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1、沥青的定义一、沥青的定义 沥青是一种有机胶凝材料，它是复杂的高分子碳氢化合物及非金属衍生物的混合物。在常温下呈固体、半固体或液体状态。颜色由棕褐色至黑色，能溶于多种有机溶液中，具有不导电、不吸水、耐酸、耐碱、耐腐蚀等性能。在土木工程中主要用作防水、防潮、防腐蚀和其他制品材料，用于屋面、地下防水工程、防腐蚀工程、铺筑道路，以及贮水池、浴池、桥梁等防水防潮层。 二、沥青的分类 沥青可分为地沥青和焦油沥青两大类。 地沥青包括天然沥青和石油沥青；焦油沥青包括煤沥青、木沥青、泥炭沥青、页岩沥青。 工程中使用最多的是煤沥青和石油沥青。石油沥青的防水性能好于煤沥青，但是煤沥青的防腐和粘结性能较石油沥青好。
2、目前工程中常用的主要是石油沥青和少量的煤沥青 1. 石油沥青 石油沥青是石油经蒸馏提炼出各种轻质油品及润滑油以后的残留物，经过再加工得到的褐色或黑褐色的粘稠状液体或固体状物质，略有松香味，能溶于多种有机溶剂，如三氯甲烷、四氯化碳，可氧化成固体或用柴油等溶剂稀释成液态。 石油沥青的分类 按原油的成分可分为石蜡基沥青、沥青基沥青和混合基沥青。按石油加工方法不同可分为残留沥青、蒸馏沥青、氧化沥青、裂解沥青和调和沥青。按用途可分为道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青。 建筑石油沥青是用天然原油的减压渣油经氧化或其他工艺过程而制得的石油沥青，所属产品用于建筑屋面和地下防水的胶结料，也可用于制造涂料、
3、油毡和防腐材料等 道路石油沥青由天然石油沥青蒸馏残余物或残余物经氧化而制成的道路石油沥青，或用溶剂脱沥青工艺及掺配方法而制得的沥青。 石油沥青的分类 按原油的成分可分为石蜡基沥青、沥青基沥青和混合基沥青。 按石油加工方法不同可分为直馏沥青、氧化沥青、溶剂沥青和裂化沥青 按用途可分为道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青。 石油沥青的组分 石油沥青的成分非常复杂，在研究沥青的组成时，将其中化学成分相近、物理性质相似而具有特征的部分划分为若干组，即组分。分为三组分法或四组分法。各组分的含量多少会直接影响沥青的性能。 三组分分为： 油分(含蜡)：使沥青具有流动性 胶质(树脂)：使沥青具有可塑性，提
4、高沥青与矿料的粘附性 沥青质： 提高沥青的粘结性和热稳定性 组分 油分 树脂 特征 粘性液体 粘稠半固体 油分 树脂 在沥青中的主要作用 流动性，粘性温度感应性塑性温度感应性 粘性温度感应性塑性和韧性脆性沥青质 硬而脆的固体粉末 沥青质 四组分分为：饱和分、芳香分、胶质、沥青质 此外，还有一定的石蜡固体。 、石油沥青的胶体结构 胶体结构又分为：1.溶胶结构 ；2.溶-凝胶结构；3.凝胶结构 三种胶体结构的特点不同： 1.溶胶结构-地沥青质含量较少，粘性小，开裂后可自愈。 2.溶-凝胶结构-介于溶胶与凝胶之间，具有粘弹性和触变性，故亦称弹性溶胶。 3.凝胶结构-地沥青质含量很多，膜层较薄，塑性、
5、温度敏感性小，粘性大，开裂后自愈能力差。 沥青中蜡的存在，对沥青技术性质有以下影响: 蜡在温度升高时易熔化，使沥青的粘度降低，增加沥青的温度敏感性。在高温时会使沥青容易发软，导致沥青路面高温稳定性降低，出现车辙。 蜡在低温下结晶析出后分散在沥青中，减少沥青分子之间的紧密程度，使沥青的低温延展能力降低，在低温时会使沥青变得脆硬，导致路面低温抗裂性降低，出现裂痕。 此外，蜡会使沥青与石料的粘附性降低，在有水的条件下，会使路面石子产生剥落现象，造成水对沥青路面的破坏。 更严重的是，含蜡沥青会使沥青路面的抗滑性降低，影响路面的行车安全。 所以沥青中蜡分是一个对沥青路用性能极为不利的成分， 石油沥青的状
6、态随温度不同也会改变。当温度升高时，固体沥青中的易熔成分逐渐变为液体，使沥青的流动性提高；当温度降低时，它又恢复为原来的状态。石油沥青中各组分不稳定，会因环境中的阳光、空气、水等因素作用而变化，会使油分、树脂减少，地沥青质增多，这一过程称为“老化”。这时，沥青层的塑性降低，脆性增加，变硬，出现脆裂，失去防水、防腐蚀效果。 2. 煤沥青 煤沥青是炼焦或生产煤气的副产品。烟煤干馏时所挥发的物质冷凝得到的黑色粘稠物质，称为煤焦油。煤焦油再经分馏提取各种油品后的残渣即为煤沥青。与石油沥青相比，煤沥青具有的特点见下表。煤沥青中含有酚，有毒，但防腐性好，适用于地下防水层或用作防腐蚀材料。 石油沥青与煤沥青
7、的主要区别 性质 锤击 颜色 溶解 温度敏感性 燃烧 3改性沥青 掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、天然沥青、磨细的橡胶粉或者其他材料等外掺剂，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料。 改性机理 目前，沥青工作者一般认为，聚合物的掺入，主要改变了体系的胶体结构。不掺聚合物的沥青，可以看成是树脂包裹着地沥青质分散在油分中形成的胶体体系。少量聚合物(12)是可以溶解于沥青的低分子成分油分中，但掺量大时，聚合物便作为互不相关的独立颗粒，分散在沥青之中，它们在混合物中的作用效果颇类似于填料的作用。当掺量为510时，颗粒尺寸增大，可以明显地看到由于聚集作用使其相互接近。当浓度达1050时，便形成
8、硫松的网状结构，聚合物含量超过25%，沥青即被包含在聚合物的结构网中，同时发生相转变。 为了解释聚合物的改性作用，可以提出一些假设。我们不妨把聚合物沥青看作是一种复合材料，其中沥青起着基体的作用，聚合物为分散相。复合材料本身作为一个统一的整体，其中各种颗粒的粘合可以认为是各种成分通过表面结合(粘接)所产生的相互间的力学作用。制成的复合物，其性能通常都胜过各单一成分的平均或综合性能，也就是说，都体现了共同作用的效果。当聚合物浓度不大时，混合物可看作是分散强化复合材料，强化作用是由于微细的分散颗粒阻止了基体中的位移运动所致。强化程度与颗粒对位移运动所产生的阻力成正比。当分散相含量占体积的比例为24
9、时，可以观察到有这种作闻。如果再看一下聚合物含量为35的聚合物沥青混合物的性能，可以发现冷脆点显著降低，而变形性并未增大。显然，脆点之所以降低，是由于强度增长所致 聚合物浓度高时，混合物可以认为是一种纤维复合材料或片状复合材料，这时基体(沥青)将转变为把荷载传递给纤维的介质，并将在纤维破坏时发生应力再分配。这种复合物的特征是：强度、弹性和疲劳破坏强度高，这对保证材料的使用可靠性是必不可少钠。这种复合材料的破坏过程通常是：开始时微裂缝增大，随后，裂缝一碰到高模量橡胶颗粒，即停止发展；接着又由子裂缝顶端发生超应力松弛，以致裂缝增长率减小，甚至完全停止。复合材料理论认为，两相界面和过渡层的每一相相比
10、，都具有特性。在界面上，聚合物和基体可能发生部分溶解，即所谓部分可溶性。混合物强度的增高，就是由于有过渡层特性存在，在过渡层中，内聚力的能量比复合物的平均能量低得多，因而可以保证松弛作用的速度较快。估计，裂缝一接触列过渡层，便会使超应力消除 改性剂 在沥青或沥青混合料中加入的天然或人工合成的有机或无机材料，可熔融或分散在沥青中，以改善或提高沥青的路用性能。 石油沥青 韧性较好 灰色。褐色 较好 烟少无色，有松香味，无毒 密度/ 近于1.0 煤沥青 1.25-1.28 韧性较差。较脆 浓黑色 较差 烟多，黄色，臭味大有毒 易溶于汽油、煤油中，呈棕黑色 难溶于汽油、煤油中，呈黄绿色 改性剂的分类
11、热塑性弹性体 - SBS、SIS和SE/BS等 橡胶 - SBR、CR、EPDM等 塑料- EVA、LDPE、HDPE、APP和PE等 纤维 - 木质素纤维、合成纤维、矿渣纤维和玻璃纤维等 矿物填料 - 炭黑、硫磺和石灰等 无机纳米粒子改性剂 - Fe3O4纳米粒子、纳米碳酸钙、ZnO等 树脂类改性沥青 1.树脂改性沥青，可改耐寒性、耐热性、粘结性和不透气性。由于石油沥青中芳香族化合物含量少，使得树脂与石油沥青的相溶性较差，而和煤焦油及煤沥青的相溶性较好。石油沥青中加入的树脂多为热塑性树脂，常用树脂：聚氯乙烯，无规聚丙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、酚醛树脂及天然松香等。聚氯乙烯改性煤焦油用作密封
12、材料1.制作：聚氯乙烯在常温下几乎不溶于任何溶剂，但是，在一定温度下，与煤焦油有较好的相溶性。在生产中是将PVC树脂在强烈搅拌条件下，加入熔化的煤焦油中均化而成。建筑材料-沥青材料 2.性质：PVC改性煤焦油，具有较高的高温稳定性和低温柔韧性。同时，其拉伸强度、延伸率、耐蚀性及不透水性和抗老化能力等也有较大幅度的改善。PVC树脂的掺量应在满足工程要求条件下掺量最少，以降低成本。主要用于密封材料。APP改性沥青1.制作：无规聚丙烯常温下为白色橡胶状物质，无明显的熔点。因此，生产时将APP加入熔化沥青中，经强烈搅拌均化而成。2.性质：可使改性沥青的软化点提高，从而降低了温度感应性。同时，其化学稳定
13、性、耐水性、耐冲击性、低温柔性及抗老化能力大大提高。突出优点：耐高温性3.应用：防水卷材建筑材料-沥青材料 (三)SBS改性沥青 1.SBS是热塑性弹性体的典型代表，它是将丁二烯与氯乙烯嵌段共聚、形成具有苯乙烯-丁二烯-苯乙烯结构的共聚物，是一种热塑性弹性体(简称为SBS)。它具有较高的抗张强度，较大的延伸性、弹性和较好的低温性、耐磨性。SBS具有橡胶和塑料的优点，常温下具有橡胶的弹性，在高温下又能象塑料那样熔融流动，成为可塑性材料。1.制作：SBS与沥青的混合工艺要求严格通常是将沥青加热至一定温度后加入颗粒状SBS，然后以1000rmin的速度搅拌，在剪切力作用下粉碎，再经研磨等过程，使其在
14、沥青中均匀分散.建筑材料-沥青材料 2.性质：用它改性的沥青具有热不粘冷不脆、塑性好、抗老化及稳定性高等优良性能。掺用15%的SBS，在常温下充分显示出橡胶的弹性，延伸率可达200%，热塑性范围可扩大到-25+100，而且在-50下仍具有防水功能，是目前用于沥青改性中使用量极大，也是比较成功的一种高分子改性材料。突出优点：低温柔性好3.应用：防水卷材和密封材料建筑材料-沥青材料 橡胶改性沥青 石油沥青中掺入橡胶(天然、合成、再生)而制得的混合物，称作橡胶改性沥青。橡胶同石油沥青具有较好的相溶性，可赋予石油沥青某些橡胶的特性，从而改善了石油沥青的性能。如使沥青在高温变形小，低温有柔韧性。常用橡胶
15、有氯丁橡胶和再生废橡胶。 1.氯丁橡胶改性沥青 制作：将氯丁橡胶溶于溶剂中，制成胶液，再掺入到液态沥青或乳化沥青中，混匀可制得所需针入度的氯丁橡胶改性沥青。常用溶剂为苯、氯仿、二甲苯等。 性质：氯丁橡胶能促进沥青结构的生成，并形成自身结构网，从而使沥青的低温柔韧性、抗老化性、气密性、耐蚀性、耐燃烧性和耐候性均得到明显改善。 建筑材料-沥青材料 2.丁基橡胶改性沥青 丁基橡胶与沥青的混合方法与氯丁橡胶改性沥青相类似。改性后的沥青具有低温抗裂性、耐劳化性、耐蚀性、耐热性等。 3.再生橡胶改性沥青 制作：再生橡胶改性沥青的制备常用的有两种方法。一是将废旧橡胶加工成1.5mm或更小颗粒的橡胶屑，然后与
16、热沥青相混合，经过加热脱硫后即得到有一定弹性和粘接力的再生橡胶改性沥青材料。废橡胶的掺量一殷为315。二是在沥青中加入废橡胶粉，吹入空气制得。废旧橡胶掺量视需要而定，一般为3%5%。 性质：可大大提高石油沥青的气密性，低温柔性，耐光、热和臭氧性，以及耐候性，由于价格低廉，材料来源广，建筑中应用较多。 建筑材料-沥青材料 四、橡胶和树脂改性沥青 实际应用中，常常将橡胶和树脂同时使用来改善沥青的性质，可使沥青兼具橡胶和树脂的特性。由于树脂比橡胶便宜，橡胶和树脂又有较好的混溶性，故两者并用效果较好。通常一般使用的有以下几种情况： 1.再生橡胶-聚乙烯石油沥青 在再生橡胶中掺入一定量的聚乙烯树脂，可以
17、使再生胶在沥青中的分散变得容易得多。这样，不仅可以使再生胶的掺量大大增加，而且可以降低混合温度，缩短混合时间。其原因是聚乙烯与再生胶和石油沥青有较好的相溶性，聚乙烯把橡胶网推开，使得沥青能够进入橡胶网内，从而使橡胶和沥青都得到分散。 2CSM-APP石油沥青 氯磺化聚乙烯橡胶(CSM)和无规聚丙烯(APP)也常在改性沥青中使用。APP的加入，可以增加CSM在沥青中的分散性，并便于加工，这种方法常用于压延制取热塑性防水卷材。 3.BR-PE石油沥青 丁二烯橡胶(BR)和聚乙烯树脂(PE)同时用于石油沥青改性时可提高耐热性和低温柔性。 三、道路沥青的技术性质 粘性 1）对半固体或固体的石油沥青用针
18、入度表示在外力或自重力作用下，沥青抵抗变形的能力。反映了材料软硬、稀稠及密实程度。2.影响因素：组成结构地沥青质，粘性温度温度，粘性3.表示方法：用相对粘度表示温度25重量100g的标准针时间5s灌入试样的深度无量纲以1/10mm为一个单位 2) 对液体石油沥青则用粘度表示。 流出时间越长，粘度。粘度是将一定量的液体沥青，在某温度下经一定直径的小孔流出50ml所需的时间，以s表示。常用符号表示粘度其中小孔直径mm;试样温度，为25或60。流出50 ml沥青的时间。 塑性 1.定义：指石油沥青在外力作用下产生变形而不破坏，除去外力后，仍能保持变形后的形状的性质。 2. 影响因素：树脂，塑性温度，
19、塑性建筑材料-沥青材料沥青的塑性对冲击振动荷载有一定吸收能力，并能减少摩擦时的噪声，故沥青是一种优良的道路路面材料。 3.表示方法：延度 延度愈大，塑性愈好 延度测定是把沥青制成“”字形标准试件，置于延度仪内25水中，以5cmmin的速度拉伸，用拉断时的伸长度来表示，单位用cm计。 温度敏感性 1.定义：是指石油沥青的粘性和塑性随温度变化而改变的程度。没有一定的熔点。2.影响因素： 组成结构地沥青质，温度敏感性石蜡量，温度敏感性T ，塑性，粘性，逐渐软化。 T ，塑性，粘性，逐渐硬脆。 屋面防水沥青材料应避免高温软化流淌，低温脆硬，因而要求其具有较小的温度敏感性。 在工程中常加入滑石粉、石灰石
20、粉等矿物填料，以减小其温度敏感性。 3.表示方法：以min的速度升温，当沥青软化下垂 另外，沥青的脆点是反映温度敏感性的另一个指标，它是指沥青从高弹态转到玻璃态过程中的某一规定状态的相应温度。 脆点反映沥青的低温变形能力。寒冷地区应用的沥青应考虑沥青的脆点 沥青的软化点愈高，脆点愈低，则沥青的温度敏感性越小。 大气稳定性 1.定义：石油沥青在很多不利因素的长期综合作用下抵抗老化的性能。也是沥青材料的耐久性的内容。 2.老化原因在大气因素的综合作用下，沥青中各组分会发生递变，低分子化合物成高分子物质，即：油分树脂地沥青质随着时间，流动性，塑性，粘性，逐渐硬脆，直至脆裂。这个过程称为石油沥青的“老
21、化”。 3.表示方法：蒸发损失率针入度比蒸发损失率针入度比则表示沥青的大气稳定性愈好针入度廷度软化点评价沥青质量的主要指标，决定沥青牌号的主要依据。施工中安全操作的温度用闪点、燃点表示。闪点是与火焰接触闪火时的最低温度；燃点是一经引火，燃烧就将继续下去的最低温度。施工熬制沥青的温度不得超过闪点。 耐蚀性 耐蚀性是石油沥青抵抗腐蚀介质侵蚀的能力。石油沥青对于大多数中等浓度的酸和盐类都有较好的耐蚀能力，但可溶于多数有机溶剂。 防水性 建筑材料-沥青材料憎水性，构造致密，与矿物材料粘结力强，有一定的塑性，适应材料或构件的变形，良好的防水性具有。防潮、防水、抗渗材料. 沥青与集料的粘附性 1)粘附性通过水煮法或水浸法粘附性机理 沥青混合料的剥离是沥青路面常见的破坏形式。 剥离 剥落 3）沥青剥落的模式 沥青膜移动 沥青膜破裂 水力冲刷和孔隙压力 粘结层破坏 4）改善措施 在沥青中添加抗剥落剂 在拌制沥青混合料时添加消石灰粉或水泥 选用碱性集料 保证石料表面的清洁度
