同濟土木工程材料瀝青材料

2.0前言瀝青是最古老的石油產(chǎn)品。瀝青一般是指有高分子的烴類和非烴類組成的黑色到褐色固態(tài)或者半固態(tài)粘稠物質(zhì)，主要由石油煉制而得或天然形成。瀝青可用于道路建設(shè)、水力工程、防水防腐、油漆涂料、絕緣材料等，其中主要用于道路工程。目前全世界石油瀝青的生產(chǎn)能力約12億噸/年，年生產(chǎn)能力超過200萬噸的國家有11個。美國3400萬噸/年。第一頁，共67頁。第一頁，共67頁。我國道路瀝青消費量瀝青消費量（Mt）隨著我國公路建設(shè)快速發(fā)展，道路瀝青消費量逐漸增加，2004年突破1000萬噸。。第二頁，共67頁。第二頁，共67頁。我國道路瀝青生產(chǎn)能力瀝青（Mt）國產(chǎn)瀝青明顯增加，進口瀝青總量基本穩(wěn)定，占市場份額的25～30％。第三頁，共67頁。第三頁，共67頁。瀝青的定義：在高度縮合的環(huán)烷環(huán)、芳香環(huán)上帶有長短不同的烷基側(cè)鏈的碳氫化合物，及其非金屬（O、S、N）衍生物組成的混合物，并含有微量元素顏色：暗褐色或黑色形態(tài)：常溫下為固體或半固體瀝青是黑色或暗黑色固體、半固體或粘稠狀物體，由天然或人工制造而得，主要為高分子烴類組成，可溶于苯或二硫化炭。第四頁，共67頁。第四頁，共67頁。瀝青的分類：①

地瀝青天然瀝青：湖瀝青、巖瀝青、海底瀝青石油瀝青：用石油經(jīng)開采、精練加工而得到的按來源分類：按用途分類：道路瀝青（pavingasphalt）：主要用于道路建筑水工瀝青（hydraulicasphalt）：水力工程中修筑水壩、蓄水池等管道防腐瀝青（asphaltusedasaprotectingcoatingforpiping)建筑瀝青（asphaltforroofingandwaterroofing）②焦油瀝青煤瀝青木瀝青頁巖瀝青第五頁，共67頁。第五頁，共67頁。2.1石油瀝青2.1.1石油瀝青的生產(chǎn)工藝簡介插圖石油的基屬分類分類指標：“關(guān)鍵餾分特性”和“含硫量”。1)關(guān)鍵餾分特性分類關(guān)鍵餾分：“第一關(guān)鍵餾分”：常壓下，250~275C的餾分“第二關(guān)鍵餾分”：減壓下（5.33kPa），275~300C的餾分特征參數(shù)：相對密度特性因素K第六頁，共67頁。第六頁，共67頁。瀝青是石油工業(yè)的副產(chǎn)品第七頁，共67頁。第七頁，共67頁。關(guān)鍵餾分石蠟基中間基環(huán)烷基第一關(guān)鍵餾分相對密度<0.8207;特性因素>11.9相對密度0.8207~0.8506;特性因素>11.5~11.9相對密度>0.8506;特性因素<11.5第二關(guān)鍵餾分相對密度<0.8721;特性因素>12.2相對密度0.8721~0.9302;特性因素>11.5~12.1相對密度>0.9302;特性因素<11.5關(guān)鍵餾分基屬分類指標第八頁，共67頁。第八頁，共67頁?；鶎俜诸悾河蓛蓚€關(guān)鍵餾分的特征參數(shù)和K確定石油基屬第一關(guān)鍵餾分基屬石蠟基（P）

中間基（M）環(huán)烷基（N）第二關(guān)鍵餾分基屬

石蠟基（P）石蠟基（P）中間—石蠟基（M-P）—中間基（M）石蠟—中間基

（P-M）中間基（M）環(huán)烷基—中間基（N-M）環(huán)烷基（N）—中間—環(huán)烷基（M-N）環(huán)烷基（N）第九頁，共67頁。第九頁，共67頁。2)含硫量的分類低硫：含硫量＜0.5%；含硫：0.5～2.0%；高硫：含硫量＞2.0%。3）石油基屬與瀝青路用性能的關(guān)系按照路用性能優(yōu)排隊：環(huán)烷基＞中間基＞石蠟基大慶－－低硫石蠟基；勝利－－含硫中間基；渤海SZ36-1－－含硫環(huán)烷基；伊朗－－含硫中間基；沙特重質(zhì)油－－高硫中間基；阿拉斯加－－含硫環(huán)烷－中間基；第十頁，共67頁。第十頁，共67頁。世界各地生產(chǎn)近1500種不同的原油，其中只有260種適于制造道路瀝青。在調(diào)合和氧化工藝的配合下可以擴大到600種原油，這些原油的產(chǎn)地主要集中在美國、中東、加勒比海周圍諸國和俄羅斯聯(lián)邦。第十一頁，共67頁。第十一頁，共67頁。2.1.1.2石油瀝青生產(chǎn)工藝概述第十二頁，共67頁。第十二頁，共67頁。2.1.1.2石油瀝青生產(chǎn)工藝概述第十三頁，共67頁。第十三頁，共67頁。常壓爐常壓塔減壓爐減壓塔瀝青

常減壓蒸餾工藝原油汽油、柴油餾分油瀝青的生產(chǎn)第十四頁，共67頁。第十四頁，共67頁。常壓爐常壓塔減壓爐減壓塔氧化塔

原油汽油、柴油餾分油瀝青瀝青的生產(chǎn)常減壓蒸餾--氧化工藝第十五頁，共67頁。第十五頁，共67頁。原油→常壓渣油→減壓渣油→粘稠瀝青直餾瀝青（Straightasphalt）：原油蒸餾后所得到的復(fù)合一定規(guī)格的石油瀝青。較好的變形能力，溫度敏感性較大。氧化瀝青（oxidizedasphalt）將空氣通入熱瀝青中制得的一種石油瀝青較好的溫度穩(wěn)定性.液體瀝青（liquidasphalt）：在粘稠瀝青中摻加煤油、汽油、柴油乳化瀝青（Emulsifedasphalt）：水＋乳化劑＋瀝青第十六頁，共67頁。第十六頁，共67頁。2.1.2石油瀝青的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)2.1.2.1石油瀝青的化學(xué)元素組成主要化學(xué)元素：碳C氫H硫S氧O氮N82~88%；8~11%；0~6%；0~1.5%；0~1%微量金屬元素：釩、鎳、鐵、鎂和鈣氫碳比：H/C大慶：H/C=1.70勝利：H/C=1.62沙中：H/C=1.42第十七頁，共67頁。第十七頁，共67頁。2.1.2.2石油瀝青的化學(xué)組分化學(xué)組分：化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、路用性能三組分→多組分四組分：飽和分－S芳香分－A膠質(zhì)－R瀝青質(zhì)－At第十八頁，共67頁。第十八頁，共67頁。直鏈和支鏈脂肪烴及環(huán)烷烴、芳香烴組成，非極性，含量5～20％飽和分芳香分膠質(zhì)瀝青質(zhì)瀝青中最低分子量的環(huán)烷芳香烴組成，平均分子量300～2000，含量40～65％主要由C、H組成，并含有S、N、O等雜原子，是瀝青質(zhì)的溶劑和擴散劑。一定程度上決定膠體類型（溶膠、凝膠）最重的組分，平均分子量1000～100000，含量1～20％第十九頁，共67頁。第十九頁，共67頁。表2-1瀝青四組分對瀝青性能的影響

組分分子量高溫粘度低溫變形能力化學(xué)穩(wěn)定性飽和分S500~700××√芳香分A800~900×√×膠質(zhì)R1200~1300√√×瀝青質(zhì)At1000~2000√×—蠟（正構(gòu)烷烴）：高溫軟化、低溫結(jié)晶析出。主要存在于飽和分中，分為結(jié)晶和非結(jié)晶蠟。第二十頁，共67頁。第二十頁，共67頁。2.1.2.3瀝青的膠體結(jié)構(gòu)膠體結(jié)構(gòu)模型：分散相——瀝青質(zhì)At吸附膠體R→膠團，分散介質(zhì)——飽和分S、芳香分A

瀝青質(zhì)是核心，一些瀝青質(zhì)聚集在一起，膠質(zhì)吸附在表面，逐漸向外擴散，而使瀝青質(zhì)的膠核溶于油分（飽和分＋芳香分）中。第二十一頁，共67頁。第二十一頁，共67頁。1)溶膠型結(jié)構(gòu)

At的分子量低、數(shù)量少

——直餾瀝青、液體瀝青

特點：高溫粘度較低

冷卻時為脆性固體

具有牛頓流動特性

（剪應(yīng)力與剪變率呈線性）溶膠型結(jié)構(gòu)示意圖第二十二頁，共67頁。第二十二頁，共67頁。2)凝膠型結(jié)構(gòu)

At分子量大、數(shù)量多—氧化瀝青、老化瀝青

特點：變形能力差，脆性；溫度敏感性低3)溶凝膠型結(jié)構(gòu)瀝青質(zhì)含量適當，并有較多膠質(zhì)作為保護，膠團之間具有一定吸引力。大多優(yōu)質(zhì)道路瀝青屬于這種類型。第二十三頁，共67頁。第二十三頁，共67頁。第二節(jié)石油瀝青的技術(shù)性質(zhì)一、物理性質(zhì)1）密度：d25或d15

d瀝青質(zhì)＞d膠質(zhì)＞d芳香分＞d飽和分2）體膨脹系數(shù)a：

Vt=V0+at3）介電常數(shù)：與瀝青耐老化性有關(guān)；英國研究認為路面抗滑阻力的改善與介電常數(shù)有關(guān)。瀝青克拉瑪依歡喜嶺SHELL伊朗相對密度0.97311.0041.0341.030第二十四頁，共67頁。第二十四頁，共67頁。

二、粘滯性1）瀝青粘度的表示式

圖4-5牛頓液體⑴

牛頓液體→粘度（單位：Pa?s）

圖4-6τ與應(yīng)變速率

⑵非牛頓液體→視粘度或表觀粘度C－復(fù)合流動系數(shù)第二十五頁，共67頁。第二十五頁，共67頁。2）瀝青粘度測定方法

⑴絕對粘度測定方法①毛細管粘度示意圖1②旋轉(zhuǎn)粘度示意圖2③滑板粘度第二十六頁，共67頁。第二十六頁，共67頁。毛細管粘度儀示意圖在嚴格控制溫度和真空度的條件下，測定一定體積瀝青被吸過毛細管所需要的時間第二十七頁，共67頁。第二十七頁，共67頁。旋轉(zhuǎn)粘度計：測定瀝青施工溫度區(qū)的粘度雙筒旋轉(zhuǎn)粘度計CCR第二十八頁，共67頁。第二十八頁，共67頁。圖2-5牛頓液體受力示意圖

η—粘滯系數(shù)第二十九頁，共67頁。第二十九頁，共67頁。圖2-6應(yīng)力與剪應(yīng)變速率的關(guān)系示意圖

c——瀝青的復(fù)合流動系數(shù)第三十頁，共67頁。第三十頁，共67頁。⑵條件粘度測定方法①標準粘度計法CT,d——單位s圖4-7標準粘度計②針入度法PT,m,t——單位0.1mm圖4-8針入度法③軟化點TR&B——單位℃圖4-9軟化點測試（表征瀝青熱穩(wěn)定性）★針入度是等溫粘度

★軟化點是等粘溫度

第三十一頁，共67頁。第三十一頁，共67頁。三、延性和脆性

延（展）性：瀝青受到外來作用時，所能承受的塑性變形的能力。

延度——單位cm，反映瀝青的塑性圖4-10瀝青延度脆性：瀝青在低溫條件下，受到瞬間荷載作用，常表現(xiàn)脆性破壞。2)脆點TFrass

——單位℃，反映瀝青低溫變形能力圖瀝青脆點儀

瀝青的三態(tài)：流動————橡膠————玻璃軟化點脆點低溫高溫第三十二頁，共67頁。第三十二頁，共67頁。圖4-7標準粘度計

測定液體瀝青示意圖規(guī)定的溫度條件下，通過規(guī)定的流孔直徑，流出50mL體積所需時間，以s為單位。如C25，5=100，表示試驗溫度25℃，流孔直徑5mm，需要時間100s。

第三十三頁，共67頁。第三十三頁，共67頁。圖2-8針入度法測定粘稠瀝青針入度示意圖在規(guī)定溫度條件下，以規(guī)定質(zhì)量的標準針經(jīng)過規(guī)定時間貫入瀝青試樣的深度，以1/10mm為單位P25,100,5=60表示：試驗溫度25℃質(zhì)量100g歷時5s貫入瀝青深度6mm第三十四頁，共67頁。第三十四頁，共67頁。圖2-9軟化點測試示意圖

條件粘度硬化點滴落點TR&B(℃)取滴落點與硬化點之間溫度間隙87.21％作為軟化點。產(chǎn)生25.4mm垂度時的溫度。第三十五頁，共67頁。第三十五頁，共67頁。圖4-10瀝青延度測試示意圖第三十六頁，共67頁。第三十六頁，共67頁。圖4-11瀝青脆點儀和彎曲器第三十七頁，共67頁。第三十七頁，共67頁。四、瀝青的感溫性感溫性：瀝青的粘度隨溫度的不同而產(chǎn)生明顯的變化的特性感溫性評價指標：針入度指數(shù)（PI）針入度粘度指數(shù)PVN粘度溫度數(shù)VTNlogP=AT+K第三十八頁，共67頁。第三十八頁，共67頁。1）針入度指數(shù)PI的計算1）針入度與溫度的關(guān)系（普費、范德波爾等）針入度與溫度關(guān)系logP=AT+K2）針入度指數(shù)的確定（普費等人）

令：感溫性最大A=∞，PI值為-10感溫性最小A=0，PI值為+20

第三十九頁，共67頁。第三十九頁，共67頁。A的確定方法:①②2)針入度-溫度感應(yīng)性系數(shù)A的確定方法第四十頁，共67頁。第四十頁，共67頁。針入度-溫度感應(yīng)性系數(shù)A的確定方法③

通過幾組數(shù)據(jù)的回歸④查圖第四十一頁，共67頁。第四十一頁，共67頁。3）針入度指數(shù)與膠體結(jié)構(gòu)的關(guān)系PI<-2→溶膠型瀝青PI>+2→凝膠型瀝青PI=-2~+2→溶凝膠型瀝青4）當量軟化點（T800）和當量脆點值（T1.2）

由logP=AT+K：P=800P=1.2第四十二頁，共67頁。第四十二頁，共67頁。瀝青的技術(shù)性質(zhì)粘滯性：瀝青抵抗剪切變形的能力評價指標：粘度——內(nèi)摩阻力（粘滯系數(shù)）針入度——稠度、粘度

軟化點——粘度、感溫性延性評價指標：延度——塑性感溫性：瀝青的粘度隨溫度的不同而產(chǎn)生明顯的變化的特性評價指標：針入度指數(shù)——感溫性、膠體結(jié)構(gòu)

軟化點第四十三頁，共67頁。第四十三頁，共67頁。五、瀝青的粘彈性1）瀝青材料的粘-彈性現(xiàn)象插圖

蠕變—在應(yīng)力保持不變的情況下，應(yīng)變隨時間增加而增加

應(yīng)力松弛—在保持應(yīng)變不變的情況下，應(yīng)力隨時間增加逐漸衰減插圖

2）瀝青的勁度模量

定義：在一定溫度、荷載作用時間條件下，瀝青彈性變形部分與永久變形部分的比例。S=(/

)t,T

確定方法：滑板粘度試驗瀝青勁度模量諾模圖：①荷載作用時間②路面溫度差:Tp-TR&B③瀝青的PI第四十四頁，共67頁。第四十四頁，共67頁。瀝青材料的粘－彈性現(xiàn)象第四十五頁，共67頁。第四十五頁，共67頁。蠕變與應(yīng)力松弛現(xiàn)象蠕變——在應(yīng)力保持不變的情況下，應(yīng)變隨時間增加而增加的現(xiàn)象應(yīng)力松弛——在保持應(yīng)變不變的情況下，應(yīng)力隨時間的增加而逐漸減弱（衰減）的現(xiàn)象第四十六頁，共67頁。第四十六頁，共67頁。由針入度指數(shù)預(yù)測瀝青勁度第四十七頁，共67頁。第四十七頁，共67頁。圖2-15瀝青勁度模量諾模圖

①時間標尺：荷重作用時間(t)或頻率(ω)②溫度標尺：路面溫度差（TP－TR&B）③瀝青針入度指數(shù)PI標尺④勁度模量標尺第四十八頁，共67頁。第四十八頁，共67頁。六、瀝青的粘附性

——反映瀝青與集料的粘結(jié)能力水損害影響因素：集料的親水性（石料對水的親和力大于對瀝青的親和力）瀝青的粘度與極性（瀝青中極性物質(zhì)－瀝青酸、酸酐）瀝青混合料的空隙率評價方法：水煮法和水浸法試樣

光電分光光度法

以顏料作為示蹤劑，此顏料對集料吸附，對瀝青不吸附。應(yīng)用分光光度劑很快測定出濃度變化。第四十九頁，共67頁。第四十九頁，共67頁。瀝青路面坑洞1第五十頁，共67頁。第五十頁，共67頁。第五十一頁，共67頁。第五十一頁，共67頁。瀝青路面坑洞1第五十二頁，共67頁。第五十二頁，共67頁。水煮法試樣第五十三頁，共67頁。第五十三頁，共67頁。七、瀝青的耐久性——瀝青的“老化”現(xiàn)象：瀝青性質(zhì)隨著時間推移而發(fā)生變化→變脆變硬→老化針入度下降、粘度增加、軟化點增加、瀝青變硬過程：貯存運輸加熱拌和使用原因：熱、氧氣、紫外線等下→輕質(zhì)組分揮發(fā)；氧化、組分轉(zhuǎn)化老化前后瀝青紅外光譜（1700cm－1）第五十四頁，共67頁。第五十四頁，共67頁。第五十五頁，共67頁。第五十五頁，共67頁。老化對瀝青組分的影響組分勝利100號瀝青老化前老化后飽和分11.611.8芳香分40.738.7膠質(zhì)42.835.9瀝青質(zhì)4.511.0老化對瀝青膠體結(jié)構(gòu)的影響溶膠溶凝膠溶凝膠凝膠第五十六頁，共67頁。第五十六頁，共67頁。老化性能評價方法①蒸發(fā)損失試驗：質(zhì)量損失、針入度比、延度將50g瀝青加入直徑55mm深35mm的器皿中163℃、5h

②薄膜加熱試驗插圖4-17

③旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗插圖4-18④PAV壓力老化試驗插圖八、安全性——閃點和燃點石油瀝青：克利夫蘭開口杯法（COC）液體瀝青：泰格式開口杯法（TOC）閃點：出現(xiàn)瞬間藍色火焰；燃點：持續(xù)5s火焰第五十七頁，共67頁。第五十七頁，共67頁。圖4-17瀝青薄膜加熱烘箱示意圖

試件：50g瀝青試樣，膜厚度～3mm試驗條件：163℃，5h試驗指標：質(zhì)量損失針入度比延度圓盤：內(nèi)徑139.7mm深9.5mm第五十八頁，共67頁。第五十八頁，共67頁。圖4-18瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱烘箱示意圖

試件：35g瀝青試樣，裝入高140mm，直徑64mm開口玻璃瓶試驗條件：163℃，75min4000ml/min，15RPM第五十九頁，共67頁。第五十九頁，共67頁。PAV壓力老化試驗儀試件：RTFOT后的薄膜試樣試驗條件：90～110℃，20h，2.07MPa第六十頁，共67頁。第六十頁，共67頁。瀝青閃點儀示意圖第六十一頁，共67頁。第六十一頁，共67頁。第三節(jié)石油瀝青的技術(shù)標準一、重交通道路石油瀝青質(zhì)量要求按P25分級：AH-50、AH-70、AH-90、AH-110和AH-13040~6060~8080~9090～110110~130其它指標：軟化點、延度(15oC)、含蠟量、溶解度、閃點、密度(15