1、沥青及沥青混凝土,第一节 概述,一、沥青材料的定义与分类 （一）定义沥青是一种有机胶凝材料，是由多种有机物构成的极其复杂的碳氢化合物和碳氢化合物与氧、氮、硫的衍生物所组成的混合物。常温下呈黑色或黑褐色的固体、半固体或粘稠性液体，能溶于多种有机溶剂，几乎不溶于水，属于憎水材料。沥青材料同水泥材料一样，是建筑、交通、水利等工程领域中使用最广泛的建筑材料。,（二）分类 建筑中常用的沥青有三种： （1）建筑石油沥青 粘性较高主要用于房屋建筑工程的屋面防水以及作为沥青油毡等。 （2）道路石油沥青 粘性较低，主要用于道路工程，其中较粘稠的也可以用于房屋建筑工程。 （3）普通石油沥青 石蜡含量高，粘性较小，
2、温度敏感性大，不宜直接用于建筑工程，可与建筑石油沥青掺配使用或经脱蜡处理后使用。,二、沥青建筑材料因为沥青具有良好的防水、抗渗、耐化学侵蚀性，以及它与矿物材料有较强的粘接力、塑性和能抗冲击荷载的作用，在工程上应用面极大，用途很广。为了使沥青满足一定的性能需求，工程上使用的沥青材料通常都是改性沥青和沥青混合料。,（一）改性沥青改性沥青是按工程需要的物理特性，用工厂生产出的沥青材料进行人工改造，使其满足工程要求的沥青材料。常见的改性沥青产品有沥青基防水卷材、沥青胶、防水涂料等。 （二）沥青混合料沥青混合料是沥青与级配合适的矿物质材料拌和均匀配制成建筑沥青材料。常见的混合料有沥青混凝土、沥青砂浆及沥
3、青嵌缝油膏等。,第二节 石油沥青,石油沥青是石油原油经蒸馏等方法提炼出各种轻质油（如汽油、柴油等）及润滑油以后的残留物或经再加工而得到的产品。 一、石油沥青的组成与结构 （一）石油沥青的组分石油沥青由于其化学成分复杂，为便于分析和使用，常将其物理、化学性质相近的成分归为若干组，称为组分。不同的组分对沥青性质的影响不同。,沥青组分可简略反映其使用性能，组分划分方法通常有三组分法和四组分法两种。三组分法：将石油沥青分为油分、树脂和沥青质三个组分。其中油分使沥青的流动性好，降低沥青的粘度和软化点；树脂含量越多，石油沥青的延度和粘接力等性能越好；沥青质含量越多，则软化点越高，粘性越大，也越硬脆。此外，
4、沥青中常含有一定量的固体石蜡，是石油沥青的有害成分，会增大沥青对温度的敏感性。,（二）石油沥青的胶体结构沥青组分含量及化学结构的不同，则形成不同类型的胶体结构。把沥青中的油分和树脂归为可溶质，因为它们可以相互溶解。树脂能在沥青质颗粒的表面形成薄膜，从而构成以沥青质为胶核，周围吸附有部分树脂和油分的胶团，而无数胶团分散在油分中形成胶体结构。根据沥青中沥青质和可溶质的相对比例不同，胶体结构可分为溶胶型、凝胶型和溶凝胶型三种结构。,1、溶胶型可溶质含量较多，沥青质很少，胶团全部分散，可再分散介质粘度许可范围内自由运动。这种交替结构的沥青具有较好的流动性和塑性，较强的裂缝自愈能力，但对温度的敏感性高，
5、温度稳定性差。 2、凝胶型可溶质较少，沥青质含量很大，胶团相互接触，形成不规则的空间网络结构，胶团移动比较困难。这种沥青具有明显的弹性和粘性，流动性和塑性较低，对温度敏感性低，温度稳定性高。,3、溶凝胶型介于溶胶和凝胶之间的结构，部分胶团相互接触，这种胶体结构的沥青在常温下变形时，最初有明显的弹性，但变形增大到一定程度后，则为粘性流体。大多数优质道路沥青就是这种类型。,二、石油沥青的技术性质 （一）粘滞性粘滞性又称粘性或稠度，是反映沥青材料在外力作用下，沥青颗粒之间产生互相位移时抵抗便携的能力，是沥青材料的一项重要物理力学性质。液态石油沥青的粘滞性使用粘度表示，半固体或固体沥青的粘性用针入度表
6、示。,1、针入度针入度是指在一定温度条件下的条件粘度，用标准试针垂直贯入沥青试件的深度表示，单位以0.1mm计。,针入度标准试验规定：温度25，标准针重100g，贯入时间5s，表示为P（25，100g，5s）。针入度越大，粘度越小，沥青越软。试验时选定可不同的条件研究沥青粘度与温度的关系，如 P（0，200g，60s）。,2、标准粘度测定液体沥青的粘度用流出型粘度计测定。一定温度下，沥青试样通过一定孔径的空口流出50mL所经历的时间，即为标准粘度，用s表示。,标准稠度的表达式为CtdT，d为小孔的直径，t为试验温度，T为流出时间，标准粘度大，表示沥青的稠度大、粘度大。,（二）耐热性沥青的耐热性
7、是指粘稠的石油沥青在高温下不软化、不流淌的特性。耐热性常用软化点表示。,1、软化点软化点是沥青从固态转变为液态时达到某特定粘性流动状态时的温度，通常用环球法来测定。,将沥青注入标准铜环内制成试件，试件中央放一质量为3.5g的钢球，并至于水（或甘油）中，以5/min速率加热至沥青软化下垂至规定距离25.4mm时的温度，即为沥青软化点，以为单位。,软化点高，说明沥青能够的耐热性能好，但软化点过高没有不易加工；软化点低的沥青，夏季易产生变形，甚至流淌。,2、脆点脆点是在温度下降过程中，沥青材料由粘塑性状态转变为弹脆性状态的温度。脆点测试方法是将沥青在40mm20mm金属片上涂成厚0.15mm的薄膜，
8、将其装在弯曲器上放入冷却溶液中，以1/min的冷却速度降温，同时使试件以每分钟1次的频率进行变曲，沥青薄膜开始出现裂纹时的温度即为脆点。,（三）温度稳定性温度稳定性是指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能，反映石油沥青对温度的敏感程度。温度稳定性好的石油沥青，其粘滞性、塑性随温度的变化较小，温度敏感性小。通常以针入度指数（PI）作为沥青温度稳定性的指标。,以温度为横坐标，对应的沥青针入度的对数为纵坐标，作图。直线的斜率称为针入度温度感应系数（A），是沥青稳定性的评价指标，A越大温度稳定性越差。,针入度指数,PI 值越大，沥青温度稳定性越好。,（四）塑性塑性是指沥青在外力的作用下产生变形
9、而不破坏，除去外力后仍能保持变形后的形状的性质。塑性较好的沥青在常温下产生裂缝时，因为有粘塑性而可自行愈合，故塑性还反映了沥青开裂后的自愈能力。 沥青之所以能制造出性能良好的柔性防水材料，很大程度上决定于沥青这种性质。同时，因沥青有一定的吸收冲击振动载荷的能力，并能减少摩擦时的噪音，故是一种优良的道路路面材料。,沥青的塑性可用延伸度（延度）来表示。在一定温度下，将沥青标准试件以一定的拉伸速度延伸，试件拉断是延伸的长度即为延度，以cm计。通常使用的试验条件为温度25、拉伸速度50mm/min。延度越大，塑性越好。,（五）大气稳定性（耐久性）大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等环境因素的
10、长期综合作用下抵抗老化的性能，它反映了沥青的耐久性。大气稳定性可用沥青的蒸发减量及针入度变化来表示，即试样在160温度加热蒸发5h后的质量损失百分率和蒸发前后的针入度比两项指标来表示。,蒸发损失率越小，针入度比越大，则沥青的大气稳定性越好。,第三节 沥青改性方法,为使沥青能满足工程要求，对从工厂生产的沥青材料通常要进行改性，使其具有一定的物理性质，如弹性、塑性、粘性、强度和温度稳定性等。石油沥青的改性方法主要有掺配法、乳化法和填充法。 一、掺配法掺配法是指当石油沥青的技术性质（如针入度或软化点）不能满足工程要求时，可通过用不同的沥青进行掺配而改变沥青的物理特性。掺配料应选用表面张力相近和化学性
11、质相近的同产源沥青，以保证沥青胶体结构的均匀性。,两种沥青掺配时可先绘制掺配比软化点曲线，通常按直线法估算掺配量。,Q1标号较高沥青的掺量，； Q2标号较低沥青的掺量，；T掺配后沥青的软化点，； T1标号较高沥青的软化点，； T2标号较低沥青的软化点，。,二、乳化法乳化法是将沥青颗粒（16m）分散在含有表面活性物质（如乳化剂、稳定剂）的水溶液中，形成稳定乳状液的新型沥青材料。,1、乳化原理水是极性分子，沥青是非极性分子，两者不能互相溶合。当微小沥青颗粒分散在水中时，形成的沥青水分散体系不稳定，沥青颗粒会自动聚集，最后与水分离。,当水中含有乳化剂时，乳化剂的活性作用使其在沥青颗粒和水粒两相界面上
12、产生强烈的吸附作用，形成了吸附层。吸附层中极性基团与水分子牢固结合形成水膜，非极性基团与沥青结合形成乳化膜。,水,2、乳化剂的种类沥青乳化剂主要有有机和无机两大类。有机乳化剂包括阴离子乳化剂（如肥皂等），阳离子乳化剂、非离子乳化剂。无机乳化剂包括膨润土、高岭土、无机氯化物、氢氧化物等。工程上所用乳化沥青的一般组分含量为沥青5060，含有乳化剂、稳定剂的水溶液4050，其中乳化剂等的掺量约为13。,三、填充法填充法是指将细颗粒（粉状或纤维状）矿物料（如滑石、云母、石棉等）、橡胶、合成树脂和植物油等材料加入到沥青中，从而改善提高沥青的强度、温度稳定性、耐酸性、耐碱性、耐热性、柔性、粘性和防水性等物
13、理性能，使其形成满足工程需要的改性沥青。,第四节 沥青混凝土,沥青混凝土是泛指用适量的沥青材料与一定级配的矿质集料经过充分拌和而形成的一种粘弹塑性沥青混合料。这种材料不仅具有良好的力学性质和防水性能，而且具有一定的高温稳定性和低温柔韧性。用它铺筑的路面平整，无接缝，而且具有一定的粗糙度，路面减震、吸声、无强烈反光，使行车舒适，有利于行车安全。此外沥青混合料也是良好的防水材料，常用于土石坝及其它水利工程的防渗。,一、沥青混凝土的组合结构沥青混凝土中的矿质材料包括粗骨料、细骨料和填料。粗骨料指粒径大于2.5mm的骨料，细骨料指粒径2.5mm0.074的骨料，填料指粒径小于0.074mm的骨料。根据
14、胶体理论，沥青混凝土是由矿物质材料、沥青胶结料和参与空隙率所组成的具有多级空间网络结构的多相分散体系。,粗骨料为分散相，是分散在沥青砂浆中的一种分散相；砂浆是以细骨料为分散相，是分散在沥青胶浆中的一种细分散相；胶浆又是一种以填充料为分散相，是分散在稠度沥青中的一种微分散相。这一理论说明了骨料的矿物组分、级配，以及沥青与填充料内表面的交互作用等因素对沥青混凝土性能的影响。,二、沥青混凝土的技术特性（1）抗渗性沥青混凝抗渗性指标用渗透系数来表示。渗透系数可通过渗透试验来测定，而工程中实际需要的沥青混凝土的渗透系数的大小则应根据工程要求来确定。沥青混凝土渗透性取决于骨料级配、沥青用量及沥青混凝土的压
15、实程度，随孔隙率的减小而降低。,（2）抗裂性沥青混凝抗裂性是指沥青混凝土在外荷载（如温降或拉伸）作用下抵抗变形而不产生裂缝的性能，是衡量沥青混凝土力学特性的一个重要指标。沥青混凝的抗裂性主要取决于沥青的性质和用量、矿质混合料的级配以及填充料与沥青用量的比值。为了提高沥青混合料的抗裂性，应选用针入度较大、低温延伸度较大的沥青，但沥青的软化点必须能保证耐热性的要求。也可在满足耐热性的前提下多用沥青，增加柔性。沥青使用过多，温度变形随之增大，因而受温度影响而产生裂缝的可能性也要增加。,（3）抗滑性抗滑性是路面沥青混凝土要求的指标，用摩擦系数和构造来表示。 （4）强度沥青混凝土的强度由混合料中骨料的咬
16、合、沥青的粘性、沥青用量以及混合料的压实度决定。,（5）热稳定性热稳定性是指沥青混凝土在高温下及外荷长期作用下不发生严重变形或流淌的性质。稳定性指标可用热稳定性系数、斜坡流淌值或马歇尔稳定度和流值来表示。马歇尔稳定度：将圆柱试件侧放在加荷压头内，使试件在试验机上以50mm/min的变形速率加荷，试件破坏时达到的最大荷载即为稳定度（以N计），试件达到最大荷载时所发生的变形即为流值（以0.1mm计）。,（6）水稳定性水稳定性是指沥青混凝土抵抗水作用下引发性质变化和破坏的能力。通常水工沥青混凝土用水稳定性系数和残留稳定度指标来评定；路面沥青用残留稳定度、粘附性指标评定。,水稳定性系数越大，沥青混凝土
17、耐久性越好。沥青混凝土的水稳定性主要决定于沥青材料性能、骨料与沥青材料的粘接力及沥青混凝土的孔隙率等。水工沥青混凝土要求水稳定性系数不小于0.85，孔隙率小于4。,水工沥青混凝土要求残留稳定度应为不小于0.85，路面沥青混凝土的残留稳定度应不小于0.60.75。,（7）和易性沥青混合料的和易性是指沥青混凝土在拌和、运输、摊铺及压实过程中具有良好的流动性和良好的粘聚性。和易性良好的沥青混合料能在运输过程中顺畅装卸，不至于在各通道中阻塞，有利于其均匀顺畅的摊铺。在相同的压实强度下，和易性好的沥青混凝土能得到最大程度的压实，从而得到密实的、孔隙率最小的沥青混凝凝土，保证施工质量和工程质量。沥青混凝土的和易性受所用材料的性质、用量及拌和质量的影响。,
