第二章 沥青材料

1. 第二章 沥青材料 山东建筑大学 交通工程专业

2. 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。

3. 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

4. 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；

5. 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

6. SBS类、SBR类及EVA、PE类有国家规范，其余仅为指南；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；

7. 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；

8. 2021 456 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

9. 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；

10. 道路建筑材料·沥青材料 沥青生产流程

11. 道路建筑材料·沥青材料 常减压工艺

12. 常减压工艺

13. 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；

14. 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)：

15. 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

16. 道路建筑材料·沥青材料 沥青四组分结构特点 沥青质 胶质

17. 道路建筑材料·沥青材料 溶剂溶解的沥青质

18. 道路建筑材料·沥青材料 沥青四组分结构特点

19. 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%；

20. 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；

21. 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；

22. 道路建筑材料·沥青材料 蜡晶体的不同几何结构

23. 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；

24. 道路建筑材料·沥青材料 溶胶型沥青及凝胶型沥青示意图

25. 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

26. 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；

27. 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，℃；

28. 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；

29. 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

30. 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

31. 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

32. 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

33. 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

34. 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。

35. 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

36. 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；

37. 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

38. 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

39. 2.路用性质——耐久性

40. 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

41. 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。

42. 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

43. 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

44. 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；

45. 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；

46. 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

47. 本 章 结 束