沥青与沥青混合料.pptx

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1、学 习 要 求一般了解沥青材料及其制品在建筑中的应用；沥青按产源的分类；建筑工程中常用沥青的品种。掌握石油沥青中油分、树脂、地沥青质等组分的特性，以及由它们构成的胶体结构的特性。掌握当胶体结构中的油分、树脂、地沥青质相对含量发生变化时对沥青性质的影响。重点掌握石油沥青的技术性质。其中包括：粘性、塑性、温度繁感性及大气稳定性的概念、表示方法及实用意义。要求能分析这四项性质之间的关系。熟悉石油沥青的技术指标。掌握石油沥青按主要用途的分类；石油沥青牌号划分的依据及表示。第1页/共75页 5、了解石油沥青的选用原则。了解建筑石油沥青、道路石油沥青、普通石油沥青的适用。掌握常用两种或两种以上不同牌号的石

2、油沥青的适用。掌握用两种以上不同牌号的石油沥青进行参配的方法。6、掌握沥青混合料的组成、结构与性能。7、掌握沥青混合料的配合比设计。第2页/共75页概 述沥青：有机胶凝材料，是高分子碳氢化合物和非金属衍生物的混合物。沥青的特点热塑性材料，加热就软化；憎水性材料，耐水、不溶于水；良好的粘结性和粘弹性；较强的耐腐蚀性。种类地沥青：天然沥青，石油沥青焦油沥青：煤沥青，页岩沥青第3页/共75页第 一 节石油沥青与煤沥青第4页/共75页一、石油沥青 定义：石油原油经蒸馏等提炼各种轻油（如汽油、柴油等）及润滑油后的残留物，或经过加工而得的产品。是一种有机胶凝材料。常温下有固体、半固体或粘性液体三种形态。种

3、类：建筑石油沥青道路石油沥青普通石油沥青第5页/共75页砂与水石油石油气泵站过滤储存储存蒸馏塔冷凝器加热管轻油中轻油重油沥青空气氧化沥青加工成乳化沥青石油蒸馏过程第6页/共75页（一）石油沥青的组分与结构化学组成：83%碳；10%氢；7%氧,氮 和硫；微量的钒、镍、铝和硅。第7页/共75页（一）石油沥青的组分与结构 组分 l油分（芳香油和饱和油）油状液体，密度最小，加热可以挥发，能溶于有机溶剂，它们赋予沥青以流动性。分子量为100 500。l树脂（沥青脂胶）粘稠状液体（半固体），密度大于油分，属于中性树脂，能溶于有机溶剂（苯、汽油）。它们赋予沥青以良好的粘结性、塑性和可流动性，分子量为5001

4、000。l地沥青质（沥青质）固态无定性物质，密度大于1，决定沥青的温度敏感性和粘性，其含量越高，沥青软化点越高，粘性越大，越硬脆。分子量大于10006000。第8页/共75页2 2、石油沥青的胶体结构 组分的相溶特性 油分与树脂相溶；树脂能浸润地沥青质；地沥青质对油分有憎液性。胶体结构 以地沥青质为核心构成胶核；胶核周围形成树脂薄膜，薄膜外吸附一层油分构成胶团；无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。分散体结构 分散相是吸附部分树脂的地沥青质；分散介质是溶有部分树脂的油分。第9页/共75页沥青的胶体结构溶胶结构油分较多，胶团较少，温度稳定性差；胶团相对运动自由，流动性和塑性较好。溶凝胶结构介于溶胶

5、结构与凝胶结构之间。凝胶结构油分与树脂较少，地沥青质较多，温度稳定性好；胶团相互连接成不规则空间网状的凝胶结构，弹性和粘性较高，流动性和塑性较低。第10页/共75页溶胶结构凝胶结构沥青的胶体结构第11页/共75页粘性（粘滞性）塑性（延性）温度敏感性大气稳定性其他性能（二）石油沥青的技术性质 第12页/共75页石油沥青的技术性质 粘性（粘滞性）概念：粘性反映石油沥青材料抵抗外力或自重作用下变形的能力。评价指标：相对粘度和针入度。相对粘度越大或针入度越小，粘性越大。测定方法：标准粘度计和针入度仪法。影响因素：u组成：地沥青质含量较高，油分含量较小但有时量树脂，则粘性大；u温度：在一定温度范围内，粘

6、性随温度升高而降低，反之则随之增大。第13页/共75页沥青的针入度试验规定的荷载、时间和温度下进行P针入度开始时5秒后第14页/共75页针入度仪第15页/共75页针入度等级道路石油沥青200300150200110150801005080建筑石油沥青25401025第16页/共75页塑 性 概念 塑性指石油沥青在外力作用时产生变形而不破坏，除去外力后，则仍保持变形后的形状的性质。也反映了沥青的自愈合性能。评价指标 延度（伸长度），延度越大，塑性越好。测定方法 把沥青试样制成8字型标准试模（中间最小截面积1cm2），在规定拉伸速度（5cm/min）和规定温度（25C）下拉断时的长度，即为延度，用

7、cm为单位表示。影响因素 u树脂含量较多，其他组分含量适当时，则塑性较大；u温度升高，塑性增大；沥青膜层厚度越厚，则塑性愈大。石油沥青的技术性质 第17页/共75页延度沥青延度试验第18页/共75页延度试验沥青样品模具厘米刻度延度仪在25C下，以5cm/min的速度测量第19页/共75页温度敏感性 概念 敏感性是指石油沥青的粘性和塑性随温度升降而改变的程度。评价指标 软化点，它是沥青材料由固态转变为粘流态时的温度。测定方法 环球法影响因素 地沥青质含量高，软化点高，温度敏感性减小；沥青中蜡含量高，增大其温度敏感性；加入矿物粉末填料（滑石粉、石灰石粉等）可减小其温度敏感性。石油沥青的技术性质 第

8、20页/共75页沥青软化点测量开始时终止时钢球温度计钢球样品软化点测量试验装置第21页/共75页温度敏感性沥青的温度敏感性也可用沥青的针入度随温度的变化来评价。第22页/共75页第23页/共75页大气稳定性 概念 指石油沥青在热、光、氧和潮湿等因素长期作用下，抵抗老化使性能稳定的程度。老化现象 上述因素作用下的变化 沥青各组分发生递变，油分和树脂含量逐渐减小，而地沥青质含量逐渐增多，流动性和塑性降低，硬脆性增大的过程。评价指标 蒸发后的质量损失或蒸发后的针入度比，蒸发损失愈小或蒸发后针入度比愈大，则大气稳定性愈好，“老化”愈慢。测定方法 测量在160C下蒸发5小时后，沥青的针入度与蒸发前针入度

9、比值的百分数，即为蒸发后针入度比。影响因素 石油沥青中油分含量高，则大气稳定性差 石油沥青的技术性质 第24页/共75页大气稳定性评价针入度比老化后沥青的针入度老化前沥青的针入度第25页/共75页蒸发试验烘箱外观第26页/共75页其他性能溶解度 石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳或笨中溶解的百分率，以表示沥青中有效物质含量，即纯净程度。不溶解的物质会降低沥青的性能，应加以限制。闪点 加热沥青至初次闪火（有蓝色闪光）时的沥青温度。燃点或着火点 加热沥青，并与火接触能持续燃烧5秒以上时的温度。石油沥青的技术性质 第27页/共75页溶解度试验（纯度）第28页/共75页闪点试验（安全性）温度计装满沥青的杯子

10、点火的燃气嘴第29页/共75页（三）石油沥青的标准、选用与掺配 1、石油沥青的技术标准道路石油沥青（有七个牌号)牌号越大，粘性越小（针入度越大）；牌号越大，塑性越好（延度越大）；牌号越大，温度敏感性越大（软化点越低）。建筑石油沥青（有两个牌号）牌号越小，粘性越大（针入度越小）；牌号越大，塑性越差（延度越小）；牌号越大，温度敏感性越小（软化点越高）。普通石油沥青（有三个牌号）由于含蜡较多，温度敏感性大，粘性较小，塑性较差。第30页/共75页 2、石油沥青的选用 选用原则：根据工程性质与要求、适用部位、环境条件等因素选用，在满足适用条件的前提下，应选用牌号较大的石油沥青，以保证使用寿命。道路沥青拌

11、制沥青混凝土、沥青拌和料或沥青砂浆；密封材料、粘结剂以及沥青涂料。建筑石油沥青制造油纸，油毡、防水涂料和沥青胶，绝大部分用于屋面、地下防水、沟槽防水防腐蚀及管道防腐等工程。普通石油沥青在建筑上不宜直接使用，可以采用吹气氧化法改善其性能。第31页/共75页 3、沥青的掺配 如某一牌号的沥青不能满足工程技术的要求，可以用不同牌号的沥青掺配，实验证明同产源的沥青掺配后可得均匀的沥青，两种沥青得掺配比例可以按下式估算：P1=P2=100P1 式中：P1、P2分别为两种沥青的用量（）；T1、T2分别为两种沥青的软化点。(T2T)(T2T1)100%第32页/共75页二、煤沥青 将煤焦油进行蒸馏，蒸去水分

12、和所有的轻油及部分中油、重油和蒽油后所得残渣就是煤沥青。化学成分:未饱和芳香烃及非金属衍生物的复杂混合物。与石油沥青相比，有如下特点：温度敏感性大，夏天易流淌，冬天易硬脆；大气稳定性较差，可挥发分较多；塑性较差，容易因变形而开裂；防腐能力较好，可用作木材防腐处理；含表面活性物质较多，与矿物表面粘附性较好。密度较大，1.101.26kg/m3。第33页/共75页煤沥青与石油沥青的鉴别方法煤沥青1.1音清脆，韧性差烟呈黄色，有刺激味汽油或煤油溶解后，溶液滴于滤纸上呈内黑外棕或黄色石油沥青1.0音哑，弹韧性好烟无色，无刺激味斑点完全均匀散开，呈棕色。方法密度锤击燃烧溶液颜色第34页/共75页三、沥青

13、改性及改性材料土木工程中使用的沥青要求：在低温下应有弹性和塑性；在高温下要有足够的强度和稳定性；在加工和使用中具有抗老化能力；与矿物和结构表面有较强的粘附力；以及对构件变形的适应性和耐疲劳性。沥青材料本身难以满足这些性能要求，需用其他材料改性。第35页/共75页（一）用于沥青改性的材料脂肪胺 改善沥青的湿润性，增加在湿基面上的粘结力。烃 有机溶剂，改变沥青的粘度。弹性体再生橡胶粉丁二烯苯乙烯丁二烯嵌段共聚物（SBS树脂）丁二烯苯乙烯橡胶乳液（SBR）天然橡胶乳液塑性体乙烯醋酸乙烯脂（EVA）苯乙烯脂矿物粉末 滑石粉、石灰石粉、膨润土、水泥等。第36页/共75页（二）性能改善抗疲劳裂缝 Fati

14、gue cracking resistance抗热裂缝 Thermal cracking resistance抗变形能力 Deformation resistance热敏感性 Temperature susceptibility粘结性 Impact resistance adhesion-explain高温粘度 Viscosity at high temperature延度 Ductility脆性断裂 Brittle fracture耐久性（抗老化）Durability第37页/共75页改性沥青的软化点随老化温度的变化软化点第38页/共75页第39页/共75页橡胶改性沥青 橡胶有：氯丁橡胶、丁

15、氰橡胶、再生橡胶等。改性机理：橡胶分子加入到沥青中，改变了沥青中分散介质的组成，促进沥青分子相互排斥，并改变了分散相的结构，形成弹性结构网。改性效果：气密性、低温柔性、耐化学腐蚀性、耐光、耐臭氧、耐气候和耐燃烧性等得到大大改善和提高。掺入方法：溶剂法和乳液法 第40页/共75页树脂改性沥青 树脂有：古马隆树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、酚醛树脂和天然松香等。改性机理：与橡胶相同。改性效果：气密性、低温柔性、耐化学腐蚀性、耐光、耐臭氧、耐气候和耐燃烧性得到大大改善。掺入方法：溶剂法或乳液法。第41页/共75页矿物填充料改性沥青 矿物填充料的品种：滑石粉、石灰石粉、硅藻土、云母粉、石棉绒、粉煤灰、水

16、泥等。作用机理：由于沥青对矿物填充料的润湿和吸附作用，沥青分子可能成单分子装排列在矿物颗粒（或纤维）表面，形成结合力牢固的沥青薄膜，因而又称为“结构沥青”。改性作用：提高了粘性和耐热性等。第42页/共75页三、乳化沥青 概念 将沥青微粒在加热搅拌的条件下，分散在有乳化剂的水中而成的乳胶体。种类 根据所用乳化剂不同有：阴离子型阳离子型胶体乳液。制作方法 加热后直接乳化用溶剂溶解后乳化用途 可涂刷或喷涂在表面上作为防潮或防水层；用于拌制冷用沥青砂浆或混凝土。第43页/共75页将沥青微粒在加热搅拌的条件下，分散在有乳化剂的水中而成的乳胶体。负电荷颗粒相互排斥乳化的颗粒第44页/共75页不稳定乳液中等

17、稳定乳液稳定乳液第45页/共75页用作道路表面修补处理第46页/共75页第 五 节沥青混合料第47页/共75页概 述 定义：沥青混合料是将粗、细骨料和填料经人工合理选择级配组成的矿质混合料与适量沥青拌和而成的均匀混合料沥青混合料：沥青混凝土沥青碎石用途：道路路面第48页/共75页沥青混合料分类按胶结材分类：石油沥青，混合料按铺筑和拌和温度分类：热拌、常温按矿料最大粒径：粗粒式：4.7537.5mm中粒式：4.7526.5mm细粒式：4.759.5mm砂粒式：4.75mm按照密实度分类密实（）型：剩余孔隙率36空隙（）型：剩余孔隙率410开级配型：剩余孔隙率15半开级配型：剩余孔隙率 1015按

18、级配类型分类：连续、间断第49页/共75页一、沥青混合料沥青混合料的组成结构和强度理论沥青混合料的组成材料及其技术要求沥青混合料的技术要求沥青混合料组成设计方法第50页/共75页（一）沥青混合料的组成结构和强度理论沥青混合料的组成及其作用l沥青与矿质材料（砂、石）构成具有空间网络结构的分散体系；l沥青为分散介质;l赋予混合料以流动性；l在常温下为固体，起到胶结作用；l矿料在混合料中为分散相，l起骨架和填充作用;l改善混合料的体积安定性;l减少沥青胶结材料用量第51页/共75页沥青混合料的结构悬浮密实结构l结构特征：由连续级配矿质料配制的密实沥青混合料，结构上，大颗粒骨料悬浮在小颗粒骨料之中。l

19、性能特点：密实度和强度较高，稳定性较差。骨架空隙结构l结构特征：较细骨料少，较粗骨料彼此相互接触连接。l性能特点：稳定性较好，粘聚力较差。骨架密实结构l结构特征：粗骨料相互接触，其堆积空隙完全被较细颗粒填充密实。l性能特点：较高的粘聚力和稳定性，较高的内摩擦角第52页/共75页沥青混合料的强度理论沥青混合料的高温强度和稳定性工程应用要求：在高温时，沥青混合料必须具有一定的的抗剪强度与抵抗变形的能力。研究表明：抗剪强度（)主要取决于沥青与矿料的粘结力（c）和矿料骨架作用的内摩阻角（）：=C+tan第53页/共75页沥青的粘度沥青和矿料的化学性质矿料的物理性质沥青用量 抗剪强度的影响因素第54页/

20、共75页沥青粘度的影响沥青粘度越大，沥青内部胶团相互作用力越大，抵抗剪切作用下的变形能力越大。沥青粘度越大，沥青混合料的粘结力越大。沥青混合料的粘聚力越大，其抗剪强度越高。第55页/共75页沥青和矿料的化学性质的影响沥青和矿料在界面上存在化学作用和吸附作用。界面相互作用使得：l结构沥青：矿料颗粒表面厚度为0 的层，粘度由外向里递增，抗剪强度由外向里递增。l自由沥青：矿料颗粒表面0 厚度外，粘结力较小。结构沥青的厚度取决于沥青和矿料的化学性质。第56页/共75页物理性质对抗剪强度的影响矿料的比表面积越大，颗粒表面的沥青膜越薄，结构沥青的比例越大，沥青混合料的粘结力越高。级配的影响l连续型级配，粘

21、结力较高，内摩阻力较小；l粗骨料多，细骨料少的级配，粘结力较低，内摩阻力较大；l间断级配，内摩阻力和粘结力均较高，沥青混合料抗剪强度较大。多面体形状，表面粗糙的骨料比圆形光滑的骨料更有利于抗剪强度的提高。第57页/共75页沥青用量对抗剪强度的影响沥青用量较少时，粘结力随着沥青用量的增加而提高；沥青用量足以饱满地包裹骨料表面，形成薄膜丙粘结骨料时最优沥青用量，抗剪强度最高；沥青用量大于最优沥青用量时，粘结力随着自由沥青用量的增加而降低。第58页/共75页Summary沥青与矿料化学性质 矿料对沥青组分分子的吸附作用越强，沥青混合料的抗剪强度越高。沥青的粘滞性 沥青的粘滞性越大，则沥青与矿料的粘结

22、力就越大，沥青混合料的抗剪强度越高。矿料的物理性质 矿料的表面积越大，沥青与矿料的粘结力越高，抗剪强度提高；粗细骨料的间断级配，可提高抗剪强度提高；矿料表面粗糙越大，内摩阻力越大，其抗剪强度提高。沥青用量 沥青混合料都有一个最佳沥青用量。第59页/共75页（二）、沥青混合料的组成材料与技术要求 矿 料粗骨料：碎石、破碎砾石、筛选砾石、矿渣等。基本要求：洁净、干燥、无风化、不含杂质、坚硬、耐磨、韧性好、级配与粒径符合标准要求。细骨料：天然砂、人工砂和石屑等填料：以采用石灰岩或岩浆岩磨细的粉末。沥青应根据气候条件、交通性质、沥青混合料的类型和施工条件选择沥青，并应符合有关标准的规定。第60页/共7

23、5页（三）沥青混合料的技术要求 高温稳定性 定义：在夏季高温下，经受长期交通荷载作用，不产生车辙和波浪等破坏现象的性质。评价指标 马歇尔稳定度和流值。该值越大，稳定性越好。耐久性耐水性取决于沥青材料与矿料表面的粘结力。评价耐水性的指标是残留稳定度（浸水48小时与未浸水的马歇尔稳定度比值）。其它性能施工和易性低温抗裂性抗滑性第61页/共75页马歇尔稳定度和流值试验试件：101.6mm63.5mm；处理：试件在60C的水中浸泡3040min；测试：侧立在压力试验机中受压；测量试件破坏的极限荷载（N）马歇尔稳定度测量极限荷载与其对应的压缩变形值(1/10)mm流值。第62页/共75页马歇尔稳定度和流

24、值试验第63页/共75页马歇尔稳定度和流值试验第64页/共75页影响沥青混合料耐久性的主要因素孔隙率一定量的空隙率是必要的；空隙率太大对力学性能和耐久性不利。耐水性耐水性：沥青混合料饱水后，矿料与沥青粘结力降低，剥落，体积膨胀。评定指标：残留稳定度耐水性差，耐久性也差填隙率沥青用量过少，塑性降低，空隙率增大，耐水性下降；沥青用量过多，降低高温稳定性和抗滑能力。第65页/共75页（四）、沥青混合料的组成设计方法沥青混合料配合比设计试验室配合比设计生产配合比设计试拌试铺配合比设计要求足够的沥青用量保证耐久性在交通荷载下足够的稳定性足够的空隙l上限：避免环境破坏l下限能容纳由于交通荷载引起的初始密实

25、足够的和易性第66页/共75页沥青混合料的组成设计方法 1、矿质混合料组成设计设计目标是选配一个具有足够密实度，并且有较高内摩阻力的矿质混合料。设计步骤：确定沥青混合料的类型；道路等级、路面类型、结构层次、路面结构等（查表812）。查表88，确定矿质混合料的级配范围；矿质混合料配合比计算组成材料原始数据测定；图解法或电算法计算配合比；调整配合比。第67页/共75页沥青混合料的组成设计方法2、确定沥青混合料的最佳沥青用量制备试样按确定的矿质混合料配合比，计算各种矿质材料的用量；根据表88推荐的沥青用量，选5个不同的沥青用量进行试配；测定物理指标视密度理论密实空隙率沥青体积百分数矿料间隙率沥青饱和

26、度第68页/共75页沥青混合料的组成设计方法确定沥青混合料的最佳沥青用量测定力学指标马歇尔稳定度流值马歇尔试验结果分析绘制沥青用量与物理力学指标关系图根据稳定度、密度和空隙率确定最佳沥青用量初始值1根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定最佳沥青用量初始值2根据两个初始值，确定沥青最佳用量根据气候条件和交通特征，调整最佳沥青用量水稳定性试验残留稳定度试验抗车撤能力试验第69页/共75页混合料性能与沥青用量的关系空隙率空隙率,%沥青用量,%稳定性稳定性单位质量单位质量.最佳沥青用量等于三者的平均值最佳沥青用量等于三者的平均值4%沥青用量,%沥青用量,%沥青用量,%第70页/共75页孔隙率与沥青用量

27、的关系最佳沥青用量最佳沥青用量=空隙率为空隙率为4时的沥青用量时的沥青用量4%空隙率空隙率,%沥青用量,%第71页/共75页沥青混合料稳定度与沥青用量的关系检验稳定度检验稳定度OK稳定性稳定性沥青用量,%第72页/共75页马歇尔设计的临界值指标FlowAsphalt Content,%VMA,%Asphalt Content,%用最优沥青用量检测这些临界值是否满足用最优沥青用量检测这些临界值是否满足Lower LimitUpper limitMinimumOKOK第73页/共75页创新思维题？为什么现在沥青混合料用的沥青均采用高分子材料改性沥青？观察沥青路面的沥青混合料情况，说明为什么沥青路面是多孔性的，而混凝土路面是较密实的？沥青路面的水损害 讨论并予以点拨以相同沥青混合料铺筑的道路，为什么多雨、地下水较多的地段往往损坏更快、更严重。沥青路面开裂的观察与思考，沥青路面裂缝分析。第74页/共75页感谢您的观看。第75页/共75页