文档介绍：土木工程材料 第七章沥青及沥青混合料 张德思教授 主讲
第一节沥青
1. 石油沥青
石油沥青是由石油原油经蒸馏提炼出各种轻质油(如汽油、柴油等)及润滑油以后的残留物,再经过加工而得的产品。
石油沥青的组分
石油沥青是由许多高分子碳氢化合物及其非金属(主要为氧、硫、氮等)衍生物组成的复杂混合物。将沥青中化学成分及性质极为接近,并且与物理力学性质有一定关系的成分,划分为若干个组,这些组就称为“组分”。
沥青中各组分的主要特性简述如下:
(1)油分。油分为淡黄色至红褐色的油状液体,是沥青中分子量最小和密度最小的组分,~。在170°C较长时间加热,油分可以挥发。油分能溶于石油醚、二硫化碳、三氯甲烷、苯、四氧化碳和丙酮等有机溶剂中,但不溶于酒精。油分赋予沥青以流动性。
(2)树脂(沥青脂胶)。沥青脂胶为黄色至黑褐色粘稠状物质(半固体),分子量比油分大(600~1000),~。沥青脂胶中绝大部分属于中性树脂。中性树脂能溶于三氯甲烷、汽油和苯等有机溶剂,但在酒精和丙酮中难溶解或溶解度很低,它赋予沥青以良好的粘结性、塑性和可流动性。中性树脂含量增加,石油沥青的延度和粘结力等品质愈好。另外,沥青树脂中还含有少量的酸性树脂,即地沥青酸和地沥青酸酐,是沥青中的表面活性物质。它改善了石油沥青对矿物材料的浸润性,特别是提高了对碳酸盐类岩石的粘附性,并有利于石油沥青的可乳化性。沥青脂胶使石油沥青具有良好的塑性和粘结性。
(3)地沥青质(沥青质)。地沥青质为深褐色至黑色固态无定形物质(固体粉末),分子量比树脂更大(1000以上),密度大于1 g/cm3,不溶于酒精、正戊烷,但溶于三氯甲烷和二硫化碳,染色力强,对光的敏感性强,感光后就不能溶解。地沥青质是决定石油沥青温度敏感性、粘性的重要组成部分,其含量愈多,则软化点愈高,粘性愈大,即愈硬脆。
另外,石油沥青中还含2~3%的沥青碳和似碳物,是石油沥青中分子量最大的。它降低石油沥青的粘结力。
石油沥青中还含有蜡,它会降低石油沥青的粘结性和塑性,同时对温度特别敏感(即温度稳定性差)。所以蜡是石油沥青的有害成分。
石油沥青的胶体结构
油分、树脂和地沥青质是石油沥青的三大组分,其中油分和树脂可以互相溶解,树脂能浸润地沥青质,并在地沥青质的超细颗粒表面形成树脂薄膜。所以石油沥青的结构是以地沥青质为核心,周围吸附部分树脂和油分的互溶物而构成胶团,无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。根据沥青中各组分的相对比例不同,胶体结构可分为溶胶型、凝胶型和溶凝胶型三种类型。
(1)溶胶结构。地沥青质含量较少,胶团间完全没有引力或引力很小,在外力作用下随时间发展的变形特性与粘性液体一样。直馏沥青的结构多为溶胶结构。
(2) 凝胶结构。凝胶结构地沥青质含量很多,胶团间有引力形成立体网状,地沥青质分散在网格之间,在外力作用下弹性效应明显。氧化沥青多属于凝胶结构。
(3)溶一凝胶结构介于溶胶与凝胶之间,并有较多的树脂,胶团间有一定吸引力,在常温下受力变形的最初阶段呈现出明显的弹性效应,当变形增加到一定数值后,则变为有阻尼的粘性流动。
大部分优质道路沥青均配成溶~凝胶型结构,具有粘弹性和触变性,故亦称弹性溶胶。
石油沥青的技术性质
(1)粘滞性
石油沥青的粘滞性又称粘性。
粘滞性应以绝对粘度表示,但因其测定方法较复杂,故工程中常用相对粘度(条件粘度)来表示粘滞性,对使用粘稠(半固体或固体)的石油沥青用针入度表示,对液体石油沥青则用粘滞度表示。
粘稠石油沥青的针入度是在规定温度(25℃)条件下,以规定质量(100g)的标准针,在规定时间(5s)内贯入试样中的深度来表示,单位以1/10mm计。针入度反映了石油沥青抵抗剪切变形的能力。针入度值越小,表明粘度越大。(P317 附图6-1)
粘滞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50cm3所需的时间,以秒表示。常用符号“CdtT”表示粘滞度,其中d为小孔直径(mm),t为试样温度,T为流出50 cm3沥青的时间。d有10、5、3mm三种,t通常为25℃或60℃。
(2)塑性
塑性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。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。
石油沥青的塑性用延度表示。延度愈大,塑性愈好。延度测定是把沥青制成“8”字形标准试件,置于延度仪内25℃水中,以 5cm/min的速度拉伸,用拉断时的伸长度来表示,单位用cm计。(P319 附图6-2)