第5章 土木工程材料_沥青材料分析

第5章沥青材料本章导学学习目的:沥青是一种典型的有机胶结材料，也是现代高速公路及城市道路的主要路面胶结材料和常用的防水材料；通过本章的学习，重点掌握沥青的主要性能特点，深刻认识沥青性能于环境的关系，为沥青混合料的学习打下基础。

教学要求:结合现代路面工程和屋面防水工程，讲解沥青材料的主要技术性能，重点使学生掌握，沥青性能与组成及环境的关系，并了解沥青防水材料的基本性能。

学习重点：1．通过学习沥青的分类和石油沥青的生产，了解不同生产工艺和基属的沥青的性能特点。

2．重点掌握石油沥青的组成和结构，包括组分组成和胶体结构组成，及其对路用性能的影响。

3．学习掌握石油沥青的重要技术性质的含义、测试方法及所表征的路用性能。

有条件的学员应亲自动手进行三大指标试验，并通过阅读参考文献了解美国SHRP沥青指标体系中对沥青性能的要求。

4．通过阅读参考文献，了解有关沥青老化和改性的知识。

5．结构工程专业的学员还应掌握常用的沥青基防水卷材的基本性能。

提示：沥青材料是目前我国高速公路面层的主要胶结材料，同时也是重要的屋面防水材料，由于沥青属于有机胶凝材料，因此具有与无机胶凝材料明显不同的性能特点和使用注意事项，学习中应注意对比掌握。

5.1沥青的分类与生产5.1.1沥青的分类沥青材料是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属（氧、硫、氮）的衍生物所组成的黑色或黑褐色的固体、半固体或液体的混合物。

沥青属于有机胶凝材料，与矿质混合料有非常好的粘结能力，是道路工程重要的筑路材料；沥青属于憎水性材料，结构致密，几乎完全不溶于水和不吸水，因此广泛用于土木工程的防水、防潮和防渗；同时沥青还具有较好的抗腐蚀能力，能抵抗一般酸性、碱性及盐类等具有腐蚀性的液体和气体的腐蚀，因此可用于有防腐要求而对外观质量要求较低的表面防腐工程。

对于沥青材料的命名和分类，目前世界各国尚未取得统一的认识。

现就我国通用的命名和分类简述如下：沥青按其在自然界中获得的方式，可分为地沥青和焦油沥青两大类。

1.地沥青：是天然存在的或由石油精制加工得到的沥青材料。

按其产源又可分为：（1）天然沥青：是石油在自然条件下，长时间经受地球物理因素作用而形成的产物，我国新疆克拉玛依等地产有天然沥青。

（2）石油沥青：石油沥青是指石油原油经蒸馏等提炼出各种轻质油及润滑油以后的残留物，或将残留物进一步加工得到的产物。

2.焦油沥青：是利用各种有机物（煤、泥炭、木材等）干馏加工得到的焦油，经再加工而得到的产品。

焦油沥青按其加工的有机物名称而命名，如由煤干馏所得的煤焦油，经再加工后得到的沥青，即称为煤沥青。

以上各类沥青，可归纳如下：页岩沥青按其技术性质接近石油沥青，而按其生产工艺则接近焦油沥青，目前暂归焦油沥青类。

5.1.2石油沥青的生产目前，大量使用的都是石油沥青，石油沥青是石油原油经蒸馏等提炼出各种轻质油(如汽油、柴油等)及润滑油以后的残留物，或再经加工而得的产品。

其生产流程示意图如下：图5－1 石油沥青生产示意图原油经常压蒸馏后得到常压渣油，再经减压蒸馏后，得到减压渣油；这些渣油都属于低标号的慢凝液体沥青。

为提高沥青的稠度，以慢凝液体沥青为原料，可以采用不同的工艺方法得到粘稠沥青。

渣油经过再减蒸工艺，进一步深拔出各种重质油品，可得到不同稠度的直馏沥青；渣油经不同深度的氧化后，可以得到不同稠度的氧化沥青或半氧化沥青。

除轻度氧化的沥青属于高标号慢凝沥青外，这些沥青都属于粘稠沥青。

有时为施工需要，希望在常温条件下具有较大的施工流动性，在施工完成后短时间内又能凝固而具有高的粘结性，为此在粘稠沥青中掺加煤油或汽油等挥发速度较快的溶剂，这些用快速挥发溶剂作稀释剂的沥青，称为中凝液体沥青或快凝液体沥青。

为得到不同稠度的沥青，也可以采用硬的沥青与软的沥青（粘稠沥青或慢凝液体沥青）以适当比例调配，称为调合沥青。

按照比例不同所得成品可以是粘稠沥青，亦可以是慢凝液体沥青。

快凝液体沥青需要耗费高价的有机稀释剂，同时要求石料必须是干燥的。

为节约溶剂和扩大使用范围，可将沥青分散于有乳化剂的水中而形成沥青乳液，这种乳液亦称为乳化沥青。

为更好地发挥石油沥青和煤沥青的优点，选择适当比例的煤沥青与石油沥青混合而成一种稳定的胶体，这种胶体称为混合沥青。

目前我国在炼厂中生产沥青的主要工艺方法有：蒸馏法、氧化法、半氧化法、溶剂脱沥青法和调配法等。

制造方法不同，沥青的性状有很大的差异。

（1）蒸馏法：原油经过常压塔和减压塔装置，根据原油中所含的馏分沸点不同，将汽油、煤油、柴油等馏分分离后，可以得到加工沥青的原料（渣油），也可以直接获得“针入度级的粘稠沥青”。

这种直接由蒸馏得到的沥青，称为“直馏沥青”。

与氧化沥青相比，通常直馏沥青具有较好的低温变形能力，但温度感应性大（即温度升高容易变软）。

（2）氧化法：以蒸馏法得到的渣油或直馏沥青为原料，在氧化釜（或氧化塔）中，经加热并吹入空气（有时还加入催化剂），空气中的氧使其产生脱氢、氧化和缩聚等化学反应，沥青中低分子量的烃类转变为高分子量的烃类，这样得到稠度较高、温度感应性较低的沥青，称为吹气沥青或称氧化沥青，与直馏沥青相比，通常氧化沥青具有较低的温度感应性，高温时抗变形能力较好，但低温时变形能力较差（即低温时容易脆裂）。

（3）半氧化法：半氧化法是一种改进的氧化法。

为了避免直馏沥青的温度感应性和氧化沥青的低温变形能力差的缺点，在氧化时，采用较低的温度、较长的时间、吹入较少风量的空气，这样可以用控制温度、时间和风量方法，使沥青中各种不同分子量的烃组，按人为意志所转移。

最终达到适当兼顾高温和低温两方面性能的沥青。

（4）溶剂脱沥青法：在炼制高级润滑油时，用溶剂脱沥青装置萃取脱沥青油后，剩下的沥青称为溶剂脱沥青。

常用的溶剂有：丙烷、丙-丁烷和丁烷等。

如以丙烷为溶剂时，得到的沥青，脱沥青的含蜡量大大降低，使沥青的路用性能得到改善。

（5）调配法：采用两种（或两种以上）不同稠度（或其他技术性质）的沥青，按选定的比例互相调配后，得到符合要求稠度（或其它技术性质）的沥青产品称调配沥青。

调配比例可根据要求指标，用实验法，计算法或组分调节法确定。

5.1.3煤沥青煤沥青是由煤干馏的产品——煤焦油再加工而获得的。

根据煤干馏的温度不同，而分为：高温煤焦油（700℃以上）和低温煤焦油（450~700℃）两类。

路用煤沥青主要是由炼焦或制造煤气得到的高温焦油加工而得。

以高温焦油为原料可获得数量较多且质量较佳的煤沥青。

而低温焦油则相反，获得的煤沥青数量较少，且往往质量亦不稳定。

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）温度稳定性较低，煤沥青是一种较粗的分散系，同时树脂的可溶性较高，所以表现为热稳定性较低。

当在一定温度下，随着煤沥青的粘度降低，减少了热稳定性不好的可溶性树脂，而增加了热稳定性好的油分含量。

当煤沥青粘度升高时，粗分散相的游离碳含量增加，但不足以补偿由于同时发生的可溶树脂数量的变化带来的热稳定性损失。

（2）与矿质集料的粘附性较好，在煤沥青组成中含有较多数量的极性物质，它赋于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）气候稳定性较差，煤沥青化学组成中含有较高含量的不饱和芳香烃，这些化合物有相当大的化学潜能，它在周围介质（空间中的氧、日光的温度和紫外线以及大气降水）的作用下，老化进程（粘度增加、塑性降低）较石油沥青快。

（4）耐腐蚀性强，可用于木材等的表面防腐处理。

由上可见，煤沥青的主要技术性质都比石油沥青差，所以建筑工程上很少使用。

但它抗腐性能好，故适用于地下防水层或作防腐材料等。

煤沥青与石油沥青的鉴别表5－15.2石油沥青的组成与结构5.2.1组分组成石油沥青是由多种碳氢化合物及其非金属（氧、硫、氮）的衍生物组成的混合物。

所以它的组成主要是碳（80%～87%）、氢（10%～15%），其余是非烃元素，如氧、硫、氮等（<3%）。

此外，还含有一些微量的金属元素，如镍、钡、铁、锰、钙、镁、钠等，但含量都很少，约为几个至几十个PPm（百分之一）。

由于沥青化学组成结构的复杂性，虽然多年来许多化学家致力这方面的研究，可是目前仍不能直接得到沥青元素含量与工程性能之间的关系。

目前对沥青组成和结构的研究主要集中在组分理论、胶体理论和高分子溶液理论。

石油沥青是由多种化合物组成的混合物，由于它的结构复杂性，目前分析技术还很难将其分离为纯粹的化合物单体。

实际上，在生产应用中，并没有这样的必要。

因此，许多研究者就致力于沥青“化学组分”分析的研究。

化学组分分析就是将沥青分离为化学性质相近，而且与其工程性能有一定联系的几个化学成分组，这些组就称为“组分”。

石油沥青的化学组分，许多研究者曾提出不同的分析方法。

我国现行《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTJ052－2000）中规定有三组分和四组分两种分析法。

（一）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（Oil）、树脂（Resin）和沥青质（Asphaltene）三个组分。

因我国富产石蜡基或中间基沥青，在油分中往往含有蜡（Paraffin），故在分析时还应半油蜡分离。

由于这组分分析方法，是兼用了选择性溶解和选择性吸附的方法，所以又称为溶解一吸附法。

石油沥青三组分分析法的各组分性状表5－2。

组分性状油分赋予沥青以流动性，油分含量的多少直接影响沥青的柔软性，抗裂性及施工度难。

油分在一定条件下可以转化为树脂甚至沥青质。

树脂又分为中性树脂和酸性树脂，中性树脂使沥青具有一定塑性、可流动性和粘结性．其含量增加，沥青的粘结力和延伸性增加。

除中性树脂外，沥青树脂中还含有少量的酸性树脂，即沥青酸和沥青酸酐，为树脂状黑褐色粘稠状物质，密度大于1.0g/cm3，是油分氧化后的产物，呈固态或半固态，具有酸性，能为碱皂化，易溶子酒精、氯仿，而难溶于石油醚和苯。

酸性树脂是沥青中活性最大的组分，它能改善沥青对矿质材料的浸润性，特别是提高了与碳酸盐类岩石的粘附性，增加了沥青的可乳化性。

沥青质决定着沥青的粘结力、粘度和温度稳定性，以及沥青的硬度、软化点等。

沥青质含量增加时，沥青的粘度和粘结力增加，硬度和温度稳定性提高。

按上述分析方法，对几种不同油源和工艺的典型国产沥青进行组分分析，其结果示如表5－3。

从表中分析结果可看出，相同粘度等级的沥青，由于原油基属的差异其所含化学组分不同。

通常是，环烷基沥青较石蜡基沥青含蜡量低，树脂和沥青质含量高；中间基沥青的组分则介于其间。

用相同原油为原料所生产的沥青，由于工艺条件的不同，其沥青的化学组分亦不同。

通常是，在相同稠度等级的沥青中，氧化沥青的沥青质含量增加，使沥青的高温稳定性得到提高；但低温抗裂性也相应降低。

必须指出，氧化工艺不能降低沥青中的含蜡量，所以从总体来说，石蜡基原油生产的氧化沥青其性能得不到改善。