瀝青材料

1

7.1概述

1.定義

瀝青材料——是由一些極其復雜的高分子的碳氫化合物和這些碳氫化合物的非金屬（氧、硫、氮）的衍生物所組成的混合物。在常溫下，瀝青呈黑色或黑褐色的固態(tài)、半固態(tài)或液態(tài)。22.分類:瀝青地瀝青

焦油瀝青天然瀝青：石油在自然條件下，長時間經(jīng)受地球物理因素作用形成的產(chǎn)物

石油瀝青：石油經(jīng)各種煉制工藝加工而得的瀝青產(chǎn)品煤瀝青：煤經(jīng)干餾所得的煤焦油，經(jīng)再加工后得到煤瀝青頁巖瀝青：頁巖煉油工業(yè)的副產(chǎn)品3.應用:

廣泛用作路面、屋面、防水、耐腐蝕等工程材料。土木工程建筑主要應用石油瀝青。

37.2石油瀝青

7.2.1石油瀝青的生產(chǎn)工藝概述47.2.2石油瀝青的組成和結(jié)構

1.化學組分化學組分分析方法:將瀝青分離為化學性質(zhì)相近，而且與其工程性質(zhì)有一定聯(lián)系的幾個組，這些組就稱為組分。我國現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ052-2000）規(guī)定有三組分和四組分兩種分析法。（1）三組分分析法按三組分分析法所得各組分的性狀列如下表。

5石油瀝青三組分分析法的各組分性狀

性狀

組分外觀特征平均分子量碳氫比/原子比含量/%物化特征油分淡黃透明液體200～7000.5～0.745～60幾乎可溶于大部分有機溶劑，具有光學活性，常發(fā)現(xiàn)有熒光，相對密度約0.910～0.925樹脂紅褐色粘稠半固體800～30000.7～0.815～30溫度敏感性高，溶點低于100℃，相對密度大于1.000瀝青質(zhì)深褐色固體微粒1000～50000.8～1.O5～30加熱不熔化，分解為硬焦炭，使瀝青呈黑色，相對密度1.100～1.5006（2）四組分分析法

石油瀝青的四組分分析法是將石油瀝青分離為：飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。石油瀝青按四組分分析法所得各組分的性狀如下表：性狀

組分外觀特征平均相對密度平均分子量主要化學結(jié)構飽和分無色液體0.89625烷烴、環(huán)烷烴芳香分黃色至紅色液體O.99730芳香烴、含S衍生物膠質(zhì)棕色粘稠液體1.09970多環(huán)結(jié)構，含S、O、N衍生物瀝青質(zhì)深棕色至黑色固態(tài)1.153400縮合環(huán)結(jié)構，含S、O、N衍生物7

2.膠體結(jié)構

（1）溶膠型結(jié)構（2）溶-凝膠型結(jié)構（3）凝膠型結(jié)構

a)b)c)

瀝青膠體結(jié)構示意圖a)溶膠型結(jié)構；b)溶-凝膠型結(jié)構；c)凝膠型結(jié)構

87.2.3石油瀝青的技術性質(zhì)

1.物理常數(shù)

2.粘滯性

3.延性

4.溫度敏感性5.耐久性6.安全性7.其他性質(zhì)√√√√91.物理常數(shù)

（1）密度——在規(guī)定溫度條件下，單位體積的質(zhì)量。單位：kg/m3或g/cm3。我國現(xiàn)行試驗方法規(guī)定測定15℃下瀝青密度。

（2）相對密度——在規(guī)定溫度下，瀝青質(zhì)量與同體積水質(zhì)量之比。我國現(xiàn)行方法規(guī)定測定25℃下的相對密度。瀝青15℃密度與25℃相對密度之間的換算公式：瀝青與水的相對密度（25/25℃）=瀝青的密度（15℃）×0.99610

2.粘滯性

——反映瀝青材料內(nèi)部阻礙瀝青粒子產(chǎn)生相對流動的能力，簡稱為粘性，以絕對粘度表示。瀝青的粘度是瀝青首要考慮的技術指標之一。瀝青絕對粘度的測定方法精密度要求高，操作復雜，不適于作為工程試驗，因此，工程中通常采用條件粘度反映瀝青的粘性。

條件粘度

針入度（適應粘稠石油瀝青）?液體瀝青的粘度（適應液體石油瀝青）11（1）針入度1）針入度的定義針入度——在規(guī)定溫度條件下，以規(guī)定質(zhì)量的標準針經(jīng)過規(guī)定的時間貫入瀝青試樣的深度，單位：0.1mm。常用試驗條件：

規(guī)定溫度：25℃

標準針質(zhì)量：100g

貫入時間：5s122）表示方法：P（25℃，100g，5s）。3）表征意義

瀝青的針入度值愈大，表示瀝青的粘度愈小。針入度是目前我國粘稠石油瀝青的分級指標。標號：一般取針入度的平均值。例如：90號瀝青，針入度范圍為80～１００（０.１mm）

110號瀝青，針入度范圍為80～１００（０.１mm）13

3.延性

——是瀝青材料當受到外力拉伸作用時，所能承受的塑性變形的總能力，以延度作為條件延性的表征指標。（1）延度的定義延度——將瀝青試樣制成8字形標準試件，采用延度儀，在規(guī)定拉伸速度和規(guī)定溫度下拉斷時的長度，單位：cm。規(guī)定條件為：試驗溫度有0℃、15℃、25℃三種；拉伸速度有1cm/min、5cm/min兩種。14瀝青延度測定示意圖15（2）延度的表示方法：D（T，v）其中，T為試驗溫度，v為拉伸速度。（3）測定延度的意義瀝青延度與其流變特性、膠體結(jié)構和化學組分等有著密切的關系。研究表明：

?

隨著瀝青膠體結(jié)構發(fā)育成熟度的提高，含蠟量的增加，以及飽和蠟和芳香蠟的比例增大等，都會使瀝青的延度值相對降低。

?

瀝青延度越大，其塑性變形越大，有利于低溫變形。16

4.溫度敏感性

（1）軟化點（2）針入度指數(shù)（3）脆點

——高溫性能指標——低溫性能指標17（1）軟化點瀝青材料是一種非晶質(zhì)高分子的混合材料，沒有固定的熔點。瀝青材料在由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度階段是一種粘滯流動狀態(tài)，在工程施工和使用中為保證瀝青不致由于溫度升高而產(chǎn)生流動的狀態(tài)，常常采用軟化點來表示瀝青的溫度敏感性。

1）定義

軟化點——人為選定的瀝青由固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度范圍中的一個條件粘度。182）測定方法我國現(xiàn)行試驗方法要求采用環(huán)與球法軟化點。如圖，該法是將瀝青試樣注于規(guī)定內(nèi)徑的銅環(huán)中，環(huán)上置一鋼球，在規(guī)定的加熱速度下，瀝青試樣逐漸軟化，直至在鋼球荷重作用下滴落到下層金屬板時的溫度，稱為軟化點，單位：℃。

?

表示：TR&B?

注意：初始溫度5℃

加熱速度為5℃/min193）軟化點的意義

?

瀝青軟化點越高，瀝青的溫度穩(wěn)定性越好。

?

針入度是在規(guī)定溫度下測定瀝青的條件粘度，軟化點則是瀝青達到規(guī)定條件粘度時的溫度。因此，軟化點既是反映瀝青材料溫度穩(wěn)定性的一項指標，又是瀝青粘度的一種量度。20

（2）針入度指數(shù)

1）定義瀝青的針入度指數(shù)——評價瀝青技術性質(zhì)的一個重要指標，既可以反映瀝青的感溫性，又可以劃分瀝青的膠體結(jié)構。

2）公式針入度指數(shù)（PenetrationIndex，簡稱PI）是P.Ph.普費（Pfeifer）和F.M.范·杜爾馬爾（VanDoormaal）等提出的一種評價瀝青感溫性的指標。研究觀點：瀝青針入度值的對數(shù)（lgP）與溫度（T）具有線性關系，表達式為：21

式中：

A——為直線斜率，稱為針入度-溫度感應性系數(shù)。表示瀝青針入度隨溫度的變化率。如圖，A值越高，瀝青對溫度的敏感性越大。

K——為截距（常數(shù)）。

針入度-溫度感應性關系圖

22

A值的求取公式：

?

根據(jù)已知的針入度值P（25℃，100g，5s）和軟化點TR&B

?

假設軟化點時的針入度值為800（0.1mm）（瀝青達到軟化點時，針入度一般為600～1000，0.1mm）

?

建立針入度-溫度感應性系數(shù)A的基本公式：

存在問題：針入度-溫度感應性系數(shù)A值為小數(shù)，使用不方便，引入PI值的概念。經(jīng)驗公式：23

3）針入度指數(shù)的應用?

針入度指數(shù)愈大，表示瀝青對溫度的敏感性愈低。?

劃分瀝青的膠體結(jié)構：PI＜-2者，屬溶膠型瀝青PI=-2～+2之間者，屬溶-凝膠型瀝青PI＞+2者，屬凝膠型瀝青24

（3）脆點

?

瀝青材料在低溫下受到瞬時荷載時常表現(xiàn)為脆性破壞，瀝青脆性的測定極為復雜。

?

目前測試方法：采用弗拉斯（Fraass）脆點。

?

拉斯脆點試驗原理：將瀝青試樣在一個標準的金屬薄片上攤成薄層，將其置于脆點儀內(nèi)并使其稍稍彎曲。當以1℃/min的速度降溫時，瀝青薄膜的溫度隨之逐漸降低，當降至某一溫度時，瀝青薄膜在規(guī)定彎曲條件下會出現(xiàn)一個或多個裂縫，此時的溫度即為瀝青的脆點。25

我們講述了石油瀝青的粘滯性、延性和溫度敏感性。表征這三項性質(zhì)的三大指標為：針入度、延度、軟化點是評價粘稠石油瀝青技術性質(zhì)最常用的經(jīng)典指標。

265.耐久性（1）影響因素瀝青材料在施工時需要加熱，工程完成投入使用過程中又要長期經(jīng)受大氣、日照、降水、氣溫變化等自然因素的作用而影響耐久性。（2）瀝青的老化

1）定義：在上述因素的綜合作用下會產(chǎn)生不可逆的化學變化，而導致工程性能逐漸劣化的過程稱為老化。

2）評價方法：采用蒸發(fā)損失試驗和薄膜加熱試驗。（瀝青試樣在160℃條件下，加熱蒸發(fā)5h）273）評價指標：?

蒸發(fā)后瀝青延度?

?

286.安全性

瀝青使用時必須加熱，由于瀝青在加熱過程中揮發(fā)出的油會與周圍的空氣組成混合氣體，當遇到火焰會發(fā)生閃火，此時的溫度稱為閃點。若繼續(xù)加熱，揮發(fā)的油分飽和度增加，與空氣組成的混合氣體遇火極易燃燒，燃燒時的溫度稱為燃點。評價指標：閃點。閃點和燃點是保證瀝青安全加熱和施工的一項重要指標。通常采用克利夫蘭開口杯法測定（簡稱COC法）。29

7.其他性質(zhì)為綜合評價瀝青的技術性能，還應全面地了解瀝青的其他性質(zhì)，如溶解度、含蠟量、粘附性等。

（1）溶解度：指瀝青在有機溶劑（三氯乙烯、四氯化碳、苯等）中可溶物的百分含量?？梢苑从碁r青中起粘結(jié)作用的有效成分的含量。（2）蠟：性脆，易裂縫，對瀝青的生產(chǎn)和使用都有重要的影響。對我國采用石蠟基原油煉制的瀝青尤為重要，含蠟量將直接影響瀝青產(chǎn)品的質(zhì)量。（3）粘附性：評價石料的化學等級，等級越高，瀝青與石料的粘附性越強。307.2.4石油瀝青的技術標準

1.建筑石油瀝青技術標準

標號：建筑石油瀝青按針入度值劃分為40號、30號和10號三個標號。

特點：與道路石油瀝青相比，針入度較小，延度較小，軟化點較高。

技術標準：《建筑石油瀝青》GB/T494-98的規(guī)定，見下表：31建筑石油瀝青技術標準

試驗項目10號30號40號

針入度（25℃，100g,5s）

/0.1mm10～2526～3536～50

延度（25℃，5cm/min）不小于/cm1.52.53.5

軟化點（環(huán)球法）不小于/℃957560

溶解度（三氯乙烯、四氯化碳、苯）不小于/%99.5

蒸發(fā)損失試驗（163℃、5h）質(zhì)量損失不大于/%1

針入度比不小于/%65

閃點（COC）不小于/℃230322.道路石油瀝青技術標準道路石油瀝青的質(zhì)量應符合道路石油瀝青技術標準。瀝青結(jié)合料各個等級的適用范圍、適宜的氣候分區(qū)應如下表。瀝青等級A級瀝青各個等級的公路，適用于任何場合和層次B級瀝青1.高速公路、一級公路瀝青下面層及以下的層次，二級及二級以下公路的各個層次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級瀝青三級及三級以下公路的各個層次33瀝青路面溫度分區(qū)由高溫和低溫組合而成。

第一個數(shù)字代表高溫分區(qū)：采用最近30年內(nèi)年最熱月的平均日最高氣溫的平均值作為反映高溫和重載條件下出現(xiàn)車轍等流動變形的氣候因子。

第二個數(shù)字代表低溫分區(qū)：采用最近30年內(nèi)的極端最低氣溫作為反映路面溫縮裂縫的氣候因子。數(shù)字越小表示氣候因素越嚴重。氣候區(qū)名最熱月平均最高氣溫/℃年極端最低氣溫/℃?zhèn)渥?-1夏炎熱冬嚴寒>30<-37.0

1-2夏炎熱冬寒-37.O～-21.5

1-3夏炎熱冬冷-21.5～-9.0

1-4夏炎熱冬溫>-9.0

2-l夏熱冬嚴寒20～30<-37.0

2-2夏熱冬寒-37.O～-21.5

2-3夏熱冬冷-21.5～-9.O

2-4夏熱冬溫>-9.0

3-1夏涼冬嚴寒<20<-37.0不存在3-2夏涼冬寒-37.O～-21.5

3-3夏涼冬冷-21.5～-9.0不存在3-4夏涼冬溫>-9.0不存在347.3其他瀝青

7.3.1煤瀝青

1.化學組成和組分煤瀝青的組成主要是芳香族碳氫化合物及其氧、硫、碳的衍生物的混合物。煤瀝青化學組分的分析方法與石油瀝青的方法相似，目前主要將煤瀝青分離為：油分、樹脂A、