沥青及沥青混合料教学课件（PPT 内容丰富） .ppt

第9章 沥青及沥青混合料,返回总目录,沥青 沥青混合料 思考题,本章内容,一、石油沥青 石油沥青是石油原油经蒸馏提炼出各种轻质油(如汽油、煤油和柴油等)及润滑油以后的残留物，或再经加工而得的产品。1.石油沥青的组成与结构 1)石油沥青的组分 石油沥青是由多种碳氢化合物及其非金属(氧、硫和氮)衍生物组成的混合物。它的组分主要有碳(80%87%)、氢(10%15%)，其余是非烃元素，如氧、硫、氮等(3%)。此外尚有一些微量的金属元素，如镍、钡、铁、锰、钙、镁和钠等。石油沥青化学组成十分复杂，对其进行化学成分分析十分困难，同时化学组成还不能反映沥青物理性质的差异。因此从工程使用角度，将沥青中化学成分和物理性质相近，并且具有某些共同特征的部分，划分为若干组，这些组即称为组分。在沥青中各组分含量多寡，与沥青的技术性质有着直接的关系。我国现行公路工程沥青与沥青混合料试验规程(JTJ 0522000)中规定有三组分和四组分两种分析法。现简述如下。,沥青,(1)三组分分析法，石油沥青的三组分分析法是将石油沥青分离为油分、树脂和沥青质三个组分。因我国富产石蜡基和中间基沥青，在油分中往往含有蜡，故在分析时还应进行油蜡分离。油分，油分为淡黄色至红褐色的油状体，是沥青中分子量最小和密度最小的组分，密度介于0.7g/cm31g/cm3之间。在170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、四氯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。油分在一定条件下可以转化为树脂甚至沥青质。树脂，树脂为黄色至黑褐色粘稠状物质(半固体)，分子量比油分大(6001 000)，密度为1.0g/cm31.1g/cm3。沥青树脂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。此外沥青树脂还含少量酸性树脂，即地沥青酸和地沥青酸酐。它易溶于酒精、氯仿而难溶于石油醚和苯，是沥青中的表面活性物质，提高对碳酸盐类岩石的粘附性，并有利于石油沥青的可乳化性。沥青质，沥青质为深褐色至黑色固态无定形物质，分子量比树脂更大(1 000以上)，密度大于1g/cm3，不溶于酒精、正戌烷，但溶于三氯甲烷和二硫化碳，染色力强，对光的敏感性强，感光后不能溶解。沥青质决定沥青的粘结力、粘度和温度稳定性。,沥青,此外石油沥青中还含有2%3%的沥青碳和似碳物，它能降低石油沥青的粘结力。石油沥青中还含蜡，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)。(2)四组分分析法，我国现行四组分分析法(JTJ 0522000 T 0618)是将沥青分离为沥青质、饱和分、芳香分和胶质(见表9-1)。表9-1 石油沥青四组分分析法的各组分性状,沥青,(3)沥青的含蜡量，蜡对沥青路面使用性能有极大影响。现有研究认为沥青中蜡的存在，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。同样，在低温时会使沥青变得脆硬，导致路面低温抗裂性降低，出现裂缝；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，造成路面破坏；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。公路沥青路面施工技术规范(JTG F402004)规定，A级石油沥青含蜡量(蒸馏法)不大于2.2%，B级石油沥青含蜡量不大于3%，C级石油沥青含蜡量不大于4.5%。2)石油沥青的胶体结构(1)胶体结构形成，胶体理论认为，油分、树脂和地沥青质是石油沥青中和三大主要组分。油分和树脂可以互相溶解，树脂能浸润地沥青质，而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，构成胶团，无数胶团分散在油分中形成胶体结构。在这个分散体系中，分散相为吸附部分树脂的地沥青质，分散介质为溶有树脂的油分。在沥青胶体内，从地沥青质到油分逐渐递变的，无明显界面。,沥青,(2)胶体结构分类，沥青胶体结构可分为如下三种类型。溶胶型结构，当油分和树脂较多时，胶团外膜较厚，胶团之间相对运动较自由，这种胶体结构的石油沥青，称为溶胶型石油沥青。溶胶型石油沥青的特点是，流动性和塑性较好，开裂后自行愈合能力较强，而对温度的敏感性强，即对温度的稳定性较差，温度过高会流淌。凝胶型结构，当油分和树脂含量较少时，胶团外膜较薄，胶团靠近聚集，相互吸引力增大，胶团间相互移动比较困难。这种胶体结构的石油沥青称为凝胶型石油沥青。凝胶型石油沥青的特点是，弹性和粘性较高，温度敏感性较小，开裂后自行愈合能力较差，流动性和塑性较低。在工程性能上，虽具有较好的温度稳定性，但低温变形能力较差。溶凝胶型结构，当地沥青质不如凝胶型石油沥青中的多，而胶团间靠得又较近，相互间有一定的吸引力，形成一种介于溶胶型和凝胶型两者之间的结构，称为溶凝胶型结构。溶凝胶型石油沥青的性质也介于溶胶型和凝胶型二者之间。这类沥青在高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的形变能力。修筑现代高等级公路用的沥青，都属于这类胶体结构类型。溶胶型、溶凝胶型和凝胶型胶体结构的石油沥青如图9.1所示。,沥青,(3)胶体结构类型的判定，沥青的胶体结构与其使用性能有密切关系。工程上通常采用针入度指数(PI)值，按表9-2来划分其胶体结构类型。2.石油沥青技术性质 1)粘滞性石油沥青的粘滞性是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性，以绝对粘度表示，是沥青性质的重要指标。沥青的粘滞性的大小与组分及温度有关。沥青质含量较高，同时又有适量树脂，而油分含量较少时，则粘滞性较大。在一定温度范围内，当温度升高时，则粘滞性随之降低。反之则随之增大。,沥青,(a)溶胶型结构(b)溶凝胶型结构(c)凝胶型结构图9.1 沥青的胶体结构示意图,表9-2 沥青的针入度指数和胶体结构类型,沥青,沥青的粘度测定方法可分两类，一类为绝对粘度法，另一类为相对粘度法。工程上常采用相对粘度(条件粘度)来表示。测定沥青相对粘度的主要方法是用标准粘度计和针入度仪。粘稠石油沥青的相对粘度用针入度来表示的，如图9.2所示。针入度是反映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。粘稠石油沥青的针入度是在规定温度25条件下以规定重量100g的标准针，经历规定时间5s贯入试样中的深度，以1/10mm为单位表示，符号为P(25,100g,5s)。,液体石油沥青或较稀的石油沥青的相对粘度，可用标准粘度计测定的标准粘度表示，如图9.3所示。标准粘度是在规定温度(20、25、30或60)、规定直径(3mm、5mm或10mm)的孔口流出50ml沥青所需的时间秒数，常用符号“CtdT”表示，d为流孔直径，t为试样温度，T为流出50ml沥青所需的时间。2)塑性 塑性指石油沥青在外力作用下产生变形而不破坏，除去外力后则仍保持变形后形状的性质。它反映的是沥青受力时所能承受的塑性变形的能力，也是沥青性质的重要指标。,沥青,图9.2 粘稠沥青针入度测试示意图,石油沥青中树脂含量较多，且其他组分含量又适当时，则塑性较大。影响沥青塑性的因素有温度和沥青膜厚度，温度升高，则塑性增大，膜层愈厚，则塑性愈高。反之，膜层越薄，则塑性越差，当膜层薄至1 时，塑性近于消失，即接近于弹性。,沥青,图9.3 液体沥青标准粘度测定示意图1沥青；2活动球杆；3流孔；4水,在常温下，塑性较好的沥青在产生裂缝时，也可能由于特有的粘塑性而自行愈合。故塑性还反映了沥青开裂后的自愈能力。沥青所以能用来制造出性能良好的柔性防水材料，很大程度上决定于沥青的塑性。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，所以沥青是良好路面材料。沥青的塑性以延度表示。延度试验方法是将沥青试样制成字形标准试件(最小截面积1cm2)在规定拉伸速度(5cm/min)和规定温度(25或15)下拉断时的长度(以cm计)称为延度，如图9.4所示。以厘米为单位表示。,3)温度敏感性 温度敏感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。因沥青是一种高分子非晶态热塑性物质，故没有一定的熔点。当温度升高时，沥青由固态或半固态逐渐软化，使沥青分子之间发生相对滑动，此时沥青就像液体一样发生了粘性流动，称为粘流态。与此相反，当温度降低时又逐渐由粘流态凝固为固态(或称高弹态)，甚至变硬变脆(像玻璃一样硬脆称为玻璃态)。,沥青,图9.4 沥青延度测试,在此过程中，反映了沥青随温度升降其粘滞性和塑性的变化。在相同的温度变化间隔里，各种沥青粘滞性及塑性变化幅度不会相同，工程要求沥青随温度变化而产生的粘滞性及塑性变化幅度应较小，即温度敏感性应较小。土木工程宜选用温度敏感性较小的沥青。所以温度敏感性是沥青性质的重要指标。,通常石油沥青中地沥青质含量较多，在一定程度上能够减小其温度敏感性。在工程使用时往往加入滑石粉、石灰石粉或其他矿物填料来减小其温度敏感性。沥青中含蜡量较多时，则会增大温度敏感性，当温度不太高(60左右)时就发生流淌；在温度较低时又易变硬开裂。评价沥青温度敏感性的指标很多，常用的是软化点和针入度指数。(1)软化点，沥青软化点是反映沥青温度敏感性的重要指标。由于沥青材料从固态至液态有一定的变态间隔，故规定其中某一状态作为从固态转粘流态(或某一规定状态)的起点，相应的温度称为沥青软化点。软化点的数值随采用的仪器不同而异，我国现行试验规程(JTJ 0522000 T0606)是采用环与球软化点。该法(如图9.5所示)是将粘稠沥青试样注入内径为18.9mm的铜环中，环上置一重3.5g的钢球，在规定的加热速度(5/min)下进行加热，沥青下坠25.4mm时温度称为软化点，符号为TRB。,沥青,(2)针入度指数，软化点是沥青性能随温度变化过程中重要的标志点，在软化点之前，沥青主要表现为粘弹态，而在软化点之后主要表现为粘流态；软化点越低，表明沥青在高温下的体积稳定性和承受荷载的能力越差。但仅凭软化点这一性质，来反映沥青性能随温度变化的规律，并不全面。目前用来反映沥青感温性的常用指标为针入度指数PI。针入度指数(简称PI)是P.Ph.普费和F.M.范杜马尔等提出的一种评价沥青感温性的指标。建立这一指标的基本思路是根据大量试验结果，沥青针入度值的对数(lg P)与温度(T)具有线性关系(如图9.6所示)。,沥青,图9.5 沥青软化点测定,(9.1)A直线斜率。K截距(常数)A表征沥青针入度(lgP)随温度(T)的变化率。越大表明温度变化时，沥青的针入度变化得越大，也即沥青的感温性大。因此，可以用斜率 来表征沥青的温度敏感性，故称A为针入度-温度感应性系数。为了计算A值，可以根据已知的25时针入度值P(25,100g,5s)(1/10mm)和软化点TR&B()，并假设软化点时的针入度值为800(1/10mm)，由此可建立针入度-温度感应性系数A的基本计算公式：(9.2),沥青,图9.6 沥青针入度温度关系图,式中 P(25,100g,5s)在25，100g，5s条件下测定的针入度值(1/10mm)。TRB环球法测定的软化点()。按式(9.2)计算得的A值均为小数，为使用方便起见，普费等作了一些处理，改用针入度指数(PI)表示，如下式：(9.3)由式(9.3)可知，沥青的针入度指数范围是-1020；针入度指数是根据一定温度变化范围内，沥青性能的变化来计算出的，因此利用针入度指数来反映沥青性能随温度的变化规律更为准确；针入度指数(PI)值愈大，表示沥青的感温性愈低。不同针入度指数的沥青，其胶体结构和工程性能完全不同。相应的不同的工程条件也对沥青有不同的PI要求：一般路用沥青要求PI-2；沥青用作灌缝材料时，要求-3PI1；如用作胶粘剂，要求-2PI2；用作涂料时，要求-2PI5。(3)沥青的脆点是反映温度敏感性的指标，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，该指标主要反映沥青的低温变形能力。通常采用弗拉斯脆点试验确定。,沥青,4)大气稳定性 大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素的长期综合作用下抵抗老化的性能。在阳光、空气和热的综合作用下，沥青各组分会不断递变。低分子化合物将逐步转变成高分子物质，即油分和树脂逐渐减少，而地沥青质逐渐增多。实验发现，树脂转变为地沥青质比油分变为树脂的速度快很多(约50%)。因此，使石油沥青随着时间的进展而流动性和塑性逐渐减小，硬脆性逐渐增大，直至脆裂，这个过程称为石油沥青的“老化”。所以大气稳定性可用抗老化性能来说明。我国现行试验规程(JTJ 0522000 T0609)规定，石油沥青的老化性常以蒸发损失百分率、蒸发后针入度比和老化后延度来评定。其测定方法是先测定沥青试样的重量及其针入度。然后将试样置于加热损失试验专用的烘箱中，在160下蒸发5h，待冷却后再测定其质量及针入度。计算蒸发损失重量占原重量的百分数，称为蒸发损失百分率；计算蒸发后针入度占原针人度的百分数，称为蒸发后针入度比。同时测定老化后的延度。沥青经老化后，蒸发损失百分数愈小和蒸发后针入度比和延度愈大，则表示大气稳定性愈高，即老化愈慢。,沥青,5)粘附性 粘附性是指沥青与其他材料的界面粘结性能和抗剥落性能。沥青与集料的粘附性直接影响沥青路面的使用质量和耐久性，所以粘附性是评价道路沥青技术性能的重要指标。沥青裹覆集料后的抗水性(即抗剥性)不仅与沥青的性质有密切关系，而且亦与集料性质有关。评价沥青与集料粘附的方法常采用水煮法和水浸法。我国现行试验规程(JTJ 0522000T 0616)规定，沥青与粗集料粘附性试验，根据沥青混合料的最大粒径决定，大于13.2mm者采用水煮法；小于(或等于)13.2mm者采用水浸法。水煮法是选取13.2mm19mm形状接近正立方体的规则集料5个，经沥青裹覆后，在蒸馏水中沸煮3min，按沥青膜剥落的情况分为5个等级来评价沥青与集料的粘附性。水浸法是选取9.5mm13.2mm的集料100g与5.5g的沥青在规定温度条件下拌和，配制成沥青集料混合料，冷却后浸入80的蒸馏水中保持30min，然后按剥落面积百分率来评定沥青与集料的粘附性。6)施工安全性 闪点(也称闪火点)是指加热沥青至挥发出的可燃气体和空气的混合物，在规定条件下与火焰接触，初次闪火(有蓝色闪光)时的沥青温度()。,沥青,燃点或称着火点，指加热沥青产生的气体和空气的混合物，与火焰接触能持续燃烧5s以上时，此时沥青的温度即为燃点()。燃点温度比闪点温度约高10。沥青质组分多的沥青相差较多，液体沥青由于轻质成分较多，闪点和燃点的温度相差很小。闪点和燃点的高低表明沥青引起火灾或爆炸的可能性的大小，它关系到运输、贮存和加热用等方面的安全。石油沥青在熬制时，一般温度为150200，因此通常控制沥青的闪点应大于230。但为安全起见，沥青加热时还应与火焰隔离。7)防水性 石油沥青是憎水性材料，几乎完全还溶于水，而且本身构造致密，加之它与矿物材料表面有很好的粘结力，能紧密粘附于矿物材料表面，同时，它还具有一定的塑性，能适应材料或构件的变形。所以石油沥青具有良好的防水性，广泛用作土木工程的防潮、防水材料。3.石油沥青的技术标准 石油沥青按用途分为建筑石油沥青、道路石油沥青和普通石油沥青三种。在土木工程中使用的主要是建筑石油沥青和道路石油沥青。,沥青,1)建筑石油沥青 建筑石油沥青按针入度划分牌号，每一牌号的沥青还应保证相应的延度、软化点、溶解度、蒸发损失、蒸发后针入度比和闪点等。建筑石油沥青的技术要求列于表9-3中。表9-3 建筑石油沥青技术标准,沥青,2)道路石油沥青 道路石油沥青技术标准列表9-4。道路石油沥青按公路沥青路面施工技术规范(JTGF402004)分为30、50、70、90、110、130和160七个标号。按技术性能分为A、B、C三个等级：B级沥青与原规范“重交通道路沥青”相近，C级沥青比原规范“中、轻交通道路石油沥青”技术要求稍有提高。道路沥青的牌号较多，选用时应根据地区气候条件、施工季节气温、路面类型、施工方法等按有关标准选用。道路石油沥青还可作密封材料和粘结剂以及沥青涂料等。3)沥青的掺配 某一种牌号的石油沥青往往不能满足工程技术要求，因此需要不同牌号沥青进行掺配。在进行掺配时，为了不使掺配后的沥青胶体结构破坏，应选用表面张力相近和化学性质相似的沥青。试验证明同产源的沥青容易保证掺配后的沥青胶体结构的均匀性。所谓同产源是指同属石油沥青，或同属煤沥青(或煤沥青)。两种沥青掺配的比例可用下式估算。,沥青,(9.4)(9.5)式中 Q1较软沥青用量，%。Q2较硬沥青用量，%。T掺配后沥青软化点，。T1较软沥青软化点，。T2较硬沥青软化点，。,沥青,沥青,【例9.1】某工程须要用软化点为85的石油沥青，现有10号及60号两种，应如何掺配以满足工程需要？由试验测得，10号石油沥青软化点为95；60号石油沥青软化点为45。估算掺配用量：60号石油沥青用量(%)10号石油沥青用量(%)1002080 根据估算的掺配比例和在其邻近的比例(5%10%)进行试配(混合熬制均匀)，测定掺配后沥青的软化点，然后绘制“掺配比软化点”曲线，即可从曲线上确定所需要求的掺配比例。同样地可采用针入度指标按上法进行估算及试配。,二、煤沥青 煤焦油是生产焦炭和煤气的副产物，它大部分用于化工，而小部分用于制作建筑防水材料和铺筑道路路面材料。烟煤在密闭设备中加热干馏，此时烟煤中挥发物质气化逸出，冷却后仍为气体的可作煤气，冷凝下来的液体除去氨及苯后，即为煤焦油。因为干馏温度不同，生产出来的煤焦油品质也不同。炼焦及制煤气时干馏温度约8001 300，这样得到的为高温煤焦油；当低温(600以下)干馏时，所得到的为低温煤焦油。高温煤焦油含碳较多，密度较大，含有多量的芳香族碳氢化合物，工程性质较好。低温煤焦油含碳少，密度较小，含芳香族碳氢化合物少，主要含蜡族和环烷族及不饱和碳氢化合物，还含较多的酚类，工程性质较差。故多用高温煤焦油制作焦油类建筑防水材料，或煤沥青，或作为改性材料。煤沥青是将煤焦油再进行蒸馏，蒸去水分和所有的轻油及部分中油、重油和蒽油后所得的残渣。各种油的分馏温度为在170以下时轻油；170270时中油；270300时重油；300360时蒽油。有的残渣太硬还可加入蒽油调整其性质，使所生产的煤沥青便于使用。,沥青,1.煤沥青的化学组成 1)元素组成 煤沥青的组成主要是芳香族碳氢化合物及其氧、硫和碳的衍生物的混合物。其元素组成主要为C、H、O、S和N。2)化学组分 按E.J.狄金松法，煤沥青可分离为油分、树脂A、树脂B、游离碳C1和游离碳C2等组分。煤沥青中各组分的性质简述如下：(1)游离碳，又称自由碳，是高分子的有机化合物的固态碳质微粒，不溶于苯。加热不熔，但高温分解。煤沥青的游离碳含量增加，可提高其粘度和温度稳定性。但随着游离碳含量增加低温脆性亦增加。(2)树脂，树脂为环心含氧碳氢化合物。分为A：硬树脂，类似石油沥青中的沥青质；B：软树脂，赤褐色粘塑性物，溶于氯仿，类似石油沥青中的树脂。(3)油分，是液态碳氢化合物。此外煤沥青的油分中还含有萘、蒽和酚等，萘和蒽能溶解于油分中，在含量较高或低温时能呈固态晶状析出，影响煤沥青的低温变形能力。酚为苯环中含羟物质，能溶于水，且易被氧化。煤沥青中酚、萘和水均为有害物质，对其含量必须加以限制。,沥青,2.煤沥青的技术性质 煤沥青与石油沥青相比，在技术性质上有下列差异。1)温度敏感性较低，因含可溶性树脂多，由固态或粘稠态转变为粘流态(或液态)的温度间隔较窄，夏天易软化流淌而冬天易脆裂。2)与矿质集料的粘附性较好，在煤沥青组成中含有较多的极性物质，它赋予煤沥青高的表面活性，所以它与矿质集料具有较好的粘附性。3)大气稳定性较差，含挥发性成分和化学稳定性差的成分较多，在热、阳光和氧气等长期综合作用下，煤沥青的组成变化较大，易硬脆。4)塑性差，含有较多的游离碳，容易变形而开裂。5)耐腐蚀性强，因含酚、蒽等有有毒物质，防腐蚀能力较强，故适用于木材的防腐处理。又因酚易溶于水，故防水性不及石油沥青。3.煤沥青与石油沥青简易鉴别 石油沥青与煤沥青掺混时，将发生沉渣变质现象而失去胶凝性，故不宜掺混使用。二者简易鉴别方法见表9-5所示。,沥青,表9-5 煤沥青与石油沥青简易鉴别方法,沥青,三、乳化沥青 乳化沥青是将粘稠沥青加热至流动态，经机械力的作用，而形成微滴(粒径约为25)分散在有乳化剂的水中，由于乳化剂稳定剂的作用而形成均匀的乳状液。乳化沥青具有如下优点：(1)冷态施工，节约能源。(2)施工方便，节约沥青。(3)保护环境，保障健康。,1.乳化沥青组成材料 乳化沥青主要由沥青、乳化剂、稳定剂和水等组分组成。1)沥青 沥青是乳化沥青组成的主要材料，沥青的质量直接关系到乳化沥青的性能。在选择作为乳化沥青用的沥青时，首先要考虑它的易乳化性。以工程适用为目的，可以认为易乳化性与沥青中的沥青酸含量有关。通常认为沥青酸总量大于1%的沥青，采用通用乳化剂和一般工艺即易于形成乳液。一般说来，相同油源和工艺的沥青，针入度较大者易于形成乳液。2)乳化剂 乳化剂是乳化沥青形成的关键材料。沥青乳化剂是一种表面活性剂，从化学结构上考察，它是一种“两亲性”分子，分子的一部分具有亲水性质，而另一部分具有亲油性质。亲油部分一般由碳氢原子团，特别是由长链烷基构成，结构差别较小。亲水部分原子团则种类繁多，结构差异较大。沥青乳化剂按其亲水基在水中是否电离为离子型和非离子型两大类。离子型乳化剂按其离子电性，又衍生为阴离子型(或负离子型)、阳离子型(或正离子型)和两性离子型等三类。沥青乳化剂分类如下：,沥青,阴离子型 离子型 阳离子型乳化剂 两性离子型 非离子型常见的各种乳化剂如表9-6。,沥青,3)稳定剂 为使乳液具有良好的贮存稳定性，以及在施工中喷洒或拌和的机械作用下的稳定性，必要时可加入适量的稳定剂。稳定剂可分两类。(1)有机稳定剂，常用的有聚乙烯醇、聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠等。(2)无机稳定剂，常用的氯化钙、氯化镁、氯化铵和氯化铬等。4)水 水是乳化沥青的主要组成部分，不可忽视水对乳化沥青性能的影响。水常含有各种矿物质或其他影响乳化沥青形成的物质。2.乳化沥青形成机理 1)乳化剂降低界面张力的作用 如将180热沥青倾于80温热的水中，经机械搅拌后，沥青可形成微滴分散在水中。但是停止搅拌后，沥青很快就“聚析”而浮在水面。这是由于沥青在180时的表面张力()约为33mN/m，80时水的表面张力()约为63 mN/m，故沥青与水的界面张力()约为33 mN/m左右，表明它们之间存在较大的表面张力。,沥青,由吉布斯定律可知：(9.6)G沥青微滴表面自由能。S沥青微滴的总表面积。沥青与水的界面张力。C常数。由上式可知，当沥青与水的界面张力()为一定值，随着沥青液滴总表面积(S)的增加，表面自由能(G)亦增加。由于沥青水体系是一个热力学不稳定体系，为了保持热力学平衡，沥青液滴自然趋向“聚析”以降低表面自由能。为保持沥青液滴的高度分散性，即不缩小沥青液滴的总表面积(S)，而又能保持沥青水体系的稳定，唯一的途径只有降低沥青水的界面张力()。,沥青,乳化剂是一种两亲性物质，它在沥青水的体系中，非极性端朝向沥青、极性端朝向水，这样定向排列可使沥青与水的界面张力()大大降低，因而使沥青水体系形成稳定的分散体系。2)界面膜的保护作用 乳化剂在沥青水界面上定向排列，降低了沥青与水的界面张力。与此同时，乳化剂在沥青微滴的周围形成“界面膜”，此膜具有一定的强度，对沥青微滴起着保护作用，使其在相互碰撞时，不至产生“聚结”现象。当乳化剂用量最适宜时，界面膜为密排的定向分子组成，此时界面膜的强度最高，沥青微滴聚结需要克服较大阻力，因而保证沥青水体系的稳定性。3)双电层的稳定作用 通常稳定的沥青乳液中沥青微滴都带电荷，这电荷来源于电离、吸附和沥青微滴于水之间的摩擦。电离与吸附带电是同时发生的，例如阳离子乳化剂吸附于沥青微滴表面时，伸入水中的极性基团电离而使沥青微滴带正电荷。沥青水界面上电荷层的结构，一般是扩散双电层分布。双电层由两部分组成，第一部分为单分子层，基本上固定在界面上，这层电荷与沥青微滴的电荷相反，这一层称为吸附层；第二部分由吸附层向外，电荷向水介质中扩散，此层称为扩散层。在吸附层与扩散层界面上的电动电位(又称电位)。乳化沥青的稳定性取决于电位的大小。由于每一沥青微滴界面都带相同电荷，并有扩散双电层的作用，故水沥青体系成为稳定体系。,沥青,综上所述，沥青乳液所以能形成高稳定的分散体系，主要是由于乳化剂降低了体系的界面能、界面膜的形成和界面电荷的作用。3.乳化沥青分裂机理 乳化沥青在路面施工时，为发挥其粘结功能，沥青液滴必须从乳化液中分裂出来，聚集在集料的表面而形成连续的沥青薄膜，这一过程称为“分裂”。1)分裂原因 乳化沥青的分裂主要取决于下列因素。(1)水的蒸发作用，由于路面施工环境气温、相对湿度和风速等因素的影响，乳 液中水的蒸发，破坏乳化沥青的稳定性，而造成分裂。(2)集料的吸收作用，由于集料的矿物构造孔隙对乳液水分的吸收，同样能破坏乳液的稳定性造成分裂。(3)集料物理化学作用，乳化沥青中带电荷的微滴于不同化学性质的集料接触后产生复杂的物理化学作用，而使乳化沥青分裂并在集料表面形成薄膜。,沥青,(4)机械的激波作用，在施工过程中压路机的碾压和开放交通后汽车的行驶，各种机械力对路面的振颤而产生激波作用，也能促进乳化沥青的稳定性的破坏和沥青薄膜结构的形成。2)分裂机理 在诸多分裂的因素中，最核心的是乳化沥青与集料的物理化学作用，由此而提出不同的理论解释。(1)电荷理论，这种理论认为，集料可分为带正电荷的碱性石料和带负电的酸性石料两类。阴离子乳液由于沥青微粒带负电荷，它与表面上基本带正电荷的碱性集料(如石灰石、白云石等)具有较好的粘附性；同样，阳离子乳液由于沥青微粒带正电荷，它与表面基本带负电荷的酸性集料(如硅质岩或花岗岩)具有较好的粘附性。(2)化学反应理论，这种理论认为，传统的电荷理论是值得怀疑的，因为实践表明，带正电荷的阳离子乳液不仅能与带负电荷的酸性集料具有较好的粘附性，而且与带正电荷的碱性集料同样具有较好的粘附性。因此认为，阳离子乳液与碱性集料具有好的粘附性，是由于石灰石(CaCO3)与阳离子乳液中的HCI作用，可形成H2CO3，而H2CO3在水中，又可电离出CO32-，它与阳离子乳化剂电离后的正电荷原子团具有较好的亲和力。,沥青,其化学反应可表示如下式。(9.7)(9.8)(9.9)(3)振动功能理论，上述化学反应理论的解释，并未能取得所有研究者的赞同，因此有的研究者则另辟途径，而提出一种“振动功能”理论来进行解释。这种理论认为阳离子乳液由于具有高的振动功能，所以它不论是对酸性集料或碱性集料表面都具有较好的亲和力。,沥青,4.乳化沥青的应用 乳化沥青适用于沥青表面处治路面、沥青贯入式路面、冷拌沥青混合料路面，修补裂缝，喷洒透层、粘层与封层等。乳化沥青的品种和适用范围宜符合表9-7的规定。在高温条件下宜采用粘度较大的乳化沥青，寒冷条件下宜使用粘度较小的乳化沥青。表9-7 乳化沥青品种及适用范围,沥青,四、改性沥青 在土木工程中使用的沥青应具有一定的物理性质和粘附性。在低温条件下应有弹性和塑性；在高温条件下要有足够的强度和稳定性；在加工和使用条件下具有抗“老化”能力；还应与各种矿料和结构表面有较强的粘附力；以及对变形的适应性和耐疲劳性。通常，石油加工厂制备的沥青不定能全面满足这些要求，为此，常用橡胶、树脂和矿物填料等改性。橡胶、树脂和矿物填料等通称为石油沥青的改性材料。从广义上划分，根据不同目的所采取的改性沥青汇总于图9.7。,沥青,图9.7 改性沥青分类,从狭义来说，改性沥青按改性剂的不同，一般将其分为四类。1.橡胶改性沥青 橡胶是沥青的重要改性材料。它和沥青有较好的混溶性，并能使沥青具有橡胶的很多优点，如高温变形性小，低温柔性好。由于橡胶的品种不同，掺入的方法也有所不同，而各种橡胶沥青的性能也有差异。现将常用的几种分述如下。1)氯丁橡胶改性沥青 沥青中掺入氯丁橡胶后，可使其气密性、低温柔性、耐化学腐蚀性和耐气候性等得到改进。氯丁橡胶改性沥青的生产方法有溶剂法和水乳法。溶剂法是先将氯丁橡胶溶于一定的溶剂中形成溶液，然后掺入沥青中，混合均匀即成为氯丁橡胶改性沥青。水乳法是将橡胶和石油沥青分别制成乳液，再混合均匀即可使用。氯丁橡胶改性沥青可用于路面的稀浆封层和制作密封材料和涂料等。2)丁基橡胶改性沥青 丁基橡胶改性沥青的配制方法与氯丁橡胶沥青类似，而且较简单一些。,沥青,将丁基橡胶碾切成小片，在搅拌条件下把小片加到100的溶剂中(不得超过110)，制成浓溶液。同时将沥青加热脱水熔化成液体状沥青。通常在100左右把两种液体按比例混合搅拌均匀进行浓缩15min20min，达到要求性能指标。丁基橡胶在混合物中的含量一般为2%4%。同样也可以分别将丁基橡胶和沥青制备成乳液，然后再按比例把两种乳液混合即可。丁基橡胶改性沥青具有优异的耐分解性，并有较好的低温抗裂性能和耐热性能，多用于道路路路面工程和制作密封材料和涂料。3)SBS改性沥青 SBS是热塑性弹性体苯乙烯丁二烯嵌段共聚物，它兼有橡胶和树脂的特性，常温下具有橡胶的弹性，高温下又能像树脂那样熔融流动，成为可塑的材料。SBS改性沥青具有良好的耐高温性、优异的低温柔性和耐疲劳性，SBS改性沥青具有以下特点。(1)弹性好，延伸率大，延度可达2 000%。(2)低温柔性大大改善，冷脆点降至-40。(3)热稳定性提高，耐热度达90100。(4)耐候性好。SBS改性沥青是目前应用最成功和用量最大的一种改性沥青。SBS的掺量一般为 3%10%。主要用于制作防水卷材和铺筑高等级公路路面等。,沥青,4)再生橡胶改性沥青 再生胶掺人沥青中以后，同样可大大提高沥青的气密性，低温柔性，耐光、热、臭氧性，耐气候性。再生橡胶改性沥青材料的制备是先将废旧橡胶加工成1.5mm以下的颗粒，然后与沥青混合，经加热搅拌脱硫，就能得到具有一定弹性、塑性和粘结力良好的再生胶改性沥青材料。废旧橡胶的掺量视需要而定，一般为3%15%。再生橡胶改性沥青可以制成卷材、片材、密封材料、胶粘剂和涂料等，随着科学技术的发展，加工方法的改进，各种新品种的制品将会不断增多。2.树脂改性沥青 用树脂改性石油沥青，可以改进沥青的耐寒性、耐热性、粘结性和不透气性。由于石油沥青中含芳香性化合物很少，故树脂和石油沥青的相容性较差，而且可用的树脂品种也较少。常用的树脂有古马隆树脂、聚乙烯、乙烯乙酸乙烯共聚物(EVA)，无规聚丙烯APP等。1)古马隆树脂改性沥青 古马隆树脂又名香豆桐树脂，呈粘稠液体或固体状，浅黄色至黑色，易溶于氯化烃、酯类、硝基苯等，为热塑性树脂。将沥青加热熔化脱水，在150160情况下，把古马隆树脂放人熔化的沥青中，并不断搅拌，再把温度升至185190，保持一定时间，使之充分混合均匀，即得到古马隆树脂沥青。树脂掺量约40%。这种沥青的粘性较大。,沥青,2)聚乙烯树脂改性沥青 在沥青中掺入5%10%的低密度聚乙烯，采用胶体磨法或高速剪切法即可制得聚乙烯树脂改性沥青。聚乙烯树脂改性沥青的耐高温性和耐疲劳性有显著改善，低温柔性也有所改善。一般认为，聚乙烯树脂与多蜡沥青的相容性较好，对多蜡沥青的改性效果较好。3)APP改性沥青 APP是聚丙烯的一种，根据甲基的不同排列。聚丙基分无规聚丙烯、等规聚丙烯和间规聚丙烯三种。APP即无规聚丙烯，其甲基无规地分布在主链两侧。无规聚丙烯为黄白色塑料，无明显熔点，加热到150后才开始变软。它在250左右熔化，并可以与石油沥青均匀混合。APP改性沥青与石油沥青相比，其软化点高，延度大，冷脆点降低，粘度增大，具有优异的耐热性和抗老化性，尤其适用于气温较高的地区。主要用于制造防水卷材。3.橡胶和树脂改性沥青 橡胶和树脂同时用于改善沥青的性质，使沥青同时具有橡胶和树脂的特性。且树脂比橡胶便宜，橡胶和树脂又有较好的混溶性，故效果较好。,沥青,橡胶、树脂和沥青在加热融熔状态下，沥青与高分子聚合物之间发生相互侵入和扩散，沥青分子填充在聚合物大分子的间隙内，同时聚合物分子的某些链节扩散进入沥青分子中，形成凝聚的网状混合结构，故可以得到较优良的性能。配制时，采用的原材料品种、配比和制作工艺不同，可以得到很多性能各异的产品。主要有卷、片材，密封材料，防水涂料等。4.矿物填料改性沥青 为了提高沥青的粘结能力和耐热性，降低沥青的温度敏感性，经常加入一定数量的矿物填料。1)矿物填料的品种常用的矿物填料大多是粉状的和纤维状的，主要的有滑石粉、石灰石粉、硅藻土和石棉等。(1)滑石粉，主要化学成分是含水硅酸镁()，亲油性好(憎水)，易被沥青润湿，可直接混入沥青中，以提高沥青的机械强度和抗老化性能，可用于具有耐酸、耐碱、耐热和绝缘性能的沥青制品中。(2)石灰石粉，主要成分为碳酸钙，属亲水性的岩石，但其亲水程度比石英粉弱，而最重要的是石灰石粉与沥青有较强的物理吸附力和化学吸附力，故是较好的矿物填料。,沥青,(3)硅藻土，它是软质多孔而轻的材料，易磨成细粉，耐酸性强，是制作轻质、绝热、吸音的沥青制品的主要填料。膨胀珍珠岩粉有类似的作用，故也可作这类沥青制品的矿物填料。(4)石棉绒或石棉粉，它的主要组成为钠、钙、镁、铁的硅酸盐，呈纤维状，富有弹性，具有耐酸、耐碱和耐热性能，是热和电的不良导体，内部有很多微孔，吸油(沥青)量大，掺入后可提高沥青的抗拉强度和热稳定性。此外，白云石粉、磨细砂、粉煤灰、水泥、高岭土粉和白垩粉等也可作沥青的矿物填料。2)矿物填料的作用机理 沥青中掺入矿物填料后，能被沥青包裹形成稳定的混合物。一要沥青能润湿矿物填料；二要沥青与矿物填料之间具有较强的吸附力，并不为水所剥离。一般具有共价键或分子键结合的矿物属憎水性即亲油性的，如滑石粉等，对沥青的亲合力大于对水的亲合力，故滑石粉颗粒表面所包裹的沥青即使在水中也不会被水所剥离。,沥青,另外，具有离子键结合的矿物如碳酸盐、硅酸盐等，属亲水性矿物，即有憎油性。但是，因沥青中含有酸性树脂，它是一种表面活性物质，能够与矿物颗粒表面产生较强的物理吸附作用。如石灰石粉颗粒表面上的钙离子和碳酸根离子，对树脂的活性基团有较大的吸附力，还能与沥青酸或环烷酸发生化学反应形成不溶于水的沥青酸钙或环烷酸钙，产生化学吸附力，故石灰石粉与沥青也可形成稳定的混合物。从以上分析可以认为，由于沥青对矿物填料的润湿和吸附作用，沥青可能成单分子状排列在矿物颗粒(或纤维)表面，形成结合力牢固的沥青薄膜，有的将它称为结构沥青。结构沥青具有较高的粘性和耐热性等。因此，沥青中掺入的矿物填料的数量要适当，以形成恰当的结构沥青膜层。,沥青,按照现代沥青路面的建筑工艺，沥青与不同组成的矿质集料可以修建成不同结构的沥青路面。最常用的的沥青路面包括沥青表面处冶、沥青贯入式、沥青碎石和沥青混凝土等四种路面。本节主要讨论沥青混凝土混合料和沥青碎石混合料。按我国现行国家标准公路沥青路面施工技术规范(JTGF 402004)有关定义和分类释义如下。1.定义 沥青混合料是由将粗集料、细集料和矿粉经人工合理选择级配组成的矿质混合料与沥青经拌和而成的均匀混合料。目前主要使用的沥青混合料如下。(1)密级配沥青混合料，按密实级配原理设计组成的各种粒径颗粒的矿料，与沥青结合料拌和而成，设计空隙率较小(对不同交通及气候情况、层位可作适当调整)的密实式沥青混凝土混合料(以AC表示)和密实式沥青稳定碎石混合料(以ATB表示)。按关键性筛孔通过率的不同又可分为细型、粗型密级配沥青混合料等。粗集料嵌挤作用较好的也称嵌挤密实型沥青混合料。(2)开级配沥青混合料，矿料级配主要由粗集料嵌挤组成，细集料及填料较少，设计空隙率18%的混合料。,沥青混合料,(3)半开级配沥青碎石混合料，由适当比例的粗集料、细集料及少量填料(或不加填料)与沥青结合料拌和而成，经马歇尔标准击实成型试件的剩余空隙率在6%12%的半开式沥青碎石混合料(以AM表示)。(4)间断级配沥青混合料，矿料级配组成中缺少1个或几个档次(或用量很少)而形成的沥青混合料。(5)沥青稳定碎石混合料(简称沥青碎石)，由矿料和沥青组成具有一定级配要求的混合料，按空隙率、集料最大粒径、添加矿粉数量的多少，分为密级配沥