1、第十一章 瀝青與瀝青混合料Asphalt & Asphalt Mixtures,2,瀝青,瀝青是一種以碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌餅橹饕煞值挠袡C(jī)膠凝材料。常溫下，瀝青呈黑色或黑褐色的固體、半固體或粘性液體。 它與水泥具有同樣的功能，即經(jīng)過自身的物理化學(xué)變化，產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，并且具有膠結(jié)能力，能夠把砂、石等礦物質(zhì)材料粘結(jié)為一個(gè)整體。,3,瀝青混合料,將大小不同粒徑的礦質(zhì)骨料、填料，根據(jù)工程需要，按最佳級(jí)配原則組配，與適當(dāng)?shù)臑r青材料攪拌均勻而成的混合物叫做瀝青混合料。 瀝青混合料經(jīng)澆注或鋪筑成型，硬化后成為具有一定強(qiáng)度的固體，稱為瀝青混凝土。,瀝青概述,一種有機(jī)膠凝材料，常溫下呈固體、半固體或稠液

2、體,孔隙率,構(gòu)造致密,力學(xué)性能,親水性,抗腐蝕性,耐久性,憎水材料,耐酸堿鹽,塑性材料,瀝青概述,物理性質(zhì),瀝青的分類,瀝青,地瀝青,焦油瀝青,由石油系統(tǒng)得到的瀝青,天然瀝青(湖、巖）,石油瀝青,煤瀝青-柏油,頁巖瀝青,由有機(jī)物（煤、頁巖干餾所得焦油，再加工所得,瀝青概述,瀝青概述,天然瀝青,天然瀝青礦,瀝青概述,瀝青概述,瀝青概述,巖瀝青,11,煤瀝青與石油瀝青Tar & Petroleum Asphalts,外觀接近，但性能差別很大。 煤瀝青大量用于木軌枕防腐涂料、防水材料等。 70年代以前，國內(nèi)主要用煤瀝青修建柏油路面。它的大氣穩(wěn)定性不良，含致癌類組分大約為石油瀝青的上萬倍。 80年代以

3、后高速公路基本上都用石油瀝青。,12,Ancient Use of Asphalt,在圣經(jīng)中提到：瀝青為諾亞方舟（Noahs Ark） 作防水處理。 最早的記載是公元前3800年左右蘇美爾人用于造船和建筑灰漿，5000多年以來瀝青以不同形式用作防水或膠粘劑。 巴比倫王善用瀝青為宮殿建筑物作防水處理，并灌漿鋪砌石塊路。,13,瀝青應(yīng)用發(fā)展史I,1599：在歐洲對(duì)瀝青分類和瀝青和石油之間聯(lián)系的初步科學(xué)探索。 1777：由法國的P.C Le Sage 首先給出了瀝青起源的科學(xué)解釋。 1802：在法國里昂，巖石瀝青使用在瀝青砂路面的鋪設(shè)上。 1832：蘇格蘭道路工程師J. L. McAdam發(fā)展了碎石

4、路面工藝。 1876：在美國華盛頓特區(qū)賓西法尼亞大道鋪筑第一個(gè)單層瀝青路面。,14,1901：Warrin兄弟開始用瀝青混凝土鋪路。 1902： 使用最新發(fā)明的從石油精煉瀝青的技術(shù)； 1946： 二次世界大戰(zhàn)后，美國開始了道路建設(shè)的新時(shí)代。在十年內(nèi)修建了81萬公里的新路。提出了馬歇爾瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)在已在全世界使用； 1960：開始使用全厚度瀝青路面。,瀝青應(yīng)用發(fā)展史II,15,70年代：奧地利的R. Felsinger嘗試?yán)镁酆衔飳?duì)瀝青進(jìn)行改性。 80年代：以性能為基礎(chǔ)的Superpave（ 高性能瀝青路面）瀝青膠結(jié)料設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的概念得到發(fā)展應(yīng)用。,瀝青應(yīng)用發(fā)展史III,16,我國公

5、路發(fā)展的現(xiàn)狀與規(guī)劃,我國公路建設(shè)迅速發(fā)展，2003年全國高速公路里程已達(dá)2.97萬公里，居世界第二。 截至年底，全國公路網(wǎng)總里程達(dá)到萬公里，其中高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到萬公里(美國10萬公里，居世界第一) 到2020年，高速公路里程達(dá)到10萬公里以上，基本形成國家高速公路網(wǎng)。,17,瀝青路面與水泥混凝土路面,我國水泥路面和瀝青路面兩種高等級(jí)路面的建成總里程28.86萬km，其中水泥路面16.75萬km，占58%。 水泥路面在高速公路上大約占25%，二級(jí)國道上約占67%。 交通部公路司2002年底統(tǒng)計(jì)資料,18,瀝青混合料與水泥混凝土的組成材料對(duì)比,19,瀝青路面與水泥混凝土路面,混凝土路面： 破損

6、以后較難修復(fù) 噪音大 行車的舒適度差 瀝青路面的發(fā)展前景好,20,白變黑,2002年，武漢市投資7000萬元，將以內(nèi)環(huán)線為主的共50公里長的路面 “黑化” 2003年，北京市全長約48公里的三環(huán)路主輔路全面加鋪瀝青 2002年，安徽投資9億元，將服役了11年的合寧高速公路安徽段“黑化” （全長134公里，我國最早、最長的一條水泥混凝土路面高速公路，曾被交通部評(píng)為“全國十大交通重點(diǎn)工程”第三名） 2004年，安徽投資5億元，將服役了8年的全長100km的合巢蕪高速公路更換成全瀝青混凝土路面。 2004年，湖北第一條高速公路武黃高速70km全部在現(xiàn)有水泥混凝土路面的基礎(chǔ)上加鋪瀝青路面，另有400k

7、m的高速公路也將黑化,21,瀝青路面與水泥混凝土路面,但瀝青很多都需要進(jìn)口，而水泥混凝土供應(yīng)量大 選用水泥混凝土還可帶動(dòng)當(dāng)?shù)氐乃喙I(yè)。 對(duì)于普通公路路面來說，水泥混凝土路面會(huì)保持較快的發(fā)展速度，因?yàn)樗瓌?dòng)投資效果較好，可就地取材。 另外，普通公路若普遍用高性能瀝青，價(jià)格上也承受不起。,22,瀝青的消耗量,高速公路每公里約需耗用瀝青350噸400噸（四車道）。 據(jù)估計(jì)僅2001年，全國道路建設(shè)耗用瀝青約650萬噸，其中進(jìn)口瀝青150萬噸。 近10年來，我國每年進(jìn)口重交通瀝青的費(fèi)用都在30億元以上。,23,一.石油瀝青,石油原油經(jīng)常壓蒸餾和減壓蒸餾，提煉出汽油、煤油、柴油等輕質(zhì)油以及潤滑油后，在

8、蒸餾塔底部殘留下來的黑色粘稠物，需要經(jīng)脫蠟等處理后使用。,24,1、石油瀝青的組成,瀝青中分子量在某一范圍之內(nèi)，物理、力學(xué)性質(zhì)相近的化合物劃分為幾個(gè)組，稱為石油瀝青的組叢（組分）。 各組叢具有不同的特性，直接影響石油瀝青的宏觀物理、力學(xué)性質(zhì)。,25,石油瀝青的三個(gè)主要組叢,油分 樹脂 （地）瀝青質(zhì),26,1）油分（Oils）含量4060%,常溫下呈淡黃色至紅褐色的油狀液體，是石油瀝青中分子量最低的組分(平均分子量300-2000）?？扇苡诖蠖鄶?shù)溶劑中。 對(duì)瀝青性質(zhì)的影響：增加流動(dòng)性、變形能力，降低稠度、軟化點(diǎn)。,27,2）樹脂（Resins）含量1530%,黃色黑褐色的粘稠狀半固體，分子量范圍

9、在100050000之間。 對(duì)瀝青性質(zhì)的影響：賦予石油瀝青可塑性和粘結(jié)性，但不利于耐久性。 樹脂含量越多，變形能力、粘結(jié)力越強(qiáng)，耐老化性差。 親油的，可溶于油分。,28,3) 地瀝青質(zhì) (Asphaltenes）含量1030%,深褐色黑色無定形、脆性固體微粒，分子量1000100000。 地瀝青質(zhì)含量越高，石油瀝青的軟化點(diǎn)越高，粘性越大，溫度穩(wěn)定性越好，但同時(shí)脆性也越大。 憎油，不溶于油分。 與樹脂是浸潤的。,4） 蠟,蠟在高溫時(shí)融化，降低石油瀝青的粘結(jié)性和塑性。同時(shí)對(duì)溫度敏感(即溫度穩(wěn)定性差)。 所以蠟是石油瀝青的有害成分。,石油瀝青中還含2一3的瀝青碳和似碳物，為無定形的黑色固體粉末,30

10、,2.瀝青膠體結(jié)構(gòu),(a)溶膠型 (b) 凝膠型 (c)溶-凝膠型,31,3.石油瀝青的主要技術(shù)性質(zhì),1）粘滯性 2）變形性能（延性或塑性） 3）溫度穩(wěn)定性（溫度敏感性） 4）大氣穩(wěn)定性（耐久性） 5) 安全性,32,1）粘滯性（粘性或稠度）,瀝青材料在外力作用下抵抗粘性變形的能力。它是瀝青材料粘結(jié)力、軟硬、稠稀程度的反映 影響粘滯性的主要因素： 瀝青的組成：地瀝青質(zhì)含量增多，粘滯性越大； 環(huán)境溫度：外界溫度升高，粘滯性減小。,33,石油瀝青粘滯性的評(píng)價(jià),針入度（Penetration）：用于粘稠（半固態(tài)、固態(tài)）石油瀝青； 粘度（Viscosity）：用于液態(tài)石油瀝青。,34,針入度試驗(yàn),25

11、、100克重標(biāo)準(zhǔn)針，自由下落5秒，標(biāo)準(zhǔn)針插入試件的深度，單位（1/10mm）。,針入度值越大，表明瀝青在外力的作用下越容易變形，即瀝青的粘滯性低。,35,針入度試驗(yàn),縫紉機(jī)針 特定的時(shí)間、重量、溫度,36,Temperature,25oC (77F),Penetration, 0.1 mm,Temperature and penetration,37,針入度試驗(yàn)儀,38,在一定溫度（T）條件下，液體瀝青經(jīng)一定直徑(d=3-10mm)的小孔流出50cm3所需的時(shí)間,記為CT,d. 瀝青流出的時(shí)間越長，即粘度值越大，表示瀝青的粘度越高。,粘度計(jì),液體瀝青的粘滯性用粘度來表示,39,2）變形性能（延

12、性或塑性）,指石油瀝青在外力作用下產(chǎn)生變形而不破壞，除去外力后，仍能保持變形后的形狀的性質(zhì)。 常溫下，塑性較好的瀝青在產(chǎn)生裂縫時(shí)，由于其特有的粘塑性可自行愈合，故塑性也反映了瀝青開裂后的自愈能力。 瀝青的塑性對(duì)沖擊振動(dòng)荷載有定吸收能力，并能減少摩擦?xí)r的噪聲，故瀝青是一種優(yōu)良的道路路面材料。,40,2）變形性能（延性或塑性）,瀝青具有良好的塑性。 瀝青的塑性大小受內(nèi)部組成及外界溫度的影響，樹脂含量越多的瀝青，塑性越好；外界溫度升高，瀝青的塑性增大。 表征瀝青塑性的指標(biāo)是延度。,41,瀝青的延伸性試驗(yàn)（延度）,一定溫度（25oC）下，以5cm/min的速度對(duì)瀝青試件進(jìn)行拉伸直至斷裂時(shí)所伸長的長度(

13、cm)。,42,延度試驗(yàn)樣品,43,延度試驗(yàn)夾具,44,3）溫度穩(wěn)定性（溫度敏感性） (Temperature susceptibility),瀝青的粘滯性和塑性等隨溫度變化而變化的性質(zhì)稱為溫度穩(wěn)定性。 當(dāng)溫度升高時(shí)，瀝青由固態(tài)或半固態(tài)逐漸軟化，產(chǎn)生粘性流動(dòng)，稱為粘流態(tài)。當(dāng)溫度降低時(shí)又逐漸由粘流態(tài)凝固為固態(tài)，甚至變硬變脆，成為玻璃態(tài)。 建筑工程宜選用溫度穩(wěn)定性較高的瀝青。,45,3）溫度穩(wěn)定性（溫度敏感性） (Temperature susceptibility),影響溫度穩(wěn)定性的主要因素： 瀝青的組成： 地瀝青質(zhì)含量越多，溫度穩(wěn)定性越好； 樹脂和油分、蠟含量越大，溫度穩(wěn)定性越差；,46,溫度

14、穩(wěn)定性用軟化點(diǎn)表示,隨溫度升高，瀝青試件軟化下垂，達(dá)到底板時(shí)的溫度即為軟化點(diǎn)()。,47,軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀,48,4） Ageing & Durability大氣穩(wěn)定性耐久性,石油瀝青在溫度、濕度、陽光、氧氣等大氣因素作用下，抵抗老化變質(zhì)的能力稱為大氣穩(wěn)定性。 瀝青老化：在大氣因素作用下，瀝青材料塑性逐漸減小、脆性增加的現(xiàn)象。,49,瀝青老化的原因,分子量較小的油分、樹脂發(fā)生氧化、揮發(fā)、縮合、聚合等作用，瀝青組叢中油分、樹脂含量相對(duì)減少，地瀝青質(zhì)含量相對(duì)增加。,50,瀝青老化的評(píng)價(jià),進(jìn)行加熱試驗(yàn)，比較蒸發(fā)損失、針入度。 此外，還有加熱老化時(shí)間、薄膜烘箱試驗(yàn)及回轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)等。,測(cè)定方法是：先測(cè)定

15、瀝青試樣的質(zhì)量及其針入度，然后在160下加熱蒸發(fā)5h，待冷卻后再測(cè)定其質(zhì)量和針入度。蒸發(fā)損失百分率小、蒸發(fā)后針入度比大，大氣穩(wěn)定性好，老化慢。,52,閃點(diǎn)（也稱閃火點(diǎn)）：瀝青加熱揮發(fā)出可燃?xì)怏w與空氣混合，與火焰接觸閃火時(shí)的最低溫度。 燃點(diǎn)（也稱著火點(diǎn)）：與火焰接觸能持續(xù)燃燒5s以上時(shí)的最低溫度。 二者高低表明瀝青引起火災(zāi)或爆炸的可能性的大小，它關(guān)系到運(yùn)輸、儲(chǔ)存和加熱使用等方面的安全。一般燃點(diǎn)比閃點(diǎn)高10 . 例如，建筑石油瀝青閃點(diǎn)約230在熬制時(shí)般溫度為185-200，為安全起見，瀝青還應(yīng)與火焰隔離。,5) 安全性,4、石油瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（表11-1）及選用,石油瀝青的分類,分類,道路石油瀝青

16、 建筑石油瀝青 防水防潮石油瀝青 普通石油瀝青,牌號(hào),按針入度指標(biāo)等來劃分,同一品種石油瀝青材料中，牌號(hào)愈小，瀝青愈硬；牌號(hào)愈大，瀝青愈軟。同時(shí)隨著牌號(hào)增加，瀝青的粘性減小(針入度增加)，塑性增加(延度增大)，而溫度敏感性增大(軟化點(diǎn)降低)。,(2)石油瀝青的選用,應(yīng)根據(jù)工程性質(zhì)(房屋、道路、防腐)及當(dāng)?shù)貧夂驐l件、所處工程部位(屋面、地下)來選用不同品種和牌號(hào)的瀝青。,路 面,道路石油瀝青,屋 面,建筑石油瀝青,4.石油瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及選用,55,道路石油瀝青牌號(hào)較多且較大（滿足塑性要求），一般拌制成 瀝青拌合料或?yàn)r青砂漿等使用。還可作密封材料、粘結(jié)劑及瀝青涂料等。 建筑石油瀝青粘性較大，耐熱性較好，但塑性較小，主要用作制造油氈、油紙、防水涂料和瀝青膠。它用于屋面及地下防水、溝槽防水、防腐蝕及管道防腐等工程。,56,對(duì)于屋面防水，應(yīng)注意防止過分軟化。通常瀝青屋面表面溫度比當(dāng)?shù)刈罡邭鉁馗?530，為避免夏季流淌，屋面用瀝青材料的軟化點(diǎn)應(yīng)比屋面最高溫度高20以上。 例如某地區(qū)瀝青屋面溫度可達(dá)65，選用的瀝青軟化點(diǎn)應(yīng)在85以上。 地下防水，溫度變化小，可選用牌號(hào)較大的瀝青，以延長使用年限。,（3） 瀝青的摻配,條件,一種牌號(hào)的瀝青不能滿足工程要求,同