揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)道路建筑材料教案教學(xué)情境四瀝青材料生產(chǎn)、技術(shù)性能檢測、材料儲運(yùn)與驗收瀝青是由一些極其復(fù)雜的高分子碳?xì)浠衔镆约八鼈兊囊恍┓墙饘伲ㄑ?、硫、氮）的衍生物所組成的混合物。瀝青在常溫下是黑色或暗褐色固體、半固體或粘稠狀物，由天然或人工制造而得，它們通?？梢允菤怏w、液體、半固體或固體，完全溶解于二硫化碳。瀝青的特點(diǎn)是具有不透水性、不導(dǎo)電、耐酸堿鹽侵蝕，同時具有良好的粘結(jié)性及塑性。因此，瀝青在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。重點(diǎn)用于道路工程中的路面材料；屋面或地下防水工程及防腐工程。情境導(dǎo)入：瀝青廣泛應(yīng)用于路面工程，防水工程，瀝青技術(shù)性能直接影響路面的長期使用的效果及防水制成品的耐久性。教學(xué)單元一：石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)及應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)：通過本章學(xué)習(xí)，要求重點(diǎn)掌握石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、評價方法和評價指標(biāo)，了解聚合物改性瀝青、乳化瀝青的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)內(nèi)容：闡述石油瀝青的分類、組分、膠體結(jié)構(gòu)及石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、評價方法和評價指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上介紹了聚合物改性瀝青、乳化瀝青的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。附述相關(guān)實驗實訓(xùn)內(nèi)容。重點(diǎn)難點(diǎn)：瀝青三大指標(biāo)測定，乳化瀝青制備原理。瀝青按其在自然界中獲取的方式可以按下圖所示分類：天然瀝青天然瀝青石油瀝青瀝青地瀝青焦油瀝青煤瀝青（柏油）木瀝青頁巖瀝青圖5-1瀝青的分類瀝青具有良好的憎水性、黏結(jié)性和塑性，因而瀝青材料在公路工程中，主要用于高等級公路的路面工程，是鋪筑路面的主要材料，也是橋梁工程中常用的防水材料和嵌縫材料。一、石油瀝青的生產(chǎn)和分類1、生產(chǎn)：地殼中的原油，開采后經(jīng)常壓蒸餾、減壓蒸餾后，采用溶劑脫瀝青或氧化等工藝過程得到的暗褐色或黑色的半固體或固體物質(zhì)即石油瀝青。2、分類：根據(jù)生產(chǎn)方法，分為直餾瀝青、溶劑脫瀝青、氧化瀝青、調(diào)和瀝青、乳化瀝青、改性瀝青等。根據(jù)應(yīng)用的需要，對瀝青進(jìn)行乳化可得乳化瀝青;摻加改性劑可制得改性瀝青。二、石油瀝青的組成和結(jié)構(gòu)1、石油瀝青的元素組成碳和氫為主，硫、氮及氧2、瀝青的化學(xué)組分三組分法：油分、樹脂、瀝青質(zhì)四組分法：瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香分、飽和分3、含蠟量高溫融化，使瀝青粘度降低。低溫結(jié)晶，使瀝青的低溫延展能力降低。蠟使瀝青與石料表面的親和力變小，影響瀝青與石料的粘附性。由于蠟對瀝青的性能有一定的影響，而瀝青中蠟的含量主要與原油的基屬有關(guān)，因此應(yīng)該對生產(chǎn)瀝青的原油進(jìn)行選擇，使所生產(chǎn)的瀝青的蠟含量低于限量。4、瀝青的膠體結(jié)構(gòu)根據(jù)膠團(tuán)粒子大小、數(shù)量及其在連續(xù)相中的分散狀態(tài)，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)可分為三種類型。圖5-2膠體結(jié)構(gòu)類型a)溶膠型結(jié)構(gòu)；b)溶—凝膠型結(jié)構(gòu)；c)凝膠型結(jié)構(gòu)瀝青的膠體結(jié)構(gòu)與瀝青的技術(shù)性質(zhì)有密切關(guān)系，但從化學(xué)角度來評價瀝青的膠體結(jié)構(gòu)是很困難的，常采用針入度指數(shù)(PI)法來評價膠體結(jié)構(gòu)類型及其穩(wěn)定性。三、石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)（一）瀝青的路用性能1、粘滯性粘滯性是指瀝青材料在外力作用下瀝青粒子產(chǎn)生相互位移的抵抗剪切變形的能力。（5-1）式中：——引起瀝青層移動的力(亦即等于瀝青抵抗移動的抗力)，N；——瀝青層的面積，m2;——速度變化梯度(即剪變率)，s；——瀝青的內(nèi)摩阻系數(shù)(即瀝青的動力粘度)，瀝青粘度的測定方法①瀝青標(biāo)準(zhǔn)粘度試驗針入度法：針入度試驗是國際上普遍采用測定粘稠瀝青稠度的一種方法，也是劃分瀝青標(biāo)號采用的一項指標(biāo)。圖5-5標(biāo)準(zhǔn)黏度計測定液體瀝青示意圖1—瀝青試樣；2—活動球桿；3—流孔；4—水圖5-6針入度法測定黏稠瀝青針入度示意圖按上述方法測定的針入度值愈大，表示瀝青愈軟(稠度愈小)。2、塑性瀝青的塑性是指當(dāng)其受到外力的拉伸作用時，所能承受的塑性變形的總能力，是瀝青的內(nèi)聚力的衡量，通常是用延度作為條件延性指標(biāo)來表征。圖5-7瀝青延度試驗瀝青的延度與瀝青的流變特性、膠體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分等有密切的關(guān)系。研究表明：當(dāng)瀝青化學(xué)組分不協(xié)調(diào)，膠體結(jié)構(gòu)不均勻，含蠟量增加時，都會使瀝青的延度值相對降低。3、溫度穩(wěn)定性（感溫性）瀝青是復(fù)雜的膠體結(jié)構(gòu)，粘度隨溫度的不同而產(chǎn)生明顯變化，這種粘度隨溫度變化的感應(yīng)性稱為感溫性．對于路用瀝青。溫度和粘度的關(guān)系是極其重要的性能。瀝青混合料在施工過程中的拌和、攤鋪和碾壓以及鋪筑后的使用期間，都要求瀝青的粘度在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，否則將影響瀝青路面的質(zhì)量。（1）高溫敏感性用軟化點(diǎn)表示圖5-8軟化點(diǎn)試驗儀圖5-9弗拉斯脆點(diǎn)儀1—溫度計；2—立桿；3—鋼球；1—外筒；2—夾鉗；3—硬塑料4—鋼球定位環(huán)管5—金屬環(huán)；4—真空玻璃管；5—試樣管；6—燒杯；7—水面6—橡膠管；7—橡膠管；8—通冷卻液管道；9—橡膠管；10—溫度計；11—搖把（2）瀝青的低溫性能瀝青的低溫性能與瀝青路面的低溫抗裂性有密切的關(guān)系，用脆點(diǎn)表示。（3）針入度指數(shù)(PI)針入度指數(shù)(PI)是應(yīng)用針入度和軟化點(diǎn)的試驗結(jié)果來表征瀝青感溫性的一種指標(biāo)。同時也可采用針人度指數(shù)值來判別瀝青的膠體結(jié)構(gòu)狀態(tài)。①針入度一溫度感應(yīng)性系數(shù)AP·Pb普費(fèi)和范．德．玻爾等研究認(rèn)為瀝青的粘度隨溫度而變化，當(dāng)以對數(shù)縱坐標(biāo)表示針人度，以橫坐標(biāo)表示溫度時，可以得到圖5-10所示的直線關(guān)系，此關(guān)系由式(5-11)表示。(6-11)式中：P——瀝青的針入度，0.1mm；A——針入度一溫度感應(yīng)性系數(shù)，可由針入度和軟化點(diǎn)確定；K——回歸系數(shù)。圖5-10針入度—溫度關(guān)系圖普費(fèi)等人根據(jù)對多種瀝青的研究，認(rèn)為瀝青在軟化點(diǎn)溫度時，針入度在600～1000之間，假定為800(0.1mm)。由此針入度一溫度感應(yīng)性系數(shù)A可由式(5-12)表示。(5-12)式中：P(25℃，100g，5s)——在25℃，TR&B——環(huán)球法測定的軟化點(diǎn)溫度，℃。由于軟化點(diǎn)溫度時的針入度常與800相距甚大，因此斜率A應(yīng)根據(jù)不同溫度的針入度值確定，常采用的溫度為15℃，25℃及30(5-13)通過回歸求取針人度一溫度感應(yīng)性系數(shù)A值，由3個溫度的針入度回歸的相關(guān)系數(shù)R應(yīng)在0.997以上，由4個溫度的針入度回歸的系數(shù)應(yīng)不小于0.995，否則說明試驗誤差過大，此試驗結(jié)果不能采用。②針人度指數(shù)(PI)的確定普費(fèi)等人在制定針入度指數(shù)時，假定感溫性最小的瀝青其針入度指數(shù)(PI)為20，感溫性最大的瀝青為-10，將軟化點(diǎn)坐標(biāo)25與針人度坐標(biāo)800連成一線，將斜線劃成30等分，軟化點(diǎn)與針入度連線同斜率交點(diǎn)定為PI值。此PI值將斜線分為兩段，根據(jù)上式長度比，即為斜率A。由于A值很小，為使PI值在+20~-10之間，A值乘以50，得式(5-14)，并由式(5-14)推導(dǎo)出針入度指數(shù)PI計算式(5-15)如下：(5-14)(5-15)按針人度指數(shù)可將瀝青劃分為三種膠體結(jié)構(gòu)類型：針入度指數(shù)值<-2者為溶膠型瀝青；針人度指數(shù)值>+2者為凝膠型瀝青；針人度指數(shù)值=-2~+2者為溶凝膠型瀝青；當(dāng)PI<-2~+2，瀝青的溫度敏感性強(qiáng)，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。表5-3列出幾種瀝青采用3個溫度針人度測定的PI的計算結(jié)果。瀝青感溫性指標(biāo)的試驗結(jié)果表5-3瀝青品種不同溫度的針入度（0.1mm）PI值A(chǔ)K針入度溫度相關(guān)系數(shù)R123克拉瑪依4290213+0.860.05351.08720.9994勝利2896298-1.590.05140.68410.9997蘭煉3288208-0.110.04080.90640.9989茂名3072198-0.160.04100.85260.9991當(dāng)量軟化點(diǎn)T800與當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2分別定義為與瀝青針人度800和1.2對應(yīng)的溫度，它們可以代替軟化點(diǎn)和脆點(diǎn)反映瀝青高溫性能和低溫性能。當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2分別由式(5-16)和式(5-17)計算：(5-16)(5-17)式中：A，K——意義同式(5-10)。當(dāng)量軟化點(diǎn)T800與當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2以及針人度指數(shù)Pl也可以由諾謨圖5-21確定。具體方法為：測試瀝青在2個溫度Tl和T2下的針人度Pl和P2，在圖5-12中確定點(diǎn)A(T1、P1)和B(T2、P2)的位置，以直線連接AB兩點(diǎn)并延長，延長線與針人度800對應(yīng)的溫度為當(dāng)量軟化點(diǎn)T800，與針入度1.2對應(yīng)的溫度為當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2。將直線平行移動至圖中的O點(diǎn)，與PI標(biāo)尺的交點(diǎn)為瀝青的針入度指數(shù)PI。圖5-21針入度指數(shù)用諾模圖4、瀝青的粘附性粘附性是瀝青材料的主要功能之一，瀝青在瀝青混合料中以薄膜的形式涂覆在集料顆粒表面，并將松散的礦質(zhì)集料粘結(jié)為一個整體，除了瀝青本身的粘結(jié)能力外，還需要瀝青與石料之間的粘附能力，二者有一定的相關(guān)性。粘結(jié)能力較強(qiáng)的瀝青，粘附性一般也較大。在我國現(xiàn)行試驗規(guī)程(JTJ052—2000)中，規(guī)定：根據(jù)瀝青混合料的最大粒徑?jīng)Q定，>13.2mm者采用水煮法；≤13.2mm者采用水浸法。5．瀝青的耐久性路用瀝青在使用的過程中受到儲運(yùn)、加熱、拌和、攤鋪、碾壓、交通荷載以及自然因素的作用，而使瀝青發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化。逐漸改變了其原有的性能(粘度、低溫性能)而變硬變脆，這種變化稱為瀝青的老化。瀝青路面應(yīng)有較長的使用年限，因此要求瀝青材料有較好的抗老化性，即耐久性。影響耐久性的因素：①溫度與氧化作用②光和水的作用③自然硬化④滲流硬化6．瀝青的粘彈性路用瀝青多為溶一凝膠型瀝青，在低溫時表現(xiàn)為彈性，高溫時表現(xiàn)為粘性，在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)為粘性和彈性并存，是一種典型的粘彈性物體。在外力作用下產(chǎn)生形變，但形變滯后于作用力，作用力去除后形變并不完全消除，經(jīng)過一段時間才逐漸恢復(fù)，表現(xiàn)為復(fù)雜的粘彈性性質(zhì)，蠕變和松弛現(xiàn)象就是這種特性的表現(xiàn)。為了描述瀝青處于粘彈狀態(tài)下的力學(xué)特性，采用了勁度模量的概念。勁度模量與彈性模量不同，它是取決于溫度和荷載作用時間而變化的參數(shù)，是表現(xiàn)瀝青粘性和彈性聯(lián)合效應(yīng)的指標(biāo)。范·德·玻爾采用荷載時間t和溫度r為函數(shù)的應(yīng)力應(yīng)變之比來表示粘彈性瀝青抵抗變形的性能，勁度模量由式(5-28)表示。(5-18)式中：——瀝青的勁度模量，Pa；——應(yīng)力，Pa；——應(yīng)變；——載荷時間，s；——溫度，℃。圖5-13瀝青勁度模量諾模圖圖5-13瀝青勁度模量諾模圖瀝青材料的勁度模量S可以采用“微膜滑板粘度計”或“微彈性儀”等儀器來測定，也可通過圖表確定。范·德·玻爾等根據(jù)：①荷重作用時間(t)或頻率；②路面溫度差；③瀝青的膠體結(jié)構(gòu)類型(PI)等參數(shù)繪制成實用瀝青勁度模量諾謨圖，見圖5-13。教學(xué)單元二：煤瀝青、乳化瀝青及其它瀝青技術(shù)性質(zhì)與應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)：通過本章學(xué)習(xí)，要求重點(diǎn)掌握聚合物改性瀝青、乳化瀝青的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)內(nèi)容：闡述聚合物改性瀝青、乳化瀝青的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。附述相關(guān)實驗實訓(xùn)內(nèi)容。重點(diǎn)難點(diǎn)：乳化瀝青形成原理。一、煤瀝青（一）煤瀝青的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)煤瀝青（俗稱柏油）是用煤在隔絕空氣的條件下干餾，制取焦炭和煤氣的副產(chǎn)品-煤焦油煉制而成的。路用煤瀝青主要由高溫煤焦油加工而得。煤瀝青分離為油分、軟樹脂、硬樹脂和游離碳等四個組分。（二）煤瀝青的技術(shù)性質(zhì)煤瀝青和石油瀝青相比，在技術(shù)性質(zhì)上有以下差異：（1）煤瀝青的溫度穩(wěn)定性較低（2）煤瀝青的大氣穩(wěn)定性差（3）煤瀝青與礦質(zhì)集料的粘附性好（4）煤瀝青塑性較差（5）煤瀝青含有較多的人體有害成分，不宜用于城市道路和路面面層。二、乳化瀝青乳化瀝青是粘稠瀝青經(jīng)熱融和機(jī)械作用以微滴狀態(tài)分散于含有乳化劑—穩(wěn)定劑的水中，形成水包油(O／W)型的瀝青乳液。（一）乳化瀝青的組成材料1、乳化瀝青的基本組成材料瀝青、水、乳化劑、穩(wěn)定劑2、乳化劑分類和乳化能力能在溶液中解離生成離子或離子膠束的稱為離子型乳化劑，凡不能電離成離子膠束的稱為非離子乳化劑，可分類如下。（二）乳化瀝青的形成、分裂機(jī)理與生產(chǎn)工藝1、乳化瀝青的形成機(jī)理(1)乳化劑降低界面能的作用(2)界面膜的保護(hù)作用(3)界面電荷的穩(wěn)定作用2、乳化瀝青的分裂為使瀝青發(fā)揮其粘結(jié)功能，必須使瀝青從乳液中分離出來，使瀝青徽滴相互聚結(jié)，在集料表面形成連續(xù)的覆蓋薄膜，這就是乳化瀝青的分裂。瀝青乳液得以分裂的原因如下幾點(diǎn)：(1)電荷吸附作用(2)水分蒸發(fā)(3)酸堿中和3、乳液的貯存乳液存放較長時間就會產(chǎn)生分層現(xiàn)象，為延緩分層的速度，應(yīng)采用密封容器，減少水分蒸發(fā)，或在容器上加裝攪拌設(shè)備，定期進(jìn)行攪拌。長期儲存的乳液應(yīng)定期取樣檢驗。三、改性瀝青（一）概述通過對瀝青材料的改性，可以改善以下幾方面的性能：提高高溫抗變形能力，可以增強(qiáng)瀝青路面的抗車轍性能；提高瀝青的彈性性能，可以增強(qiáng)瀝青的抗低溫和抗疲勞開裂性能；改善瀝青與石料的粘附性；提高瀝青的抗老化能力，延長瀝青路面的壽命。（二）改性瀝青的分類及特性1、改性瀝青的分類所謂改性瀝青，是指摻加橡膠、塑料等高分子聚合物、磨細(xì)的橡膠粉或其它填料型外摻劑，與瀝青均勻混合，從而使瀝青的性質(zhì)可以改善而制成的瀝青混合物。2、常用聚合物改性瀝青的技術(shù)特性(1)熱塑性橡膠類改性瀝青(2)橡膠類改性瀝青(3)熱塑性樹脂改性瀝青(4)熱固性樹脂改性瀝青小結(jié)石油瀝青是石油經(jīng)煉制加工后獲得的一種具有膠結(jié)性能的道路建筑材料，在道路路面結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用廣泛。石油瀝青是復(fù)雜的高分子化合物，可分離為飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等幾個組分。根據(jù)這些組分結(jié)構(gòu)和含量的不同，可將瀝青分為溶膠、溶凝膠和凝膠等三種膠體結(jié)構(gòu)，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)與瀝青的路用性能有密切關(guān)系。瀝青具有粘滯性、粘彈性、感溫性等一系列特性。通過學(xué)習(xí)應(yīng)掌握這些特性及其測試方法，更好地應(yīng)用瀝青材料。本章還對美國SHRP中瀝青結(jié)合料的主要性能指標(biāo)與測試方法作了簡要的介紹，以便了解瀝青材料現(xiàn)代測試技術(shù)的概念，為瀝青材料性能的深入研究和工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。由于交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，對瀝青的性能提出了更高的要求，因此改性瀝青得到較大的發(fā)展。本章介紹了幾種常用的改性瀝青的性能和測試方法。乳化瀝青也是瀝青路面工程中廣泛采用的材料，具有可冷態(tài)施工的特點(diǎn)，應(yīng)掌握其組成形成機(jī)理和用途。改性乳化瀝青在路面工程中也得到應(yīng)用，應(yīng)關(guān)注這些材料的發(fā)展。隨堂練習(xí)：一、填空題：1、針入度、、被稱為瀝青三大指標(biāo)。2、乳化瀝青主要由瀝青、、水組成。3、瀝青膠體結(jié)構(gòu)有三個類型，它們分別是、和凝膠型結(jié)構(gòu)。4、在選擇瀝青結(jié)合料時，應(yīng)該優(yōu)選性石料，如果沒有時，可摻加各種抗剝劑以提高瀝青與石料的粘附性。5、石油瀝青的基本性質(zhì)有：、、加熱穩(wěn)定性、