材料科学道路工程材料沥青材料

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2013.09~2013.11 道路工程材料 土木工程与建筑系 道路工程材料 第二章 沥青材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 2 石油沥青的技术性质 3 改性沥青和乳化沥青 4 其他沥青材料 道路工程材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 沥青材料是一种有机胶凝材料，其内部组成是一些十分 复杂的碳氢化合物及其非金属衍生物的混合物。在常温下呈 固体、半固体或液体状态。 特点 颜色由黑褐色至黑色，能溶于多种有机溶液中。 具有结构致密、粘结力良好，不导电、不吸水，耐酸、 耐碱、耐腐蚀等性能。 道路工程材料 第二章 沥青材料 粘稠石油沥青 — 常温下呈固体或半固体 石油沥青 地沥青 木沥青 页岩沥青 泥炭沥青 1 沥青基础知识 沥青 地沥青 焦油沥青 天然沥青： 液体石油沥青 — 常温下呈液体 注意砂土含量 煤沥青 软煤沥青 — 常温下呈液体或半固体 硬煤沥青 — 常温下呈固体 来源分类 道路工程材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 来源分类 天然沥青： 当地下原油通过岩石裂缝渗透到地表后并长期暴露在大气中时，其中所含轻质部分蒸发，而残留物经氧化后成为天然沥青，一般存在于岩石裂缝中、地面上或形成湖泊，如著名的特立尼达湖沥青。 焦油沥青： 煤、木材、页岩等有机物经干馏加工而得到的焦油再加工所得的产物。 石油沥青： 石油经精制加工其它油品后，最后加工而得到的产品。 道路工程材料 第二章 沥青材料 这个湖位于拉丁美洲加勒比海的东南端的一个叫特立尼达和多巴哥的小岛上，湖中滴水不见，鱼虾绝迹，以盛产黑乎乎的天然沥青闻名于世，被人称为 “ 沥青湖 ” 。 那么，沥青是怎么从湖底 “ 长 ” 出来的呢？ 科学家认为，这个湖的位置上处在一个巨大的储油构造即穹隆或背斜构造的上方，由于内力作用与地壳运动，使岩层发生张裂或断裂，深层的石油不断自地下沿岩石裂缝渗出到湖里来，石油中较轻的组分挥发掉了，留下较粘重的组分，不断氧化成沥青。 道路工程材料 第二章 沥青材料 道路工程材料 第二章 沥青材料 新疆乌尔禾： 中国惟一天然沥青矿 几十年来，矿工就是这样怀抱十字镐，一点点地从坚硬的矿面上刨沥青。 四川省青川县境内天然沥青，经青川中能信天然石油矿开发有限公司综合开发的天然沥青产品。 道路工程材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 沥青路面发展 土 路 面 砂石路面 碎石路面 ︵ 结合料 ︶ 泥结 沥青表面处治 沥青贯入式 沥青碎石 沥青混凝土 我国沥青发展 解放前依靠进口 石蜡基原油 ( 渣油 ) 油田增多 中轻交通石油沥青 重交通石油沥青 改性沥青 乳化沥青 再生沥青 沥青贯入式路面是在初步压实的 碎石 ( 或破碎砾石 ) 上，分层浇洒沥青、撒布嵌缝料，或再在上部铺筑热拌沥青混合料封层，经压实而成的沥青面层。 道路工程材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 在建国初期，学习苏联。由于交通量小，砂石路面、泥结碎石、级配碎石，苏联用粉沫为粘结料，工艺要求严格，我国用泥浆代替粘结料。 60 ～ 70 年代初，采用渣油路面。沥青的含蜡量超过 10 ％，相当于液体沥青，直接在路上拌和。新问题：原路面不怕春融，但渣油路面翻浆，提出对之进行稳定与加固。 80 年代初，上拌下贯。 80 年代末，没有优质沥青，高等级公路上马。我国研制了一些重交沥青，大多省区进口重交沥青，整体结构也随之发展。 道路工程材料 第二章 沥青材料 穿越毛乌素沙漠的榆靖高速公路 —— 我国第一条沙漠高速公路 1 沥青基础知识 道路工程材料 第二章 沥青材料 沥青路面与水泥路面优缺点对比 沥青路面业内人士俗称“ 黑道 ”，又称柔性路面，其优点： (1) 沥青路面由于车轮与路面两级减振，行车舒适性好、噪音小； (2) 柔性路面对路基、地基变形或不均匀沉降的适应性强； (3) 沥青路面修复速度快，碾压后即可通车。 缺点： (1) 压实的混合料空隙率大，耐水性差，宜产生水损坏； (2) 沥青材料的温度稳定性差，冬季易脆裂，夏季易软化； (3) 沥青是有机高分子材料，耐老化性差； (4) 平整度保持性差，沉降会带来平整度劣化，材料软化会形成车辙 1 沥青基础知识 道路工程材料 第二章 沥青材料 沥青路面水损害 地震后沥青路面撕裂破坏 道路工程材料 第二章 沥青材料 沥青路面拥包、高温变形、车辙破坏 道路工程材料 第二章 沥青材料 水泥混凝土路面俗称“白道”，又称刚性路面， 其优点： (1) 水稳定性较高，在暴雨及短期浸水条件下，路面可照常通行； (2) 温度稳定性高，无车辙现象； (3) 水泥混凝土是无机胶凝材料，既耐老化，又无污染。水泥石风化与沥青老化相比，时间长 10 倍以上，不构成工程问题。 (4) 平整度的保持期长。 (5) 在相同技术和工艺水平下，水泥路面大修前的使用年限长。 缺点： (1) 行车舒适性不及沥青路面，噪音较大； (2) 易产生断裂破坏，对路基稳定性要求高，对不均匀沉降的适应性差。 (3) 由于路面强度高、硬度大，断板后难于清除，修复难度大，新浇筑面板的养护期较长。 沥青路面与水泥路面优缺点对比 道路工程材料 第二章 沥青材料 水泥路面混凝土路面在路基、地基变形或不均匀沉降条件下，易形成脱空，附加应力很大，极易产生断裂破坏。 水泥路面破坏 我国高速公路水泥路面的设计基准期 30 年，沥青路面的设计基准期 15 年。目前的基本状况是超载和重交通路段高速公路沥青路面可使用 5 年，水泥路面可使用 10 年。 混凝土路面高温暴晒变形起拱 道路工程材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 1.1.1 石油沥青生产工艺概述 原油提炼成汽油、煤油、柴油和润滑油等石油产品后 所剩残渣，然后再加工成沥青材料。 1.1.2 石油沥青的分类 按原油成分分类 ①石蜡基沥青 ②环烷基沥青 ③中间基沥青 1.1 石油沥青的生产和分类 道路工程材料 第二章 沥青材料 按加工方法分类 ①直馏沥青：常压蒸馏、减压蒸馏或深拔装置 ② 氧化沥青：吹入 250℃—300℃ 空气，数小时产生氧化 反应 ③溶剂沥青：用溶剂提取一部分石蜡 按沥青在常温下的稠度分类 ①针入度 >300 ，液体沥青 ②针入度 <=300 ，粘稠沥青， 又分为固体沥青（ ＜ 40 ）和半固体沥青 (40--300) 1 沥青基础知识 道路工程材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 生产沥青的主要工艺方法有： 蒸馏法、氧化法、溶剂法和调合法 蒸馏法：较好的低温变形能力，但温度感应性大 氧化法：较低的温度感应性，高温抗变形能力较好，但低温变形 能力较差 溶剂法：溶剂脱沥青的含蜡量大大降低，改善了沥青的路用性能 调和法：按选定的比例互相调配，得到符合要求稠度的沥青产品 制造方法不同，沥青的性状有很大的差异 道路工程材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 1.2 石油沥青的组成和结构 1.2.1 元素组成 C n H ２ n+a O b S c N d 其中 C 占 80% ～ 87% ， H 占 10% ～ 15% 1.2.2 石油沥青的化学组分 三组分分析法 将沥青分为油分、胶质、沥青质三个组分 四组分分析法 将沥青分为沥青质、饱和分、环烷芳香分和酸性芳香分 （胶质） 道路工程材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 1.2 石油沥青的组成和结构 三组分分离法 ( 吸附法 ) ： 吸附法：以沥青在吸附剂上的吸附性和在抽提溶剂中溶解性的差异为基础。例如先用低分子烷烃沉淀出沥青质，再用白土吸附可溶分，将其分成吸附部分、胶质和未被吸附部分、油分，这样，可将沥青分成三组分。 油分 油分为淡黄色至红褐色的油状液体，是沥青中分子量最小和密度最小的组分，密度介于 0.7 ～ 1.0 ｇ /cm3 之间。在 170 ℃ 较长时间加热，油分可以挥发。油分能溶于石油醚等有机溶剂中，但不溶于酒精。油分赋予沥青以流动性。 道路工程材料 第二章 沥青材料 胶质（沥青脂胶） 沥青脂胶为黄色至黑褐色粘稠状物质 ( 半固体 ) ，分子量比油分大 (600 ～ 1000) ，密度为 1.0 ～ 1.1g/ cm 3 。沥青脂胶中绝大部分属于中性树脂。中性树脂能溶于三 氯甲烷、汽油和苯等有机溶剂，但在酒精和丙酮中难溶解或 溶解度很低，它树脂含量增加，石油沥青的延度和粘结力等 品质愈好。 三组分理论 另外，沥青树脂中还含有少量的 酸性树脂 ，即 地沥青 酸 和 地沥青酸酐 ，是沥青中的表面活性物质。它改善了 石油沥青对矿物材料的浸润性，特别是提高了对碳酸盐 类岩石的粘附性，并有利于石油沥青的可乳化性。沥青 脂胶使石油沥青具有良好的塑性和粘结性。 道路工程材料 第二章 沥青材料 沥青质（地沥青质） 地沥青质为深褐色至黑色固态无定 形物质（固体粉末），分子量比树脂更大 (1000 以上 ) ，密度 大于 1g/cm 3 ，不溶于酒精、正戊烷，但溶于三氯甲烷和二硫 化碳，染色力强，对光的敏感性强，感光后就不能溶解。地 沥青质是决定石油沥青温度敏感性、粘性的重要组成部分， 其含量愈多，则软化点愈高，粘性愈大，能提高沥青的粘结 性和热稳定性 三组分理论 道路工程材料 第二章 沥青材料 限制含量 2 ～ 3% 的沥青碳和似碳物： 是在高温裂化等过程中生成的， 是石油沥青中分子量最大的物质。它能降低石油沥青的 粘结力 。 其它组分 蜡 分 定义： 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： 较简单，正构烷烃及长烷基侧链的少环烃类为主 不利影响： 高温易软化，低温延展性降低，影响沥青与矿料粘结，水稳性差 道路工程材料 第二章 沥青材料 其它组分 石蜡： 它会降低石油沥青的 粘结性、塑性 和 温度稳定性 。 所 以石蜡是石油沥青的 有害成分 。 高温时，石蜡变软，导致沥青路面的高温稳定性降低，出现车辙；低温时，沥青会变得脆硬，导致路面低温抗裂性降低，出现裂缝。且蜡会使石料与沥青之间的粘附性降低，使路面石子与沥青产生剥落，石蜡的存在还会降低沥青路面的抗滑性能。 采用盐处理法等处理多腊石油可使石油沥青的软化点提高，针入度降低，性质得到改善，使之达到使用要求。 道路工程材料 第二章 沥青材料 四组分分离法 ( 色谱法 ) ： 色谱法：分为两个步骤 第一步：用正庚烷使沥青中的沥青质沉淀并定量 ( 对于低沥青质含量（小于 10% ）的沥青可以省略第一步 ) ； 第二步：对可溶分用中性氧化铝为吸附剂，在液固色谱柱中，以正庚烷（或石油醚）、甲苯、甲苯一乙醇（ 1:1 ）、甲 苯 - 乙醇为冲剂，梯度冲洗出饱和分、芳香分和胶质馏分，分别除去溶剂后定量。 由此得到饱和分 (S) 、芳香分 (Ar) 、胶质 (R) 和沥青质 (At) 共四组分，又称为 SARA 分析。 四组分理论 道路工程材料 第二章 沥青材料 沥青全组分 沥青质沉淀 At 沥青 ( 可溶分 ) 饱和分 S 芳香分 Ar 胶质 ( 或胶质 + 沥青质 )R 正庚烷沉淀 正庚烷冲洗 甲苯冲洗 甲苯 / 乙醇冲洗 Al 2 O 3 吸附 ( 色谱柱 ) 沥青四组分分析图解 根据 L.W. 科尔贝特的研究认为： 饱和分含量增加，可使沥青稠度降低；胶质含量增大，可使沥青的延性增加；在有饱和分存在的条件下，沥青质含量增加，可使沥青获得较低的感温性；胶质和沥青质的含量增加，可使沥青的粘度提高。 道路工程材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 胶体理论 沥青质是分散相，饱和分和芳香分是分散介质，沥青 质 吸附胶质 形成 胶团 后分散于芳香分和饱和分中。 1.3 石油沥青的结构 道路工程材料 第二章 沥青材料 （ 1 ）溶胶结构： 沥青质含量少，油分和树脂多。这种结构的特点是粘滞性小，胶团间完全没有引力或引力很小，在外力作用下随时间发展的变形特性与粘性液体一样。流动性大，塑性好，温度稳定性差，是液体沥青特有的结构类型。直馏沥青的结构多为溶胶结构。 溶胶结构 1 沥青基础知识 1.3.1 胶体的结构类型 道路工程材料 第二章 沥青材料 （ 2 ）溶 — 凝胶结构： 沥青质适中，油和树脂亦适中。在常温下，这种结构的沥青处于溶胶型结构与凝胶型结构之间，具有较多的树脂，胶团间有一定吸引力，在常温下受力变形的最初阶段呈现出明显的弹性效应，当变形增加到一定数值后，则变为有阻尼的粘性流动 大部分优质道路沥青均配成溶 — 凝胶型结构，具有 粘弹性和触变性 ，故亦称弹性溶胶。 溶 — 凝胶结构 1 沥青基础知识 1.3 石油沥青的结构 道路工程材料 第二章 沥青材料 1 沥青基础知识 1.3 石油沥青的结构 （ 3 ）凝胶结构： 沥青质较多，油分和树脂较少。 胶团间有引力形成立体网状，地沥青质分散在网格之间， 这种结构的特点是弹性和粘性较高， 在外力作用下弹性效应明显。 温度敏感性较小，流动性、塑性低。 氧化沥青多属于凝胶结构。 凝胶结构 道路工程材料 第二章 沥青材料 1.3.2 胶体结构类型的判定 胶体结构类型与沥青路用性能之间有密切的关系，一般工程中用针入度指数 PI 划分沥青的胶体结构： ① PI<-2 溶胶型 ② PI>+2 凝胶型 ③ -2

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