沥青的介绍、分类、标准、用途

沥青材料 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）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，憎水性材料，结构致密，几乎完全不溶于水、不吸水，具有良好的防水性，因此广泛用于土木工程的防水、防潮和防渗；沥青属于有机胶凝材料，与砂、石等矿质混合料具有非常好的粘结能力，所制得的沥青混凝土是现代道路工程最重要的路面材料。 沥青 地沥青 天然沥青 石油沥青 焦油沥青 煤沥青 木沥青 页岩沥青 石油沥青的组成与结构 1.元素组成 石油沥青是由多种碳氢化合物及非金属（氧、硫、氮）衍生物组成的混合物，其元素组成主要是碳（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。 2.组分组成 通常将沥青分离为化学性质相近、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”。我国现行规程中有三组分分析法和四组分两种分析法两种。 石油沥青的三组分分析法将石油沥青分离为油分、树脂和沥青质三个组分。 1）油分  为淡黄色透明液体，赋予沥青流动性，油分含量的多少直接影响着沥青的柔软性、抗裂性及施工难度。我国国产沥青在油分中往往含有蜡，在分析时还应将油、蜡分离。蜡的存在会使沥青材料在高温时变软，产生流淌现象；在低温时会使沥青变得脆硬，从而造成开裂。由于蜡是有害成分，故常采用脱蜡的方法以改善沥青的性能。 2）树脂  为红褐色粘稠半固体，温度敏感性高，熔点低于100℃，包括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；酸性树脂含量不多，但活性大，可以改善沥青与其它材料的浸润性、提高沥青的可乳化性。 3）沥青质  为深褐色固体微粒，加热不熔化，它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。 石油沥青的技术性质 1、粘滞性 粘滞性是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性。各种石油沥青粘滞性的变化范围很大，与沥青组分和温度有关。粘度是反映沥青粘滞性的指标，是沥青最重要的技术性质指标之—，是沥青等级（标号）划分的主要依据。测定沥青相对粘度的主要方法有标准粘度计法和针入度法。 1）标准粘度计法 该法适用于液体石油沥青、较稀的石油沥青、煤沥青、乳化沥青等的粘度测定。标准粘度是在规定温度（20℃、25℃、30℃或60℃）条件下，规定直径（3mm、4mm、5mm或10mm）的孔口流出50cm3沥青所需的时间秒数，常用符号“”表示，其中t为试样温度、d为流孔直径、T为流出50cm3沥青所需的时间。按上述方法，在相同温度和相同流孔的条件下，流出时间越长，表示沥青粘度越大。 2）针入度法 该法适用于粘稠（固体、半固体）石油沥青的粘度测定。在规定温度25℃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l／10mm为单位）来表示，符号为P（25℃，100g，5s）。针入度值反映了沥青抵抗剪切变形的能力，其值越大，表示沥青越软、粘度越小。 2、感温性 感温性是指沥青的粘滞性和塑性随着温度升降而变化的性能。当温度升高时，沥青由固态或半固态逐渐软化，发生象液体一样的粘性流动，称为粘滞流动状态；与此相反，当温度降低时，沥青又逐渐由粘流态凝固为固态、甚至变硬变脆。工程要求沥青随着温度变化而产生的粘滞性及塑性变化的幅度应较小，即感温性应较小。建筑工程中宜选用温度敏感性较小的沥青。评价沥青感温性的指标很多，常用的是软化点和针入度指数。 （1）软化点 我国现行试验法是采用环与球法软化点。将沥青试样注于内径为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，沥青试样逐渐软化，直至在钢球自重作用下，使沥青下坠25.4mm时的温度称为软化点，符号为TR&B。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。 （2）针入度指数 仅凭软化点来反应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是针入度指数（PI），按下式计算确定。                                                 式中  P（25℃，100g，5s）——在25℃、100g、5s条件下测定的针入度值（1/10mm）； TR&B——环球法测定的软化点（℃）。 沥青针入度指数的范围是－10~20。针入度指数不仅可以用来评价沥青的感温性，同时也可以来判断沥青的胶体结构：当PI＜－2时，沥青属于溶胶型结构；当PI＞2时，沥青属于凝胶型结构；介于其间的属于溶－凝胶型结构。不同的工程也对沥青的针入度指数有着不同的要求：如用作胶粘剂，要求PI介于－2~2之间；用作涂料时，要求PI介于－2~5；用作灌缝材料，要求PI介于－3~1之间；路用沥青一般要求PI＞－2。 3、延展性 延展性是指沥青在受到外力的拉伸作用时，产生变形而不破坏（出现裂缝或断开）、除去外力后仍能保持变形后形状不变的性质，它反映沥青受力时所能承受的塑性变形的能力。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的延展性。 通常用延度作为延展性指标。其试验方法是：将沥青试样制成最小断面面积为1cm2的8字形标准试件，在规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度（以cm计）称为延度，如图6–7所示。沥青的延度采用延度仪来测度，常用的试验温度有25℃和15℃。 沥青的针入度、软化点和延度，被称为沥青的三大技术指标。 4、大气稳定性 大气稳定性是指石油沥青在大气综合因素（热、阳光、氧气和潮湿等）长期作用下抵抗老化的性能。大气稳定性好的石油沥青可以在长期使用中保持其原有性质。 石油沥青在热、阳光、氧气和水分等因素的长期作用下，石油沥青中代分子组分向高分子组分转化，即沥青中油分和树脂相对含量减少，地沥青质逐渐增多，从而使石油沥青的塑性降低，粘度提高，逐渐变得脆硬，直至脆裂，失去使用功能，这个过程称为老化。 石油沥青的大气稳定性常以蒸发损失和蒸发后针入度比来评定。其测定方法是：先测定沥青试样的质量及其针人度，然后将试样置于加热损失试验专用烘箱中，在160℃下加热蒸发5h，待冷却后再测定其质量和针人度，再按下式计算其蒸发损失百分率和蒸发后针入度比：        （公式6-1）            （公式6-2） 蒸发损失百分率愈小，蒸发后针人度比愈大，则表示沥青大气稳定性越好，沥青耐久性越高。 5、安全性 闪点（也称闪火点）是指沥青加热挥发出可燃气体，与火焰接触闪火时的最低温度。 燃点（也称着火点）是指沥青加热挥发出的可燃气体和空气混合，与火焰接触能持续燃烧时的最低温度。 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、储存和加热使用等方面的安全。例如，建筑石油沥青闪点约230℃．在熬制时—般温度为185～200℃，为安全起见，沥青还应与火焰隔离。 石油沥青的技术标准 石油沥青的技术标准将沥青划分成不同的种类和标号（等级），以便选用。目前石油沥青主要划分为三大类：道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青。 在对沥青划分等级时，是依据沥青的针入度、延度、软化点等指标。针入度是划分沥青标号的主要指标。对于同一品种的石油沥青，牌号越大，相应的粘性越小（针入度值越大）、延展性越好（塑性越大）、感温性越大（软化点越低）。 表6–1  石油沥青技术标准 质量指标 道路石油沥青 建筑石油 沥青 普通石油沥青 200 180 140 100 甲 100 乙 60 甲 60 乙 30 10 75 65 55 针入度（25℃,100g,5s） （0.1mm） 201~300 161~200 121~160 91~120 81~120 51~80 41~80 25~40 10~25 75 65 55 延度（25℃,5cm/min） （cm），≮ － 100 100 90 60 70 40 3 1.5 2 1.5 1 软化点（环球法）（℃） 30~45 35~45 38~48 42~52 42~52 45~55 45~55 ≮70 ≮95 ≮60 ≮80 ≮100 溶解度（三氯乙烯或苯），（%） ≮99 ≮99.5 ≮98 簿膜加热试验（163℃,5h） 质量损失（%） ≯1 ≯1 － 针入度比（%） ≯50 ≯60 ≯60 ≯65 ≯65 ≯70 ≯70 ≯65 － 闪点（℃） ≮180 ≮200 ≮230 ≮230 ≮230 ≮230 ≮99 ≮99 ≮99 石油沥青牌号的简易判断方法见表。 石油沥青牌号的简易判断方法 牌号 简易鉴别方法 牌号 简易鉴别方法 140~100 质软 60 用铁锤敲，不碎，只变形 30 用铁锤敲，变成较大的碎块 10 用铁锤敲，变成较小的碎块 石油沥青的选用 选用石油沥青时应根据工程性质（房屋、道路、防腐）、当地气候条件、所处工程部位（层面、地下）等因素来综合考虑。由于高牌号沥青比低牌号沥青含油分多、抗老化能力强，故在满足要求的前提下，应尽量选用牌号高的石油沥青，以保证有较长的使用年限。 1）道路石油沥青  道路石油沥青又分为重交通石油沥青、中轻交通石油沥青、乳化石油沥青、液体石油沥青和改性沥青等。道路工程中选用沥青材料应考虑交通量和气候特点。南方高温地区宜选用高粘度的石油沥青，以保证夏季沥青路面具有足够的稳定性，不出现车辙等；而北方寒冷地区宜选用低粘度的石油沥青，以保证沥青路面在低温下仍具有一定的变形能力，避免出现开裂。 2）建筑石油沥青  建筑石油沥青针入度较小（粘性较大）、软化点较高（耐热性较好），但延伸度较小（塑性较小），主要用作制造油纸、油毡、防水涂料和沥青嵌缝膏等。它们绝大部分用于建筑屋面工程、地下防水工程、沟槽防水、防腐蚀工程及管道防腐工程等。使用时制成的沥青胶膜较厚，增大了对温度的敏感性；同时黑色沥青表面又是好的吸热体，一般同一地区沥青屋面的表面温度比其他材料的都高；沥青屋面达到的表面温度比当地最高气温高25℃~30℃。为避免夏季流淌，一般屋面用沥青材料的软化点还应比本地区屋面最高温度高20℃~25℃，可选用10号或30号石油沥青。例如武汉、长沙地区沥青屋面温度约达68℃，选用沥青的软化点应在90℃左右，低了夏季易流淌；但也不宜过高，否则冬季低温易硬脆、甚至开裂。一些不易受温度影响的部位、或气温较低的地区，如地下防水防潮层等，可选用牌号较高的沥青，如60号或100号沥青。所以，选用石油沥青时要根据地区、工程环境及要求而定。 3）普通石油沥青  普通石油沥青的含蜡量高达20％~30％。当沥青温度达到软化点时，容易产生流淌现象；沥青中石蜡的渗透还会使得沥青粘结层的耐热性和粘结力降低。故在工程中一般不宜采用普通石油沥青。 沥青的掺配 当某一牌号的石油沥青不能满足工程技术要求时，可采用两种品牌的石油沥青进行掺配。在掺配时，为了防止掺配后沥青胶体结构的破坏，应选用同产源的沥青，即同属石油沥青或同属煤沥青；但根据工程需要，有时也可以将建筑石油沥青与道路石油沥青掺合使用。两种沥青掺配的比例可用下式估算。 式中  Q1——较软石油沥青用量（%）； Q2——较硬石油沥青用量（%）； T1——较软石油沥青软化点（℃）； T2——较硬石油沥青软化点（℃）； T3——掺配后的石油沥青软化点（℃）。 煤沥青 煤沥青是由煤干馏的产品（煤焦油）经再加工而获得的。根据其在工程中应用要求的不同，按稠度可分为软煤沥青（液体、半固体）和硬煤沥青（固体）两大类。 煤沥青是由芳香族碳氢化合物及其氧、硫、碳的衍生物所组成的混合物，主要元素为C、H、O、S和N，煤沥青元素组成的特点是“碳氢比”较石油沥青大得多。煤沥青化学组分的分析方法与石油沥青相似，可分离为：油分、软树脂、硬树脂、游离碳C1和游离碳C2五个组分；其中油分中含有萘、蒽、酚等有害物质，对其含量必须加以限制。 煤沥青与石油沥青相比，在技术性质上存在下列差异：温度稳定性较低；与矿质集料的粘附性较好；气候稳定性较差，老化快；耐腐蚀性强，可用于木材等的表面防腐处理等。煤沥青的技术指标主要包括：粘度、蒸馏试验、含水量、甲苯不溶物含量、萘含量、酚含量等。其中，粘度表示了煤沥青的粘结性，是评价煤沥青质量最主要的指标，也是划分煤沥青等级的依据，其测试方法与石油沥青类似。 煤沥青的主要技术性质都比石油沥青差，在建筑工程上较少使用；但其抗腐性能好，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简便鉴别方法见表。 煤沥青与石油沥青的鉴别 鉴别方法 石油沥青 煤沥青 密度 1.0×103kg/m3左右 （1.25~1.28）×103kg/m3 燃烧 烟少、无色、有松香味、无毒 烟多、黄色、臭味大、有毒 捶击 声哑、有弹性、韧性好 声脆、韧性差 颜色 呈亮黑褐色 呈浓黑色 溶解 易溶于煤油或汽油中，溶液呈棕黑色 难溶于煤油或汽油中，溶液呈黄绿色 改性沥青 现代土木工程不仅要求沥青具有较好的使用性能、还要求具有较长的使用寿命，但沥青材料受环境影响较大、易老化。通过各种技术措施，在传统沥青材料中加入其它材料，来进一步改善沥青的性能，称为改性沥青。改性的目的在于提高沥青材料的流变性能、延长沥青的耐久性等、改善沥青与集料的粘附性；对应用与防水工程的沥青来说，最重要改性目的主要是前两点。 1）提高沥青流变性能的途径 提高沥青流变性的途径很多，改性效果较好的有下列几类改性剂： （1）树脂类改性剂 用作沥青改性的树脂主要是热塑性树脂，常用的有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、无规聚丙烯（APP）、酚醛树脂、天然松香等。它们可以提高沥青的粘度、改善高温稳定性，同时可增大沥青的韧性；但对低温性能的改善不明显。 （2）橡胶类改性剂 橡胶是沥青的重要改性材料，与沥青具有较好的混溶性，并能使沥青具有橡胶的很多优点，如高温变形小、低温柔性好等。常用的橡胶类改性沥青主要包括：氯丁橡胶改性沥青、丁基橡胶改性沥青、再生橡胶改性沥青、丁苯橡胶改性沥青等。其中，丁苯橡胶改性沥青性能很好，可以显著改善了沥青的弹性、延伸率、高温稳定性和低温柔韧性、耐疲劳性和耐老化等性能，主要用于制作防水卷材或防水涂料。 （3）橡胶和树脂共混类改性剂 同时用橡胶和树脂来改善石油沥青的性质，可使沥青兼具橡胶和树脂的特性，且成本较低。配制时，采用的原材料品种、配比、制作工艺不同，可以得到许多性能各异的产品，主要有卷材、片材、密封材料等。 （4）微填料类改性剂 为了提高沥青的粘结性能和耐热性，减小沥青的温度敏感性，通常加入一定数量的矿质微填料。常用的有粉煤灰、火山灰、页岩粉、滑石粉、石灰粉、云母粉、硅藻土等。 （5）纤维类改性剂 在沥青中掺加各种纤维类物质，可显著地沥青的高温稳定性、同时增加低温抗拉强度。常用的纤维物质有：各种人工合成纤维（如聚乙烯纤维、聚酯纤维）和矿质石棉纤维等。 2）延长沥青耐久性的途径 目前提高沥青耐久性方法，主要是掺加一些较为昂贵的化学添加剂，例如抗氧剂等；但使用抗氧剂前，必须通过试验对其技术上的有效性进行鉴定。当前对提高沥青耐久性最有效的添加剂为专用炭黑，炭黑经助剂预处理后，可配制“炭黑改性沥青”。