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1、沥青综合知识沥青综合知识沥青是一种有机胶凝材料，它是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物及其非金属（氧、氮、硫等）衍生物所组成的混合物。在常温下，沥青呈褐色或黑褐色的固体、半固体或粘稠液体状态。它具有把砂、石等矿物质材料胶结成为一个整体的能力，形成具有一定强度的沥青混凝土，因此，被广泛地应用于铺筑路面、防渗墙等道路和水利工程中。沥青是憎水性材料，几乎不溶于水，而且本身构造致密，具有良好的防水性、耐腐蚀性；它能与混凝土、砂浆、砖、石料、木材、金属等材料牢固地粘结在一起，且具有一定的塑性，能适应基材的变形。因此，沥青材料及其制品又被广泛地应用于地下防潮、防水和屋面防水等建筑工程中沥青材料。沥青的种类较

2、多，按产源可分为：在工程中，最常用的是石油沥青，其次是煤沥青。石油沥青一、石油沥青的生产工艺概述（一）石油的基属分类石油是炼制石油沥青的原料，石油沥青的性质首先与石油的基属有关。我国目前的原油分类是按照“关键馏分特性”和“含硫量”进行分类的。1. 关键馏分特性分类。石油在半精馏装置中，于常压下蒸得250275的馏分称为“第一关键馏分”；于5.33kPa的压力下减压蒸馏，取得275300的馏分称为“第二关键馏分”。测定以上两个关键馏分的相对密度，并对照表9-1所列相对密度范围或特性因素，决定两个关键馏分的基属，如石蜡基、中间基或环烷基。根据原油两个关键馏分的相对密度（或特性因数）由表9-1决定其

3、所隶属的基属，原油可分为表9-2所列七类。表9-1 关键馏分的基属分类指标关键馏分石蜡基（P）中间基（M）环烷基（N）第一关键馏分相对密度0.8207（K11.9）相对密度=0.82070.8506（K=11.511.9）相对密度0.8506（K11.5）第二关键馏分0.8207（K12.2）=0.87210.9302 （K=11.512.2）0.9302（K11.5）注： K为特性因素，根据关键馏分的沸点和密度指数查有关诺模图而求得。表9-2 原油按关键馏分基属的分类第二关键馏分基属石蜡基（P）中间基（M）环烷基（N）石蜡基（P）中间石蜡基（M-P）中间基（M）石蜡-中间基（P-M）中间基（

4、M）环烷中间基（N-M）环烷基（N）中间环烷基（M-N）环烷基（N）2. 含硫量的分类。含硫量0.5%者为低硫原油；含硫量高于0.5%者为含硫原油。如含硫为0.22%的石蜡基原油称为低硫石蜡基原油，含硫量为0.85%的中间基原油称为含硫中间基原油。按现行常规工艺，作为生产沥青原料的原油基属的选择，最好是选用环烷基原油，其次是中间基原油，最好不选用石蜡基原油，因为石蜡含量的存在将给沥青性能带来不良的影响。但是石蜡基原油通过现代工艺亦能生产出优质沥青。（二）石油沥青生产工艺概述石油沥青是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，再经加工而得的产品。生产工艺如图9-1所示

5、。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。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；渣油经不同程度地脱出脱沥青油，可得到不同稠度的溶剂沥青。除轻度蒸馏和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。在粘稠沥青中掺加煤油或汽油等挥发速度较快的溶剂，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，称为调配沥青。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

6、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。 图9-1 石油沥青生产工艺流程示意图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。沥青的制造方法不同，其性状有很大的差异，简述如下：（1）蒸馏法：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。（2）氧化法：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。（3）半氧化法：所得沥青兼具高温和低温两方面性能。（4）溶剂脱沥青法：溶剂脱沥青法

7、的优点是，可以使石蜡基渣油原料中的蜡，随脱沥青油萃取出，而得到的溶剂脱沥青的含蜡量大大降低，使沥青的性能得到改善。二、石油沥青的组成和结构（一）元素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%），其次是非烃元素，如氧、硫、氮等（3%）。此外，还含有一些微量的金属元素，如镍、钒、铁、锰、钙、镁、钠等，但含量都很少，约为几个至几十个ppm（百万分之一）。现举典型的石油沥青元素组成示例如表9-3。 表9-3 石油沥青的分子量、元素组成和碳氢比序号沥青标号油源工艺分子量MW元素组成（质量，%）碳氢原子比C/H平均分子

8、式油源基属加工工艺碳（C）氢（H）氧（O）硫（S）氮（N）1A-60低硫石蜡基丙烷脱95586.1011.001.780.380.740.657C68.5H104.2O1.1S0.1N0.52A-60含硫中间基氧化102084.5010.601.682.510.710.669C71.8H107.3O1.1S0.8N0.53A-60含硫中间环烷基氧化114284.1010.501.243.121.040.672C80.0H119.0O0.9S1.1N0.84A-60含硫环烷基氧化130081.909.601.506.470.530.716C88.6H123.8O1.2N0.5由于沥青化学组成结构

9、的复杂性，虽然多年来许多化学家致力于这方面的研究，但是目前仍不能直接得到沥青元素含量与路用性能之间的关系。元素组成与分子量配合可以计算出沥青的平均分子式（见表9-3）；如与相对密度、分子量、红外光谱和核磁共振波谱等数据配合可以计算出沥青的平均化学结构。因此，沥青的元素组成是研究沥青化学结构的重要参数。微量元素在沥青中的作用，目前还研究不够。一般认为，他们的含量与沥青的加工艺（如与催化剂的匹配）和性能改善（如与改性剂的协同作用）有较密切的关系。（二）化学组分石油沥青是由多种化合物所组成的混合物，由于它的结构复杂性，将其分离为纯粹的化合物单体，目前分析技术还有一定困难。实际上，在生产应用中，并没有

10、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，而且与其路用性质有一定联系的几个组，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，而且还在不断修正和发展中。我国现行公路工程沥青及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。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3个组分。因我国富产石蜡基中间基沥青，在油分中往往含有蜡，故在分析时还应将油蜡分离。由于这一组分分析方法，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。该方法分析

11、流程是用正庚烷沉淀沥青质，继将溶于正庚烷中的可溶分用硅胶吸附，装于抽提仪中抽提油蜡，再用苯乙醇抽出树脂。最后将抽出的油蜡用丁酮苯为脱蜡溶剂。在-20的条件下，冷冻过滤分离油、蜡。按此方法的分析原理，如图9-2所示。 按三组分分析法所得各组分的性状如表9-4。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，其结果如表9-5。从表中分析结果可以看出，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。图9-2 石油沥青三组分分析原理图解表9-4 石油沥青三组分分析法的各组分性状组分外观特征平均分子量碳氢比（原子比）C/H物化特征油分淡黄透明液体2007000.50.7几乎可

12、溶于大部分有机溶剂，具有光学活性，常发现有荧光，相对密度约0.9100.925树脂红褐色粘稠半固体80030000.70.8温度敏感性高，溶点低于100，相对密度大于1.000沥青质深褐色固体末状微粒100050000.81.0加热不熔化，分解为硬焦碳，使沥青呈黑色表9-5 石油沥青化学组分（溶解吸附法）序号沥青标号沥青粘（稠）度油源工艺化学组分油源基属加工工艺油分（O）树脂（R）沥青质（A）蜡（P）1AL（S）-4C60，5=38S低馏石蜡基直馏36.4130.3510.3222.922AL（S）-4C60，5=32S含馏中间基直馏38.9732.4612.3916.183AL（S）-4C6

13、0，5=34S含馏环烷基直馏37.4137.2916.408.904A-60P25=70 （1/10mm）低馏石蜡基氧化13.6419.9733.8632.535A-60P25=62（1/10mm）低馏石蜡基丙脱4.0677.0514.864.03溶解吸附法的优点是组分界限很明确，组分含量能在一定程度上说明沥青的性能，但是它的主要缺点是分析流程复杂，分析时间很长。2. 四组分分析法。四组分分析法是将沥青试样先用正庚烷沉淀“沥青质（At）”，再将可溶分（即软沥青质）吸附于氧化铝谱柱上，先用正庚烷冲洗，所得的组分称为“饱和分（S）”；继用甲苯冲洗，所得的组分称为“芳香分（Ar）”；最后用甲苯乙醇、

14、甲苯、乙醇冲洗，所得组分称为“胶质（R）”。按此方法分析的原理，如图9-3所示。对于含蜡沥青，可将所分离得的饱和分与芳香分，以丁酮苯为脱蜡溶剂，在-20下冷冻分离固态烷烃，确定含蜡量。图9-3 石油沥青四组分分析原理图解石油沥青按四组分分析法所得各组分的性状如表9-6。表9-6 石油沥青四组分分析法的各组分性状性状组分外观特征相对密度（平均）平均分子量芳烃指数环数/分子（平均）化学结构环烷环芳香环饱和分无色液体0.896250.003.00.0纯链烷烃+纯环烷+混合链烷-环烷烃芳香分黄色至红色液体0.997300.253.52.0混合链烷-环烷-芳香烃+芳香烃+含S化合物胶质棕色粘稠液体1.0

15、99700.423.67.4（链烷-环烷-芳香烃）多环结构+含S，O，N化合物沥青质深棕色至黑色固态1.1534000.50（链烷-环烷-芳香烃）缩合环结构+含S，O，N化合物按照石油沥青四组分分析法，各组分对沥青性质的影响，根据L.W.科尔贝特的研究认为：饱和分含量增加，可使沥青稠度降低（针入度增大）；树脂含量增大，可使沥青的延性增加；在有饱和分存在的条件下，沥青质含量增加，可使沥青获得低的感温性；树脂和沥青质的含量增加，可使沥青的粘度提高。 按上述分析方法，对几种国产沥青化学组分的研究，选择其中典型油源和工艺、相同等级（A-60）的4种沥青分析结果列如表9-7。从表中可以看出： 石蜡基沥青

16、化学组分特点是，含蜡量高、芳香分和沥青质含量低；环烷基沥青与其相反，含蜡量较低、芳香分和沥青质含量较高，环烷中间基沥青介于其间。由于石蜡基沥青属于少环（多直链烃）低芳香性的结构，所以它的路用性能较差。 对石蜡基原油，采用丙烷脱沥青工艺，可以使沥青组分中含蜡量降低，饱和分含量相对减少，芳香分相对增加，路用性能得到适当改善。表9-7 石油沥青化学组分（色层分析法）序号沥青标号油源工艺化学组分（质量，%）沥青技术性质油源工艺饱和分（S）芳香分（Ar）胶质（R）沥青质（At）蜡（P）针入度（1/10mm）软化点（）延度（cm）1A-60低硫石蜡基半氧化7.522.756.70.312.864.551.

17、812.62A-60低硫石蜡基丙烷脱1.325.663.90.29.062.048.358.83A-60含硫环烷-中间基氧化10.826.148.010.05.144.551.069.34A-60含硫环烷基氧化8.141.628.420.01.943.051.3100+3. 沥青的含蜡量。蜡组分的存在对沥青性能的影响，是沥青性能研究的一个重要课题。特别是我国富产石蜡基原油的情况下，更为众所关注。蜡对沥青性能的影响，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，导致沥青高温稳定性降低，出现车辙或流淌；相反，在低温时会使沥青变得脆硬，导致低温抗裂性降低；此外，蜡会使沥青与石料粘附性降低，

18、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。对于沥青含蜡量的限制，由于世界各国测定方法不同，所以限制值也不一致，其范围为2%4%。我国标准规定，重交通量道路石油沥青的含蜡量（蒸馏法）不大于3%。（三）胶体结构沥青的技术性质，不仅取决于它的化学组分及其化学结构，而且取决于它的胶体结构。1. 胶体结构的形式。现代胶体理论认为：沥青的胶体结构，是以固态超细微粒的沥青质为分散相。通常是若干个沥青质麋集在一起，它们吸附了极性半固态的胶质，而形成“胶团”。由于胶溶剂胶质的胶溶作用，而使胶团胶溶、分散于液态的芳香分和饱和分组成的分

19、散介质中，形成稳定的胶体。在沥青中，分子量很高的沥青质不能直接胶溶于分子量很低的芳香分和饱和分的介质中，特别是饱和分为胶凝剂，它会阻碍沥青质的胶溶。沥青之所以能形成稳定的胶体，是因为强极性的沥青吸附了极性较强的胶质，胶质中极性最强的部分吸附在沥青质表面，然后逐步向外扩散，极性逐渐减小，芳香度也逐渐减弱，距离沥青质愈远，则极性愈小，直至与芳香分接近，直至到几乎没有极性的饱和分。这样，在沥青胶体结构中，从沥青质到胶质，再从芳香分到饱和分，它们的极性是逐步递减的，没有明显的分界线。2. 胶体结构分类。根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同，可以形成不同的胶体结构。沥青的胶体结构，可分下列3个类型

20、。图9-4 沥青的胶体结构示意图（1）溶胶型结构：当沥青中沥青质分子量较小，并且含量很少（例如在10%以下），同时有一定数量的芳香度较高的胶质，这样使胶团能够完全胶溶而分散在芳香分和饱和分的介质中。在此情况下，胶团相距较远，它们之间吸引力很小（甚至没有吸引力），胶团可以在分散介质粘度许可范围之内自由运动，这种胶体结构的沥青，称为溶胶型沥青（如图9-4a所示）。这类沥青的特点是，当对其施加荷载时，几乎没有弹性效应，剪应力（）与剪变率（）成直线关系（如图9-5a所示），呈牛顿流型流动，所以这类沥青也称为“牛顿流沥青”。通常，大部分直馏沥青都属于溶胶型沥青。这类沥青在性能上，具有较好的自愈性和低温时

21、变形能力，但温度感应性较大。（2）溶凝胶型结构：沥青中沥青质含量适当（例如在15%25%之间），并有较多数量芳香度较高的胶质。这样形成的胶团数量增多，胶体中胶团的浓度增加，胶团距离相对靠近（如图9-4b所示），它们之间有一定的吸引力。这是一种介乎溶胶与凝胶之间的结构，称为溶凝胶结构。这种结构的沥青称为溶凝胶型沥青。这类沥青的特点是，在变形的最初阶段，表现出一定程度的弹性效应，但变形增加至一定数值后，则又表现出一定程度的粘性流动，是一种具有粘弹特性的伪塑性体。它的剪应力（）和剪变率（）关系，如图9-5b所示。这类具有粘弹特性的沥青，称为粘弹性沥青。这类沥青，有时还有触变性。修筑现代高等级沥青路面

22、用的沥青，都应属于这类胶体结构类型。通常，环烷基稠油的直馏沥青或半氧化沥青，以及按要求组分重（新）组（配）的溶剂沥青等，往往能符合这类胶体结构。这类沥青的性能，在高温时具有较小的感温性，低温时又具有较好的形变能力。（3）凝胶型结构：沥青中沥青质含量很高（例如30%），并有相当数量芳香度高的胶质来形成胶团。这样，沥青中胶团浓度很大程度的增加，它们之间相互的吸引力增加，使胶团靠得很近，形成空间网络结构。此时，液态的芳香分和饱和分在胶团的网络中成为“分散相”，连续的胶团成为“分散介质”（如图9-4c所示）。这种胶体结构的沥青，称为凝胶型沥青。这类沥青的特点是，当施加荷载很小时，或在荷载时间很短时，具

23、有明显的弹性变形。当应力超过屈服值（）之后，则表现为粘弹性变形（如图9-5c所示），为一种似宾汉姆体。有时还具有明显的触变性。这类沥青称为弹性沥青。通常深度氧化的沥青多属于凝胶型沥青。这类沥青在性能上，虽具有较小的温度感应性，但低温变形能力较差。图9-5 沥青的剪应力与剪应变关系图3. 蜡对沥青胶体结构的影响。蜡组分在沥青胶体结构中，可溶于分散介质芳香分和饱和分中，在高温时，它的粘度很低，会降低分散介质的粘度，使沥青胶体结构向溶胶方向发展；在低温时，它能结晶析出，形成网络结构，使沥青胶体结构向凝胶方向发展。4. 结构类型的判定。沥青的胶体结构与其性能有密切的关系。胶体结构类型的确定，可以根据流

24、变学的方法（如流变曲线测定法）和物理化学的方法（如容积度法、絮凝比稀释度法）等；为工程使用方便，通常采用针入度指数法。该法是根据沥青的针入度指数（PI）值，按表9-8来划分其胶体结构类型（沥青针入度指数的确定方法，参见本节沥青的感温性）。表9-8 沥青的针入度指数和胶体结构类型沥青的针入度指数（PI）沥青的胶体结构类型沥青的针入度指数（PI）沥青的胶体结构类型沥青的针入度指数（PI）沥青的胶体结构类型-2溶 胶-2+2溶凝胶+2凝 胶三 、石油沥青的技术性质用于现代沥青路面等的沥青材料，应具备下列主要技术性质。（一）物理特征常数现代沥青路面的研究，对沥青材料的下列物理特征常数极为重视。1. 密

25、度。沥青的密度是沥青在规定温度条件下、单位体积的质量。我国现行试验法（JTJ052-2000）规定温度为15。也可用相对密度表示，相对密度是指在规定温度下，沥青质量与同体积水质量之比。沥青的密度与其化学组成有密切的关系，通过沥青的密度测定，可以概略地了解沥青的化学组成。通常粘稠沥青的密度波动在0.961.04范围。我国富产石蜡基沥青，其特征为含硫量低、含蜡量高、沥青质含量少，所以密度常在1.00以下。2. 热胀系数。沥青在温度上升1时的长度或体积的变化，分别称为线胀系数或体胀系数，统称热胀系数。沥青路面的开裂，与沥青混合料的热胀系数有关。沥青混合料的热胀系数，主要取决于沥青热学性质。特别是含蜡

26、沥青，当温度降低时，蜡由液态转变为固态，比容突然增大，沥青的热胀系数发生突变，因而易导致路面产生开裂。3. 介电常数。沥青的介电常数与沥青使用的耐久性有关，这是早年就为人们所知的。现代高速交通的发展，要求沥青路面具有高的抗滑性，根据英国道路研究所研究认为，沥青的介电常数与沥青路面抗滑性也有很好的相关性。（二）粘滞性沥青的粘滞性（简称粘性）是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性，是技术性质中与沥青路面力学行为联系最密切的一种性质。在现代交通条件下，为防止路面出现车辙，沥青粘度的选择是首要考虑的参数。沥青的粘性通常用粘度表示，所以粘度是现代沥青等级（标号）划分的主要依据。1. 沥青粘度的表达方

27、式。（1）牛顿流型沥青的粘度：溶胶型沥青或沥青在高温条件下，可视为牛顿液体。设在两金属板中夹一层沥青，如图9-6所示，按牛顿内摩擦定律可推导出牛顿流型沥青的粘度：图9-6 沥青粘度参数（9-1）式中：动力粘度（简称粘度）（Pas）；剪应力（Pa）；剪应变速率（简称剪变率）（s）。在运动状态下，测定沥青粘度时，考虑到密度的影响，动力粘度还可采用另一种量描述，即沥青在某一温度下的动力粘度与同温下沥青密度之比，称为“运动粘度”（或称“动比密粘度”）。运动粘度（）表示如下：（9-2）式中：运动粘度（10-4m2/s）；动力粘度（Pas）；密度（g/cm3）。（2）非牛顿流型沥青的粘度：沥青是一种复杂的

28、胶体物质，只有当其在高温时（例如加热至施工温度时）才接近于牛顿液体。而当其在路面的使用温度时，沥青均表现为粘弹性体，故其在不同剪变率时，表现为不同的粘度。因此沥青的剪应力与剪变率并非线性关系，通常以表观粘度（或称视粘度）表达如下：（9-3）式中：沥青表观粘度（Pas）；、意义同前；C沥青的复合流动度系数。 沥青的复合流动系数C是评价沥青流变性质的重要指标。C=1.0表示牛顿流型沥青，C1.0表示非牛顿流型沥青，C值愈小表示非牛顿性愈强。剪应力和剪变率关系曲线，如图9-7所示。图9-7 沥青流变曲线2. 沥青粘度的测定方法。沥青粘度的测定方法可分为两类，一类为“绝度粘度”法，另一类为“相对粘度”

29、（或称“条件粘度”）法。前者是由基本单位导出而得，通常采用仪器为“绝对单位粘度计”，如毛细管粘度计等。后者是由一些经验方法确定，常用的仪器为“经验单位粘度计”，各种流出型的粘度计如道路标准粘度计、赛氏粘度计和恩氏粘度计等。此外，针入度亦属这类。软化点，通常作为测定温度稳定性的一种方法，实质上，它也属于条件粘度的范畴。（1）绝对粘度测定方法：沥青绝对粘度的测定方法，我国现行试验规程公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ052-2000）规定，沥青运动粘度采用毛细管法；沥青动力粘度采用真空减压毛细管法。 毛细管法。是测定沥青运动粘度的一种方法。该法是测定沥青试样在严格控温条件下，于规定温度（粘稠石油沥青为135、液体石油沥青为60），通过坎芬式