沥青材料.ppt
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1、第四章 沥青材料,概述,通车里程345万公里; 高速、一级、二级公路占14%,约25万公里;高速公路4.5万公里。 高级、次高级路面占41%,有72多万公里; 道路沥青 400万吨,进口沥青 80万吨(每年消耗) 沥青路面约40万公里;但多为低等级路,渣油路面 表面处置路面 路面状况不好,“病害”严重。,推挤(高温稳定性不足) 车辙、波浪、拥包,梨温高速公路玉山出口处破损的路面,高温剪切破坏,皱折,裂缝(低温抗裂性差) 纵横裂缝及龟裂,沥青路面的开裂,沥青路面的开裂,疲劳龟裂,低温龟裂,反射龟裂,坑槽,路面脱落,泛油 沥青太稀,用量过多,沥青“病害”的原因及研究任务,设计问题 配合比、交通量、
2、道路等级、路面厚度及结构的选择;设计与实际情况不相符合。 施工问题 环境温度的影响、拌和温度的控制、混合料拌和是否均匀、碾压是否密实。,沥青“病害”的原因及研究任务,材料 沥青性能不好、集料的成分和级配、矿粉的性质。 研究的目标“不推少裂” 在正确的设计、施工和配合比组成的条件下,最终是一个“沥青性能以及表征沥青性能的试验方法问题”,事例,第一节 石油沥青,定义沥青是指由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属衍生物组成的混合物。,石油沥青的外观状态 黑色或黑褐色的固体、半固体和液体。密度为0.96 1.04 g / cm3。溶解于三氯乙烯(CHCl=CCl2)、四氯化碳(CC
3、l4)、三氯甲烷(CHCl3)和苯(C6H6)等有机溶剂。,沥青的分类,石油沥青的分类,特立尼达湖沥青,一.石油沥青的生产工艺,一.石油沥青的生产工艺,1.原油的基属分类,石油沥青的性质与原油的 基属(成分和结构)有关,石蜡基原油直链烷烃多 H H H H H H HCCCCCCH H H H H H H 环烷基原油环烷、苯环多 中间基原油介于石蜡基、环烷基,常规生产沥青的工艺,蒸馏氧化法生产沥青 最好是环烷基沥青 其次是中间基沥青 最差是石蜡基沥青,2.沥青的生产工艺简介,3.原油基属和生产工艺对沥青性状的影响,(环烷基原油最好) (中间基原油次之) (石蜡基原油不好),(1)直馏沥青,加工
4、过程只有物理作用 对沥青成分和性质没有什么改变和提高 性质表现为:低温抗裂性较好,但高温稳定性较差。,(2)氧化沥青,其加工过程为化学作用 化学成分和性质发生了较大变化 表现为:有较低的温度感应性,其高温稳定性较好而低温抗裂性较差。,(3)溶剂脱沥青,经过溶剂脱工艺,改变了沥青组分之间的比例 尤其能够使蜡的组分含量减少,沥青的延度大大增加(如:可由5cm80cm) 具有较好的高温稳定性和低温抗裂性 也被称为“人造沥青”,二.石油沥青的组成与结构,1.元素的组成,碳C、氢H、氧O、硫S、氮N;,氢碳比的意义(H/C),例如: 正己烷 C6H14 环己烷 C6H12 甲苯 C6H6 H/C可间接反
5、映石油沥青的组成结构概貌。一般H/C1.6时,就不适合生产道路沥青。,2.石油沥青的组分,通过沉淀剂和吸附剂对沥青采取选择性溶解和选择性吸附,将沥青中化学成分及性质相近,且与物理力学性质有一定联系的成分,划分为若干个组,即为组分。,沥青的组分分析法,溶解吸附法(三组分分析法) 色层分析法(四组分分析法) 多组分分析法 热扩散法 离子交换色谱法,四组分分析法,饱和分(S) 芳香分(Ar) 胶质(R) 沥青质(At) 蜡 有害物质。导致粘度、延度下降,温感性变差,抗裂性变差。,甲苯 +乙醇洗释 甲苯洗释 乙醇 洗释,含蜡沥青的蜡(W)含量测定 将分离得到的饱和分(S)和芳香分(Ar),以丁酮-苯为
6、脱蜡溶剂,在 -200C下冷冻分离固态烷烃,确定含蜡量。,原油是否适合生产沥青的经验方法,(At+R)/W0.5 不适合生产沥青 (At+R)/W0.51.5 生产普通道路沥青 (At+R)/W1.5 适合生产优质道路沥青 At沥青质 R 胶质 W蜡,饱和分,芳香分,胶质,沥青质,沥青的四组分,饱和分,饱和分(S) 含量, 针入度(即粘度), 软化点;,芳香分,芳香分(Ar) 提高粘附性和延度;,胶质,胶质(R) 含量,粘度,延度,沥青质,沥青质(At) 含量(适当), 粘度,降低温感性;,不同沥青的化学组分,国产沥青的特点: At含量少 S含量过大 饱和分S偏多, 沥青质At偏少而 导致粘结
7、性较差;,不同沥青的化学组分,较好的组分搭配是: At适量 Ar较多 R较少 S少,石蜡基与环烷基沥青的组分对比,3.沥青的胶体结构,因S、Ar、R、At之间的比例不同。可以组成不同的胶体结构。,(1)溶胶,饱和分S含量较大 胶团之间被S分开,At少,S呈连续相,胶团是不连续相。 大部分的直馏沥青属于“溶胶沥青”。 路用性能特点 自愈性和低温抗裂性好 但温感性和高温稳定性较差,(2)凝胶,沥青质At含量较高 胶团之间接触并形成一定的空间结构网,有较明显的弹性,胶团成为连续相,而S成为不连续的。 氧化沥青大多属于凝胶结构 路用性能特点 高温稳定性好,温感性好,粘度较大,但是低温抗裂性及变形能力较
8、差。,(3)溶凝胶,沥青质At含量适当 胶团数量较多,相距较近并部分接触形成网状结构; 环烷基直馏沥青、半氧化沥青、溶剂沥青都属于这类结构; 路用性能特点有较高的粘度和较好的低温变形能力,以及较低的温感性。,(4)蜡的影响,高温时:粘度低,使沥青转向溶胶结构,高温稳定性变差; 低温时:蜡结晶,形成网络结构,使沥青转向凝胶结构,但是粘度却很低,且低温抗裂性非常差。,(5)胶体结构的判定,用针入度指数PI的大小来判定,沥青的结构模型,沥青是由带有烷侧链的高度 缩合环烷和芳香环所组成。,三 石油沥青的技术性质,(一)物理特征常数,密度、热膨胀系数、介电常数,密度(相对密度):0.971.04(g/c
9、m3) 热膨胀系数:2610-4 / 介电常数:2.63.0 属非极性、弱极性材料,(二)粘度,粘度材料在外力作用下,其粒子产生相互位移时抵抗变形的能力。,1.牛顿液体,根据牛顿定律:,F,V,H,令剪应力 令剪应变(剪应变速率),所以有 动力粘度系数(简称粘度) 沥青在某一温度下的动力粘度与同温度下沥青密度之比,称为“运动粘度”。,2.非牛顿液体,有公式 * 表观粘度 (PaS) c 复合流动系数 c 1 时,称为胀流型液体;,当c1时,用表观粘度a来表示,C1,C=1,C1,0,假塑性液体,胀流型液体,3.绝对粘度的测定方法,毛细管粘度计 试验温度:粘稠沥青1350C 液体沥青 600C
10、旋转圆筒式粘度计 滑板式微膜粘度计,沥青动力粘度测定器(真空减压毛细管法),沥青运动粘度测定器(毛细管法),旋转粘度计,4.条件粘度的测定方法,条件粘度又称为相对粘度或技术粘度 (1)针入度(Penetration简称Pen) 用于测定粘稠沥青 还可测试50C、100C、150C、250C、300C时的针入度,针入度试验仪,其它条件下的针入度,4.条件粘度的测定方法,(2)标准粘度(用于液体沥青) 表示方法 式中: T 试验温度(0C) d 流孔直径(mm) t 流出50ml的时间(S),例: 表示:d=5mm; T=600C时,流出50ml 沥青时所用的时间S=40秒。,(三)软化点,沥青是
11、无定型非晶态物质,没有熔点;其粘度和塑性随温度的变化而变化。,温度,沥青由固态半固态液态 工程中希望沥青在使用温度低于所谓的 “软化点”时,可在短期内承受自重而不 致流淌(流动状态)。,表示方法 环与球法TR&B ( 0C ) 用内径19.8mm的铜环,直径9.53mm,重3.5克钢球,加热速度50C/ min,使沥青下垂25.4mm时的温度称为: 软化点,沥青软化点仪,加热介质 蒸馏水(起始温度50C),用于软化点低于800C的沥青; 甘 油(起始温度320C),用于软化点高于800C的沥青。,加热速度为50C/ min 太快沥青还来不及传导加热时的热,会使软化点T偏高; 太慢软化点T偏低。
12、,沥青在软化点时的粘度 =1200 dPaS Pen=800 1/10 (mm) 所以也把“软化点”称为“等粘温度”即:固定粘度时的温度,(四)延度,沥青在外力作用下产生塑性变形而不被破坏(断裂)的能力。又称为延伸度或伸长度。,表示方法 其它温度下的延度,延度试件,(五)脆点介绍,A弗拉斯脆点,沥青脆点仪,(六)三大指标的讨论,1.针入度,绝对粘度的差异问题,2.延度的争议,英国没有延度指标 阿油沥青的延度大都不会小于100cm 我国的中轻道路交通沥青就是延度较差,3.软化点的影响,软化点高的沥青,是否其高温稳定性就 一定好?,4.用绝对粘度划分沥青标号,美日等国和我国用600C的沥青粘度和针
13、入度来给沥青划分标号 用600C粘度的物理指标来评价沥青性能 对沥青路面的使用性能有很大影响的600C时的沥青粘度,可以用数值来加以评价,粘度单位,国际单位制 PaS (帕秒) 厘米克秒制 达因秒/厘米2 (泊) 单位换算 1泊(P)= 0.1 PaS,(七)沥青的流变特性,1.感温性,表征沥青材料的“粘度”随“温度”而变化的性质及关系 (1)针入度指数PI用针入度和软化点的结果来表示沥青感温性和胶体结构 针入度和温度的关系 lg P = AT+K 式中:A为针入度-温度感应性系数,表征lgP随温度T的变化率,通过斜率A可以判断沥青的感温性强弱,例:有两种针入度相同的沥青,但是A却不相同。,l
14、gP,lg800,lgp,0 25 T1 T2 T(0C),A1,A2,针入度指数P.I引入一些参数,使P.I在-10 +20之间。则有:,按PI的大小把沥青划分为三种胶体结构。 PI +2 为凝胶 PI= -2 +2 为溶凝胶 但是蜡质沥青在软化点时针入度不一定是800。 在弗拉斯脆点温度时针入度也不一定是1.2。因而以上公式对蜡质沥青不适用。,针入度指数的修正,为了用针入度PI指数准确描述沥青的温度敏感性,宜在150C、250C、300C(或50C在针入度偏大时)3个或3个以上(必要时增加100C、200C等)温度条件下分别测定沥青的针入度。 计算方法:根据测定结果用“诺模图”法和公式计算
15、法计算针入度指数、当量软化点及当量脆点。,(2)修正的针入度指数法 诺模图解法 诺模图(Nomograph)又称列线图。是由若干由有标尺的线条所组成的运算用图。,(2)修正的针入度指数法(公式法) 用最小二乘法求公式lgP=AT+K中的A和K 令 y = lgP, x = T,按针入度指数与温度的直线关系进行 y = a+bx一元一次方程的直线回归,求取针入度温度指数A 式中T为不同试验温度,相应温度下的针入度为Ti 式中K为回归方程的常数项a A为回归方程系数b,按公式lgP = AT+K回归时必须进行相关性检验,相关系数r不得小于0.997(置信度95%),否则试验无效。 再依次求出修正针
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