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沥青混凝土原材料
第一节沥青
沥青材料是一种有机胶凝材料,是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物及其
非金属衍生物(氧、氮、硫等)组成的混合物,沥青分为地沥青和焦油沥青两大
类。
地沥青按产源分为天然沥青和石油沥青,天然沥青是石油渗入地表经长期暴
露和蒸发后的残留物,以中美洲的特里尼达(Trinidad)沥青湖产量最为丰富,
我国新疆地区也有一定的沥青矿储量,但因开采困难而没有形成生产规模,目前
在工程上很少使用。石油沥青是将精制加工石油后残余的渣油经适当工艺处理后
获得的产品。根据处理工艺的差异分为直馏沥青、氧化沥青、裂化沥青、溶剂脱
沥青及调和沥青等。
焦油沥青是将煤、木材等有机物干馏后产生的焦油再进行适当加工后获得的
产品,焦油沥青在水工沥青混凝土中较少应用。为此,本书着重介绍石油沥青的
基本性能。
一、石油沥青的化学组成
石油沥青是由复杂的碳氢化合物与其非金属衍生物组成的混合物,是石油中
分子量最大、密度最大和结构最复杂的成分。出于分析技术的限制,要将沥青中
各种化合物的单体分别分离出来目前还很难办到。但元素分析试验结果表明,目
前很难找出石油沥青的化学成分与工程技术性质的直接关系。因而只能利用沥青
对不同有机溶剂的选择性溶解和对不同吸附剂的选择性吸附的特性,将一些化学
性质和胶体结构相近的化合物分离出来,称之为组分。沥青组分分析的方法很多,
如果分离条件不同,所得组分的性质及数量亦随之改变。根据国产沥青的特点,
目前我国多将沥青分为以下组分。
1.油分
油分为粘性液体,相对密度小于1,分子量为300~600,是沥青中分子量最
小的组分。油分含量因沥青种类而异,道路沥青的油分含量一般为40%~50%,
建筑沥青的油分含量较少。油分主要起柔软和润滑的作用,赋予沥青以流动性,
是优质沥青不可缺少的组分。
2.胶质
胶质为半固体粘稠物质,相对密度略大于1,分子量为600~1000或更大些。
其性质介于油分与沥青质之间,但更近于沥青质。胶质能溶于各种石油产品中,
化学稳定性差,在加热、阳光与空气作用下易氧化缩合,部分转变为沥青质。但
不同来源的胶质,氧化生成沥青质的趋势有很大的差别。胶质是沥青中的强极性
组分,能提高沥青的粘附性,而且对沥青的粘弹性和胶体溶液的形成具有重要的
作用。因此,优质沥青必须具有适量的胶质组分。
3.沥青质
沥青质为黑色易碎的粉状固体,相对密度大于1,分子量通常大于1000。沥
青质没有固定的熔点,加热到300℃以上可以分解成气体和焦炭。沥青质含量一
般为10%~20%,作为胶体溶液的核心分散在其他组分中。沥青质的含量增多可
以提高沥青的软化点、改善感温性,使沥青在较高温度下仍具有较大的粘度。因
而沥青质也是优质沥青必不可少的组分。
4.蜡
蜡与油分均为低分子烷烃。含蜡油经稀释、冷冻、结晶、过滤后,固体部分
为蜡,液体部分为油分。石油中的蜡按其物理性质又分为石蜡和地蜡。地蜡是微
晶蜡,坚韧且有一定的塑性,石蜡则性脆易裂,因此蜡对沥青使用性质的影响极
其复杂,至今尚无一致意见。虽然有人认为沥青的质量与含蜡量没有直接关系,
但这一论点未被普遍接受。现西欧许多国家对沥青的含蜡量仍有限值的规定,而
且是沥青价格的主要参考指标之一。通常认为地蜡对沥青的质量影响不大,石蜡
对沥青的质量影响较大,主要是使沥青的针入度增大,软化点、延度以及粘附性
降低,在低温下容易造成沥青开裂。
二、石油沥青的胶体类型
为了对沥青的物理力学性质作出合理的解释,通常将沥青视为以油分为分散
介质,以沥青质吸附胶质后形成的胶团组成的胶体体系。按胶体状态可将沥青分
为3种类型。
1.溶胶型
当沥青质含量较少而分子量又与胶质相近时,虽然有胶团形成,但数量少且
在油分中高度分散,近似于真溶液,故成为溶胶型胶体,它服从牛顿定律,在很
小的剪应力作用下即可发生流动变形。溶胶型沥青对温度很敏感,高温下是粘度
很小的液体,低温下溶液粘度增大、流动性降低,故性质较脆,在相同软化点时,
其针入度值最大。由芳香基石油炼制的石油沥青多属于此种类型。
2.凝胶型
当沥青质含量较多且无足够的油分时,分散介质的溶解能力不足,将生成较
大的胶团,由于分子的聚集而形成网状结构,成为凝胶型胶体,表现出非牛顿液
体的性质。凝胶结构具有结构粘度,当施加较小荷载时,在一定时间内具有弹性
变形,
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