标准粘度计法 测定液体石油沥青、煤沥青和乳化沥青等的粘度。在标准粘度计中,于规定的温度,通过规定的流孔直径,流出50mL体积,所需的时间(s)。试验条件以CT,d表示。其中C为粘度,T为试验温度,d为流孔直径。常用的流孔有3mm、4mm、5mm和10mm等4种。本讲稿第二十一页,共一百二十一页本讲稿第二十二页,共一百二十一页n(2)针入度法 (Penetration)测定粘稠沥青粘度。在规定温度条件下,以规定质量的标准针经过规定时间贯入沥青试样的深度(以110
10、mm为单位计)。常用的试验条件为P25,100g,5s。此外,为确定针入度指数(PI)时,针入度试验常用条件15、25和30等,但标准针质量和贯入时间均为lOOg和5s。本讲稿第二十三页,共一百二十一页本讲稿第二十四页,共一百二十一页n(3)软化点 采用环与球法软化点。将沥青试样注于内径为19.8mm的铜环中,环上置一重3.5g的钢球,在规定的加热速度(5/min)下进行加热,沥青试样逐渐软化,直至在钢球荷重作用下,使沥青产生25.4mm挠度时的温度,称为软化点。起始温度为5,当软化点高于80时,起始温度为32,用甘油作为介质。n根据已有研究认为:沥青在软化点时的粘度约为1200Pas,或相当
11、于针入度值800(110mm)。据此,可以认为软化点是一种人为的“等粘温度”。本讲稿第二十五页,共一百二十一页本讲稿第二十六页,共一百二十一页(三)延性n用延度作为条件延性指标来表征。将沥青试样制成8字形标准试件(最小断面1cm2),在规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度(以cm计)称为延度。温度T=15(或10,改性沥青为5),拉伸速度v=50.25cmmin条件下的延度。本讲稿第二十七页,共一百二十一页本讲稿第二十八页,共一百二十一页本讲稿第二十九页,共一百二十一页(四)流变特性n流变学是根据应力、应变和时间来研究物质流动和变形的构成与发展的一般规律的科学。n1感温性n沥青材料的温度感应性
12、(简称感温性)是采用“粘度”随“温度”而变化的行为(粘-温关系)来表达。目前最常用的有下述两种方法。本讲稿第三十页,共一百二十一页n1)针入度指数法n针入度指数(Penetrationlndex简称PI):沥青针入度值的对数(1gP)与温度(T)具有线性关系,即nlgP=AT+K n式中A为直线斜率,K为截距(常数)。称A为针入度-温度感应性系数。本讲稿第三十一页,共一百二十一页n(1)基本公式 假定软化点时的针入度值为800(1/10mm),建立针入度-温度感应性系数A的基本公式,本讲稿第三十二页,共一百二十一页n(2)实用公式 对不同温度条件下测试的针入度值取对数,令y=lgP,x=T,直
13、线回归。nLgP=K+AlgPenT n式中:T不同试验温度,相应温度下的针入度为P;nK回归方程的常数项a;nAlgPen为回归方程系数b。本讲稿第三十三页,共一百二十一页n按式确定沥青的针入度指数PI,并记为PIlgPen。本讲稿第三十四页,共一百二十一页n2)当量软化点T800 当量软化点是相当于沥青针入度为800时的温度,用以评价沥青的高温稳定性.本讲稿第三十五页,共一百二十一页(五)粘附性n沥青与集料的粘附性直接影响沥青路面的使用质量和耐久性,所以粘附性是评价沥青技术性能的一个重要指标。本讲稿第三十六页,共一百二十一页n 评价粘附的方法有水水煮煮法法和和水水浸浸法法 最大粒径大于13
14、.2mm者采用水煮法;小于(或等于)13.2mm者采用水浸法。水煮法是选取粒径为13.219mm形状接近正立方体的规则集料5个,经沥青裹覆后,在蒸馏水中沸煮3min,按沥青膜剥落的情况分为5个等级来评价沥青与集料的粘附性。水浸法是选取9.513.2mm的集料lOOg与5.5g的沥青在规定温度条件下拌和。配制成沥青-集料混合料,冷却后浸入80的蒸馏水中保持30min,然后按剥落面积百分率来评定沥青与集料的粘附性。本讲稿第三十七页,共一百二十一页(六)耐久性n1影响因素n影响沥青耐久性的因素,主要有:大气(氧)、日照(光)、温度(热)、雨雪(水)、环境(氧化剂)以及交通(应力)等因素。本讲稿第三十
15、八页,共一百二十一页2评价方法n1)1)热致老化热致老化n由于路面施工加热导致沥青性能变化的评价,:对粘稠石油沥青,应进行“薄膜加热试验。对液体沥青,则应进行蒸馏试验。n(1)沥青薄膜加热试验 又称“薄膜烘箱试验”(Thinfilmoventest简称TFOT)。将50g沥青试样,盛于内径139.7mm、深为9.5mm的铝皿中,使沥青成为厚约3mm的薄膜。在1631的烘箱中加热5h。以加热前后的质量损失、针入度比和15及10的延度值作为评价指标。本讲稿第三十九页,共一百二十一页n沥青在薄膜加热试验后的性质,相 当 于 在150拌和机中拌和1.01.5min后的性质。后来又发展了“旋转薄膜 烘
16、箱 试 验”(RTFOT),试验 时 间 缩 短 为75min。本讲稿第四十页,共一百二十一页n(2)蒸馏 对于液体沥青则用蒸馏试验来代替蒸发损失试验。液体沥青中轻质馏分挥发后,沥青粘度将明显提高,从而使路面粘聚力得到提高。蒸馏试验是确定液体沥青含有此种轻质挥发性油的数量,以及挥发后沥青的性质。本讲稿第四十一页,共一百二十一页n2)2)耐候性耐候性n评价沥青在气候因素(光、氧、热和水)的综合作用下,路用性能衰降的程度,可以采用“自然老化”和“人工加速老化”试验。通常只有在科研时才进行耐候性试验。本讲稿第四十二页,共一百二十一页n(七)安全性n将沥青试样盛于标准杯中。当加热到某一温度时,点火器扫
17、拂过沥青试样任何一部分表面,出现一瞬即灭的蓝色火焰状闪光时,此时温度即为闪闪火火点点。继续加热,至达点火器扫拂过沥青试样表面发生燃烧火焰,并持续5s以上,此时的温度即为燃燃烧烧点。点。本讲稿第四十三页,共一百二十一页四、石油沥青的技术标准n(一)粘稠石油沥青的技术标准n各个沥青等级的适用范围应符合表4-3的规定,道路石油沥青质量应符合表4-4规定的技术要求。沥青标号分为30,50,70,90,110,130,160等7个标号。本讲稿第四十四页,共一百二十一页沥青等级适用范围A级沥青各个等级的公路,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,二级及以下公路的的各层次
18、。2。用做改性沥青、乳化沥青、稀释沥青的基质沥青C级沥青三级以下公路的各层本讲稿第四十五页,共一百二十一页(二)液体石油沥青的技术标准n按凝结速度分为快凝AL(R)、中凝AL(M)和慢凝AL(S)3个等级,快凝液体沥青按粘度分为AL(R)-1和AL(R)-2两个标号,中凝和慢凝液体沥青按粘度分为AL(M)-1AL(M)-6和AL(S)-1AL(S)-6等6个标号。除粘度的要求外,对不同温度的蒸馏馏分含量及残留物的性质,闪点和含水量等亦提出相应的要求。本讲稿第四十六页,共一百二十一页第二节 其他沥青一、煤沥青一、煤沥青n煤沥青是由煤干馏的产品煤焦油再加工而获得的。路用煤沥青主要是由炼焦或制造煤气
19、得到的高温焦油加工而得。以高温焦油为原料可获得数量较多且质量较佳的煤沥青。而低温焦油则相反,获得的煤沥青数量较少,且往往质量亦不稳定。本讲稿第四十七页,共一百二十一页n(一一)化学组成和结构化学组成和结构n煤沥青的组成主要是芳香族碳氢化合物及其氧、硫和碳的衍生物的混合物。其元素组成主要为C、H、O、S和N。煤沥青元素组成的特点是“碳氢比”较石油沥青大得多,它的化学结构主要是由高度缩聚的芳核及其含氧、氮和硫的衍生物,在环结构上带有侧链,但侧链很短。本讲稿第四十八页,共一百二十一页(二)技术性质与技术标准n1技术性质n煤沥青与石油沥青相比,在技术性质上有下列差异:n(1)温度稳定性较低 n(2)与
20、矿质集料的粘附性较好 n(3)气候稳定性较差 本讲稿第四十九页,共一百二十一页n2。技术标准n煤沥青按照粘度分为:T-1,T-2T-9等9个标号。本讲稿第五十页,共一百二十一页二、乳化沥青n乳化沥青主要是由沥青、乳化剂、稳定剂和水等组分所组成经机械高速搅拌而成。n乳化沥青具有许多优越性,其主要优点为:n1冷态施工、节约能源。n2利便施工、节约沥青。n3保护环境、保障健康本讲稿第五十一页,共一百二十一页n沥青乳化剂按其亲水基在水中是否电离而分为离离子子型型和非非离离子子型型两大类。离子型乳化剂按其离子电性,又衍生为阴阴(或或负负)离离子子型型、阳阳(或或正正)离离子子型型和两两性性离离子子型型等
21、三类。阴离子型沥青乳化剂是在溶于水中时,能电离为离子或离子胶束,且与亲油基相连的亲水基团带有阴(负)电荷的乳化剂;带阳(正)电荷的乳化剂为阳离子型乳化剂;既带有阴电荷又带有阳电荷的乳化剂为两性离子型乳化剂。本讲稿第五十二页,共一百二十一页第三节 沥青混合料n按照现代沥青路面的建筑工艺,沥青与不同组成的矿质集料可以修建成不同结构的沥青路面。本讲稿第五十三页,共一百二十一页n按施工方法:层铺法和拌和法。n层铺法:沥青表面处治;沥青贯入式。n拌和法:冷拌沥青混合料;热拌沥青混合料。本讲稿第五十四页,共一百二十一页 密级配 开级配半开级配 连续级配间断级配 间断级配沥青碎石AM沥青混凝土AC沥青稳定碎
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