瀝青材料土木工程材料

第九章瀝青材料第9章瀝青材料

主要內(nèi)容：

1.瀝青材料的基本概念

2.石油瀝青的化學(xué)組分和膠體結(jié)構(gòu)

3.石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

4.其他瀝青材料

概述

1.定義

瀝青材料——是由一些極其復(fù)雜的高分子的碳?xì)浠衔锖瓦@些碳?xì)浠衔锏姆墙饘伲ㄑ酢⒘?、氮）的衍生物所組成的混合物。在常溫下，瀝青呈黑色或黑褐色的固態(tài)、半固態(tài)或液態(tài)。2.分類:瀝青地瀝青

焦油瀝青天然瀝青：石油在自然條件下，長時(shí)間經(jīng)受地球物理因素作用形成的產(chǎn)物

石油瀝青：石油經(jīng)各種煉制工藝加工而得的瀝青產(chǎn)品煤瀝青：煤經(jīng)干餾所得的煤焦油，經(jīng)再加工后得到煤瀝青頁巖瀝青：頁巖煉油工業(yè)的副產(chǎn)品

3.應(yīng)用:

廣泛用作路面、屋面、防水、耐腐蝕等工程材料。土木工程建筑主要應(yīng)用石油瀝青。

1石油瀝青的生產(chǎn)工藝概述2石油瀝青的組成和結(jié)構(gòu)

1.化學(xué)組分化學(xué)組分分析方法:將瀝青分離為化學(xué)性質(zhì)相近，而且與其工程性質(zhì)有一定聯(lián)系的幾個(gè)組，這些組就稱為組分。我國現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052-2000）規(guī)定有三組分。三組分分析法按三組分分析法所得各組分的性狀列如下表。

石油瀝青三組分分析法的各組分性狀

性狀

組分外觀特征平均分子量碳?xì)浔?原子比含量/%物化特征油分淡黃透明液體200～7000.5～0.745～60幾乎可溶于大部分有機(jī)溶劑，具有光學(xué)活性，常發(fā)現(xiàn)有熒光，相對密度約0.910～0.925樹脂紅褐色粘稠半固體800～30000.7～0.815～30溫度敏感性高，溶點(diǎn)低于100℃，相對密度大于1.000地瀝青質(zhì)深褐色固體微粒1000～50000.8～1.O5～30加熱不熔化，分解為硬焦炭，使瀝青呈黑色，相對密度1.100～1.500

2.石油瀝青的結(jié)構(gòu)

（1）溶膠型結(jié)構(gòu)

（2）溶-凝膠型結(jié)構(gòu)（3）凝膠型結(jié)構(gòu)

a)b)c)

瀝青膠體結(jié)構(gòu)示意圖a)溶膠型結(jié)構(gòu)；b)溶-凝膠型結(jié)構(gòu)；c)凝膠型結(jié)構(gòu)

3石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)

1.物理常數(shù)

2.粘滯性

3.延性

4.溫度敏感性5.耐久性6.安全性7.其他性質(zhì)√√√√

1.粘滯性

——反映瀝青材料內(nèi)部阻礙瀝青粒子產(chǎn)生相對流動的能力，簡稱為粘性，是劃分瀝青牌號的主要技術(shù)指標(biāo)。瀝青的粘度是瀝青首要考慮的技術(shù)指標(biāo)之一。

粘度

針入度（適應(yīng)粘稠石油瀝青）?液體瀝青的粘滯度（適應(yīng)液體石油瀝青）（1）針入度1）針入度的定義針入度——在規(guī)定溫度條件下，以規(guī)定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)針經(jīng)過規(guī)定的時(shí)間貫入瀝青試樣的深度，單位：0.1mm。常用試驗(yàn)條件：規(guī)定溫度：25℃

標(biāo)準(zhǔn)針質(zhì)量：100g

貫入時(shí)間：5s2）表示方法：P（25℃，100g，5s）。3）表征意義

瀝青的針入度值愈大，表示瀝青的粘度愈小。針入度是目前我國粘稠石油瀝青的分級指標(biāo)。標(biāo)號：一般取針入度的平均值。例如：90號瀝青，針入度范圍為80～１００（０.１mm）

110號瀝青，針入度范圍為80～１００（０.１mm）

2.延性

——是瀝青材料當(dāng)在外力作用下產(chǎn)生變形而不破壞，除去外力后仍能保持變形后的形狀不變的性質(zhì)，以延度作為塑性的表征指標(biāo)。（1）延度的定義延度——將瀝青試樣制成8字形標(biāo)準(zhǔn)試件，采用延度儀，在規(guī)定拉伸速度和規(guī)定溫度下拉斷時(shí)的長度，單位：cm。

規(guī)定條件為：試驗(yàn)溫度有0℃、15℃、25℃三種；拉伸速度5cm/min。瀝青延度測定示意圖（2）延度的表示方法：D（T，v）其中，T為試驗(yàn)溫度，v為拉伸速度。（3）測定延度的意義瀝青延度與其流變特性、膠體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分等有著密切的關(guān)系。研究表明：

?

隨著瀝青膠體結(jié)構(gòu)發(fā)育成熟度的提高，含蠟量的增加，以及飽和蠟和芳香蠟的比例增大等，都會使瀝青的延度值相對降低。

?

瀝青延度越大，其塑性變形越大，有利于低溫變形。

3.溫度敏感性

（1）軟化點(diǎn)

（2）脆點(diǎn)

——高溫性能指標(biāo)——低溫性能指標(biāo)（1）軟化點(diǎn)瀝青材料是一種非晶質(zhì)高分子的混合材料，沒有固定的熔點(diǎn)。瀝青材料在由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度階段是一種粘滯流動狀態(tài)，在工程施工和使用中為保證瀝青不致由于溫度升高而產(chǎn)生流動的狀態(tài)，常常采用軟化點(diǎn)來表示瀝青的溫度敏感性。

1）定義

軟化點(diǎn)——人為選定的瀝青由固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度范圍中的粘度。2）測定方法我國現(xiàn)行試驗(yàn)方法要求采用環(huán)與球法軟化點(diǎn)。如圖，該法是將瀝青試樣注于規(guī)定內(nèi)徑的銅環(huán)中，環(huán)上置一鋼球，在規(guī)定的加熱速度下，瀝青試樣逐漸軟化，直至在鋼球荷重作用下滴落到下層金屬板時(shí)的溫度，稱為軟化點(diǎn)，單位：℃。

?

表示：TR&B?

注意：初始溫度5℃

加熱速度為5℃/min

3）軟化點(diǎn)的意義

?

瀝青軟化點(diǎn)越高，瀝青的溫度穩(wěn)定性越好。

?針入度是在規(guī)定溫度下測定瀝青的粘度，軟化點(diǎn)則是瀝青達(dá)到規(guī)定條件粘度時(shí)的溫度。因此，軟化點(diǎn)既是反映瀝青材料溫度穩(wěn)定性的一項(xiàng)指標(biāo)，又是瀝青粘度的一種量度。（2）脆點(diǎn)

?瀝青材料在低溫下受到瞬時(shí)荷載時(shí)常表現(xiàn)為脆性破壞，瀝青脆性的測定極為復(fù)雜。

?

目前測試方法：采用弗拉斯（Fraass）脆點(diǎn)。

?拉斯脆點(diǎn)試驗(yàn)原理：將瀝青試樣在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的金屬薄片上攤成薄層，將其置于脆點(diǎn)儀內(nèi)并使其稍稍彎曲。當(dāng)以1℃/min的速度降溫時(shí)，瀝青薄膜的溫度隨之逐漸降低，當(dāng)降至某一溫度時(shí)，瀝青薄膜在規(guī)定彎曲條件下會出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)裂縫，此時(shí)的溫度即為瀝青的脆點(diǎn)。

我們講述了石油瀝青的粘滯性、延性和溫度敏感性。表征這三項(xiàng)性質(zhì)的三大指標(biāo)為：針入度、延度、軟化點(diǎn)是評價(jià)粘稠石油瀝青技術(shù)性質(zhì)最常用的經(jīng)典指標(biāo)。

4.耐久性（大氣穩(wěn)定性）（1）影響因素瀝青材料在施工時(shí)需要加熱，工程完成投入使用過程中又要長期經(jīng)受大氣、日照、降水、氣溫變化等自然因素的作用而影響耐久性。（2）瀝青的老化

1）定義：在上述因素的綜合作用下會產(chǎn)生不可逆的化學(xué)變化，而導(dǎo)致工程性能逐漸劣化的過程稱為老化。

2）評價(jià)方法：采用蒸發(fā)損失試驗(yàn)和薄膜加熱試驗(yàn)。（瀝青試樣在160℃條件下，加熱蒸發(fā)5h）3）評價(jià)指標(biāo)：?

?

5.安全性

瀝青使用時(shí)必須加熱，由于瀝青在加熱過程中揮發(fā)出的油會與周圍的空氣組成混合氣體，當(dāng)遇到火焰會發(fā)生閃火，此時(shí)的溫度稱為閃點(diǎn)。評價(jià)指標(biāo)：閃點(diǎn)。閃點(diǎn)是保證瀝青安全加熱和施工的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通常采用克利夫蘭開口杯法測定（簡稱COC法）。

6.其他性質(zhì)為綜合評價(jià)瀝青的技術(shù)性能，還應(yīng)全面地了解瀝青的其他性質(zhì)，如溶解度、含蠟量、粘附性等。

（1）溶解度：指瀝青在有機(jī)溶劑（三氯乙烯、四氯化碳、苯等）中可溶物的百分含量。可以反映瀝青中起粘結(jié)作用的有效成分的含量。（2）蠟：性脆，易裂縫，對瀝青的生產(chǎn)和使用都有重要的影響。對我國采用石蠟基原油煉制的瀝青尤為重要，含蠟量將直接影響瀝青產(chǎn)品的質(zhì)量。（3）粘附性：評價(jià)石料的化學(xué)等級，等級越高，瀝青與石料的粘附性越強(qiáng)。

9.1.3石油瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.建筑石油瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)號：建筑石油瀝青按針入度值劃分為40號、30號和10號三個(gè)標(biāo)號。

特點(diǎn)：與道路石油瀝青相比，針入度較小，延度較小，軟化點(diǎn)較高。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：《建筑石油瀝青》GB/T494-98的規(guī)定，見下表：建筑石油瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)項(xiàng)目10號30號40號

針入度（25℃，100g,5s）

/0.1mm10～2526～3536～50

延度（25℃，5cm/min）不小于/cm1.52.53.5

軟化點(diǎn)（環(huán)球法）不小于/℃957560

溶解度（三氯乙烯、四氯化碳、苯）不小于/%99.5

蒸發(fā)損失試驗(yàn)（163℃、5h）質(zhì)量損失不大于/%1

針入度比不小于/%65

閃點(diǎn)（COC）不小于/℃230

9.1.4.道路石油瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)道路石油瀝青的質(zhì)量應(yīng)符合道路石油瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。瀝青結(jié)合料各個(gè)等級的適用范圍、適宜的氣候分區(qū)應(yīng)如下表。瀝青等級A級瀝青各個(gè)等級的公路，適用于任何場合和層次B級瀝青1.高速公路、一級公路瀝青下面層及以下的層次，二級及二級以下公路的各個(gè)層次2.用做改性瀝青、乳化瀝青、改性乳化瀝青、稀釋瀝青的基質(zhì)瀝青C級瀝青三級及三級以下公路的各個(gè)層次瀝青路面溫度分區(qū)由高溫和低溫組合而成。

第一個(gè)數(shù)字代表高溫分區(qū)：采用最近30年內(nèi)年最熱月的平均日最高氣溫的平均值作為反映高溫和重載條件下出現(xiàn)車轍等流動變形的氣候因子。

第二個(gè)數(shù)字代表低溫分區(qū)：采用最近30年內(nèi)的極端最低氣溫作為反映路面溫縮裂縫的氣候因子。數(shù)字越小表示氣候因素越嚴(yán)重。氣候區(qū)名最熱月平均最高氣溫/℃年極端最低氣溫/℃?zhèn)渥?-1夏炎熱冬嚴(yán)寒>30<-37.0

1-2夏炎熱冬寒-37.O～-21.5

1-3夏炎熱冬冷-21.5～-9.0

1-4夏炎熱冬溫>-9.0

2-l夏熱冬嚴(yán)寒20～30<-37.0

2-2夏熱冬寒-37.O～-21.5

2-3夏熱冬冷-21.5～-9.O

2-4夏熱冬溫>-9.0

3-1夏涼冬嚴(yán)寒<20<-37.0不存在3-2夏涼冬寒-37.O～-21.5

3-3夏涼冬冷-21.5～-9.0不存在3-4夏涼冬溫>-9.0不存在

9.1.5乳化瀝青乳化瀝青是將粘稠瀝青熱融，經(jīng)過機(jī)械的作用，以細(xì)小的微滴（粒徑約為2～5μm）狀態(tài)分散于含有乳化—穩(wěn)定劑的水溶液中，形成水包油狀的瀝青乳液。

1.乳化瀝青的優(yōu)點(diǎn)（1）常溫施工、節(jié)約能源。（2）便于施工、節(jié)約瀝青（3）保護(hù)環(huán)境、保障健康。（4）路面粗糙，減少事故。

2.乳化瀝青的應(yīng)用

一般，針入度為10～30（0.1mm）的石油瀝青多用來制備建筑防水用乳化瀝青；針入度為100～300（0.1mm）的石油瀝青多用來制備路用乳化瀝青。近幾年陽離子乳化瀝青發(fā)展很快。在道路工程中，以陽離子乳化瀝青為主，可以用于路面的保護(hù)層結(jié)構(gòu)、修補(bǔ)路面，也可以用作路面抗滑表層。

改性瀝青

改性瀝青是通過在瀝青中加入不同的改性劑，實(shí)現(xiàn)改善瀝青多種性能的目的。目前，道路瀝青可以采用熱塑橡膠、熱塑聚合物和熱固樹脂三種改性劑改善其使用性能。其中，熱塑橡膠彈性體改性劑使用最為普遍，如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）、丁苯橡膠（SBR）、聚丙烯（APP)在道路改性瀝青中都具有良好的使用效果。

9.1.6煤瀝青

1.化學(xué)組成和組分煤瀝青的組成主要是芳香族碳?xì)浠衔锛捌溲酢⒘?、碳的衍生物的混合物。煤瀝青化學(xué)組分的分析方法與石油瀝青的方法相似，目前主要將煤瀝青分離為：油分、樹脂A、樹脂B、游離碳C1和游離碳C2等5個(gè)組分。

2.技術(shù)性質(zhì)煤瀝青與石油瀝青相比，在技術(shù)性質(zhì)上有下列差異：（1）溫度穩(wěn)定性較差。（2）氣候穩(wěn)定性較差。（3）與礦質(zhì)集料的粘附性較好?！?.2

瀝青基防水材料9.2.1冷底子油和瀝青膠一、冷底子油用汽油和煤油作溶劑調(diào)制石油瀝青制得。用于涂刷在水泥砂漿或混凝土基層及金屬表面上作打底之用，它可在基層表面與瑪蹄脂、油膏、涂料等之間形成一層膠質(zhì)薄膜，提高膠結(jié)性能。二、瀝青膠瀝青膠（瑪蹄脂），是在瀝青中加人工填充料，如滑石粉、云母粉、石棉粉、粉煤灰等加工而成，分冷熱兩種。適用于粘結(jié)防水卷材、油地氈及各種墻面磚和地面磚等。9.2.2瀝青防水卷材瀝青防水卷材成本低廉；總的造價(jià)較低，抗拉強(qiáng)度低，延伸率小?？沽研圆缓茫瑢囟茸兓^敏感，冬天易脆裂，夏天易流淌，容易出現(xiàn)流淌、老化、開裂等質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響使用效果。高聚物改性瀝青防水卷材和合成高分子卷材綜合性能好，可單層冷施工、重量輕、污染小，對基層伸縮或開裂的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)用日益廣泛，是防水卷材的發(fā)展方向。一、瀝青紙?zhí)ビ蜌旨坝图?/p>

用低軟化點(diǎn)的石油瀝青浸漬原紙．然后用高軟化點(diǎn)的石油瀝青涂蓋油紙的兩面，再涂撒防粘材料制成的一種防水材料。有石油瀝青油氈、石油瀝青油紙和煤瀝青油氈。油氈按原紙1M2的重量克數(shù)分為200、350和500共3種標(biāo)號；按物理性能分為合格品、一等品和優(yōu)等品3個(gè)等級；200號油氈，油紙適用于簡易防水、臨時(shí)性建筑防水、防潮及包裝等。350號和500號油氈適用于多層建筑防水。二、高聚物改性瀝青防水材料以合成高分子聚合物改性瀝青（SBS、APP、SBR）等為涂蓋層，纖維織物或纖維氈為胎體、粉狀、片狀或薄膜材料力覆蓋面材料制成的可卷曲片狀防水材料。材料克