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1、第11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,沥青的分类：, 地沥青 天然沥青：湖沥青、岩石沥青、海底沥青 石油沥青：用石油经开采、精炼加工而得到的 焦油沥青 煤沥青 木沥青,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
2、青 岩沥青 海底沥青,（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之一，它产于南美洲加勒比海岛国风景秀丽的特立尼达和多巴哥境内的沥青湖。该沥青湖又叫彼奇湖，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,（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。美国北部犹他州的Uintah盆地的UNTAITE岩沥青是世界上最为著名的岩沥青。,我国道路沥青生产量,道
3、路沥青产量，万顿,11. 沥青材料,主要内容 石油沥青的组成与性能的关系 沥青的技术性质和技术指标 改性沥青与乳化沥青,11.1 石油沥青,11.1.1 石油沥青的生产工艺简介插图 11.1.1.1石油的基属分类 分类指标：“关键馏分特性”和“含硫量”。 1) 关键馏分特性分类 关键馏分： “第一关键馏分”：常压下，250275C的馏分 “第二关键馏分”：减压下（5.33kPa） ， 275300C的馏分,基属分类：由两个关键馏分的特征参数和K确定,2) 含硫量的分类 低硫原油：含硫量0.5%； 含硫原油：0.53%； 高硫原油：含硫量3%。 3）石油基属与沥青路用性能的关系 按照路用性能优排
4、队：环烷基中间基石蜡基,11.1.1.2 石油沥青生产工艺概述,原油常压渣油减压渣油粘稠沥青,直馏沥青：较好的变形能力，温度敏感性较大 氧化沥青：较好的温度稳定性 溶剂沥青：丙烷 液体沥青：在粘稠沥青中掺加煤油、汽油、柴油 调配沥青：调和沥青、混合沥青 乳化沥青：水乳化剂沥青,11.1.2 石油沥青的化学组成和结构,11.1.2.1 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、镁和钙 碳氢比：C/H 大庆石油沥青：C/H=0.657 某环烷基石油沥青：C/H=0.710,11.1.
5、2.2 石油沥青的化学组分,化学组分：化学性质、物理性质、路用性能 三组分多组分,四组分： 饱和分S 芳香分A 胶质R 沥青质At,表11-1 沥青四组分对沥青性能的影响,蜡分：高温软化、低温结晶析出,11.1.2.3 沥青的胶体结构,胶体：分散相At吸附R胶团 分散介质S、A 1) 溶胶型结构 At的分子量低、数量少 直馏沥青、液体沥青 特点：高温粘度较低,2) 凝胶型结构 At分子量大、数量多氧化沥青、老化沥青 特点：变形能力差，脆性,3) 溶胶凝胶型结构,石油沥青的基本性能,11.1.3 石油沥青的技术性质,11.1.3.1物理性质 1）密度：d25或d15 d沥青质d胶质d芳香分d饱和
6、分 2）体膨胀系数A： A=（DT2-DT1）/DT1（T1-T2） 3）介电常数,11.1.3 石油沥青的技术性质,粘滞性 延性和脆性 感温性 粘弹性 粘附性 耐久性,11.1.3.2 粘滞性,1）沥青的粘度 图4- 5牛顿液体 牛顿液体粘度 （单位：Pas） 图4- 6 与应变速率 非牛顿液体视粘度或表观粘度 C复合流动系数 动力粘度和运动粘度,F,dV,dy,牛顿液体受力示意图,粘滞系数（粘度）,u,应力与剪应变速率的关系示意图,c沥青的复合流动系数,2）沥青粘度测定方法, 绝对粘度测定方法 A 毛细管法 B真空毛细管法示意图1 C旋转粘度示意图2滑板粘度示意图3 D布洛克菲尔德法,在严
7、格控制温度和真空度的条件下，测定一定体积沥青被吸过毛细管所需要的时间,真空毛细管粘度仪试验示意图,14,u,Concentric Cylinder,Concentric Cylinder,Rheometers,旋转粘度计：测定沥青施工温度区的粘度,双筒旋转粘度计CCR,旋转粘度试验示意图,滑板粘度试验示意图, 条件粘度测定方法, 标准粘度计法CT,d 单位 s 图4-7标准粘度计 针入度法PT,m,t 单位0.1mm图4-8针入度法 软化点TR&B 单位图4-9 软化点测试 （表征沥青热稳定性） 针入度是等温粘度 软化点是等粘温度,标准粘度计 测定液体沥青示意图,规定的温度条件下，通过规定的流
8、孔直径，流出50mL体积所需时间，以s为单位。 如：C25，5=100 表示：试验温度25， 流孔直径5mm， 时间100s。,针入度法测定粘稠沥青针入度示意图,在规定温度条件下，以规定质量的标准针经过规定时间贯入沥青试样的深度，以0.1mm为单位 如：P25,100,5=60 表示：试验温度25 荷载质量100g 历时5s 贯入沥青深度6mm,粘度变化,软化点测试示意图,固态 液态 硬化点 滴落点,T R&B(),条件粘度,粘度变化,11.1.3.3延性和脆性,1) 延度D单位cm，反映沥青的塑性 图4-10 沥青延度 2) 脆点TFrass 单位，反映沥青低温变形能力 图沥青脆点仪 沥青的
9、三态：流动橡胶玻璃 软化点 脆点 3)弯曲梁流变试验BBR 4)直接拉伸试验DTT,在规定的温度条件下，按规定的速率拉伸沥青试件至断裂时的长度，单位cm。,沥青延度测试示意图,沥青脆点仪和弯曲器,在规定的速率下降温，等速弯曲11次/min，记录沥青薄膜的开裂温度，单位。,11.1.3.4 沥青的感温性,沥青的粘度等性能随温度的不同而产生明显的变化的特性,针入度温度关系,logP=AT+K,A针入度温度感应性系数,A值的确定方法,温度T,lgP,25,P25,TR&B,PR&B,6001000, 数组（Pi,Ti）进行回归,2）针入度指数PI的确定,令：感温性最大A=，PI值为-10 感温性最小
10、A=0，PI值为+20,logP=AT+K,PI与沥青感温性的关系, 针入度指数的确定方法, 已知条件：不同温度下的针入度（Pi、Ti）（2组以上） 或针入度与软化点 计算方法 计算A值PI 查图,3）当量软化点（T800）和当量脆点值（T1.2）,由logP=AT+K： P800 P1.2 4）针入度指数与胶体结构的关系 PI+2 凝胶型沥青 PI=-2+2 溶凝胶型沥青,感温性： 沥青的粘度随温度的不同而产生明显的变化的特性 感温性评价指标： 针入度指数（PI） 针入度粘度指数PVN 粘度温度数VTN,11.1.3.5 沥青的粘弹性,1）沥青材料的粘-弹性现象插图 蠕变在应力保持不变的情况
11、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插图,沥青材料的粘弹性现象,蠕变与应力松弛现象,蠕变在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加的现象,应力松弛在保持应变不变的情况下，应力随时间的增加而逐渐减弱（衰减）的现象,11.1.3.5 沥青的粘弹性插图,2）沥青的劲度模量 定义： S=( / ) t, T 确定方法： 滑板粘度试验 沥青劲度模量诺模图： 荷载作用时间 路面温度差: Tp-TR&B 沥青的PI,由针入度指数预测沥青劲度,时间 t,变形 ,温度T1,温度T2,弹性,粘性,沥青材料的粘弹性现象,11.1.3.6 沥青的粘附性 反映沥青与集料的粘
12、结能力水损害,影响因素： 集料的亲水性： SiO2 : 0% 52% 65% 碱性集料 中性集料 酸性集料 沥青的粘度与极性 沥青混合料的空隙率 评价方法： 水煮法和水浸法试样 光电分光光度法,沥青路面坑洞,沥青路面坑洞,沥青路面坑洞,损坏机理分析 环境与路面因素,动水压力导致雨水进入路面，并积聚于层底； 重复荷载导致沥青-集料剥离,水煮法试样,水煮法试样,水煮法试样,11.1.3.7 沥青的耐久性沥青的“老化”,现象：沥青性质随着时间推移而发生变化 变脆变硬老化 针入度下降、粘度增加、软化点增加、沥青 诱因：热 氧气 光（紫外线） 过程：贮存运输 加热拌和 使用,11.1.3.7 沥青的耐久
13、性沥青的“老化”,老化机理：轻质组分挥发 氧化、组分转化,老化前,老化后,饱和分S,芳香分A,胶质S,沥青质At,胶质沥青质 芳香分胶质,老化性能评价方法： 蒸发损失试验插图4-17 薄膜加热试验TFOT插图4-17 旋转薄膜烘箱试验RTFOT插图4-18 PAV压力老化试验插图 评价指标：质量损失 针入度比 延度 4.1.3.8 安全性闪点和燃点 4.1.3.9 有效成分溶解度,11.1.3.7 沥青的耐久性沥青的“老化”,图11-17沥青薄膜加热烘箱示意图,试件：50g沥青试样 试验条件：163，5h 试验指标：质量损失 针入度比 延度,膜厚度3mm,针入度皿21mm,图11-18沥青旋转
14、薄膜加热烘箱示意图,试件：35g沥青试样， 试验条件：163，75min,PAV压力老化试验仪,试件：RTFOT后的薄膜试样 试验条件：90110，20h，2.07MPa,沥青闪点仪示意图,11.1.4 石油沥青的技术标准,道路沥青的产品主要分级方法 针入度分级 粘度分级 PG性能分级, 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,道路沥青的产品主要分级方法, 针入度分级P
15、按所测得的沥青25针入度所处水平划分沥青牌号 粘度分级A 按真空毛细管法所测得沥青60粘度所处水平划分沥青牌号 按新鲜沥青60粘度分级(AC)； 按薄膜烘箱(TFOT)或旋转薄膜烘箱(RTFOT)试验后残余 物60粘度分级(AR)两种分级体系 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,道路沥青的产品主要分级方法,我国石油沥青的技术标准,重交通道路石油沥青质量要求 按P25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、
16、针入度比、延度),中、轻交通道路石油沥青质量要求 按P25 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(25C) 、溶解度、闪点 蒸发试验（质量损失、针入度比）等,针入度分级：按沥青25针入度所处水平划分沥青牌号, 按照针入度指标进行沥青分级7个标号,2004年沥青路面施工技术规范（JTG F30-2004）对道路石油沥青的质量要求,针入度分级：按沥青25针入度所处水平划分沥青牌号, 按照技术性能进行沥青分类：A、B、C 针入度指数PI 软化点、60粘度、延度（10、15） TFOT或RTFOT 蜡含量、闪点、溶解度, 合
17、并了2个技术要求，按照性能分为A、B和C回放 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为夏炎热冬寒冷干旱区 增加了沥青感温性指标针入度指数PI 适当提高软化点要求，对A级沥青增加了60动力粘度 延度温度修订：增加了10延度 含蜡量,2004年沥青路面施工技术规范主要修订内容,针入度分级：按沥青25针入度所处水平划分沥青牌号,美国、日本、英国等,AASHTOAmerican Associat
18、ion of State Highway and Transportation Official ASTMAmerican Society Testing and Material,粘度分级：按真空毛细管法所测得沥青60粘度所处水平划分沥青牌号, 按照新鲜沥青粘度分级 代号AC（Asphalt Cement）,粘度分级：按真空毛细管法所测得沥青60粘度所处水平划分沥青牌号, 按照热老化后沥青残留物粘度分级 代号AR（Asphalt Residue）, 其他技术指标,135粘度的最大值 25针入度的最小值 25延度、溶解度、闪点等,粘度分级：按真空毛细管法所测得沥青60粘度所处水平划分沥青牌号,