第十章瀝青與瀝青混合料瀝青定義瀝青是一種有機膠凝材料，它是復雜的高分子碳氫化合物及非金屬（氧、硫、氮等）衍生物的混合物。在常溫下呈固體、半固體或液體狀態。特點顏色由黑褐色至黑色，能溶于多種有機溶液中。具有結構致密、粘結力良好，不導電、不吸水，耐酸、耐堿、耐腐蝕和抗沖擊性等優點。并具有熱軟、冷硬的特性。瀝青用途作為有機膠凝材料主要用于道路工程；作為防水、防潮和防腐材料用于建筑工程。

第一節石油瀝青一、概述瀝青的分類瀝青天然瀝青煤瀝青石油瀝青地瀝青焦油瀝青木瀝青泥炭瀝青頁巖瀝青（一）石油瀝青1.生產石油瀝青是由石油原油或石油衍生物經過常壓或減壓蒸餾，提煉出汽油、煤油、重柴油、和催化裂化原料、潤滑油原料等后得到的渣油，經加工制成的一種產品。2.按用途分類石油瀝青道路石油瀝青特種石油瀝青建筑石油瀝青普通石油瀝青為更好地發揮石油瀝青和煤瀝青的優點，選擇適當比例的煤瀝青與石油瀝青，可以混合而成的一種穩定的膠體，這種膠體稱為混合瀝青。二、石油瀝青的組分與結構石油瀝青是由多種碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的混合物。所以它的組分主要是：碳(80％～87％)、氫(10％---15％)，其余是非烴元素(<3％)，如氧、硫、氮等。此外，還含有一些微量的金屬元素，如鎳、鋇、鐵、錳、鈣、鎂、鈉等，但含量都很少。二、石油瀝青的組分與結構由于瀝青化學組成的復雜性和有機化合物的同分異構現象。許多瀝青盡管它們的化學元素組成十分相似，但是性質卻往往有很大的區別。所以將瀝青分離為純粹的化合物單體，在操作上過于繁雜，在實際生產應用中，也并沒有這樣做的必要。目前對瀝青組成和結構的研究主要集中在組分理論和膠體理論。1.瀝青的組分石油瀝青的化學組分，根據試驗方法的不同，有不同的分組方法，主要有三組分分析法和四組分分析法。

三組分是將瀝青分為瀝青質、油分和樹脂三種組分。四組分是將瀝青分為瀝青質、飽和分、芳香分和膠質四種組分。1.瀝青的組分(三組分法)組分作用油分淡黃色透明液體；賦予瀝青流動性。樹脂粘稠半固體；增加瀝青粘結力和延伸性。瀝青質固體粉末；決定瀝青的粘結力、粘度、溫度穩定性1.瀝青的組分（四組分法）(1)瀝青質瀝青質是無定形物質，又稱之為瀝青烯，比重大于1，不溶于乙醇、石油醚，易溶于苯、氯仿、四氯化碳等溶劑，顆粒的粒徑為5～30nm，H／C原子比例約為1．16～1．28。瀝青質在瀝青中的含量一般為5％～25％。隨著瀝青質含量的增加，瀝青的粘結力、粘度增加，溫度穩定性、硬度提高。所以，優質瀝青必須含有一定數量的瀝青質。(2)膠質膠質也稱為樹脂或極性芳烴，有很強的極性。這一突出的特性使膠質有很好的粘結力。在瀝青中含量為15％～30％，膠質溶于石油醚、汽油、苯等有機溶劑，H／C原子比為1．30～1·47。膠質是瀝青的擴散劑或膠溶劑，膠質與瀝青質的比例在一定程度上決定瀝青是溶膠或是凝膠的特性。膠質賦予瀝青以可塑性、流動性和粘結性，對瀝青的延性、粘結力有很大的影響。(3)芳香分芳香分由瀝青中最低分子量的環烷芳香化合物組成，是膠溶瀝青的分散介質。芳香分在瀝青中占40％～65％，H／C原子比為1．56～1．67。(4)飽和分飽和分由直鏈烴和支鏈烴所組成，是一種非極性稠狀油類，H／C原子比在2左右，在瀝青中占5％～20％，對溫度較為敏感。芳香分和飽和分都為油分，在瀝青中起著潤滑和柔軟作用。油分含量愈多，瀝青軟化點愈低，針入度愈大，稠度降低。油分經丁酮一苯脫蠟，在一20℃冷凍，可分離出固態的烷烴——蠟。石蠟是石油瀝青的有害成分，它會降低石油瀝青的粘結力、塑性和溫度穩定性。2．瀝青的膠體結構根據現代膠體理論的研究，認為瀝青溶液也是一種膠體溶液。用超級顯微鏡對瀝青溶液進行觀察，發現瀝青質是分散相，表面吸附膠質，膠質包裹瀝青質形成膠團，分散在油分(芳香分和飽和分)中，形成穩定的膠體。瀝青膠體有三種不同的結構類型。結構類型決定于瀝青中各組分的相對含量。如圖10—3所示。2．瀝青的膠體結構(1)溶膠結構當膠體結構中的瀝青質較少，芳香分、飽和分和膠質足夠多時，則瀝青質形成的膠團全部分散，膠團能在分散介質中自由運動，形成溶膠型結構。由于膠團之間沒有吸引力或者吸引力極小，這類瀝青屬牛頓液體，變形時剪應力(τ)與剪應變（γ）有直線關系，粘度(η)為一常數，彈性效應可以忽視或完全沒有。液體瀝青多屬溶膠型瀝青，在路用性質上具有較好的粘結性、自愈性和低溫變形能力，但溫度敏感性強，即溫度穩定性較差，當溫度過高時會流淌。(2)凝膠結構當瀝青中瀝青質含量很多，并有相應數量的膠質，膠團互相接觸而形成空間網絡骨架結構，膠團移動比較困難。這種瀝青具有明顯的彈性效應，溫度穩定性好，而且具有觸變現象。在路用性能上，具有較低的溫度敏感性，但低溫變形能力較差。(3)溶一凝膠結構介于上述二者之間的稱為溶一凝膠型結構。瀝青中瀝青質含量適當，并有較多的膠質作為保護物質，它所組成的膠團之間有一定的吸引力。這類瀝青在常溫時，在變形的最初階段，表現為非常明顯的彈性效應，粘度(η)隨剪應力增加而減小，但當變形增加至一定數值后，則可變為牛頓流動(即τ與γ成正比)。大多數優質的路用瀝青都屬于溶一凝型結構，這類瀝青比溶膠型瀝青穩定，粘結性較好，在高溫時具有較低的溫度敏感性，低溫時又有較好的變形能力。一般來說，直餾瀝青多為溶膠型，氧化瀝青多為凝膠型或溶一凝膠型。

第二節石油瀝青的技術性質和要求一、主要技術性質（1）粘滯性反映瀝青內部阻礙其相對流動的特性。指標：針入度P（25℃、100g、5s）單位：1/10mm影響因素：溫度；組分。（2）塑性瀝青在外力作用下產生變形的性質。指標：延度（cm）影響因素：溫度；瀝青膜層的厚度（3）溫度穩定性瀝青粘滯性和塑性隨溫度升降而變化的性能。指標：軟化點（℃）影響因素：地瀝青質的含量；含蠟量。1．粘滯性石油瀝青的粘滯性(簡稱粘性)是指瀝青材料在外力作用下，瀝青粒子產生相互位移時抵抗變形的性能，是反映材料內部阻礙其相對流動的一種特性，也是我國現行標準劃分瀝青標號的主要性能指標。瀝青的粘滯性與其組分及所處的溫度有關。當瀝青質含量較高，又有適量的膠質，且油分含量較少時，粘滯性較大。在一定的溫度范圍內，當溫度升高，粘滯性隨之降低，反之則增大。1．粘滯性一般采用針入度來表示石油瀝青的粘滯性，其數值越小，表明粘度越大。針入度是在溫度為25℃時，以附重100g的標準針，經5s沉入瀝青試樣中的深度，每深1／10mm，定為1度。（視頻瀝青針入度實驗）2．塑性塑性是指石油瀝青在受外力作用時產生變形而不破壞，除去外力后，仍保持變形后形狀的性質。它是石油瀝青的主要性能之一。石油瀝青的塑性用延度表示。延度越大，塑性越好。延度是將瀝青試樣制成8字形標準試件，在規定溫度的水中，以每分鐘5cm的速度拉伸至試件斷裂時的伸長值，以cm為單位。（視頻瀝青延度實驗）2．塑性瀝青的低溫抗裂性、耐久性與其延度密切相關，從這個角度出發，瀝青的延度值愈大對其越有利。瀝青的延度決定于瀝青的膠體結構、組分和試驗溫度。當石油瀝青中膠質含量較多，且其他組分含量又適當時，則塑性較大；溫度升高，則延度增大；瀝青膜層厚度愈厚，則塑性愈高，反之，膜層越薄，則塑性越差，當膜層薄至1μm時，塑性近于消失，即接近于彈性。3．溫度穩定性溫度穩定性(也稱溫度感應性)是指石油瀝青的粘滯性和塑性隨溫度升降而變化的性能，是瀝青的又一重要指標。在工程上使用的瀝青，要求有較好的溫度穩定性，否則容易發生瀝青材料夏季流淌或冬季變脆甚至開裂等現象。3．溫度穩定性通常用軟化點來表示石油瀝青的溫度穩定性。軟化點為瀝青受熱由固態轉變為具有一定流動態時的溫度。軟化點越高，表明瀝青的耐熱性越好，即溫度穩定性越好。瀝青的軟化點不能太低，不然夏季易融化發軟；但也不能太高，否則不易施工，品質太硬，冬季易發生脆裂現象。二、石油瀝青的技術要求從表10～2至表10~4可以看出，三類石油瀝青都是以針入度指標來劃分標號的，而每個標號還必須同時滿足相應的延度和軟化點等指標的要求。標號越大，則針入度越大(越軟)、延度越大(塑性越好)、軟化點越低(耐熱性越差)。石油瀝青的牌號及應用品種牌號主要應用道路石油瀝青A-200、180、140、100甲、100乙、60甲、60乙主要在道路工程中作膠凝材料建筑石油瀝青30、10主要用于制造油紙、油氈、防水涂料和嵌縫膏等，使用在防水及防腐工程中普通石油瀝青75、65、55含蠟量較高，粘結力差，一般不用于建筑工程中三、石油瀝青的選用在選用瀝青材料時，應根據工程項目的性質、所處的地理氣候環境和使用材料的工程部位等因素來選用不同類型和標號的瀝青。三、石油瀝青的選用道路石油瀝青主要在道路工程中用作膠凝材料，用來與碎石等礦質材料共同配制成瀝青混合料。通常，道路石油瀝青標號越高，則粘性越小，延展性越好，而溫度感應性也隨之增加。建筑石油瀝青的粘性較大(針入度較小)，耐熱性較好(軟化點較高)，但延度較小(塑性較小)。主要用作制造油紙、油氈、防水涂料和嵌縫油膏。它們絕大部分用于屋面及地下防水、溝槽防水防腐蝕及管道防腐等工程。三、石油瀝青的選用選用瀝青作為屋面防水材料時，主要考慮耐熱性要求，一般要求軟化點較高，并滿足必要的塑性。因為黑色瀝青表面易于吸熱，使直接受到陽光輻照的瀝青表面溫度較高。據測試，夏季瀝青表面溫度可比當地最高氣溫高25℃～30℃，為避免夏季流淌，一般屋面用瀝青材料的軟化點還應比本地區屋面最高溫度高20℃以上。但也不宜過高，否則冬季低溫易硬脆甚至開裂。三、石油瀝青的選用對于用作接縫的瀝青材料，應首先考慮瀝青的針入度與延度兩項指標，可選用60號、100號瀝青。地區氣溫越低，選用瀝青標號宜越大。四、石油瀝青的改性瀝青材料無論是用作屋面防水材料還是用作路面膠結材料，都是直接暴露于自然環境中的，而瀝青的性能又容易受環境因素的影響，如蒸發、脫氫、縮合、氧化等，使瀝青的含氧官能團增多，并逐漸變脆、開裂、老化，不能繼續發揮其原有的粘結或密封作用。四、石油瀝青的改性另外，現代土木工程不僅要求瀝青材料具有良好的使用性能，還要求具有較長的使用壽命。為改善瀝青低溫和高溫時的性能，常在瀝青中加入其他材料，主要有橡膠、樹脂、纖維等摻加劑。橡膠類改性瀝青（SBS）、樹脂類改性瀝青、纖維類改性瀝青。第三節瀝青混合料第三節瀝青混合料瀝青混合料是一種粘--彈--塑性材料。它不僅具有良好的力學性質，而且具有一定的高溫穩定性和低溫柔韌性；用它鋪筑的路面平整、無接縫，而具有一定的粗糙度；路面減震、吸聲、無強烈反光，使行車舒適，有利于行車安全。此外，瀝青混合料施工方便，不需養護，能及時開放交通，且能再生利用。第三節瀝青混合料因此，瀝青混合料廣泛應用于高速公路、干線公路和城市道路路面。據統計，我國已建或在建的高速公路路面90％以上采用瀝青混合料路面。一、瀝青混合料的種類瀝青混合料是用適量的瀝青材料與一定級配的礦質集料，經過充分拌和而形成的混合物。將這種混合物加以攤鋪、碾壓成型，即成為各種類型的瀝青路面。一、瀝青混合料的種類瀝青混合料的種類很多。按瀝青混合料中剩余空隙率大小的不同，把壓實后剩余空隙率大于15％的瀝青混合料稱為開式瀝青混合料；把剩余空隙率為10％～15％的混合料稱為半開式瀝青混合料；而把剩余空隙率小于10％的瀝青混合料稱為密實式瀝青混合料。按礦質集料級配類型，可分為連續級配瀝青混合料、間斷級配瀝青混合料。按瀝青混合料施工溫度，可分為熱拌瀝青混合料和常溫瀝青混合料。二、熱拌瀝青混合料的結構與強度熱拌瀝青混合料的特點是在施工過程中，將瀝青加熱至150℃～170℃，礦質集料加熱至160℃～180℃，在熱態下拌制成瀝青混合料，并在熱態下攤鋪、壓實成路面。經過這樣拌制而得到的混合料，瀝青能更好地包裹在礦質集料表面，鋪筑的路面有較高的強度，且耐久性更好。1.瀝青混合料的組成結構瀝青混合料主要由礦質集料、瀝青和空氣三相組成，有時還含有水分，是典型的多相多成分體系。根據粗、細集料的比例不同，其結構組成有3種形式，如圖10一1所示。1.瀝青混合料的組成結構懸浮密實結構的瀝青混合料為連續級配的密實式混合料，空隙率在5％～6％以下。由于這種級配中粗集料相對較少，細集料的數量較多，粗集料被細集料擠開。因此，粗集料以懸浮狀態存在于細集料之間。間斷級配的瀝青混合料，由于細集料的數量較少，且有較多的空隙，粗集料能夠互相靠攏，不被細集料所推開，細集料填充在粗集料的空隙之中，形成骨架空隙結構。骨架密實結構是綜合以上2種方式組成的結構。混合料中既有一定數量的粗集料形成骨架結構，又有足夠的細集料填充到粗集料之間的空隙中去，形成具有較高密實度的結構。2.瀝青混合料強度的影響因素瀝青混合料是由礦質集料與瀝青材料所組成的分散體系。根據瀝青混合料的結構特征，其強度應由兩方面構成：一是瀝青與集料間的結合力，二是集料顆粒間的內摩擦力。另外，瀝青混合料路面產生破壞的主要原因，是夏季高溫時的抗剪強度不足和冬季低溫時的變形能力不夠引起的。即瀝青混合料的強度決定于抗剪強度。通過三軸剪切試驗表明：瀝青混合料的抗剪強度決定于瀝青混合料的內摩擦力和粘聚力。

影響瀝青混合料強度的主要因素有：（1）集料的性狀與級配（2）瀝青結合料的粘度與用量（3）礦粉的品種與用量視頻：

（1）瀝青混合料礦料級配試驗（2）瀝青與粗集料的粘附實驗

三、瀝青混合料的技術性質瀝青混合料是公路、城市道路的主要鋪面材料，它直接承受車輪荷載和各種自然因素的影響：如日照、溫度、空氣、雨水等，其性能和狀態都會發生變化，以至影響路面的使用性能和使用壽命。三、瀝青混合料的技術性質1．高溫穩定性。瀝青混合料的高溫穩定性是指混合料在高溫情況下，承受外力的不斷作用，抵抗永久變形的能力。2．低溫抗裂性。低溫抗裂性是瀝青混合料在低溫下抵抗斷裂破壞的能力。三、瀝青混合料的技術性質3．耐久性。瀝青混合料的耐久性是指其在外界各種因素(如陽光、空氣、水、車輛荷載等)的長期作用下，仍能基本保持原有性能的能力。4．抗滑性。隨著車輛行駛速度的增加，路面的抗滑性顯得尤為重要。為了提高路面的抗滑性，必須增加路面的粗糙度。三、瀝青混合料的技術性質5．水穩定性。瀝青路面在雨水、冰雪的作用下，尤其是在雨季過后，瀝青路面往往會出現脫粒、松散，進而形成坑洞而損壞。出現這種現象的原因是瀝青混合料在水的作用下被侵蝕，瀝青從集料表面發生剝落，使混合料顆粒失去粘結作用。6．施工和易性。影響混合料施工和易性的主要因素是礦料級配和瀝青用量。第四節熱拌瀝青混合料的配合比設計第四節熱拌瀝青混合料的配合比設計瀝青混合料配合比設計的任務是確定粗集料、細集料、礦粉和瀝青等材料相互配合的最佳組成比例，使瀝青混合料的各項指標既達到工程要求，又符合經濟性原則。熱拌瀝青混合料的配合比設計包括目標配合比設計、生產配合比設計和生產配合比驗證3個階段。第四節熱拌瀝青混合料的配合比設計目標配合比設計分礦質混合料組成設計和瀝青最佳用量確定兩大步驟。生產配合比設計：取目標配合比設計的最佳瀝青用量、最佳瀝青用量加0.3％和最佳瀝青用量減0.3％等3個瀝青用量進行馬歇爾試驗，確定生產配合比的最佳瀝青用量，供試拌試鋪使用。第四節熱拌瀝青混合料的配合比設計生產配合比確定后，還需要鋪試驗路段，并用拌和的瀝青混合料進行馬歇爾試驗，同時鉆取芯樣，以檢驗生產配合比，如符合標準要求，則整個配合比設計完成，由此確定生產用的標準配合比；否則，還需要進行調整。第四節熱拌瀝青混合料的配合比設計一般采用馬歇爾實驗法來確定瀝青最佳用量。視頻：（1）瀝青混合料馬歇爾穩定度試驗思考題10-1

敘述石油瀝青的三大技術指標。

答：石油瀝青的主要技術性質有：

(1)粘滯性一般采用針入度來表示石油瀝青的粘滯性，其數值越小，表明粘度越大。

(2)塑性石油瀝青的塑性用延度表示。延度越大，塑性越好。

(3)溫度穩定性通常用軟化點來表示石油瀝青的溫度穩定性。軟化點越高，表明瀝青的耐熱性越好，即溫度穩定性越好。思考題10-2

石油瀝青為何會發生老化?老化的結果怎樣?答：瀝青在熱、陽光、氧氣和潮濕等因素長期作用下，石油瀝青中低相對分子質量組分會向高相對分子質量組分轉化。由于膠質向瀝青質轉變的速度更快，使低相對分子質量組分減少，地瀝青質微粒表面膜層減薄，瀝青的流動性和塑性降低，粘性增大，脆性增加，在外界作用下瀝青防水層容易開裂破壞。由于瀝青老化的進程是由低分子向高分子轉化，因此油分和樹脂含量較高的瀝青(標號較大)，抗老化性能較好。思考題10-3

石油瀝青中為何要限制水分?答：限制水分含量的目的在于避免水分過多，否則加熱脫水會產生大量泡沫，以致引起溢鍋起火事故。思考題10-4

怎樣劃分石油瀝青的標號?標號大小與瀝青主要性質間的關系如何?答：石油瀝青的標號是以針入度大小來劃分等級的，每個標號還應保證相應的延度和軟化點、加熱蒸發損失百分率、蒸發后針入度和閃點等。標號由小到大，瀝青性質表現為粘性逐漸降低，塑性增大，溫度敏感性增大。標號越高，軟化點越低，瀝青的軟化點不能太低，不然夏季易融化發軟。思考題10-5

為何要對石油瀝青改性?敘述石油瀝青的改性方法。答：土木工程中不僅要求瀝青材料具有良好的使用性能，還要求具有較長的使用壽命。即所使用的瀝青必須具有一系列良好的性能：在低溫條件下應有一定的彈性和塑性；在高溫時要有足夠的強度和穩定性；在加工和使用時具有抗老化能力；與各種礦物填充料和結構表面要有較強的粘附力；對基層變形有一定的適應性和耐疲勞性等。思考題10-5

為何要對石油瀝青改性?敘述石油瀝青的改性方法。答：而單純地依靠瀝青自身的性質，是不能全面滿足上述這些要求的。所以必須要對瀝青進行改性。為改善瀝青低溫和高溫時的性能，常在瀝青中加入其他材料。主要有橡膠、樹脂、纖維等摻加劑。填空題1．瀝青材料按其獲得方式有

和

。

2．石油瀝青膠體結構可分為

結構、

結構和

結構3種。道路石油瀝青中的大多數屬

結構。

3．石油瀝青的粘性用

表示，該值越大，瀝青的粘性

。

4．石油瀝青的塑性用

指標表示，該值越大，塑性

。

5．石油瀝青的溫度穩定性用

表示，該值越大，瀝青的溫度穩定性

。6．石油瀝青的三大技術指標是

、

和

。石油瀝青的標號是以其中的

指標來劃分的。

7．石油瀝青的溫度穩定性是指瀝青的

性和

性隨溫度變化而改變的性能，當溫度升高時，瀝青的

性增大，

性減小，當溫度降低時

性增大，

性減小。

8．石油瀝青隨著標號降低，其粘性

，塑性

，溫度穩定性

。

9．與30號石油瀝青相比，10號石油瀝青的粘滯性

，軟化點

，塑性

。10．評定石油瀝青塑性的指標是

，評定瀝青粘滯性的指標是

，評定瀝青耐熱性的指標是

。11．瀝青在建筑工程中的主要用途是：

、

和

。12．瀝青混合料的路用性能主要有

、

、

、

、

及

等。

13．影響瀝青混合料耐久性的主要因素有

、

及

等。

14．瀝青混合料的種類很多。按瀝青混合料中剩余空隙率大小的不同，把壓實后剩余空隙率

的瀝青混合料稱為開式瀝青混合料；把剩余空隙率為

的混合料稱為半開式瀝青混合料；而把剩余空隙率

的瀝青混合料稱為密實式瀝青混合料。15．為改善瀝青的低溫脆性和高溫流淌性，常在瀝青中摻入

、

及

等進行改性。選擇題1．

結構的瀝青混合料，由于各級粒料都有，且粗粒料較少而不接觸，不能形成骨架作用，因而穩定性較差。但連續級配一般不會發生粗細粒料離析，便于施工，故在道路工程中應用較多。A．懸浮密實；B．骨架空隙；C．骨架密實。2．

瀝青，在高溫時有較好的穩定性，在低溫時又有較好的變形能力。

A．溶膠型；B．凝膠型；C．溶一凝膠型。3．

賦予瀝青以可塑性、流動性和粘結性。

A．瀝青質；B．膠質；C．芳香分；D．飽和分。4．為避免夏季流淌，屋面用瀝青的軟化點應比當地屋面最高溫度高

℃以上。

A．5；．B．10；C．20；D．30。

5．廣州、武漢等我國炎熱地區屋面的防水工程宜采用

號石油瀝青。

A．10；B．60；C．100。

6．石油瀝青軟化點指標反映了瀝青的

。

A．粘滯性；B．溫度敏感性；C．強度；D．耐久性。7．在進行瀝青延度、針入度試驗時，要嚴格保持

恒定。

A．室內溫度；B．試件所處水的溫度；

C．試件重量；D、試件的養護條件。

8．配制快凝液體瀝青時，應采用

作為稀釋劑。

A．煤油；B．重油；C．水；D．汽油。

9．配制乳化瀝青需要加入

。

A．有機溶劑；B．乳化劑；C．塑化劑。10．建筑石油瀝青不宜用于

工程。

A．道路；B．保溫；C．普通。

11．一般來說，

礦粉能與石油瀝青產生較強的吸附力。

A．酸性；B．中性；C．堿性。12．下列幾種礦物粉料中，

適合做瀝青的礦物填充料。

A．石灰石粉；B．石英砂粉；