第二章 沥青材料 山东建筑大学 交通工程专业.

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1 第二章 沥青材料 山东建筑大学 交通工程专业

2 学习内容 基本要求： 重点与难点： ⑴ 了解道路石油沥青的生产工艺和组分分析方法；掌握道路石 油沥青的组成结构；
道路建筑材料·沥青材料 学习内容 基本要求： ⑴ 了解道路石油沥青的生产工艺和组分分析方法；掌握道路石 油沥青的组成结构； ⑵ 掌握道路石油沥青技术性质(物理性质、路用性能—粘滞性、 感温性、耐老化性、粘弹性、低温性能、安全性、黏附性、溶解度、 含蜡量)及评价方法； ⑶ 掌握道路石油沥青的技术标准。 重点与难点： 道路石油沥青的技术性质以及评价方法。

3 主要内容 2.1 沥青基础知识 2.2 道路石油沥青生产工艺及组成结构 2.3 道路石油沥青技术性质 2.4 改性沥青与乳化沥青
道路建筑材料 砂石材料 道路建筑材料·沥青材料 主要内容 2.1 沥青基础知识 2.2 道路石油沥青生产工艺及组成结构 2.3 道路石油沥青技术性质 2.4 改性沥青与乳化沥青 2.5 小结与习题

4 2.1 沥青基础知识 1. 沥青材料的定义 2. 沥青材料的分类 黑色或暗黑色固体、半固体或者粘稠状物质，由天然或人工制造而得，主
道路建筑材料·沥青材料 2.1 沥青基础知识 1. 沥青材料的定义 黑色或暗黑色固体、半固体或者粘稠状物质，由天然或人工制造而得，主 要由高分烃类组成。 2. 沥青材料的分类 ⑴ 天然沥青：一般存于岩石裂缝、地面或形成湖泊； 地下原油通过岩石裂缝渗透到地表，其轻质油蒸发，残留物经氧化后形成； 特立尼达湖沥青；四川青川沥青矿、新疆克拉玛依乌尔木沥青湖； ⑵ 焦油沥青： 煤、木材、页岩炭化或减压蒸馏得到； 煤焦油、松节油，页岩沥青； ⑶ 石油沥青： 石油加工所得的渣油或由渣油氧化所得产物； 普通沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青等； 使用最广泛 课程主要内容；

5 环烷基和中间基原油较适合生产优质道路沥青；
道路建筑材料·沥青材料 环烷基和中间基原油较适合生产优质道路沥青； Ⅰ石油沥青的分类： 加工工艺不同： 直馏沥青：性质与原油来源有关； 氧化沥青：主要用于生产建筑沥青或低标号道路沥青； 调和沥青：关键在于组分的配伍性，混合均匀； 溶剂脱沥青： 形态不同： 粘稠沥青：使用广泛； 液体沥青：通常的乳化沥青，用于路面养护 用途不同：道路沥青、建筑沥青、水工、防腐沥青； 是否加入高分子添加剂：普通沥青与改性沥青

6 SBS类、SBR类及EVA、PE类有国家规范，其余仅为指南；
Ⅰ石油沥青的分类： 普通沥青： 针入度分级：A70#，A90#，A110#； PG性能分级：PG64-22，PG58-22； 改性沥青：向普通沥青中加入一定高分子改性剂； 橡胶类：SBR类； 热塑性树脂类：EVA、PE类； 热塑性橡胶类：SBS类； 其他改性沥青材料：岩改性沥青、橡胶改性沥青； SBS类、SBR类及EVA、PE类有国家规范，其余仅为指南；

7 Ⅱ 石油沥青的发展及我国使用情况： 石油沥青的发展历史 公元前1600年，约旦河上游沥青矿—制涂料；
道路建筑材料 砂石材料 道路建筑材料·沥青材料 Ⅱ 石油沥青的发展及我国使用情况： 石油沥青的发展历史 公元前1600年，约旦河上游沥青矿—制涂料； 公元前600年，巴比伦—沥青铺筑路面，不久失传； 1681年，英国人研发出煤焦油沥青； 1866年，匹兹堡沥青诞生—硫磺与沥青共热，硫磺改性沥青； 1870年，开始开采特立尼达湖沥青，年产10万吨； 1894年，柏尔来沥青诞生—氧化沥青； 1876年，美国华盛顿特区宾夕法尼亚大道第一个单层沥青路面； 1901年， Warrin兄弟开始用沥青混凝土铺路； 1902年，加利福尼亚修建38座沥青炼厂； 1960年，开始使用全厚度沥青路面； 70年代，奥地利开始尝试用聚合物改性沥青； 公元前 年间，沥青作为防虫剂，涂抹于树木受伤处，促进组织愈合；

8 Ⅱ 石油沥青的发展及我国使用情况： 我国道路石油沥青使用情况 2021 456 道路建筑材料·沥青材料 道路建筑材料 砂石材料
随着我国经济建设的不断发展，国家对基层设施建设力度加大，公路网的形成，对沥青的需求量也是逐渐增加。

9 2.2 道路石油沥青生产工艺及组成结构 1. 石油沥青生产工艺 常减压工艺： 氧化工艺： 溶剂脱沥青工艺：通过调和或氧化生产合格道路沥青；
道路建筑材料·沥青材料 2.2 道路石油沥青生产工艺及组成结构 1. 石油沥青生产工艺 常减压工艺： 直馏沥青或普通道路沥青； 生产原理：蒸馏将原油中高沸点组分浓缩，减压塔底渣油—沥青； 氧化工艺： 生产建筑沥青或低标号道路沥青； 生产原理：高温渣油吹空气氧化生产的高软化点沥青； 溶剂脱沥青工艺：通过调和或氧化生产合格道路沥青； 调和工艺：以沥青四组分作为调和依据，使组分配伍性良好；

10 道路建筑材料·沥青材料 沥青生产流程

11 道路建筑材料 砂石材料 道路建筑材料·沥青材料 常减压工艺 炼油工业采用塔式蒸馏将原油中高沸点组分浓缩，减压塔底渣油极为沥青产品；

12 常减压工艺

13 2. 石油沥青的组成结构 ⑴ 元素组成 主要是C、H；少量杂原子S、N和O；微量金属元素Fe、Ni、V；
道路建筑材料·沥青材料 2. 石油沥青的组成结构 ⑴ 元素组成 主要是C、H；少量杂原子S、N和O；微量金属元素Fe、Ni、V； 元素组成与沥青的技术性质相关性较差；

14 2. 石油沥青的组成结构 ⑵ 族组成 常用四组分分析法(SARA法)： 沥青是一种复杂混合物，一般的化学分析方法难以将其分离；
道路建筑材料·沥青材料 2. 石油沥青的组成结构 ⑵ 族组成 沥青是一种复杂混合物，一般的化学分析方法难以将其分离； 化学族组成分析 定义：物理和化学特性相近似的化合物集合体——族； 分析原理：不同分子大小、极性及分子空间构型不同； 族组成分析方法：四组分分析法 吸附法：沥青在吸附剂上的吸附性不同及抽提溶剂中溶解度不同而分离； 色谱法：液固吸附色谱进行梯度冲洗； 常用四组分分析法(SARA法)：

15 道路建筑材料·沥青材料 沥青四组分分析法 液相冲洗色谱柱； SARA法将沥青分 饱和分 芳香分 胶质 沥青质 油分

16 道路建筑材料·沥青材料 沥青四组分结构特点 沥青质 胶质

17 道路建筑材料·沥青材料 溶剂溶解的沥青质

18 道路建筑材料·沥青材料 沥青四组分结构特点

19 沥青四组分特点： 饱和分S： 芳香分A： 胶质R： 溶于正庚烷，极性强，粘结力强，是沥青的胶溶剂； 沥青质AT：
道路建筑材料·沥青材料 沥青四组分特点： 饱和分S： 直链和支链脂肪烃及烷基、环烷基烃； 温度敏感性差；S%越大，沥青越软； 占5-20%；起软化沥青质-胶质的作用； 芳香分A： 沥青中最低的分子量的环烷芳香化合物； 非极性较强，对高分子有强的溶解能力；A%越大，沥青越软； 沥青中占30-45%； 胶质R： 溶于正庚烷，极性强，粘结力强，是沥青的胶溶剂； 化学稳定性差，易氧化缩合，具有很好的粘附性； 沥青中占30-40%； 沥青质AT： 溶于苯或甲苯，不溶于正庚烷； AT%增加，沥青硬度增大，对沥青的感温性有好的影响；但过高，使沥青较脆； 沥青中占5-20%；

20 道路建筑材料·沥青材料 常见沥青的族组成 注：C5戊烷沥青质比C7庚烷沥青质数值要大；

21 指沥青除去沥青质和胶质后，在油分中含有的、经冷冻能结晶
道路建筑材料·沥青材料 沥青中的蜡 定义： 指沥青除去沥青质和胶质后，在油分中含有的、经冷冻能结晶 析出的，熔点在25℃以上的混合组分，其主要是高熔点的烃类混 合物； 结构： 正构烷烃及长烷基侧链的少环烃类为主。 相对其他组分其结构和组成相对简单； 特点： 高温易软化，使沥青粘度降低，温度敏感性增大； 低温时结晶，降低沥青的低温延展能力，柔韧性变差； 降低沥青与集料的粘附性；

22 道路建筑材料·沥青材料 蜡晶体的不同几何结构

23 胶体理论：多数沥青为胶体体系，以沥青质为胶核，胶质吸附在
道路建筑材料·沥青材料 2. 石油沥青的组成结构 ⑶ 沥青的胶体结构 胶体理论：多数沥青为胶体体系，以沥青质为胶核，胶质吸附在 沥青质周围，饱和分、芳香分作为分散介质，包裹外围，从而形成 稳固的胶体结构； 简单的胶体模型

24 道路建筑材料·沥青材料 溶胶型沥青及凝胶型沥青示意图

25 道路建筑材料·沥青材料 扫描电子显微镜SEM观测的凝胶型沥青

26 不同胶体结构的沥青特点： 溶胶型沥青： 凝胶型沥青： 溶凝胶型沥青：
道路建筑材料·沥青材料 不同胶体结构的沥青特点： 溶胶型沥青： 沥青质含量<10%，分子尺寸与胶质相近，饱和分与芳香分溶解能力强； 沥青胶束分散度高，胶束可自由移动，具有牛顿流体特性； 对温度变化敏感； 凝胶型沥青： 沥青质含量很大，超过25%，胶质不足以裹覆沥青质使其胶溶； 沥青质胶团相互连接，沥青胶束移动较困难，呈非牛顿流动特性； 较好的温度敏感性，高温下粘度较大，低温下较脆，柔韧性差； 溶凝胶型沥青： 沥青质含量适中，沥青中存在的网络结构相对较松散； 常温时，变形初期有明显的粘弹性， 高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的形变能力；

27 沥青胶体结构的评价方法 胶体结构的判断——针入度指数法： PI指数的计算： 式中：P—— 沥青针入度，0.1mm；
道路建筑材料·沥青材料 沥青胶体结构的评价方法 胶体结构的判断——针入度指数法： PI值<-2时，溶胶型沥青； PI值>2时，凝胶型沥青， PI在-2～2时，溶胶—凝胶型沥青； PI指数的计算： 通常采用针入度实验来确定确定： 计算公式： 式中：P—— 沥青针入度，0.1mm； A—— 针入度-温度感应性系数； T—— 针入度的实验温度，℃；

28 小结 道路石油沥青沥青的化学族组成； 道路石油沥青的胶体结构； PI指数的判定及其计算； 四组分分析方法；
道路建筑材料·沥青材料 小结 道路石油沥青沥青的化学族组成； 四组分分析方法； 饱和分、芳香分、胶质、沥青质分别起的作用； 道路石油沥青的胶体结构； 溶胶型沥青：沥青质少，抗冻，高温粘度低； 凝胶型沥青：沥青质多，低温较脆； 溶凝胶型沥青： PI指数的判定及其计算；

29 2.3 道路石油沥青技术性质 1.物理性质 密度 体膨胀系数 介电常数

30 2.3 道路石油沥青技术性质 2.路用性质 粘滞性——粘度表征 测定方法 (1) 毛细管粘度法 (2) 真空减压毛细管法 (3) 布氏粘度
2.3 道路石油沥青技术性质 2.路用性质 粘滞性——粘度表征 沥青绝对粘度概念图 测定方法 (1) 毛细管粘度法 (2) 真空减压毛细管法 (3) 布氏粘度 (4) 标准粘度 (5) 针入度 (6) 软化点

31 2.路用性质——粘滞性 真空减压毛细管法——60℃动力粘度，Pa.s，高温指标

32 2.路用性质——粘滞性 针入度——分级指标P25℃，100g，5s 100 g penetration 0 sec 5 sec

33 2.路用性质——粘滞性 软化点——环球法软化点，高温指标 实验过程： 制模；空气中0.5h，热刮刀切模，温度浴中护15min； 实验条件：
SP<80℃，5℃水中养护； SP>80℃，32℃甘油中养护；

34 2.路用性质 沥青低温性能 测定方法： 延性(延度)、脆性、弯曲梁流变实验 BBR； 沥青低温蠕变劲度：BBR测定 蠕变劲度定义：
意义：表征沥青在某一温度和某一荷载作用时间的应力与应变关系，是 反映沥青粘性和弹性联合效应的指标。 S ，沥青劲度模量，Pa； δ，应力，Pa； ε，应变； T ，温度，℃； t ，荷载时间，s；

35 2.路用性质 沥青低温性能 测定方法： 延性(延度)、脆性、弯曲梁流变实验 BBR； 延度测定

36 2.路用性质 沥青低温性能 测定方法： 延性(延度)、脆性、弯曲梁流变实验 BBR； BBR测定沥青蠕变劲度

37 2.路用性质 沥青感温性能——针入度指数PI A：针入度—温度敏感性系数； P：沥青在某一温度下针入度；

38 2.路用性质 沥青耐久性 定义：沥青运输、加热、拌合、碾压及自然条件作用发生物理化学变化而变硬、变脆的现象； 影响因素：温度、空气、水、时间
评价方法 (1) 薄膜烘箱试验 TFOT (2) 旋转薄膜烘箱试验 RTFOT (3) 压力老化试验 PAV

39 2.路用性质——耐久性

40 2.路用性质 沥青粘弹性 定义：低温时表现为弹性，高温时表现为粘性，常温粘弹性共存 测定：动态剪切流变仪DSR

41 2.路用性质 沥青粘附性 粘附原因：沥青偏酸性，与碱性石料产生强化学吸附； 粘附性差：导致沥青路面松散； 实验方法
水煮法水浸法、光电分光光度法。

42 3.道路石油沥青的技术要求 道路石油沥青的分级体系 针入度分级： 分级指标：25℃针入度划分沥青标号； 技术要求：JTG F40-2004
粘度分级：以60℃粘度大小划分沥青标号； PG分级：ASTM D6373 技术指标 符号 实验仪器 试验目的 抗车辙因子 G*/sinσ DSR 高温性能 抗疲劳因子 G*×sinσ 中温疲劳特性 蠕变劲度变化率 m BBR 低温性能 蠕变劲度 S 粘度 η 布氏粘度计 施工和易性

43 3.道路石油沥青的技术要求 我国道路石油沥青的技术要求

44 2.4 改性沥青与乳化沥青 1. 改性沥青： 定义：向普通沥青中加入一定高分子改性剂； 分类： 橡胶类：SBR类；
2.4 改性沥青与乳化沥青 1. 改性沥青： 定义：向普通沥青中加入一定高分子改性剂； 分类： 橡胶类：SBR类； 热塑性树脂类：EVA、PE类； 热塑性橡胶类：SBS类； 其他改性沥青材料：岩改性沥青、橡胶改性沥青等；

45 2. 乳化沥青 定义：粘稠沥青经热融和机械作用以微滴状态分散于含有 乳化剂—稳定剂的水中，形成水包油的沥青乳液； 形成机理：
道路建筑材料·沥青材料 2. 乳化沥青 定义：粘稠沥青经热融和机械作用以微滴状态分散于含有 乳化剂—稳定剂的水中，形成水包油的沥青乳液； 形成机理： 应用：主要应用于路面养护；

46 2.5 小结与习题 重点： 1.评价沥青高温、低温、温度敏感性、施工和易性、耐久 性的常用指标； 2. 什么是三大指标，简述实验过程； 3. 道路沥青的分级体系有几种，并简述其技术指标及其指 标的意义； 作业：P

47 本 章 结 束