沥青材料的分类与应用研究资料.doc

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天津大学

专科毕业论文

题目：

沥青材料的分类与应用研究

完成期限：

2013年8月19日至2013年11月5日

学生中心奥鹏福州直属年级2011级

专业建筑工程技术指导老师曹松荣

姓名吴书灵学号112701423132

摘要

沥青主要可以分为煤焦沥青、石油沥青和天然沥青三种。

在本文中，主要论述了石油沥青材料的组成、结构、技术性质、同时对石油沥青材料的改性方法和常用的沥青基制品做了介绍，针对沥青基防水材料以及对沥青材料应用状况进行了研究，在实际生活中，沥青防水材料应用主要包括冷底子油与沥青胶、沥青防水卷材、沥青防水涂料、建筑防水沥青嵌缝油膏等。

关键词：

沥青材料；石油沥青；改性沥青；沥青防水材料

沥青材料的分类与应用研究

一、沥青材料

沥青是高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的及其复杂混合物，在常温下呈现黑色或黑褐色的固体、半固体或液体状态。

沥青作为一种有机胶凝材料，具有良好的粘性、塑性、耐腐蚀性和憎水性，在建筑工程中主要用做防潮、防水、防腐蚀材料，要应用于屋面、地面、地下结构的防水工程以及其他防水工程和防腐工程。

沥青还是道路工程中应用广泛的路面结构胶结材料，它与不同组成的矿质材料按比例配合后可以建成不同结构的沥青路面。

二、沥青材料的分类

沥青按其在自然界中获得的方式分类可分为地沥青和焦油沥青两大类。

其中地沥青又分为天然沥青和石油沥青。

（一）焦油沥青

焦油沥青也被称为煤焦油沥青，即焦油蒸馏残留在蒸馏釜内的副产品，这种副产品是一种黑色物质。

与精制焦油有物理性质上的分别，并没有明确的分界限，一般的划分方式是软化点在26.7℃以下是焦油，26.7℃以上的是沥青。

焦油沥青中主要成分含有难挥发的蒽、菲、芘、等。

这些物质都是有毒性的，因为这些物质在焦油沥青含量有所不同，因此，焦油沥青的性质是也是不同的。

冬季温度过低对沥青的影响很大，容易脆裂，而夏季却容易软化。

加热的时有特殊气味，加热至260℃在5小时后，焦油沥青中含有蒽，菲，芘，等其他成分将会挥发出来。

（二）天然沥青

天然沥青存储在地下，是石油在自然界长期受地壳挤压并与空气、水接触逐渐变化而形成的，有的形成矿层、有的在地壳表面堆积。

这种天然沥青大都经过天然蒸发、氧化，一般没有任何毒素。

按原油的性质分类：

石油按其含蜡量的多少分为石蜡基、中间基和环烷基原油，不同性质的原油所炼制的沥青性质有很大差别。

石蜡基沥青基蜡含量一般大于5%；环烷基沥青蜡含量少（一般低于3%），沥青黏性好，优质的道路石油沥青大多是环烷基沥青；中间基沥青其蜡的含量约为3%-5%。

按加工方法分类：

直馏沥青、溶剂沥青、氧化沥青、裂化沥青、调和沥青。

（三）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、柴油等）及润滑油以后的残留物，或再经加工而得的产品。

三、石油沥青的组分和结构

（一）石油沥青的组分

沥青中化学成分和物理性质相近并具有某些共同特征的部分，划分成为一个组分，石油沥青的三个主要组分：

1、油分：

最轻组分，赋予沥青流动性；

2、树脂：

粘稠状物体，使沥青具有良好的塑性和粘结性；

3、地沥青质：

固体粉末，决定沥青的耐热性、粘性和脆性，含量愈多，软化点愈高，粘性愈大，愈硬脆。

4、还含有一定量固体石蜡，降低沥青的粘结性、塑性、温度稳定性和耐热性，是有害组分。

各组分比例不固定，在外界因素作用下，轻组分会向重组分转化。

（二）石油沥青的结构

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而形成的胶体结构。

石油沥青胶体结构的类型：

溶胶结构：

地沥青质含量较少，油分和树脂含量较高时形成，具有溶胶结构的石油沥青粘性小，流动性大，温度稳定性差。

（如图一）

凝胶结构：

地沥青质含量较多而油分和树脂较少时形成，具有凝胶结构的石油沥青弹性和粘结性较高，温度稳定性较好，塑性差。

（如图二）

溶胶-凝胶结构：

地沥青质含量适当并有较多的树脂作为保护层膜时形成，性质介于溶胶型和凝胶型之间。

（如图三）

结构状态随温度变化而变化，温度升高，易熔固体成分转变成液体，温度下降恢复原来的状态。

图一图二图三

a.溶胶型

c.凝胶型

b.溶胶凝胶型

（三）石油沥青的技术性质

1、粘滞性（粘性）

石油沥青的粘滞性反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性。

反映沥青软硬、稀稠程度。

液体石油沥青的粘滞性用粘滞度（标准粘度）指标表示，表征液体沥青在流动时的内部阻力；半固体或固体石油沥青的粘滞性用针入度指标表示，反映石油沥青抵抗剪切变形能力。

针入度越大，沥青越软，粘度越小。

地沥青质含量高，有适量树脂和较少油分时粘滞性大。

温度升高，粘性降低。

（针入度仪见图四所示，针入度测量如图五所示）

针入度的测量

针入度仪仪

图四图五

2、塑性

塑性是指石油沥青在外力作用时产生变形而不破坏，除去外力后仍保持变形后的形状不变的性质。

用延度指标表示石油沥青的塑性，延度愈大，沥青塑性愈好。

油分和地沥青质适量，树脂含量越多，延度越大，塑性越好。

温度升高，塑性增大。

（沥青延度测定如图六所示，沥青塑性延度表示如图七所示）

沥青塑性用延度表示

沥青延度测定

（a）8字模图；（b）延度测定示意图

图七

图六

3、温度敏感性

温度敏感性是指石油沥青的粘滞性、塑性随温度升降而变化的性能。

用软化点指标衡量，软化点表示沥青由固态转变为具有一定流动性膏体的温度，软化点越高，沥青耐热性越好，温度稳定性越好。

软化点不能太低，不然夏季融化发软流淌；也不能太高，否则不易施工，冬季易脆裂。

与地沥青质含量和蜡含量密切相关。

地沥青质增多，温度敏感性降低；含蜡量多，温度敏感性大。

（软化点测软化点测定仪

定仪如图八所示）

图八

4、大气稳定性

大气稳定性是指石油沥青在热、光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能。

老化：

在大气因素综合作用下，沥青中轻组分会向重组分转化，而树脂向地沥青质转化的速度比油分向树脂转化速度快得多，石油沥青会随时间进展而变硬变脆，这种现象称老化。

石油沥青的大气稳定性以“蒸发损失百分率”和“蒸发后针入度比”来评定。

蒸发损失百分率愈小，蒸发后针入度比愈大，沥青大气稳定性愈好，老化愈慢。

此外，为全面评定石油沥青质量和保证安全，还需要了解沥青的溶解度、闪点等性质。

溶解度是指石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳或苯中溶解的百分率。

用以限制有害不溶物含量，不溶物会降低沥青的粘结性。

而闪点是指加热沥青产生的气体和空气的混合物在规定条件下与火焰接触，初次产生蓝色闪光时的温度。

闪点高低，关系到运输、贮存和加热使用等的安全。

四、改性沥青混合料的研究、应用现状

（一）沥青的掺配和改性

1、沥青掺配：

某一种牌号的石油沥青往往不能满足工程技术要求的软化点，需要用不同牌号沥青进行掺配。

可用两种或三种沥青进行掺配。

掺配同源原则：

即同属石油沥青或同属煤沥青才可掺配。

三种沥青掺配是两种掺配得到新软化点后再与另外一种掺配。

当某种沥青性能不能满足要求时，几种石油沥青可掺配使用。

2、氧化改性：

也称吹制，在250—300℃高温下向残余沥青或渣油吹入空气，提高沥青粘度和软化点，改善沥青性能。

道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青均为氧化改性沥青。

3、矿物填充料改性：

为提高沥青的粘性能力和耐热性，降低温度敏感性，在石油沥青中加入一定数量的矿物填充料进行改性。

矿物填充料大多是粉状和纤维状，加入填充料数量不宜小于15%。

沥青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，称“结构沥青”，具有较高的粘性和耐热性。

4、聚合物改性：

聚合物（橡胶和树脂）与石油沥青相溶可赋予石油沥青某些橡胶特性，从而改善石油沥青的性能。

聚合物掺量达一定的限度形成聚合物网络结构，将沥青胶团包裹。

SBS改性沥青（丁苯橡胶的一种）是热塑性弹性体，具有橡胶和塑料的优点。

主要用作改性沥青防水卷材。

而APP改性沥青（聚丙烯的一种）与石油沥青相比，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。

尤适用于气温较高的地区，主要用于制造防水卷材。

（二）改性沥青实际应用现状

随着时代的发展，公路运输，交通量的不断增长和大型化车辆，重载，超载车辆的比例逐步提高，交通对道路的要求越来越高。

我们幅员辽阔，温差较大，忽冷忽热，普通沥青路面难以满足的要求，在炎热的季节沥青路面重型车辆下形成永久变形的的车辙，在冬季低温的半刚性开裂反射裂缝裂缝，在雨季和春季形成形成的坑槽、松散等水损害破坏，路面防滑性能大幅度下降，在城市道路和高速公路上时常发生局部开裂。

因此，我们必须沥青进行改性、改良，也就是说，我们可以通过通过先进的技术，在一定程度上改善沥青的机械性能（高温稳定性，耐疲劳性，低温抗裂性等），粘合性和耐老化，以满足日益增长的高等级公路路面使用性能和发展需要。

目前国内外对沥青混合料的改性的研究可以按照改性方式的不同分为两大类：

一为单纯地对沥青的改性；二为通过外掺改性剂法来实现对沥青混合料的改性。

（三）改性沥青市场向多元化发展

　　随着国内道路沥青市场需求的迅速增长和适合于生产道路沥青原油资源的日益丰富，国内道路沥青生产供应商数量明显增加。

在未来20年中，随着我国经济发展，全面建设小康社会，高速公路网覆盖面将达到10万公里，西部地区县与县之间、中部地区县与乡之间、东部地区乡与村之间，公路改造将高达到17万公里，国内道路对沥青需求总量将维持在较高水平，但需求总量将趋于稳定。

据统计2004年到2010年我国道路沥青年平均总需求量约为12Mt左右。

　　同时，我国经济的快速发展和交通量的日益增加，对道路的使用性能要求越来越高，节约资源和保护环境、降低路面行车的交通噪声、延长路面使用寿命、提高路面的抗车辙能力、减少路面龟裂、增加雨天路面的抗滑能力、降低养护费用、提高行车舒适度、路面铺装的厚度小等性能要求。

　　随着对改性沥青要求越来也严格，国内对于改性沥青研究更深入，越来越多的材料被用作改性剂来制备性能更优良的改性沥青，大部分的生产工艺也趋于成熟。

并且在"十二五"计划中把城市轨道交通和飞机场建设作为建设重点，也会促进高铁沥青和高强度沥青的生产。

在氟塑料及废高分子材料污染日益严重的情况下，回收率用成为现在讨论的话题，胶粉改性沥青能大大降低生产成本，又有利于实现废物利用，需求越来越被看好。

同时，我国东部公路建设基本接近饱和，后期国家加大对西部开发和建设，适合西部严寒地区的SBR沥青也将得到进一步的发展。

所以，预计后期胶粉改性沥青和SBR改性沥青、高粘度特种沥青等将得到更好的发展，SBS改性沥青一统天下的局面将被打破。

五、沥青基防水材料的应用

（一）冷底子油与沥青胶

冷底子油：

是用有机溶剂（汽油、柴油、煤油、苯等）与沥青溶合后制得的一种沥青溶液。

粘度小，具有良好的流动性。

在常温下作为防水工程的底层，一般不单独做防水材料使用。

涂刷在基面上形成膜，一方面使基面呈憎水性，另一方面为粘结同类防水材料创造了有利条件。

随配随用，应采用与沥青同产源的溶剂。

配制方法：

热配法和冷配法。

应涂刷于干燥基面上。

沥青胶：

在沥青中掺入适量的矿物质粉料或再掺入部分纤维状填料配制而成。

与纯沥青相比，具有较好的粘性，耐热性，柔韧性和抗老化性。

主要用于粘贴卷材、嵌缝、接头、补漏及做防水层的底层。

使用方法：

热用、冷用，标号以耐热度表示。

性质主要取决于沥青的性质。

选用：

应根据屋面的使用条件、屋面坡度及当地年极端最高气温按有关规定选用。

使用时注意同源原则：

配制沥青胶所用沥青应与被粘贴卷材所用沥青种类一致。

（二）沥青防水卷材

用原纸、纤维织物、纤维毡等胎体浸涂沥青，表面撒布粉状、粒状或片状材料制成可卷曲的片状防水材料。

低档防水材料。

1、石油沥青纸胎油毡、油纸：

价格低廉，低温柔性差，胎体易腐烂，耐用年限短。

2、石油沥青玻璃布油毡：

以玻璃纤维布为胎体，浸涂石油沥青并两面涂撒隔离材料制成。

低温柔度明显优于纸胎油毡，耐霉菌侵蚀，可用于长期受潮湿侵蚀的地下防水工程，适用于地下防水、防腐层以及屋面防水层及管道（热管道除外）的防腐保护层。

3、石油沥青玻璃纤维胎油毡：

用玻璃纤维薄毡为胎基，浸涂石油沥青，表面涂撒或覆盖隔离材料制成。

与玻璃布油毡特性、应用范围基本相同。

4、铝箔面油毡：

采用玻璃纤维毡为胎基浸涂氧化沥青，表面用压纹铝箔贴面，底面撒细粒矿物材料或覆盖乙烯膜制成。

具有很高的阻隔蒸汽的能力，抗拉强度较强。

适用于多层防水工程的面层。

（三）沥青防水涂料

以沥青为基料配制而成的水乳型或溶剂型防水涂料。

分溶剂型和水乳型。

溶剂型防水料即冷底子油，一般不单独使用。

水乳型防水涂料即水性沥青基防水涂料，是以乳化沥青为基料的防水涂料。

乳化沥青：

以水为分散介质并借助于乳化剂的作用将沥青微粒（﹤10μm）分散成乳液型稳定的分散体系。

乳化沥青涂刷于材料表面，成膜后防水。

分类：

1、AE–1类：

厚质防水涂料，不具流平性；

2、AE–2类：

薄质防水涂料，具有流平性。

水性沥青基防水涂料性能较低，可涂刷或喷涂在材料表面作为防潮或防水层，也可做冷底子油用。

做屋面防水工程时，必须与其它材料配套使用，或用于油毡屋面的保护涂层，不宜单独使用。

（四）建筑防水沥青嵌缝油膏

以石油沥青为基料，加入改性材料、稀释剂、填料等配制而成的黑色膏状材料。

用于嵌填变形缝、分档缝、墙板缝、密封细部构造及卷材搭接缝等。

按耐热性和低温柔性分为702和801两个标号。

耐热度较低，其它性能指标也较低，属于性能较差的接缝与密封材料。

由于成本低，一般建筑仍在使用。

六、沥青材料应用现状及发展趋势

沥青生产和使用可能需要在贮罐内保温贮存，如果处理得当，沥青可以重复在一个较高的加热温度保持很长一段时间没有严重损坏的性能。

然而如果暴露在氧，光，热将会导致沥青的硬化，最显著的标志是沥青的软化点增加，渗透减少，延展性变差，从而使沥青的性能的损失。

对于沥青材料的发展趋势，个人觉得这种有机材料用来铺路还稍显浪费，应该对于沥青更多的深入研究。

开发出更经济的利用方式方法，比如说用来炼油炼气或者生产一些附加值高的产品。

就好像我国目前煤的用途一样，直接烧掉略显浪费，才有了后面的许多煤转气、煤转油等一系列手段来达到高效利用和减少污染。

应该重新审视这种东西，把它当成一种能源来看待。

下面着重介绍沥青材料的两个新技术性的利用手段——泡沫沥青设备及其技术和高模量沥青混凝土。

泡沫沥青的来源方式就是通过一定的技术手段在沥青内部加入泡沫使其体积变成到原来的15到20倍，然后沥青粘度急剧下降，与混合料具有较好的和易性（即裹覆性能）。

泡沫沥青的优点具体表现在：

泡沫沥青混合料拌和时可以减少沥青用量达10%到15%，混合料拌和的时间减少15%到20%，不仅大大降低了成本，也提高了生产率；再者，有沥青和矿物材料的加热温度可以降低，从而减少了在生产过程中的能量消耗，减轻沥青的老化程度。

此外，不仅可以有效地使用泡沫沥青再生沥青路面材料（RAP），而且可以减少石油资源的开采，受季节和气候影响也小，施工时不必中断交通。

这就加大了沥青材料的利用价值和使用范围，对于缺少石油的中国来说，这将使一笔巨大的财富来源，所以我觉得加大这方面的技术投入将是沥青发展的重要趋势。

七、总结

随着我国经济的不断发展和繁荣，公路的交通量日益繁重，超载和渠化交通现象日趋严重。

重交通、重荷载和渠化交通对沥青混凝土公路的直接影响就是车辙。

在我国由于使用半刚性或刚性基层和坚固、耐磨性集料，施工时又采用压实度和最大理论密度双控体系，因此发生结构性车辙、磨损性车辙、压实性车辙的可能性较小，流动性车辙已经成为目前沥青路面车辙的最大类型。

流动性车辙主要是由沥青混合料的高温抗剪切强度不足而产生的流动变形形成的。

这种变形的轻重程度与沥青混合料本身的高温稳定性直接相关，已经成为我国目前公路和高速公路的棘手病害。

提高沥青混合料高温稳定性的有效方法之一就是采用高模量沥青混凝土，以期减少车辆载荷作用下沥青混凝土产生的应变，以及减少沥青混凝土不可恢复的残余变形。

高模量沥青混凝土是指45℃，10条件下动态模量达到2000以上或45℃，0.IHz条件下动态模量达到500Mpa以上的沥青混合料。

高模量沥青混凝土是由低标号硬质沥青或在粘稠石油沥青中添加高模量沥青混凝土外加剂以及一定级配的集料组成。

其特点是模量高、抗剪切能力强。

国内在高模量沥青混凝土研究方面尚处于起步阶段，没有成熟的经验可以借鉴。

虽然我国的高模量沥青混凝土的研究起步较晚，但是面对日益增加的流动性车辙病害，国内已将开始采用高模量沥青混凝土来解决这一世界性难题。

从某种方面来看这也是我国未来沥青发展的一个方向。

总之我国目前对于沥青材料的认识度还没达到一个足够的高度，导致现目前的应用还有待加强，从而达到更深入的应用阶段。

而我国将来沥青的发展趋势必将是沥青新技术的运用和更高附加值沥青产品的出现。

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