1、1第二章第二章 沥青材料沥青材料山东建筑大学山东建筑大学 交通工程专业交通工程专业2学习内容学习内容基本要求基本要求： 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；油沥青的组成结构； 掌握道路石油沥青技术性质掌握道路石油沥青技术性质( (物理性质、路用性能物理性质、路用性能粘滞性、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、感温性、耐老化性、粘弹性、低温性能、安全性、黏附性、溶解度、含蜡量含蜡量) )及评价方法；及评价方法； 掌握道路石油沥青的技术标准。掌握道路石油沥青的技术标准。重点与难点重
2、点与难点： 道路石油沥青的技术性质以及评价方法。道路石油沥青的技术性质以及评价方法。道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料3主要内容主要内容2.1 沥青基础知识沥青基础知识2.2 道路石油沥青生产工艺及组成结构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道路石油沥青技术性质2.4 改性沥青与乳化沥青改性沥青与乳化沥青2.5 小结与习题小结与习题道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料42.1 沥青基础知识沥青基础知识1. 沥青材料的定义沥青材料的定义 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
3、要由要由高分烃类高分烃类组成。组成。2. 沥青材料的分类沥青材料的分类 天然沥青：天然沥青：一般存于岩石裂缝、地面或形成湖泊；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；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；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； 焦油沥青焦油沥青： 煤、木材、页岩炭化或减压蒸馏得到；煤、木材、页岩炭化或减压蒸馏得到； 煤焦油、松节油，页岩沥青；煤焦油、松节油，页岩沥青； 石油沥青石油沥青： 石油加工所得的渣油或由
4、渣油氧化所得产物；石油加工所得的渣油或由渣油氧化所得产物； 普通沥青、普通沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青等；改性沥青、橡胶改性沥青等；道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料使用最广泛课程主要内容；5石油沥青的分类：石油沥青的分类：加工工艺不同：加工工艺不同：n直馏沥青：性质与直馏沥青：性质与原油来源原油来源有关；有关；n氧化沥青：主要用于生产建筑沥青或氧化沥青：主要用于生产建筑沥青或低标号道路沥青；低标号道路沥青；n调和沥青：关键在于调和沥青：关键在于组分的配伍性组分的配伍性，混合均匀；，混合均匀；n溶剂脱沥青：溶剂脱沥青：形态不同：形态不同：n粘稠沥青：使用广泛；粘稠沥青：使用广泛；n
5、液体沥青：通常的乳化沥青，用于路面养护液体沥青：通常的乳化沥青，用于路面养护用途不同：用途不同：道路沥青、建筑沥青、水工、防腐沥青道路沥青、建筑沥青、水工、防腐沥青；是否加入高分子添加剂：是否加入高分子添加剂：普通沥青与改性沥青普通沥青与改性沥青道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料环烷基和中间基环烷基和中间基原油较适合生产原油较适合生产优质道路沥青；优质道路沥青；6石油沥青的分类：石油沥青的分类：普通沥青普通沥青：n针入度分级：针入度分级：A70#，A90#，A110#；nPG性能分级：性能分级：PG64-22，PG58-22；改性沥青改性沥青：向普通沥青中加入一定高分子改性剂；：向普通沥
6、青中加入一定高分子改性剂；n橡胶类：橡胶类：SBR类；类；n热塑性树脂类：热塑性树脂类：EVA、PE类；类；n热塑性橡胶类：热塑性橡胶类：SBS类；类；n其他改性沥青材料：岩改性沥青、橡胶改性沥青；其他改性沥青材料：岩改性沥青、橡胶改性沥青； SBS类、类、SBR类及类及EVA、PE类有国家规类有国家规范，其余仅为指南；范，其余仅为指南；7 石油沥青的发展及我国使用情况：石油沥青的发展及我国使用情况：石油沥青的发展历史石油沥青的发展历史n公元前公元前1600年，约旦河上游沥青矿年，约旦河上游沥青矿制涂料；制涂料；n公元前公元前600年，巴比伦年，巴比伦沥青铺筑路面，不久失传；沥青铺筑路面，不久
7、失传；n1681年，英国人研发出年，英国人研发出煤焦油沥青煤焦油沥青；n1866年，匹兹堡沥青诞生年，匹兹堡沥青诞生硫磺与沥青共热，硫磺改性沥青；硫磺与沥青共热，硫磺改性沥青；n1870年，开始开采年，开始开采特立尼达湖沥青特立尼达湖沥青，年产，年产10万吨；万吨；n1894年，柏尔来沥青诞生年，柏尔来沥青诞生氧化沥青；氧化沥青；n1876年，美国华盛顿特区宾夕法尼亚大道第一个单层沥青路面；年，美国华盛顿特区宾夕法尼亚大道第一个单层沥青路面；n1901年，年， Warrin兄弟开始用沥青混凝土铺路；兄弟开始用沥青混凝土铺路；n1902年，加利福尼亚修建年，加利福尼亚修建38座座沥青炼厂沥青炼厂
8、；n1960年，开始使用全厚度沥青路面；年，开始使用全厚度沥青路面；n70年代，奥地利开始尝试用年代，奥地利开始尝试用聚合物改性沥青聚合物改性沥青；道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料8 石油沥青的发展及我国使用情况：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我国道路石油沥青使用情况道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料202145692.2 道路石油沥青生产工艺及组成结构道路石油沥青生产工艺及组成结构1. 石油沥青生产工艺石油沥青生产工艺常减压工艺常减压工艺：n直馏沥青或普通道路沥青；直馏沥青或普通道路沥青；n生产原理：生产原理：蒸馏蒸馏将原油中高沸点组分浓缩，减压塔底渣油
9、将原油中高沸点组分浓缩，减压塔底渣油沥青；沥青；氧化工艺：氧化工艺：n生产建筑沥青或低标号道路沥青；生产建筑沥青或低标号道路沥青；n生产原理：高温渣油生产原理：高温渣油吹空气氧化吹空气氧化生产的高软化点沥青；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；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：以调和工艺：以沥青四组分沥青四组分作为调和依据，使组分配伍性良好；作为调和依据，使组分配伍性良好；道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料10沥青生产流程沥青生产流程道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料11 常减压工艺常减压工艺道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥
10、青材料12 常减压工艺常减压工艺132. 石油沥青的组成结构石油沥青的组成结构 元素组成元素组成主要是主要是C、H；少量杂原子；少量杂原子S、N和和O；微量金属元素；微量金属元素Fe、Ni、V；道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料元素组成与沥青的技术性质相关性较差；元素组成与沥青的技术性质相关性较差；142. 石油沥青的组成结构石油沥青的组成结构 族组成族组成 沥青是一种复杂沥青是一种复杂混合物混合物，一般的化学分析方法难以将其分离；，一般的化学分析方法难以将其分离； 化学族组成分析化学族组成分析n定义：物理和化学特性相近似的化合物集合体定义：物理和化学特性相近似的化合物集合体族族；n分析
11、原理：不同分子大小、极性及分子空间构型不同；分析原理：不同分子大小、极性及分子空间构型不同；n族组成分析方法：族组成分析方法：四组分分析法四组分分析法 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；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；色谱法：液固吸附色谱进行梯度冲洗； 常用四组分分析法常用四组分分析法(SARA法法)：道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料15沥青四组分分析法沥青四组分分析法道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料 液相冲洗色谱柱；液相冲洗色谱柱； SARA法将沥青分法将沥青分 饱和分饱和分 芳
12、香分芳香分 胶质胶质 沥青质沥青质油分油分16沥青质沥青质胶质胶质沥青四组分结构特点沥青四组分结构特点道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料17溶剂溶解的沥青质溶剂溶解的沥青质道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料18沥青四组分结构特点沥青四组分结构特点道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料19 沥青四组分特点：沥青四组分特点：n 饱和分饱和分S：p 直链和支链脂肪烃及烷基、环烷基烃；直链和支链脂肪烃及烷基、环烷基烃；p 温度敏感性差；温度敏感性差；S%越大，沥青越软；越大，沥青越软； 占占5-20%；起软化沥青质；起软化沥青质-胶质的作用；胶质的作用；n 芳香分芳香分A：p 沥青中最低
13、的分子量的环烷芳香化合物；沥青中最低的分子量的环烷芳香化合物；p 非极性较强，对高分子有强的溶解能力；非极性较强，对高分子有强的溶解能力；A%越大，沥青越软；越大，沥青越软； 沥青中占沥青中占30-45%；n 胶质胶质R：p 溶于正庚烷溶于正庚烷，极性强，粘结力强，是沥青的胶溶剂；，极性强，粘结力强，是沥青的胶溶剂；p 化学稳定性差，易氧化缩合，具有很好的粘附性；化学稳定性差，易氧化缩合，具有很好的粘附性； 沥青中占沥青中占30-40%；n 沥青质沥青质AT：p 溶于苯或甲苯，不溶于正庚烷；溶于苯或甲苯，不溶于正庚烷；p 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；
14、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；p 沥青中占沥青中占5-20%；道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料20 常见沥青的族组成常见沥青的族组成 道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料注：注：C5戊烷沥青质比戊烷沥青质比C7庚烷沥青质数值要大；庚烷沥青质数值要大；21沥青中的蜡沥青中的蜡定义：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，熔点在析出的，熔点在2525以上的混合组分，其主要是以上的混合组分，其主要是高熔点的烃类混高熔点的烃类混 合物；合物；结构：结构：n正构烷烃及长烷
15、基侧链的少环烃类为主。正构烷烃及长烷基侧链的少环烃类为主。n相对其他组分其结构和组成相对简单；相对其他组分其结构和组成相对简单；特点：特点：n高温易软化高温易软化，使沥青粘度降低，温度敏感性增大；，使沥青粘度降低，温度敏感性增大；n低温时结晶低温时结晶，降低沥青的低温延展能力，柔韧性变差；，降低沥青的低温延展能力，柔韧性变差；n降低沥青与集料的粘附性；降低沥青与集料的粘附性；道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料22蜡晶体的不同几何结构蜡晶体的不同几何结构 道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料232. 石油沥青的组成结构石油沥青的组成结构 沥青的胶体结构沥青的胶体结构 胶体理论胶体理论：
16、多数沥青为胶体体系，以沥青质为胶核，胶质吸附在：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；稳固的胶体结构；道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料简单的胶体模型简单的胶体模型24道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料溶胶型沥青及凝胶型沥青示意图溶胶型沥青及凝胶型沥青示意图25扫描电子显微镜扫描电子显微镜SEMSEM观测的凝胶型沥青观测的凝胶型沥青 道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料26不同胶体结构的沥青特点：不同胶体结构的沥青特点：n 溶胶型沥青溶胶型
17、沥青：p 沥青质含量沥青质含量10%，分子尺寸与胶质相近，饱和分与芳香分溶解能力强；，分子尺寸与胶质相近，饱和分与芳香分溶解能力强；p 沥青胶束分散度高，胶束可自由移动，具有牛顿流体特性；沥青胶束分散度高，胶束可自由移动，具有牛顿流体特性；p 对温度变化敏感；对温度变化敏感； n 凝胶型沥青凝胶型沥青：p 沥青质含量很大，超过沥青质含量很大，超过25%，胶质不足以裹覆沥青质使其胶溶；，胶质不足以裹覆沥青质使其胶溶；p 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；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；p 较好的温度敏感性，高温下粘度较大，低温下较脆，柔韧性差；较
18、好的温度敏感性，高温下粘度较大，低温下较脆，柔韧性差；n 溶凝胶型沥青溶凝胶型沥青：p 沥青质含量适中，沥青中存在的网络结构相对较松散；沥青质含量适中，沥青中存在的网络结构相对较松散；p 常温时，变形初期有明显的粘弹性，常温时，变形初期有明显的粘弹性，p 高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的形变能力；高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的形变能力；道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料27沥青胶体结构的评价方法沥青胶体结构的评价方法 胶体结构的判断胶体结构的判断针入度指数法：针入度指数法：nPI值值2时，凝胶型沥青，时，凝胶型沥青，nPI在在-22时，溶胶时，溶胶凝胶型沥青；凝胶型
19、沥青； PI指数的计算：指数的计算：n通常采用针入度实验来确定确定：通常采用针入度实验来确定确定：n计算公式：计算公式：2121lglgTTPPA道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料1050130API式中：式中：P 沥青针入度，沥青针入度，0.1mm； A 针入度针入度-温度感应性系数；温度感应性系数； T 针入度的实验温度，针入度的实验温度，；28小结道路石油沥青沥青的化学族组成；道路石油沥青沥青的化学族组成；n 四组分分析方法；四组分分析方法；n 饱和分、芳香分、胶质、沥青质分别起的作用；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；道路石油沥青的胶体结构；n 溶
20、胶型沥青：沥青质少，抗冻，高温粘度低；溶胶型沥青：沥青质少，抗冻，高温粘度低；n 凝胶型沥青：沥青质多，低温较脆；凝胶型沥青：沥青质多，低温较脆；n 溶凝胶型沥青：溶凝胶型沥青：PIPI指数的判定及其计算；指数的判定及其计算；道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料2.3 道路石油沥青技术性质道路石油沥青技术性质1.物理性质物理性质 密度密度 体膨胀系数体膨胀系数 介电常数介电常数292.3 道路石油沥青技术性质道路石油沥青技术性质2.路用性质路用性质 粘滞性粘滞性粘度表征粘度表征30 沥青绝对粘度概念图沥青绝对粘度概念图测定方法测定方法 (1) 毛细管粘度法毛细管粘度法 (2) 真空减压毛细
21、管法真空减压毛细管法 (3) 布氏粘度布氏粘度 (4) 标准粘度标准粘度 (5) 针入度针入度 (6) 软化点软化点2.路用性质路用性质粘滞性粘滞性真空减压毛细管法真空减压毛细管法60动力粘度，动力粘度，Pa.s，高温指标，高温指标312.路用性质路用性质粘滞性粘滞性针入度针入度分级指标分级指标P25，100g，5s322.路用性质路用性质粘滞性粘滞性软化点软化点环球法软化点，高温指标环球法软化点，高温指标33实验过程：实验过程： 制模；空气中制模；空气中0.5h，热刮刀切，热刮刀切模，温度浴中护模，温度浴中护15min；实验条件：实验条件： SP80，32甘油中养护；甘油中养护；2.路用性质
22、路用性质沥青低温性能沥青低温性能测定方法：测定方法： 延性延性(延度延度)、脆性、弯曲梁流变实验、脆性、弯曲梁流变实验 BBR；沥青低温蠕变劲度：沥青低温蠕变劲度：BBR测定测定蠕变劲度定义：蠕变劲度定义：意义：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。反映沥青粘性和弹性联合效应的指标。 342.路用性质路用性质沥青低温性能沥青低温性能测定方法：测定方法： 延性延性(延度延度)、脆性、弯曲梁流变实验、脆性、弯曲梁流变实验 BBR； 35延度测定延度测定2.路用性质路用性质沥青低温性能沥
23、青低温性能测定方法：测定方法： 延性延性(延度延度)、脆性、弯曲梁流变实验、脆性、弯曲梁流变实验 BBR； 36BBRBBR测定沥青蠕变劲度测定沥青蠕变劲度2.路用性质路用性质沥青感温性能沥青感温性能针入度指数针入度指数PI372121lglgTTPPA25lg800lgB&Rs5g10025TPA，1050130APIKATlgPA A：针入度：针入度温度敏感性系数；温度敏感性系数；P P：沥青在某一温度下针入度；：沥青在某一温度下针入度；2.路用性质路用性质沥青耐久性沥青耐久性定义：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
24、变化而变硬、变脆的现象；学变化而变硬、变脆的现象；影响因素：温度、空气、水、时间影响因素：温度、空气、水、时间评价方法评价方法 (1) 薄膜烘箱试验薄膜烘箱试验 TFOT (2) 旋转薄膜烘箱试验旋转薄膜烘箱试验 RTFOT (3) 压力老化试验压力老化试验 PAV382.路用性质路用性质耐久性耐久性392.路用性质路用性质沥青粘弹性沥青粘弹性定义：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：动态剪切流变仪测定：动态剪切流变仪DSR402.路用性质路用性质沥青粘附性沥青粘附性粘附原因：粘附原因：沥青偏酸性，与碱性石料产生强化学
25、吸附沥青偏酸性，与碱性石料产生强化学吸附；粘附性差：导致沥青路面松散；粘附性差：导致沥青路面松散；实验方法实验方法 水煮法水浸法、光电分光光度法。水煮法水浸法、光电分光光度法。413.道路石油沥青的技术要求道路石油沥青的技术要求u道路石油沥青的分级体系道路石油沥青的分级体系 针入度分级：针入度分级：p分级指标：分级指标：25针入度划分沥青标号；针入度划分沥青标号；p技术要求：技术要求：JTG F40-2004 粘度分级：以粘度分级：以60粘度大小划分沥青标号；粘度大小划分沥青标号； PG分级：分级：ASTM D6373 42技术指标技术指标符号符号实验仪器实验仪器试验目的试验目的抗车辙因子抗车
26、辙因子G G* */sin/sinDSR高温性能高温性能抗疲劳因子抗疲劳因子G G* *sinsinDSR中温疲劳特性中温疲劳特性蠕变劲度变化率蠕变劲度变化率m mBBR低温性能低温性能蠕变劲度蠕变劲度S SBBR低温性能低温性能粘度粘度布氏粘度计布氏粘度计施工和易性施工和易性3.道路石油沥青的技术要求道路石油沥青的技术要求43我国道路石油沥青的技术要求我国道路石油沥青的技术要求2.4 改性沥青与乳化沥青改性沥青与乳化沥青1. 改性沥青：改性沥青：定义：向普通沥青中加入一定高分子改性剂；定义：向普通沥青中加入一定高分子改性剂；分类分类：橡胶类：橡胶类：SBR类；类；热塑性树脂类：热塑性树脂类：
27、EVA、PE类；类；热塑性橡胶类：热塑性橡胶类：SBS类；类；其他改性沥青材料：岩改性沥青、橡胶改性沥青等；其他改性沥青材料：岩改性沥青、橡胶改性沥青等；44452. 乳化沥青乳化沥青n定义：粘稠沥青经热融和机械作用以微滴状态分散于含有定义：粘稠沥青经热融和机械作用以微滴状态分散于含有 乳化剂乳化剂稳定剂的水中，形成水包油的沥青乳液；稳定剂的水中，形成水包油的沥青乳液；n形成机理：形成机理：n应用：主要应用于路面养护；应用：主要应用于路面养护；道路建筑材料道路建筑材料沥青材料沥青材料2.5 小结与习题小结与习题重点：重点： 1.评价沥青高温、低温、温度敏感性、施工和易性、耐久评价沥青高温、低温、温度敏感性、施工和易性、耐久性的常用指标；性的常用指标； 2. 什么是三大指标，简述实验过程；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；标的意义； 作业：作业：P92 2-154647 本本 章章 结结 束束
