1、2022/8/111道路建筑材料II HIGHWAY CONSTRUCTION MATERIALS 瀝青材料ASPHALT交通科學(xué)與工程學(xué)院 道路工程教研室 2022/8/112第二章 瀝青材料瀝青材料簡介石油瀝青的生產(chǎn)工藝石油瀝青的組成、組分和結(jié)構(gòu)瀝青的技術(shù)性質(zhì)、評價方法和評價指標(biāo)瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2022/8/113一、瀝青材料簡介瀝青材料（Bituminous material）是黑色或暗黑色固體、半固體或粘稠狀物質(zhì)；由天然形成或人工煉制而成；定義：由一些極其復(fù)雜的高分子的碳?xì)浠衔锖瓦@些碳?xì)浠衔锏姆墙饘伲ㄑ酢⒘?、氮）的衍生物所組成的混合物，呈褐色至黑色，可溶于苯或二硫化碳等溶劑，是自然界

2、中天然存在的或從原油經(jīng)蒸餾得到的殘渣。2022/8/114一、瀝青材料簡介瀝青的發(fā)展歷史公元前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; 十九世紀(jì)，用瀝青來鋪路；1835年，在巴黎首先出現(xiàn)用瀝青鋪筑的人行道路面；約20年后，巴黎出現(xiàn)碾壓瀝青鋪筑的路面。 2022/8/115一、瀝青材料簡介煤瀝青木瀝青頁巖瀝青天然（地）瀝青(特立尼達(dá)湖瀝青，巖瀝青)石油（地）瀝青瀝青 地 瀝 青Asphalt 焦油瀝青 （干餾）Tar 瀝青的種類（按獲取方式劃分）（1）湖瀝青 特立尼達(dá)湖瀝青（Triniada Lake Asphalt）是世界上最為著名的天

3、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(dá)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(dá)1200萬噸，是世界上最大的天然瀝青產(chǎn)地。特立尼達(dá)瀝青湖6（2）巖瀝青 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(dá)幾百米。天然巖瀝青是一種純天然的碳?xì)浠衔铮埸c在150 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。美國北部猶他州的Uintah盆地的UNTAITE巖瀝青是世界上最為著名的巖瀝青。技術(shù)指標(biāo)數(shù)值軟化點， 160175針入度，250比重1.041.06閃點， 25 3157我國道路瀝青生產(chǎn)量道路瀝青產(chǎn)量，萬頓82022/8/

4、119二、石油瀝青的生產(chǎn)工藝2022/8/1110按關(guān)鍵餾分特性分類：石蠟基、中間基、環(huán)烷基關(guān)鍵餾分石蠟基中間基環(huán)烷基第一關(guān)鍵餾分相對密度 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”；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2022/8/1111 第一關(guān)鍵餾分基屬第二關(guān)鍵餾分基屬石蠟基中間基環(huán)烷基石蠟基石蠟基中間石蠟基中間基石蠟中間基中間基環(huán)烷中間基環(huán)烷基中間環(huán)烷基環(huán)烷基優(yōu)質(zhì)瀝青：環(huán)烷基原油中間基原油石蠟基原油按含硫量分類 硫含量1含量：525，石蠟基原油1，中東原有生產(chǎn)的瀝青5。特

5、點：極性很強(qiáng)。對路用性能的影響： 隨著瀝青質(zhì)含量的增加，瀝青的粘結(jié)力、粘度增加，感溫性、硬度提高。針入度小、軟化點高，變形能力差。2022/8/1129膠質(zhì)分（二）化學(xué)組分膠質(zhì)分：溶于正庚烷，深棕色固體或半固體，極性密度1粘附力強(qiáng)，是瀝青質(zhì)的擴(kuò)散劑對路用性能的影響： 膠質(zhì)對瀝青質(zhì)的比例在一定程度上決定了瀝青膠體結(jié)構(gòu)方的穩(wěn)定；提高瀝青的延度，減小瀝青的針入度；瀝青質(zhì)+膠質(zhì)分比例高，粘度增加 2022/8/1130飽和分（二）化學(xué)組分飽和分：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)飽和物無色液體，無極性密度1對路用性能的影響：飽和分含量高，其針人度值較大（稠度較低），軟化

6、點較低； 2022/8/1131（二）化學(xué)組分芳香分飽和分：溶于正庚烷，由甲苯?jīng)_洗得到；由非極性碳鏈組成，對其他高分子烴類有很高的溶解能力 黃色至紅色液體，弱極性密度膠質(zhì)芳香分飽和分極性：瀝青質(zhì)膠質(zhì)芳香分飽和分瀝青四組分對瀝青性能的影響 組分分子量高溫粘度低溫變形能力化學(xué)穩(wěn)定性飽和分S500700芳香分A800900膠質(zhì)R12001300瀝青質(zhì)At10002000蠟：高溫軟化、低溫結(jié)晶析出332022/8/1134高溫：高溫時融化，使瀝青粘度降低，溫度敏感性增大低溫：低溫時易析出，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

7、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 2.2% 蠟對瀝青路用性能的影響(非晶格結(jié)構(gòu))（二）化學(xué)組分2022/8/1135（三）石油瀝青的膠體結(jié)構(gòu) 瀝青的技術(shù)性質(zhì)，不僅取決于它的化學(xué)組分和化學(xué)結(jié)構(gòu)，而且取決于它的膠體結(jié)構(gòu)。 膠體結(jié)構(gòu)的形成 膠體結(jié)構(gòu)的分類 膠體結(jié)構(gòu)類型的判定2022/8/1136（三）石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)現(xiàn)代膠體理論：瀝青材料是一種膠體分散系瀝青質(zhì)分散相，固態(tài)飽和分和芳香分分散介質(zhì)，液態(tài)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)中形成穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)。 膠體的形成膠團(tuán)2022/8/1137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“膠團(tuán)”作為分散相，逐漸

8、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)定的膠體結(jié)構(gòu)。（三）石油瀝青膠體結(jié)構(gòu)只有在各組分的化學(xué)組成和相對含量相匹配才能形成穩(wěn)定的膠體。 膠體結(jié)構(gòu)2022/8/1138 膠體結(jié)構(gòu)分類依據(jù) 瀝青中各組分的化學(xué)特性、相對含量和流變特性不同，可分下列3個類型。（三）石油瀝青的膠體結(jié)構(gòu)溶膠型溶凝膠型凝膠型2022/8/1139（1）溶膠型（Sol type）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點： 瀝青質(zhì)含量很少（30），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)構(gòu)。2022/8/1144力學(xué)特性：荷載很小或作用時間很短時，有明顯彈性效應(yīng)；應(yīng)力超過屈服值之后，表現(xiàn)為粘一彈性變形。

9、具有觸變性。路用性能：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。 深度氧化的瀝青多屬于凝膠型瀝青（三）石油瀝青的膠體結(jié)構(gòu)2022/8/1145（三）石油瀝青的膠體結(jié)構(gòu) 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)。 2022/8/1146四、瀝青的物理性質(zhì)密度: 瀝青在規(guī)定溫度 (15)條件下、單位體積的質(zhì)量。也用相對密度表示：在規(guī)定溫度下，瀝青質(zhì)量與同體積水質(zhì)量之比。 密度與化學(xué)組成密切相關(guān)，粘稠瀝青密度范圍。我國富產(chǎn)石蠟基瀝青，密度在以下。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)計時必不可少的重要參數(shù)。特點：隨溫度的升高而降低，體積膨脹。2022/8/

10、11472. 熱脹系數(shù)：溫度上升1時的長度或體積的變化，分別稱為線脹系數(shù)或體脹系數(shù)，統(tǒng)稱熱脹系數(shù)。瀝青路面開裂，與瀝青混合料的溫縮系數(shù)有關(guān)。特別是含蠟瀝青，當(dāng)溫度降低時，蠟由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，比容突然增大，瀝青的熱脹系數(shù)發(fā)生突變，易導(dǎo)致路面產(chǎn)生開裂。四、瀝青的物理性質(zhì)3. 介電常數(shù): 瀝青的介電常數(shù)與瀝青對氧、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，介電常數(shù)與瀝青路面抗滑性有很好的相關(guān)性。 2022/8/1148五、瀝青的性能指標(biāo)流變學(xué)-英國賓漢姆, 變形和流動的科學(xué) 流變學(xué)是根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變和時間來研究物質(zhì)流動和變形的構(gòu)成與發(fā)展的一般規(guī)律的科學(xué)。1. 粘滯性1.萬物皆流，如

11、玻璃；2.流體與固體無明確界限，流體瞬間具有固體彈性；固體長時間發(fā)生流動；3. 物體彈性、粘性、塑性集于一體。2022/8/1149(1) 動力粘度（絕對粘度）瀝青在外力作用下瀝青粒子產(chǎn)生相互位移，其抵抗剪切變形的能力。牛頓：流體的內(nèi)摩擦力F與流速梯度 成正比，與層流面積A成正比1. 粘滯性粘度的表達(dá)方式（viscosity）五、瀝青的技術(shù)性質(zhì)單位：Pas2022/8/1150(2) 運動粘度系數(shù)-牛頓流體考慮密度的影響，瀝青在某一溫度下動力粘度與密度之比為運動粘度單位：米2/秒(斯)(3) 表觀粘度(視粘度)-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)為粘彈性體，不同的剪變率

12、粘度不同單位：Pas1. 粘滯性粘度的表達(dá)方式（viscosity）2022/8/1151瀝青的復(fù)合流動系數(shù)C：評價瀝青流變性質(zhì)的重要指標(biāo)。表示牛頓流型瀝青，C表示非牛頓流型瀝青，C值愈小表示非牛頓性愈強(qiáng)。(3) 表觀粘度(視粘度)-非牛頓流體1. 粘滯性粘度的表達(dá)方式（viscosity）（a）牛頓流體 （b）非牛頓流體2022/8/1152(1) 動力粘度（絕對粘度）:真空減壓毛細(xì)管法 瀝青在真空裝置中保持一定溫度(60)通過規(guī)定型號毛細(xì)管粘度計流經(jīng)規(guī)定體積所需的時間（） T=kt（k為粘度計常數(shù)）(2)運動粘度（絕對粘度）：毛細(xì)管法 指瀝青試樣在規(guī)定的試驗溫度（135）下，流經(jīng)規(guī)定體積所

13、需的時間。 vT=ct（c為粘度計標(biāo)定常數(shù)）1. 粘滯性粘度的測試方法2022/8/1153(3) 相對粘度測定方法 標(biāo)準(zhǔn)粘度計法。我國現(xiàn)行試驗法測定液體石油瀝青、煤瀝青和乳化瀝青等粘度，采用道路標(biāo)準(zhǔn)粘度計法。試驗方法：液態(tài)瀝青在標(biāo)準(zhǔn)粘度計中，于規(guī)定溫度通過規(guī)定流孔直徑流出50ml體積所需時間。溫度和孔徑根據(jù)粘度選擇，常用的有3,4,5和10mm等4種。相同溫度和流孔條件下，流出時間愈長，粘度愈大。1. 粘滯性粘度的測試方法2022/8/1154 標(biāo)準(zhǔn)粘度計法1. 粘滯性粘度的測試方法2022/8/1155100 gInitialPenetration in 0.1 mmAfter 5 sec

14、onds 該法是瀝青材料在規(guī)定溫度條件下，以規(guī)定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)針經(jīng)過規(guī)定時間貫入，瀝青試樣的深度（以為單位計）針入度試驗:等溫粘度1. 粘滯性粘度的測試方法2022/8/1156常用的試驗條件為P25，100g，5S。為確定針入度指數(shù)（PI）時，針入度試驗常用條件為5、15、25和35等，但標(biāo)準(zhǔn)針質(zhì)量和貫入時間是均為100g和5s。 針入度試驗AH-90: 重交通90號瀝青，25 針入度為 80-100(0.1mm)之間AH-70: 重交通70號瀝青，25 針入度為 60-80(0.1mm)之間1. 粘滯性粘度的測試方法2022/8/1157瀝青材料是一種非晶質(zhì)高分子材料，它由液態(tài)凝結(jié)為固態(tài)，或由

15、固態(tài)熔化為液態(tài)時，沒有敏銳的固化點或液化點，通常采用條件的硬化點和滴落點來表示。即達(dá)到一定粘度時的溫度 軟化點試驗：等粘溫度1. 粘滯性粘度的測試方法硬化點滴落點2022/8/115825.4mm3.5g 軟化點試驗(Softening point)環(huán)與球法軟化點（TR&B）。瀝青試樣注于內(nèi)徑為的銅環(huán)中，環(huán)上置的鋼球，在規(guī)定加熱速度（5/min）下加熱，試樣逐漸軟化直至在鋼球荷重作用下，使瀝青產(chǎn)生撓度時的溫度，稱為軟化點。1. 粘滯性粘度的測試方法TR&B=？ C2022/8/1159 軟化點試驗1. 粘滯性粘度的測試方法2022/8/1160 軟化點試驗1. 粘滯性粘度的測試方法普通重交通基

16、質(zhì)瀝青的軟化點為45左右。 A瀝青軟化點為43， B瀝青軟化點為48 ，說明兩者之間的路用性能。2022/8/1161延度（Ductivity）：受外力的拉伸作用所能承受的塑性變形的能力條件延性指標(biāo) 將瀝青試樣制成8字形標(biāo)準(zhǔn)試件（最小斷面1cm2），在規(guī)定拉伸速度和溫度下拉斷時的長度（以cm計）稱為延度。溫度T=25，拉伸速度v=5cm/min2. 瀝青的低溫性能DT，V=（？）cm2022/8/1162延度試驗2. 瀝青的低溫性能D15，5mm/min100cm2022/8/11632. 瀝青的低溫性能 針入度，軟化點和延度是評價粘稠石油瀝青路用性能最常用的經(jīng)驗性指標(biāo)，通稱為“三大指標(biāo)”。針

17、入度是在規(guī)定溫度下測定瀝青的條件粘度 瀝青的稠度（軟硬）軟化點是瀝青達(dá)到條件粘度時的溫度. 瀝青高溫穩(wěn)定性延度是瀝青低溫條件下的變形能力 瀝青低溫性能2022/8/1164 脆點：低溫條件下瀝青達(dá)到臨界硬度發(fā)生開裂的溫度條件脆性指標(biāo)：弗拉斯脆點 將試樣在標(biāo)準(zhǔn)金屬薄片上攤成薄層，置于有冷卻設(shè)備的脆點儀內(nèi)，搖動脆點儀曲柄使金屬片產(chǎn)生彎曲。隨制冷劑溫度以1/min的速度降低，瀝青薄膜的溫度逐漸降低至某一溫度時，在規(guī)定彎曲條件下產(chǎn)生斷裂時的溫度。指標(biāo)特性：實質(zhì)上反映瀝青由粘彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)閺棿囿w即玻璃態(tài)的溫度，即達(dá)到臨界硬度時發(fā)生脆裂的溫度，也意味著瀝青達(dá)到等勁度時的溫度，瀝青出現(xiàn)脆裂時的勁度約為2.11

18、09Pa。2. 瀝青的低溫性能2022/8/1165感溫性：采用“粘度”隨“溫度”而變化的行為（粘-溫關(guān)系）來表達(dá)，是評價瀝青技術(shù)性質(zhì)的重要指標(biāo)，與施工和使用性能有密切關(guān)系。3. 瀝青的感溫性ABCCBA粘度溫度25必要性2022/8/1166評價指標(biāo)：針入度指數(shù)（PI-Penetration index），瀝青針入度值的對數(shù)（lgP）與溫度（T）具有線性關(guān)系:A表征瀝青針入度（lgP）隨溫度（T）的變化率，故稱為針入度-溫度感應(yīng)性系數(shù)（簡稱PTS）。 3. 瀝青的感溫性2022/8/1167 基本公式 假設(shè)軟化點時的針入度值為800（1/10mm）A為針入度溫度感應(yīng)性系數(shù)3. 瀝青的感溫性2

19、022/8/1168 實用公式 按上式計算得的A值均為小數(shù)，為使用方便起見，普費等作了一些處理，改用針入度指數(shù)（PI）表示： 3. 瀝青的感溫性2022/8/1169 針入度指數(shù)的意義（1）道路石油瀝青對針入度指數(shù)的要求一般認(rèn)為PI值為-1+1的溶凝膠型瀝青適宜修建瀝青路面，隨著對瀝青路面熱穩(wěn)定的要求提高，對PI值的要求趨于。（2）針入度指數(shù)值獲得途徑：公式計算或通過諾模圖查。（3）用途：評價瀝青的感溫性、評價瀝青的膠體結(jié)構(gòu)類型 針入度指數(shù)越大，表示瀝青的感溫性越低。3. 瀝青的感溫性2022/8/1170 按PI可將瀝青劃分為三種膠體結(jié)構(gòu)類型：PI+2為凝膠型瀝青；PI =-2+2為溶凝膠型

20、瀝青； 當(dāng)PI+2時有明顯的凝膠特征，耐久性差;一般認(rèn)為選用-1+1的溶凝膠型瀝青適宜修筑瀝青路面。3. 瀝青的感溫性2022/8/1171當(dāng)量軟化點T800與當(dāng)量脆點T 當(dāng)量軟化點T800和當(dāng)量脆點T分別定義為與瀝青針入度800和對應(yīng)的溫度，它們可以代替軟化點和脆點反映瀝青高溫性能和低溫性能。 3. 瀝青的感溫性2022/8/1172習(xí)題1. 請說出下列符號的含義 (1)P (2)PI (3)AH-90 (4)A (5) (6) P25，100g，5S (7) (8) SARA法2. 什么是瀝青的三大指標(biāo)3. 一種瀝青W,其25度針入度為85，軟化點為45，請計算其針入度溫度感應(yīng)系數(shù)A及PI

21、值，并說出其膠體結(jié)構(gòu)2022/8/1173 瀝青與集料的粘附性：根據(jù)瀝青混合料的最大粒徑?jīng)Q定采用水煮法；采用水浸法。 水煮法：選取粒徑為19mm形狀接近正立方體的規(guī)則集料5個，經(jīng)瀝青裹覆后在蒸餾水中沸煮3min，按瀝青膜剝落面積百分率分為5個等級評價粘附性。 水浸法：選取的集料100g與的瀝青在規(guī)定溫度條件下拌和，配制成瀝青集料混合料，冷卻后浸入80的蒸餾水中保持30min，按剝落面積百分率評定粘附性。共分5個等級，最好為5級，最差為1級。 4. 瀝青的粘附性2022/8/1174（1）熱致老化評價：由于路面施工加熱導(dǎo)致瀝青性能變化的評價，我國現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： 中輕交通量道路用石油瀝青：“蒸

22、發(fā)損失試驗”； 重交通量道路用石油瀝青：“薄膜加熱試驗”； 液體瀝青：進(jìn)行蒸餾試驗。 瀝青蒸發(fā)損失試驗：將瀝青試樣50g盛于直徑55mm、深35mm的器皿中。在1631的烘箱中加熱5h，測定質(zhì)量損失以及殘留物P占原試樣P的百分率。缺點：瀝青與空氣接觸面積太小，試樣太厚，效果較差。5. 瀝青的耐久性2022/8/1175 瀝青薄膜加熱試驗(TFOT: the test of thin-film-oven )：將50g試樣盛于內(nèi)徑、深鋁皿中，使瀝青成厚約3mm薄膜，在1631的標(biāo)準(zhǔn)烘箱中加熱5h。以加熱前后的質(zhì)量損失、針入度比和25及15的延度值作為評價指標(biāo)。薄膜烘箱老化后的性質(zhì)相當(dāng)于150 拌和

23、1后的性質(zhì).薄膜烘箱試驗TFOT5. 瀝青的耐久性2022/8/1176旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗RTFOT：rolling thin-film-oven test 瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗：旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱：共有8個玻璃盛樣瓶（高，外徑64mm，壁厚），每個瓶中注入瀝青35g。烘箱溫度1630.5，在垂直方向旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速15r/min），瀝青薄膜（5-10m），連續(xù)吹入熱空氣，時間縮短為75min。5. 瀝青的耐久性2022/8/1177評價方法5. 瀝青的耐久性P1老化試驗前針入度（）P2老化試驗后針入度（）m1老化試驗前質(zhì)量（m）m2老化試驗后質(zhì)量（m）25、15延度2022/8/11786. 瀝青的安全性

24、閃、燃點實驗方法克利夫蘭法 試樣盛于標(biāo)準(zhǔn)杯中，按規(guī)定加熱速度加熱到某一溫度時，點火器掃拂過瀝青試樣任何一部分表面，出現(xiàn)一瞬即滅的藍(lán)色火焰狀閃光時的溫度為閃點。按規(guī)定速度繼續(xù)加熱，至點火器掃拂過瀝青試樣表面發(fā)生燃燒火焰，并持續(xù)5s以上，此時的溫度即為燃點。2022/8/11797. 瀝青的勁度模量勁度模量的定義瀝青粘彈特性溫度時間溫度高、荷載作用時間長粘性明顯溫度低、荷載作用時間短彈性明顯勁度模量（Stiffness Modulus）：表征瀝青在某一溫度和某一荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系。范. 德. 波爾提出。2022/8/1180指標(biāo)單位等級瀝青標(biāo)號130號110號90號70號針入度(25,5s,100g)dmm120140100120801006080適用的氣候分區(qū)2-12-23-21-11-21-32-22-31-31-42-22-32-4針入度指數(shù)PI A-1.51.0B-1.81.0軟化點(R&B) 不小于A4