第16讲 石油沥青的基本组成和技术性质

土木工程建筑主要应用石油沥青。
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二、石油沥青的化学组分和胶体结构
1、石油沥青三组分分析法
性状 外观特征 组分 平均 分子量 碳氢比 /原子比 含量 /%
在沥青中的主要作用
油 分 树 脂
沥青 质
淡黄透明液体
200～700
0.5 ～0.7
45 ～60
赋予沥青以流动性。油分 多，流动性大，而黏性 小，温度敏感性大 使沥青具有塑性和粘性。
• 注意：初始温度5℃
加热速度为5℃/min
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• 表示：T
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软化点的意义 • 沥青软化点越高，沥青的温度稳定性越好。 • 针入度是在规定温度下测定沥青的条件粘度，
软化点则是沥青达到规定条件粘度时的温度。 因此，软化点既是反映沥青材料温度稳定性的 一项指标，又是沥青粘度的一种量度。
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（3）延性与脆性 ——指石油沥青受到外力作用时，所能承受的塑性变形的总 能力。石油沥青的延性用延度指标表示。
测定方法： 绝对粘度 针入度（适应固体或半固体粘稠石油沥青） 条件粘度 软化点：既是粘性测定指标，又作为测定温度 稳定性的方法
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影响粘性的因素
• 组分的影响：当沥青质含量多，同时有适量树
脂，而油分含量较少时，粘滞性大。
•
温度的影响：在一定温度范围内，温度升 高，粘度降低，反之，粘度升高。
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1）针入度
TR & B − 25 存在问题：针入度-－温度感应性系数A值为小数，使用不方
便， 引入针入度指数PI值的概念。 经验公式：
PI =
20 − 500 A 1 + 50 A
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A=
lg 800 − lg P( 25� C ,100 g ,5 s )
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针入度指数的应用
• 针入度指数愈大，表示沥青对温度的敏感性愈小。 • 划分沥青的胶体结构： PI＜-2者，属溶胶型沥青 PI=-2～+2之间者，属溶-凝胶型沥青 PI＞+2者，属凝胶型沥青
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（6）耐久性
沥青性质随时间而产生“不可逆”的化学组成结构和物理力学性能 变化的过程，称为沥青的老化，也就是沥青的耐久性。 老化是组分的变化：石油沥青在热、阳光、氧气等因素的长期 作用下，沥青中油分和树脂相对含量减少，地沥青质逐渐增多 1）影响因素 ①温度与氧化作用。影响沥青氧化的主要因素是温度。T高氧化快 ②光的影响。日光照射后，促使氧化速度加快。 ③水的影响。水在与光、氧和热共同作用时，能起催化剂的作用。 ④自然硬化。 ⑤渗流硬化。渗流硬化是指沥青中的油分流到矿料的孔隙中去 而导致沥青的硬化
含量增加，粘聚性和塑性增 大，温度敏感性增大。
红褐色粘稠 半固体
800～3000
0.7 ～0.8
15 ～30
深褐色固体 微粒
1000 ～5000
0.8 ～1.O
5～30
赋予沥青粘度和温度稳定 性。含量高，粘性增大，温
度稳定性好（敏感性小）， 但塑性降低，脆性增大。
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2、四组分分析法
石油沥青的四组分分析法是将石油沥青分离为：饱和分、芳香分、胶 质和沥青质。石油沥青按四组分分析法所得各组分的性状如下表：
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2）耐久性评价方法
研究沥青的耐老化性能，通常是将沥青试样在室内进行加速老 化试验，然后根据老化前后试样的性能变化加以评定。 沥青的老化主要发生在两个阶段，一是沥青在热拌和过程中 的老化，称为短期老化；另一阶段是沥青在路面长期使用过程 中发生的老化，称为长期老化。
建筑石油沥青评价方法：采用蒸发损失百分率和蒸发后 针入度比评价。 （沥青试样在160℃条件下，加热蒸发5h）
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（5）粘附性
沥青与矿质集料的粘附性影响沥青路面的质量和耐久 性，因此粘附性是沥青的重要性质。 沥青在沥青混合料中以薄膜的形式裹覆在集料颗粒表面，并 将松散的矿质集料粘结为一个整体。 粘附性不仅取决于沥青的性质，也取决于集料的性质。 粘附性的评价方法：沥青与粗骨料的粘附性试验，根据沥青混 合材料的最大粒径决定。 粗骨料的 最大粒径 ＞13.2mm，采用水煮法 ≤13.2mm，采用水侵法
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沥青延度测定示意图
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延度
沥青延度试验
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3）影响塑性的因素
• 组分的影响：当油分和沥青质适量，树脂含量越多，沥青质表
面的沥青膜层越厚，塑性越好。 随着沥青胶体结构发育成熟度的提高，含蜡量的增加， 以及饱和蜡和芳香蜡的比例增大等，都会使沥青的延度值相 对降低。
•
温度的影响：温度升高，塑性增大。 沥青延度越大，其塑性变形越大，有利于低温变形。
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定义 软化点——沥青由固体转变为具有一定流动性时的 温度。
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测定方法
我国现行试验方法要求采 用环球法软化点。 如图，该法是将沥青试样 注于规定内径的铜环中，环 上置一钢球，在规定的加热 速度下，沥青试样逐渐软 化，直至在钢球荷重作用下 滴落到下层金属板（距离为 25.4毫米）时的温度，称为 软化点，单位：℃ 。
性状 组分 饱和分 芳香分 胶质 沥青质 外观特征 无色液体 黄色至红色液体 棕色粘稠液体
深棕色至黑色固态 平均相对密度
平均分子量 625 730 970 3400
主要化学结构 烷烃、环烷烃 芳香烃、含S衍生物 多环结构，含S、O、N 衍生物 缩合环结构，含S、O、N 衍生物
0.89 O.99 1.09 1.15
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3）评价指标：
• •
蒸发前沥青质量 − 蒸发后残留物质量 蒸发损失百分率 = × 100 % 蒸发前沥青质量 蒸发后针入度比= 蒸发后残留物针入度 ×100% 蒸发前沥青针入度
蒸发损失百分率越小，蒸发后针入度比越大， 则表明沥青大气稳定性越好，沥青耐久性越高。
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（7）施工安全性
沥青使用时必须加热，由于沥青在加热过程中挥发出的 油会与周围的空气组成混合气体，当遇到火焰会发生闪火， 为此，必须测定沥青加热闪火和燃烧的温度，即所谓闪点 和燃点。 闪点定义：沥青加热挥发出可燃气体，与火焰接触初次发生 一瞬即灭的火焰时的温度。 燃点定义：指沥青加热挥发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，并持续5s以上。 评价指标：闪点。如建筑石油沥青的闪点为230OC 闪点和燃点是保证沥青安全加热和施工的重要指标。 通常采用克利夫兰开口杯法测定（简称COC法）。
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2）热胀系数
沥青在温度上升1 ℃时长度或体积的变化，分别称 为线胀系数或体胀系数，统称为热胀系数。 热胀系数越大，沥青路面在夏季越易泛油，冬季 冷缩越易产生开裂。
3）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。
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（2）粘滞性（简称粘性） ——指石油沥青内部阻碍其相对流动的一种特性，它反映石 油沥青在外力作用下抵抗变形的能力。 沥青的粘性是划分沥青牌号的主要技术指标之一。
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1）延度的定义 延度——将沥青试样制成8字形标准试件，采用延度仪，在规 定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度，单位：cm。
规定条件为：试验温度有0℃、10 ℃ 、15℃、25℃等； 拉伸速度有1 cm/min、5cm/min两种。
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2）延度的表示方法： D（T，v） 其中，T为试验温度，v为拉伸速度。
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2.分类:
地沥青
天然沥青：石油在自然条件下，长时 间经受地球物理因素作用形成的产物 石油沥青：石油经各种炼制工艺加工后 而得的沥青产品 煤沥青：煤经干馏所得的煤焦油，经 再加工后得到煤沥青
沥青
按产源不同
焦油沥青
页岩沥青：页岩炼油工业的副产品
3.应用: 广泛用作路面、屋面、防水、耐腐蚀等工程材料。
c)
a)溶胶型结构；
c)凝胶型结构
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溶胶型沥青的特点： 1） 流动性和塑性较好，开裂后自行愈合能力较 强，低温时变形能力较强； 2）温度稳定性差，温度过高会发生流淌。 凝胶型结构的特点： 1）流动性和塑性较差，开裂后自行愈合能力较差； 2）弹性和塑性较高，温度敏感性较小。高温稳定性 较好，低温变形能力差。 溶胶-凝胶型沥青的特点： 高温时具有较低的感温 性，低温时又具有较强的变形能力。（高等级沥青 路面用的沥青均属于此类）
另外：石油沥青中含有蜡，它会降低沥青的粘结力和塑性，并 对温度特别敏感。
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3、胶体结构
1）溶胶型结构——沥青质含量相对较少，油分和树脂含量相对较高 2）溶-凝胶型结构——沥青质含量适当，油分和树脂含量相对较高 3）凝胶型结构——沥青质含量相对较多，油分和树脂含量相对较少
a)
b) 沥青胶体结构示意图 b) 溶-凝胶型结构；
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4）脆性
• • • 沥青材料在低温下受到瞬时荷载时常表现为脆性破坏，沥 青脆性的测定极为复杂。 目前测试方法：采用弗拉斯（Fraass）脆点。 拉斯脆点试验原理：将沥青试样0.4克在一个标准的金属薄 片上摊成薄层，将其置于脆点仪内并使其稍稍弯曲。当以 1℃/min的速度降温时，沥青薄膜的温度随之逐渐降低，当降 至某一温度时，沥青薄膜在规定弯曲条件下产生脆断时的温 度，即为沥青的脆点。
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三、 石油沥青的技术性质 （1）物理常数 （5）粘附性
√ √ √
（2）粘滞性（粘性） （3）延性和脆性 （4）温度敏感性
√ （6）耐久性
（7）施工安全性（闪
点、燃点）
以建筑石油沥青为主讲解
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（1）物理常数
1）密度——在规定温度条件下，单位体积的质量。 单位：kg/m3或 g/cm3。 我国现行试验方法规定测定15℃下沥青密度。 相对密度——在规定温度下，沥青质量与同体积水质量之比 我国现行方法规定测定25℃下的相对密度。 沥青15℃密度与25℃相对密度之间的换算公式： 沥青与水的相对密度= 沥青的密度（15℃）×0.996 通常粘稠沥青的密度在0.96~1.04g/cm3