沥青材料第八章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 沥青材料,沥青的定义：,在高度缩合的环烷环、芳香环上带有长短不同的烷基侧链的碳氢化合物，及其非金属（O、S、N）衍生物组成的混合物，并含有微量元素；,颜色：暗褐色或黑色；,形态：常温下为固体或半固体。,第八章 沥青材料,沥青的分类：,沥青,地沥青,焦油沥青,天然沥青：石油在自然条件下，长时间经受地球物理因素作用形成的产物,石油沥青：石油经各种炼制工艺加工而得的沥青产品,煤沥青：煤经干馏所得的煤焦油，经再加工后得到煤沥青,页岩沥青：页岩炼油工业的副产品,柏油,广泛用于建筑、公路、桥梁等工程中，主要用于生产防水材料和铺筑沥青路面、机场道面等。,土木工程建筑主要应用,石油沥青,。,应用：,第八章 沥青材料,第八章 沥青材料,天然沥青：,天然沥青是石油在自然条件下，经过千百万年的时间，在温度、压力、气体、无机物催化剂、微生物以及水分等综合作用下氧化聚合而成的沥青类物质。,由于它常年与自然环境共存，故其性质特别稳定。,由沥青、矿物质、水分构成。,根据天然沥青生成矿床的不同，可以分为：,湖沥青,岩沥青,海底沥青,第八章 沥青材料,（1）湖沥青,特立尼达湖沥青（Triniada Lake Asphalt）是世界上最为著名的天然沥青湖。该沥青湖面积44万平方米，深约82米，湖中沥青储量达1200万吨，是世界上最大的天然沥青产地。,特立尼达沥青湖,第八章 沥青材料,（2）岩沥青,岩沥青生成于岩石的夹缝中，缝宽很窄，仅数十厘米，深可达几百米。天然岩沥青是一种纯天然的碳氢化合物，熔点在150 以上，我国青海及克拉玛依地区有所开采，但很少用于道路。,状态,颜色,褐色或黑褐色,常温下呈固态、半固态或粘性液态,由许多高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物,成分,组分,石油沥青的三大组分,组分,状态,作用,油分,粘性液态,使沥青具有流动性,树脂,粘稠状半固态,使沥青具有塑性和粘结性,地沥青质,固态,使沥青具有粘滞性和温度稳定性,基本性质：,第八章 沥青材料,第八章 沥青材料,主要内容,石油沥青的组成与结构,石油,沥青的技术性质和技术指标,改性沥青与乳化沥青,第八章 沥青材料,一、石油沥青的化学组成和结构,1.石油沥青的化学元素组成,主要化学元素：,碳C 氢 H 硫S 氧O 氮N,8288%；811%；06%；01.5%；01%。,微量金属元素：,钒、镍、铁、镁、钙等,碳氢比：,C/H,大庆石油沥青：C/H=0.657,环烷基石油沥青：C/H=0.710,化学组分分析方法：,将沥青分离为化学性质相近，而且与其工程性质有一定联系的几个组，这些组就称为组分。,我国现行公路工程沥青及沥青混合料试验规程 （JTJ052-2000)规定有,三组分,和,四组分,两种分析方法。,第八章 沥青材料,2.石油沥青的化学组分,三组分分析法（溶解-吸附法）：,油分（芳香油和饱和油）：,油状液体，密度最小，加热可以挥发，能溶于有机溶剂，它们赋予沥青以,流动性,。分子量为100 500。,树脂（沥青脂胶）：,粘稠状液体（半固体），密度大于油分，属于中性树脂，能溶于有机溶剂（苯、汽油）。它们赋予沥青以良好的,粘结性、塑性和可流动性,，分子量为5001000。,地沥青质（沥青质）：,固态无定性物质，密度大于1，决定沥青的,温度敏感性和粘滞性,，其含量越高，沥青软化点越高，粘性越大，越硬脆。分子量大于10006000。,第八章 沥青材料,第八章 沥青材料,四组分：,饱和分S,芳香分A,胶质 R,沥青质A,t,沥青四组分分析发流程,四组分分析法：,又称色谱法，具体分析流程如图所示。,第八章 沥青材料,表8-1 沥青四组分对沥青性能的影响,组分,分子量,含量（%）,高温粘度,低温变形能力,化学稳定性,饱和分S,500700,520,低,低,高,芳香分A,800900,4065,低,低,高,胶质R,12001300,1530,高,高,低,沥青质A,t,10002000,525,高,低,无影响,3.沥青含蜡量,蜡是沥青中的有害成分，高温时会软化，低温时结晶析出、延性降低。,易出现的问题：,高温会软化，会导致沥青路面高温稳定性下降，出现车辙；,低温结晶析出，使沥青变脆硬，低温抗裂性降低，出现裂缝；,沥青与石料的粘附性降低，在有水的条件下，使路面石子产生剥落现象，造成路面破坏；,路面的抗滑性降低，影响路面的行车安全。,第八章 沥青材料,第八章 沥青材料,石油沥青的胶体结构,1.胶体结构的形成,沥青材料在微观上呈胶体结构。根据胶体理论，绝大多数沥青是以沥青质为核心，吸附胶质形成的胶团作为分散相，分散在饱和分和芳香分的分散介质中。,2.胶体结构的分类,根据沥青胶团的大小、数量、分散状态的不同，沥青可分为溶胶型、凝胶型和溶-凝胶型三种。,第八章 沥青材料,溶胶结构,油分较多，胶团较少，温度稳定性差；,胶团相对运动自由，分散度高，流动性和塑性较好。,凝胶结构,油分与树脂较少，沥青质较多，温度稳定性好；,胶团相互连接成不规则空间网状的凝胶结构，弹性和粘性较高，流动性和塑性较低。,溶凝胶结构,介于溶胶结构与凝胶结构之间。,第八章 沥青材料,溶胶结构,凝胶结构,沥青的胶体结构,第八章 沥青材料,沥青的,组成与结构,胶体结构：溶胶型、凝胶型、溶-凝胶型,元素组成：,C、H、O、S、N,C/H,化学组分：饱和分、芳香分、胶质、沥青质,石油沥青的基本性能,第八章 沥青材料,二、石油沥青的技术性质,1.物理性质,1）密度：标准规定沥青密度测定的标准温度为15,，,用d15表示。,d沥青质d胶质d芳香分d饱和分,2）体膨胀系数,3）介电常数,第八章 沥青材料,2.黏滞性,1）沥青的粘度,沥青的粘滞性是指在外力作用下沥青粒子产生相互位移以抵抗剪切变形的能力，通常用黏度指标来表示。,沥青粘度测定,绝对粘度测定方法,毛细管法、真空减压毛细管法、,旋转粘度计法,、布洛克菲尔德法、滑板黏度计法,(2)相对粘度测定方法,标准黏度计法、针入度法、软化点法,第八章 沥青材料,3.延展性,沥青延展性简称延性，是沥青在外力作用下能承受的塑性变形的总能力。延展性反应的是沥青的低温性能，用延度来表示。,延度试验的温度为15、10，其中15延度为强制性指标。,研究表明：当沥青化学组分不协调、胶体结构不均匀、含蜡量较高时，沥青的延度会降低。,第八章 沥青材料,4.低温性能,随着温度的变化，沥青通常呈现出三态：,沥青的三态：流动态橡胶态玻璃态,软化点 脆点,温度升高，沥青由橡胶态向液态转变；温度降低时，沥青由橡胶态向玻璃态转变。,第八章 沥青材料,（1）脆点试验,沥青材料在低温下受到瞬时荷载时，常表现为脆性破坏。通常采用脆点作为条件来衡量脆性指标。脆点是测量沥青在低温不引起破坏时温度，实质上反映沥青由黏弹体转变为弹脆体即玻璃态转变温度。,（2）弯曲梁流变试验（BBR）,劲度是沥青或沥青混合料在一定温度和一定负荷时间下应力与应变的比值，反映了沥青的黏弹性，用劲度模量来表示。,第八章 沥青材料,（3）直接拉伸试验（DTT）,直接拉伸试验是通过测定沥青在低温时的极限拉伸应变来反映沥青的低温拉伸性能。试验温度为036，沥青呈脆性特性。,第八章 沥青材料,5.感温性,感温性,指石油沥青的黏度和劲度随温度升降而变化的性能。,工程意义：,感温性过大会使沥青材料高温软化、低温开裂、影响其防水效果。,评价指标：,针入度指数（PI）,：,沥青针入度指数有两个作用：一是判断沥青的胶体结构，二是评价沥青的感温性。规定A级沥青PI为,-1.5+1.0、B级沥青PI为-1.8+1.0.,针入度-温度指数（PTI）：,根据不同温度条件下的针入度值得比率来评价沥青的感温性。PTI值越小，表明沥青的感温性越小，温度稳定性越好。,第八章 沥青材料,6.黏弹性,（1）沥青的黏弹现象,通常沥青材料在低温时表现为弹性、高温时表现为黏性，而在相当宽的温度范围内则表现为黏性与弹性并存的黏弹性。,1）沥青材料的粘-弹性现象,蠕变在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加,应力松弛在保持应变不变的情况下，应力随时间增加逐渐衰减,第八章 沥青材料,沥青材料的粘弹性现象,时间,t,变形,温度T,1,温度T,2,弹性,粘性,第八章 沥青材料,（2）沥青的劲度模量,定义：S=(,/,),t,T,确定方法：,沥青滑板粘度试验,时间,t,劲度模量,S,0,25,荷载时间与温度对沥青劲度模量的影响,第八章 沥青材料,7.粘附性,反映沥青与集料的粘结能力。,粘附机理：,（1）机械黏附理论,（2）化学反应理论,（3）表面能理论,（4）极性理论,（5）表面构造理论,第八章 沥青材料,影响因素,：,集料的酸碱性：,SiO,2,:0%52%65%,碱性集料 中性集料 酸性集料,沥青的粘度与极性：,沥青的黏度提高，粘附性提高；,沥青混合料的空隙率：,沥青混合料的压实空隙率过低，易出现沥青-矿料的粘附性问题。,改进措施：,其一，采用碱性集料；其二，掺抗剥落剂。,第八章 沥青材料,评价方法,：,（1）水煮法和水浸法,当集料最大粒径大于13.2mm时采用水煮法；当集料最大粒径小于等于13.2mm时采用水浸法。沥青试样经过水煮或水浸后沥青膜脱落面积越大，则说明沥青粘附性越差。,（2）光电分光光度法,第八章 沥青材料,水煮法试样,第八章 沥青材料,水煮法试样,第八章 沥青材料,8.耐久性,沥青的耐久性主要指沥青的抗老化性。,现象：沥青性能随着时间推移而发生变化,如针入度下降、粘度增加、软化点增加,变脆变硬老化,诱因：,热、氧气、光（紫外线）,老化阶段：,沥青短期氧化：沥青在储存运输、加热拌合等过程中所发生的老化；,沥青长期氧化：沥青在正常使用阶段的老化较为缓慢，此阶段的光老化很明显。,第八章 沥青材料,老化机理：,芳香分胶质,胶质,沥青质,老化性能评价方法：,蒸发损失试验,薄膜烘箱加热试验TFOT,旋转薄膜烘箱试验RTFOT,PAV压力老化试验,评价指标：,质量损失、针入,度比、延度,第八章 沥青材料,9.安全性,评价沥青施工安全性有两个指标：,闪点：加热沥青初次闪火的温度；所有沥青的闪电都必须大于230；,燃点：加热沥青能持续燃烧,5S,以上的温度。,沥青的燃点通常比闪点搞10,左右。,10.溶解度,沥青的溶解度是指沥青在三氯乙烯、四氯化碳、苯等有机溶剂中可溶物的百分含量。溶解度反映了沥青中起黏结作用的有效成分的含量。,第八章 沥青材料,二、沥青胶结料评价方法,土木工程中常用的石油沥青主要分为道路石油沥青、建筑石油沥青、防水防潮石油沥青等。,1.道路沥青的评价方法,（1）道路石油沥青的分级方法,针入度分级P,按所测得的沥青25针入度所处水平来划分沥青牌号,粘度分级A,按所测得沥青60粘度所处水平划分来沥青牌号,AC按新鲜沥青60粘度分级,AR按 TFOT或RTFOT试验后残余物60粘度分级,性能分级PG,按沥青所能够适应的最高和最低环境温度来划分沥青牌号,第八章 沥青材料,重交通道路石油沥青质量要求（AH）,按P,25,分级：,AH-50 AH-70 AH-90 AH-110 AH-130,4060 6080 8090 90110 110130,其它指标：软化点、延度(15C)、含蜡量、溶解度、薄膜烘箱(残留物质量损失,、针入度比、延度),中、轻交通道路石油沥青质量要求(A),按,P,25,分级:,A-60,甲,/A-60,乙,/A-100,甲,/100-,乙,/A-140/A-180/A-200,其它指标：软化点、延度(25,C)、溶解度、闪点,蒸发试验（质量损失、针入度比）等,按沥青25针入度所处水平划分沥青牌号,第八章 沥青材料,合并了2个技术要求，按照性能分为A、B和C三级；,沥青质量要求充分考虑气候条件，增加了气候分区,高温指标：,1.夏炎热区、2.夏热区、3.夏凉区,低温指标：,1.冬严寒区、2.冬寒区、3.冬冷区、4.冬温区,雨量指标：,1.潮湿区、2.湿润区、3.半干区、4.干旱区,如：1-1-4