第二章 沥青材料
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第二章 沥青材料. 山东建筑大学 交通工程专业. 道路建筑材料 · 沥青材料. 学习内容. 基本要求 : ⑴ 了解道路石油沥青的生产工艺和组分分析方法;掌握道路石 油沥青的组成结构; ⑵ 掌握道路石油沥青技术性质 ( 物理性质、路用性能 — 粘滞性、 感温性、耐老化性、粘弹性、低温性能、安全性、黏附性、溶解度、 含蜡量 ) 及评价方法; ⑶ 掌握道路石油沥青的技术标准。 重点与难点 : 道路石油沥青的技术性质以及评价方法。. 道路建筑材料 · 沥青材料. 主要内容. 2.1 沥青基础知识

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第二章 沥青材料

山东建筑大学 交通工程专业


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道路建筑材料·沥青材料

学习内容

基本要求:

⑴ 了解道路石油沥青的生产工艺和组分分析方法;掌握道路石

油沥青的组成结构;

⑵ 掌握道路石油沥青技术性质(物理性质、路用性能—粘滞性、

感温性、耐老化性、粘弹性、低温性能、安全性、黏附性、溶解度、

含蜡量)及评价方法;

⑶ 掌握道路石油沥青的技术标准。

重点与难点:

道路石油沥青的技术性质以及评价方法。


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道路建筑材料·沥青材料

主要内容

2.1 沥青基础知识

2.2 道路石油沥青生产工艺及组成结构

2.3 道路石油沥青技术性质

2.4 改性沥青与乳化沥青

2.5 小结与习题


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道路建筑材料·沥青材料

2.1 沥青基础知识

1. 沥青材料的定义

黑色或暗黑色固体、半固体或者粘稠状物质,由天然或人工制造而得,主

要由高分烃类组成。

2. 沥青材料的分类

⑴ 天然沥青:一般存于岩石裂缝、地面或形成湖泊;

  • 地下原油通过岩石裂缝渗透到地表,其轻质油蒸发,残留物经氧化后形成;

  • 特立尼达湖沥青;四川青川沥青矿、新疆克拉玛依乌尔木沥青湖;

    ⑵ 焦油沥青:

  • 煤、木材、页岩炭化或减压蒸馏得到;

  • 煤焦油、松节油,页岩沥青;

    ⑶ 石油沥青:

  • 石油加工所得的渣油或由渣油氧化所得产物;

  • 普通沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青等;

使用最广泛

课程主要内容;


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道路建筑材料·沥青材料

环烷基和中间基原油较适合生产优质道路沥青;

Ⅰ石油沥青的分类:

  • 加工工艺不同:

    • 直馏沥青:性质与原油来源有关;

    • 氧化沥青:主要用于生产建筑沥青或低标号道路沥青;

    • 调和沥青:关键在于组分的配伍性,混合均匀;

    • 溶剂脱沥青:

  • 形态不同:

    • 粘稠沥青:使用广泛;

    • 液体沥青:通常的乳化沥青,用于路面养护

  • 用途不同:道路沥青、建筑沥青、水工、防腐沥青;

  • 是否加入高分子添加剂:普通沥青与改性沥青


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SBS类、SBR类及EVA、PE类有国家规范,其余仅为指南;

Ⅰ石油沥青的分类:

  • 普通沥青:

    • 针入度分级:A70#,A90#,A110#;

    • PG性能分级:PG64-22,PG58-22;

  • 改性沥青:向普通沥青中加入一定高分子改性剂;

    • 橡胶类:SBR类;

    • 热塑性树脂类:EVA、PE类;

    • 热塑性橡胶类:SBS类;

    • 其他改性沥青材料:岩改性沥青、橡胶改性沥青;


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道路建筑材料·沥青材料

Ⅱ 石油沥青的发展及我国使用情况:

  • 石油沥青的发展历史

    • 公元前1600年,约旦河上游沥青矿—制涂料;

    • 公元前600年,巴比伦—沥青铺筑路面,不久失传;

    • 1681年,英国人研发出煤焦油沥青;

    • 1866年,匹兹堡沥青诞生—硫磺与沥青共热,硫磺改性沥青;

    • 1870年,开始开采特立尼达湖沥青,年产10万吨;

    • 1894年,柏尔来沥青诞生—氧化沥青;

    • 1876年,美国华盛顿特区宾夕法尼亚大道第一个单层沥青路面;

    • 1901年, Warrin兄弟开始用沥青混凝土铺路;

    • 1902年,加利福尼亚修建38座沥青炼厂;

    • 1960年,开始使用全厚度沥青路面;

    • 70年代,奥地利开始尝试用聚合物改性沥青;


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道路建筑材料·沥青材料

Ⅱ 石油沥青的发展及我国使用情况:

  • 我国道路石油沥青使用情况


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道路建筑材料·沥青材料

2.2 道路石油沥青生产工艺及组成结构

1. 石油沥青生产工艺

  • 常减压工艺:

    • 直馏沥青或普通道路沥青;

    • 生产原理:蒸馏将原油中高沸点组分浓缩,减压塔底渣油—沥青;

  • 氧化工艺:

    • 生产建筑沥青或低标号道路沥青;

    • 生产原理:高温渣油吹空气氧化生产的高软化点沥青;

  • 溶剂脱沥青工艺:通过调和或氧化生产合格道路沥青;

  • 调和工艺:以沥青四组分作为调和依据,使组分配伍性良好;


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道路建筑材料·沥青材料

沥青生产流程


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道路建筑材料·沥青材料

常减压工艺


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常减压工艺


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道路建筑材料·沥青材料

2. 石油沥青的组成结构

⑴ 元素组成

  • 主要是C、H;少量杂原子S、N和O;微量金属元素Fe、Ni、V;

元素组成与沥青的技术性质相关性较差;


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道路建筑材料·沥青材料

2. 石油沥青的组成结构

⑵ 族组成

  • 沥青是一种复杂混合物,一般的化学分析方法难以将其分离;

  • 化学族组成分析

    • 定义:物理和化学特性相近似的化合物集合体——族;

    • 分析原理:不同分子大小、极性及分子空间构型不同;

    • 族组成分析方法:四组分分析法

      吸附法:沥青在吸附剂上的吸附性不同及抽提溶剂中溶解度不同而分离;

      色谱法:液固吸附色谱进行梯度冲洗;

  • 常用四组分分析法(SARA法):


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油分

道路建筑材料·沥青材料

沥青四组分分析法

  • 液相冲洗色谱柱;

  • SARA法将沥青分

    饱和分

    芳香分

    胶质

    沥青质


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道路建筑材料·沥青材料

沥青四组分结构特点

沥青质

胶质


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道路建筑材料·沥青材料

溶剂溶解的沥青质


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道路建筑材料·沥青材料

沥青四组分结构特点


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道路建筑材料·沥青材料

  • 沥青四组分特点:

    • 饱和分S:

      • 直链和支链脂肪烃及烷基、环烷基烃;

      • 温度敏感性差;S%越大,沥青越软; 占5-20%;起软化沥青质-胶质的作用;

    • 芳香分A:

      • 沥青中最低的分子量的环烷芳香化合物;

      • 非极性较强,对高分子有强的溶解能力;A%越大,沥青越软; 沥青中占30-45%;

    • 胶质R:

      • 溶于正庚烷,极性强,粘结力强,是沥青的胶溶剂;

      • 化学稳定性差,易氧化缩合,具有很好的粘附性; 沥青中占30-40%;

    • 沥青质AT:

      • 溶于苯或甲苯,不溶于正庚烷;

      • AT%增加,沥青硬度增大,对沥青的感温性有好的影响;但过高,使沥青较脆;

      • 沥青中占5-20%;


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道路建筑材料·沥青材料

常见沥青的族组成

注:C5戊烷沥青质比C7庚烷沥青质数值要大;


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道路建筑材料·沥青材料

沥青中的蜡

  • 定义:

    指沥青除去沥青质和胶质后,在油分中含有的、经冷冻能结晶

    析出的,熔点在25℃以上的混合组分,其主要是高熔点的烃类混

    合物;

  • 结构:

    • 正构烷烃及长烷基侧链的少环烃类为主。

    • 相对其他组分其结构和组成相对简单;

  • 特点:

    • 高温易软化,使沥青粘度降低,温度敏感性增大;

    • 低温时结晶,降低沥青的低温延展能力,柔韧性变差;

    • 降低沥青与集料的粘附性;


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道路建筑材料·沥青材料

蜡晶体的不同几何结构


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简单的胶体模型

道路建筑材料·沥青材料

2. 石油沥青的组成结构

⑶ 沥青的胶体结构

胶体理论:多数沥青为胶体体系,以沥青质为胶核,胶质吸附在

沥青质周围,饱和分、芳香分作为分散介质,包裹外围,从而形成

稳固的胶体结构;


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道路建筑材料·沥青材料

溶胶型沥青及凝胶型沥青示意图


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道路建筑材料·沥青材料

扫描电子显微镜SEM观测的凝胶型沥青


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道路建筑材料·沥青材料

  • 不同胶体结构的沥青特点:

    • 溶胶型沥青:

      • 沥青质含量<10%,分子尺寸与胶质相近,饱和分与芳香分溶解能力强;

      • 沥青胶束分散度高,胶束可自由移动,具有牛顿流体特性;

      • 对温度变化敏感;

    • 凝胶型沥青:

      • 沥青质含量很大,超过25%,胶质不足以裹覆沥青质使其胶溶;

      • 沥青质胶团相互连接,沥青胶束移动较困难,呈非牛顿流动特性;

      • 较好的温度敏感性,高温下粘度较大,低温下较脆,柔韧性差;

    • 溶凝胶型沥青:

      • 沥青质含量适中,沥青中存在的网络结构相对较松散;

      • 常温时,变形初期有明显的粘弹性,

      • 高温时具有较低的感温性,低温时又具有较好的形变能力;


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道路建筑材料·沥青材料

沥青胶体结构的评价方法

  • 胶体结构的判断——针入度指数法:

    • PI值<-2时,溶胶型沥青;

    • PI值>2时,凝胶型沥青,

    • PI在-2~2时,溶胶—凝胶型沥青;

  • PI指数的计算:

    • 通常采用针入度实验来确定确定:

    • 计算公式:

式中:P—— 沥青针入度,0.1mm;

A—— 针入度-温度感应性系数;

T—— 针入度的实验温度,℃;


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道路建筑材料·沥青材料

小结

  • 道路石油沥青沥青的化学族组成;

    • 四组分分析方法;

    • 饱和分、芳香分、胶质、沥青质分别起的作用;

  • 道路石油沥青的胶体结构;

    • 溶胶型沥青:沥青质少,抗冻,高温粘度低;

    • 凝胶型沥青:沥青质多,低温较脆;

    • 溶凝胶型沥青:

  • PI指数的判定及其计算;


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2.3 道路石油沥青技术性质

1.物理性质

  • 密度

  • 体膨胀系数

  • 介电常数


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沥青绝对粘度概念图

2.3 道路石油沥青技术性质

测定方法

(1) 毛细管粘度法

(2) 真空减压毛细管法

(3) 布氏粘度

(4) 标准粘度

(5) 针入度

(6) 软化点

2.路用性质

  • 粘滞性——粘度表征


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2.路用性质——粘滞性

  • 真空减压毛细管法——60℃动力粘度,Pa.s,高温指标


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0 sec

5 sec

penetration

100 g

100 g

2.路用性质——粘滞性

  • 针入度——分级指标P25℃,100g,5s


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实验过程:

制模;空气中0.5h,热刮刀切模,温度浴中护15min;

实验条件:

SP<80℃,5℃水中养护;

SP>80℃,32℃甘油中养护;

2.路用性质——粘滞性

  • 软化点——环球法软化点,高温指标


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S ,沥青劲度模量,Pa;

δ,应力,Pa;

ε,应变;

T ,温度,℃;

t ,荷载时间,s;

2.路用性质

  • 沥青低温性能

    • 测定方法:延性(延度)、脆性、弯曲梁流变实验 BBR;

    • 沥青低温蠕变劲度:BBR测定

      • 蠕变劲度定义:

      • 意义:表征沥青在某一温度和某一荷载作用时间的应力与应变关系,是

        反映沥青粘性和弹性联合效应的指标。


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2.路用性质

  • 沥青低温性能

    • 测定方法:延性(延度)、脆性、弯曲梁流变实验 BBR;

延度测定


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BBR测定沥青蠕变劲度

2.路用性质

  • 沥青低温性能

    • 测定方法:延性(延度)、脆性、弯曲梁流变实验 BBR;


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A:针入度—温度敏感性系数;

P:沥青在某一温度下针入度;

2.路用性质

  • 沥青感温性能——针入度指数PI


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2.路用性质

  • 沥青耐久性

  • 定义:沥青运输、加热、拌合、碾压及自然条件作用发生物理化学变化而变硬、变脆的现象;

  • 影响因素:温度、空气、水、时间

  • 评价方法

    (1) 薄膜烘箱试验 TFOT

    (2) 旋转薄膜烘箱试验 RTFOT

    (3) 压力老化试验 PAV


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2.路用性质——耐久性


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2.路用性质

  • 沥青粘弹性

  • 定义:低温时表现为弹性,高温时表现为粘性,常温粘弹性共存

  • 测定:动态剪切流变仪DSR


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2.路用性质

  • 沥青粘附性

  • 粘附原因:沥青偏酸性,与碱性石料产生强化学吸附;

  • 粘附性差:导致沥青路面松散;

  • 实验方法

    水煮法水浸法、光电分光光度法。


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3.道路石油沥青的技术要求

  • 道路石油沥青的分级体系

  • 针入度分级:

    • 分级指标:25℃针入度划分沥青标号;

    • 技术要求:JTG F40-2004

  • 粘度分级:以60℃粘度大小划分沥青标号;

  • PG分级:ASTM D6373


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    我国道路石油沥青的技术要求

    3.道路石油沥青的技术要求


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    2.4 改性沥青与乳化沥青

    1. 改性沥青:

    • 定义:向普通沥青中加入一定高分子改性剂;

    • 分类:

      • 橡胶类:SBR类;

      • 热塑性树脂类:EVA、PE类;

      • 热塑性橡胶类:SBS类;

      • 其他改性沥青材料:岩改性沥青、橡胶改性沥青等;


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    道路建筑材料·沥青材料

    2. 乳化沥青

    • 定义:粘稠沥青经热融和机械作用以微滴状态分散于含有

      乳化剂—稳定剂的水中,形成水包油的沥青乳液;

    • 形成机理:

    • 应用:主要应用于路面养护;


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    2.5 小结与习题

    重点:

    1.评价沥青高温、低温、温度敏感性、施工和易性、耐久

    性的常用指标;

    2. 什么是三大指标,简述实验过程;

    3. 道路沥青的分级体系有几种,并简述其技术指标及其指

    标的意义;

    作业:P92 2-15


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    本 章 结 束


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