《土木工程材料》 課件 11. 瀝青及瀝青混合料

第11章瀝青及瀝青混合料內容二、

瀝青混合料三、

礦質混合料的組成設計四、

熱拌瀝青混合料的配合比設計一、

瀝青材料定義

瀝青是一種有機膠凝材料，它是復雜的高分子碳氫化合物及非金屬（氧、硫、氮等）衍生物的混合物。在常溫下呈固體、半固體或液體狀態(tài)。特點顏色由黑褐色至黑色，能溶于多種有機溶液中。具有結構致密、粘結力良好，不導電、不吸水，耐酸、耐堿、耐腐蝕等性能。一、瀝青材料分類瀝青天然瀝青煤瀝青石油瀝青地瀝青焦油瀝青木瀝青泥炭瀝青頁巖瀝青應用

主要作為防水、防潮、防腐蝕材料，用于屋面或地下防水工程、防腐蝕工程、鋪筑道路以及貯水池、浴池及橋梁等防水防潮層。一、瀝青材料天然瀝青天然瀝青是石油在自然條件下，經過千百萬年的時間，在溫度、壓力、氣體、無機物催化劑、微生物以及水分等綜合作用下氧化聚合而成的瀝青類物質。由于它常年與自然環(huán)境共存，故其性質特別穩(wěn)定。由瀝青、礦物質、水分構成。根據天然瀝青生成礦床的不同，可以分為：湖瀝青、巖瀝青、海底瀝青。

特立尼達湖瀝青（TriniadaLakeAsphalt）是世界上最為著名的天然瀝青之一，它產于南美洲加勒比海島國－風景秀麗的特立尼達和多巴哥境內的瀝青湖。該瀝青湖又叫彼奇湖，面積44萬平方米，深約82米，湖中瀝青儲量達1200萬噸，是世界上最大的天然瀝青產地。一、瀝青材料巖瀝青巖瀝青生成于巖石的夾縫中，縫寬很窄，僅數十厘米，深可達幾百米。天然巖瀝青是一種純天然的碳氫化合物，熔點在150℃以上，我國青海及克拉瑪依地區(qū)有所開采，但很少用于道路。美國北部猶他州的Uintah盆地的UNTAITE巖瀝青是世界上最為著名的巖瀝青。技術指標數值軟化點，℃160～175針入度，250比重1.04～1.06閃點，25℃315＋一、瀝青材料石油瀝青

石油瀝青，常溫下呈現固體，半固體或黏性液體，是由石油原油或石油衍生物經過常壓或減壓蒸餾，提煉出汽油、煤油、柴油、潤滑油等輕質油分后的殘渣，經加工制成的一種產品。按用途分類石油瀝青道路石油瀝青特種石油瀝青建筑石油瀝青普通石油瀝青一、瀝青材料石油瀝青的基本組成

根據JTJ052-2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中規(guī)有三組分和四組分分析法。三組分分析法：分為油分、樹脂和瀝青質三大組分。油分：油分賦予瀝青以流動性，是瀝青中最不易老化的成分。在瀝青中起著潤滑和柔軟作用，油分含量越高，瀝青軟化點越低，針入度越大，稠度降低。樹脂：溫度變化敏感，熔點低于100℃。它賦予瀝青以良好的粘結性、可塑性和流動性。中性樹脂比例愈高，瀝青的延性和粘結力等品質愈好。瀝青質：含量愈高，瀝青溫度敏感性愈低，粘性愈大，也更硬脆。三組份分析法的優(yōu)點：組分界限很明確，組分含量能在一定程度上說明工程性能。

缺點：分析流程復雜，分析時間長。一、瀝青材料

石油瀝青中還含２～３％的瀝青碳和似碳物，是石油瀝青中分子量最大的。它降低石油瀝青的粘結力。

石油瀝青中還含有蠟，它會降低石油瀝青的粘結性和塑性，同時對溫度特別敏感（即溫度穩(wěn)定性差）。所以蠟是石油瀝青的有害成分。四組分分析法：瀝青質、飽和分、芳香分和膠質。

瀝青質含量高，則瀝青粘度增大，溫度敏感性降低；

飽和分含量高則使瀝青粘度降低；

膠質含量增加可使瀝青延度增大。一、瀝青材料石油瀝青的結構

石油瀝青的結構在瀝青中，油分與樹脂互溶，樹脂浸潤瀝青質顆粒而在其表面形成薄膜，從而以地瀝青質為核心，周圍吸附部分樹脂和油分，構成膠團。

無數膠團分散在油分中形成膠體結構。石油瀝青的膠體結構包括溶膠、凝膠、溶-凝膠結構三種。溶膠結構：地瀝青質含量較少，膠團間完全沒有引力或引力很小，在外力作用下隨時間發(fā)展的變形特性與粘性液體一樣。直餾瀝青的結構多為溶膠結構。

特點：流動性和塑性較好，開裂后自行愈合能力較強，低溫時變形能力較強，但溫度穩(wěn)定性差，溫度過高會發(fā)生流淌。一、瀝青材料凝膠結構：瀝青質含量很多，膠團間有引力形成立體網狀，瀝青質分散在網格之間，在外力作用下彈性效應明顯。氧化瀝青多屬于凝膠結構。特點：彈性和粘性較高，溫度敏感性較小，流動性和塑性較差，開裂后自愈合能力較差。高溫穩(wěn)定性較好，低溫變形力差。溶-凝膠結構：介于溶膠與凝膠之間，并有較多的樹脂，膠團間有一定吸引力，在常溫下受力變形的最初階段呈現出明顯的彈性效應，當變形增加到一定數值后，則變?yōu)橛凶枘岬恼承粤鲃?。特點：高溫時具有低的感溫性，低溫時又具有較強的變形能力。大部分優(yōu)質道路瀝青均配成溶～凝膠型結構，具有粘彈性和觸變性，故亦稱彈性溶膠。一、瀝青材料(a)溶膠型結構(b)溶凝膠型結構(c)凝膠型結構黏滯性小，流動性大，塑性好，但穩(wěn)寫性差。彈性和黏滯性較高，流動性和塑性較，溫度敏感性小。性能介于溶膠結構和凝膠結構之間。大多數優(yōu)質石油瀝青屬于此結構。一、瀝青材料瀝青的主要技術性質密度瀝青密度指在規(guī)定溫度條件下，單位體積的質量。我國現行試驗規(guī)程中規(guī)定的溫度為15℃。也可能用相對密度表示。相對密度指在規(guī)定溫度下，瀝青質量與同體積水質量之比。熱脹系數瀝青在溫度上1℃時長度或體積的變化，分別用線脹系數和體脹系數表示。熱脹系數越大，瀝青路面在夏季越易泛油，冬季因收縮而易產生開裂。粘滯性

反映瀝青內部阻礙其相對流動的特性。常用測試方法：粘滯度、針入度一、瀝青材料塑性

瀝青在外力作用下產生變形的性質。石油瀝青的塑性與其組分有關，瀝青中樹脂含量多，且其他組分含量適當時，則塑性大。同一瀝青的塑性隨溫度升高而增大。

在常溫下塑性好的瀝青，對裂縫有自行愈合能力。故塑性反映了瀝青抵抗開裂和開裂后裂縫的愈合能力。而且塑性對沖擊荷載有緩沖作用，還能減少磨擦噪聲。所以瀝青是良好的柔性防水材料，也是良好的柔性道路路面材料。

瀝青的塑性以延度表示。延度愈大，表示塑性愈好。延度試驗是把瀝青制成橫8字形標準試件，在規(guī)定速度（5cm／min）和規(guī)定溫度（25℃）下，以拉斷時延伸的長度（cm）表示，拉得愈長，即延度愈大。一、瀝青材料延度

在規(guī)定的溫度條件下，按規(guī)定的速率拉伸瀝青試件至斷裂時的長度，單位cm。一、瀝青材料溫度穩(wěn)定性

瀝青材料的粘滯性、塑性等隨溫度的變化而變化的性能，稱為瀝青材料的溫度敏感性，簡稱感溫性。

瀝青一般為多種化合物的混合物，故沒有一定熔點。如果將它慢慢加熱，則會逐漸軟化而成為粘性液體；當溫度降低時，又逐漸由粘流態(tài)凝固成半固態(tài)、固態(tài)，甚至變硬變脆。不同的瀝青，這種變化的程度不同。工程要求瀝青隨溫度變化而發(fā)生性能變化的幅度應較小，也即溫度敏感性要小，以盡可能避免出現冬天變脆，夏天變粘甚至流淌等情形。所以溫度敏感性是瀝青的重要性質之一。一、瀝青材料

石油瀝青的感溫性與其組分有關，一般，瀝青質含量較多的，其感溫性較小；瀝青中的蠟含量較多的，其感溫性較大。所以在溫度升高時，多蠟瀝青首先發(fā)生流淌，而溫度降低時又變脆。故此，多蠟瀝青不能直接用于建筑工程。

在瀝青中摻入滑石粉、石灰石粉或其他礦物填料，能有效地降低瀝青的溫度敏感性。

測定瀝青溫度敏感性的試驗方法很多，我國以軟化點指標標志瀝青的感溫性，此外，還有低溫時常用到的脆點。一、瀝青材料軟化點測試示意圖

固態(tài)

液態(tài)硬化點

滴落點TR&B(℃)條件粘度粘度變化一、瀝青材料

測定軟化點的方法也很多，國內外一般都采用環(huán)球法。此法是把瀝青試樣裝入規(guī)定尺寸的小銀環(huán)內，試樣上放置一標準小鋼珠，一起浸入水或甘油中，以規(guī)定的升溫速度加熱，使瀝青軟化并在鋼珠重力作用下下垂，將瀝青下垂到規(guī)定距離時的溫度定為瀝青軟化點（℃）。軟化點溫度愈高，瀝青熱穩(wěn)定性愈好，也即溫度敏感性愈小。一、瀝青材料大氣穩(wěn)定性

石油瀝青在溫度、陽光、氧氣和干濕等因素的長期綜合作用下，其流動性、塑性逐漸減小，硬脆性增大甚至脆裂破壞。這個過程稱瀝青的老化。大氣穩(wěn)定性也就是瀝青的抗老化性能。瀝青的抗老化性能試驗，是將瀝青試件置于專用烘箱中加熱，在156℃溫度下讓其蒸發(fā)5小時，待其冷卻后測定重量損失和針入度損失值，以此作為抗老化指標。重量損失百分率愈小，蒸發(fā)后與蒸發(fā)前針入度比值愈大，則表示大氣穩(wěn)定性愈好，抗老化性能愈高。一、瀝青材料一、瀝青材料溶解度（純凈度）

溶解度是指石油瀝青在三氯乙烯、四氯化碳或苯中溶解的百分率，以表示石油瀝青中有效物質含量，也即純凈程度。因為那些不溶物如瀝青碳、固定碳等實質是一些瀝青老化的最終產物，會降低瀝青的性能，應視為不利成分而加以限制，即要求溶解度高為好。閃點、燃點和自然發(fā)火溫度

加熱瀝青時，其可燃性蒸氣和空氣的混合氣體與火苗接觸而著火，著火后又馬上熄滅，這個著火的最低溫度稱為瀝青的閃點。如對瀝青繼續(xù)加熱，經引火后，發(fā)生的火焰不會馬上熄滅而繼續(xù)燃燒，這時的最低溫度稱為燃點。閃點和燃點關系瀝青加熱作業(yè)時的安全操作。一、瀝青材料

燃點通常比閃點高，對道路瀝青，燃點比閃點一般約高3℃～6℃。建筑石油瀝青的閃點約為230℃，在熬制瀝青時，一般控制溫度為185℃～200℃。當加熱瀝青超過一定高溫后，那么，即使外部沒有火源，停留在瀝青表面的蒸氣和空氣的混合物也會自然發(fā)火。所以，在熱加工瀝青時，一定要注意控制溫度，不使瀝青過熱，發(fā)生著火危險。一、瀝青材料

石油瀝青的技術要求與選用（1）建筑石油瀝青的技術要求與選用建筑石油瀝青按其針入度值劃分為40號、30號、10號三個標號。牌號越高，針入度越大、延度越大、軟化點越低。

應用：主要用于屋面及地下防水、溝槽防水與防腐、管道防腐等工程。還可用于制作油氈、油紙、防水涂料和瀝青膠等建筑材料。

注意：用于屋面的瀝青材料的軟化點應比本地區(qū)屋面最溫度高20℃以上。一、瀝青材料（2）道路石油瀝青的技術要求與選用

道路石油瀝青按《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTGF40－2004)分為30、50、70、90、110、130和160七個標號。按技術性能分為A、B、C三個等級：

道路瀝青的牌號較多，選用時應根據地區(qū)氣候條件、施工季節(jié)氣溫、路面類型、施工方法等按有關標準選用。

道路石油瀝青還可作密封材料和粘結劑以及瀝青涂料等。一、瀝青材料改性瀝青

瀝青改性的必要性和作用：普通石油瀝青材料在低溫條件下容易變硬發(fā)脆，產生裂縫，感溫性強；長期受太陽光中的紫外線作用，夏季高溫軟化，以致熱解流淌，反復的熱脹冷縮可引起瀝青內應力的變化。在氧和臭氧等的綜合作用下，瀝青中化學組分不斷轉變，先是油質揮發(fā)，瀝青脂膠的含量減少，塑性下降，脆性增加，粘結力減低，產生龜裂而“老化”。對瀝青進行改性，可以提高瀝青的強度、塑性、耐熱性、粘結性和抗老化性。常用橡膠、樹脂和礦物填料等改性。橡膠、樹脂和礦物填料等通稱為石油瀝青的改性材料。一、瀝青材料改性瀝青按改性劑的不同，一般將其分為四類。（1）橡膠改性瀝青

橡膠是瀝青的重要改性材料。它和瀝青有較好的混溶性，并能使瀝青具有橡膠的很多優(yōu)點，如高溫變形性小，低溫柔性好。由于橡膠的品種不同，摻入的方法也有所不同，而各種橡膠瀝青的性能也有差異?，F將常用的幾種分述如下。

氯丁橡膠改性瀝青

瀝青中摻入氯丁橡膠后，可使其氣密性、低溫柔性、耐化學腐蝕性和耐氣候性等得到改進。氯丁橡膠改性瀝青的生產方法有溶劑法和水乳法。溶劑法是先將氯丁橡膠溶于一定的溶劑中形成溶液，然后摻入瀝青中，混合均勻即成為氯丁橡膠改性瀝青。水乳法是將橡膠和石油瀝青分別制成乳液，再混合均勻即可使用。

氯丁橡膠改性瀝青可用于路面的稀漿封層和制作密封材料和涂料等。一、瀝青材料丁基橡膠改性瀝青

丁基橡膠改性瀝青的配制方法與氯丁橡膠瀝青類似，而且較簡單一些。將丁基橡膠碾切成小片，在攪拌條件下把小片加到100℃的溶劑中(不得超過110℃)，制成濃溶液。同時將瀝青加熱脫水熔化成液體狀瀝青。通常在100℃左右把兩種液體按比例混合攪拌均勻進行濃縮15min～20min，達到要求性能指標。丁基橡膠在混合物中的含量一般為2%～4%。同樣也可以分別將丁基橡膠和瀝青制備成乳液，然后再按比例把兩種乳液混合即可。

丁基橡膠改性瀝青具有優(yōu)異的耐分解性，并有較好的低溫抗裂性能和耐熱性能，多用于道路路路面工程和制作密封材料和涂料。SBS改性瀝青

SBS是熱塑性彈性體苯乙烯—丁二烯嵌段共聚物，它兼有橡膠和樹脂的特性，常溫下具有橡膠的彈性，高溫下又能像樹脂那樣熔融流動，成為可塑的材料。SBS改性瀝青具有良好的耐高溫性、優(yōu)異的低溫柔性和耐疲勞性，SBS改性瀝青具有以下特點。(1)彈性好，延伸率大，延度可達2000%。(2)低溫柔性大大改善，冷脆點降至-40℃。(3)熱穩(wěn)定性提高，耐熱度達90～100℃。(4)耐候性好。

SBS改性瀝青是目前應用最成功和用量最大的一種改性瀝青。SBS的摻量一般為3%～10%。主要用于制作防水卷材和鋪筑高等級公路路面等。一、瀝青材料（2）樹脂改性瀝青

用樹脂改性石油瀝青，可以改進瀝青的耐寒性、耐熱性、粘結性和不透氣性。由于石油瀝青中含芳香性化合物很少，故樹脂和石油瀝青的相容性較差，而且可用的樹脂品種也較少。常用的樹脂有古馬隆樹脂、聚乙烯、乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)，無規(guī)聚丙烯APP等。古馬隆樹脂改性瀝青

古馬隆樹脂又名香豆桐樹脂，呈粘稠液體或固體狀，淺黃色至黑色，易溶于氯化烴、酯類、硝基苯等，為熱塑性樹脂。

將瀝青加熱熔化脫水，在150℃～160℃情況下，把古馬隆樹脂放人熔化的瀝青中，并不斷攪拌，再把溫度升至185℃～190℃，保持一定時間，使之充分混合均勻，即得到古馬隆樹脂瀝青。樹脂摻量約40%。這種瀝青的粘性較大。聚乙烯樹脂改性瀝青

在瀝青中摻入5%～10%的低密度聚乙烯，采用膠體磨法或高速剪切法即可制得聚乙烯樹脂改性瀝青。聚乙烯樹脂改性瀝青的耐高溫性和耐疲勞性有顯著改善，低溫柔性也有所改善。一般認為，聚乙烯樹脂與多蠟瀝青的相容性較好，對多蠟瀝青的改性效果較好。一、瀝青材料

APP改性瀝青

APP是聚丙烯的一種，根據甲基的不同排列。聚丙基分無規(guī)聚丙烯、等規(guī)聚丙烯和間規(guī)聚丙烯三種。APP即無規(guī)聚丙烯，其甲基無規(guī)地分布在主鏈兩側。

無規(guī)聚丙烯為黃白色塑料，無明顯熔點，加熱到150℃后才開始變軟。它在250℃左右熔化，并可以與石油瀝青均勻混合。APP改性瀝青與石油瀝青相比，其軟化點高，延度大，冷脆點降低，粘度增大，具有優(yōu)異的耐熱性和抗老化性，尤其適用于氣溫較高的地區(qū)。主要用于制造防水卷材。（3）橡膠和樹脂改性瀝青

橡膠和樹脂同時用于改善瀝青的性質，使瀝青同時具有橡膠和樹脂的特性。且樹脂比橡膠便宜，橡膠和樹脂又有較好的混溶性，故效果較好。

橡膠、樹脂和瀝青在加熱融熔狀態(tài)下，瀝青與高分子聚合物之間發(fā)生相互侵入和擴散，瀝青分子填充在聚合物大分子的間隙內，同時聚合物分子的某些鏈節(jié)擴散進入瀝青分子中，形成凝聚的網狀混合結構，故可以得到較優(yōu)良的性能。

配制時，采用的原材料品種、配比和制作工藝不同，可以得到很多性能各異的產品。主要有卷、片材，密封材料，防水涂料等。一、瀝青材料（4）礦物填料改性瀝青

為了提高瀝青的粘結能力和耐熱性，降低瀝青的溫度敏感性，經常加入一定數量的礦物填料。礦物填料的品種

常用的礦物填料大多是粉狀的和纖維狀的，主要的有滑石粉、石灰石粉、硅藻土和石棉等?；?，主要化學成分是含水硅酸鎂，親油性好(憎水)，易被瀝青潤濕，可直接混入瀝青中，以提高瀝青的機械強度和抗老化性能，可用于具有耐酸、耐堿、耐熱和絕緣性能的瀝青制品中。石灰石粉，主要成分為碳酸鈣，屬親水性的巖石，但其親水程度比石英粉弱，而最重要的是石灰石粉與瀝青有較強的物理吸附力和化學吸附力，故是較好的礦物填料。礦物填料的作用機理：瀝青中摻入礦物填料后，能被瀝青包裹形成穩(wěn)定的混合物。一要瀝青能潤濕礦物填料；二要瀝青與礦物填料之間具有較強的吸附力，并不為水所剝離。

一般具有共價鍵或分子鍵結合的礦物屬憎水性即親油性的，如滑石粉等，對瀝青的親合力大于對水的親合力，故滑石粉顆粒表面所包裹的瀝青即使在水中也不會被水所剝離。一、瀝青材料

另外，具有離子鍵結合的礦物如碳酸鹽、硅酸鹽等，屬親水性礦物，即有憎油性。但是，因瀝青中含有酸性樹脂，它是一種表面活性物質，能夠與礦物顆粒表面產生較強的物理吸附作用。如石灰石粉顆粒表面上的鈣離子和碳酸根離子，對樹脂的活性基團有較大的吸附力，還能與瀝青酸或環(huán)烷酸發(fā)生化學反應形成不溶于水的瀝青酸鈣或環(huán)烷酸鈣，產生化學吸附力，故石灰石粉與瀝青也可形成穩(wěn)定的混合物。

從以上分析可以認為，由于瀝青對礦物填料的潤濕和吸附作用，瀝青可能成單分子狀排列在礦物顆粒(或纖維)表面，形成結合力牢固的瀝青薄膜，有的將它稱為結構瀝青。結構瀝青具有較高的粘性和耐熱性等。因此，瀝青中摻入的礦物填料的數量要適當，以形成恰當的結構瀝青膜層。一、瀝青材料