石油沥青的组分与性质

石油沥青是石油原油经蒸馏提炼出各种轻质油(如汽油、柴油等)及润滑油以后的残留物,再经加工而得的产品,如图7-2所示。

图7-2　石油沥青

1.石油沥青的组分

石油沥青的化学成分很复杂,很难将其中的化合物逐个分离出来,且化学组成与技术性质之间没有直接的联系。因此,为便于研究,通常将其中的化合物按化学成分和物理性质进行分类,将成分和性质比较接近的划分为一组,划分后这些组称为组分。其组分性状见表7-1。

表7-1　石油沥青的各组分性状

(1)油分。油分赋予沥青以流动性,油分越多,沥青的流动性就越大。油分含量的多少将直接影响沥青的柔软性、抗裂性及施工难度。在一定条件下,油分可以转化为树脂甚至沥青质。其含量为45%～60%。

(2)树脂。树脂可分为中性树脂和酸性树脂。中性树脂使沥青具有一定塑性、可流动性和黏结性,其含量增加,沥青的黏结力和延伸性也随之增加。沥青树脂中含有少量的酸性树脂,它是沥青中活性最大的部分,能改善沥青对矿质材料的浸润性,特别是提高了与碳酸盐类岩石的黏附性,增加了沥青的可乳化性。其含量为15%～30%。

(3)沥青质。沥青质是由地下原油演变或加工得到的硬而脆的、无定形固体物质,它决定着沥青的热稳定性和黏结性。沥青质的含量越多,沥青的软化点越高,也就越脆、越硬。即沥青质含量增加时,沥青的黏度和黏结力增加,硬度和温度稳定性提高。其含量为5%～30%。

另外,石油沥青中常常含有一定的石蜡,会降低沥青的黏结性、塑性和耐热性,同时增加沥青的温度敏感性(即降低温度稳定性),所以,石蜡是石油沥青的有害成分。

2.石油沥青的组成结构

沥青的性质不仅取决于沥青的化学组分,而且取决于沥青的胶体结构。根据石油沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同,石油沥青可分为三种胶体结构,即溶胶型结构、溶胶—凝胶型结构、凝胶型结构。

(1)溶胶型结构。沥青中沥青质的分子量较低,并且含量较少,具有一定数量的胶质,它们形成的胶团能够完全胶溶且分散在芳香分和饱和分的介质中。此时,胶团相距较远,它们之间的吸引力很小,甚至没有吸引力,胶团可在分散介质黏度许可范围内自由运动,这种胶体结构的沥青,称为溶胶型沥青,如图7-3(a)所示。溶胶型沥青的特点是流动性和塑性较好,开裂后自行愈合能力较强,低温时变形能力较强,但温度稳定性差,温度过高会发生流淌。

(2)溶胶—凝胶型结构。沥青中沥青质含量适当,并有较多数量芳香度较高的胶质,这样,它们形成的胶团数量较多,胶体中胶团浓度增加,胶团之间的距离相对靠近,它们之间具有一定的吸引力。这是一种介乎溶胶与凝胶之间的结构,称为溶胶—凝胶型沥青,如图7-3(b)所示。溶胶—凝胶型沥青的特点是高温时具有较低的感温性,低温时又具有较强的变形能力。修筑现代高等级沥青路面用的沥青,都属于这类胶体结构的沥青。通常,环烷基稠油的直馏沥青或半氧化沥青,以及按要求重新调和的调和沥青等,均属于这类胶体结构。

(3)凝胶型结构。沥青中沥青质含量高,并有相当数量芳香度较高的胶质形成胶团,这样,胶体中胶团浓度很大,它们之间的吸引力增强,胶团之间的距离很近,形成空间网络结构。此时,液态的芳香分与饱和分在胶团的网络中成为分散相,连续的胶团成为分散介质。这种胶体结构的沥青,称为凝胶型沥青,如图7-3(c)所示。凝胶型沥青的特点是弹性和黏性较高,温度敏感性较小,流动性和塑性较差,开裂后自行愈合能力较差。在工程性能上,高温稳定性较好,但低温变形能力较差。通常,深度氧化的沥青多属于凝胶型沥青。

图7-3　石油沥青的组成结构

(a)溶胶型结构;(b)溶胶—凝胶型结构;(c)凝胶型结构

3.石油沥青的技术性质

(1)黏滞性。沥青的黏滞性(即黏性)是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。黏滞性受温度影响较大,在一定温度范围内,温度升高,黏度降低;反之,温度降低,则黏度增大。沥青黏度的测定方法可分为两类,一类为绝对黏度法;另一类为相对黏度法,也称条件黏度法。工程上常采用相对黏度指标来表示。测定沥青相对黏度的主要方法,用针入度仪和标准黏度计进行测定。

1)针入度。针入度试验是国际上用来测定黏稠(固体、半固体)沥青稠度的一种方法(图7-4)。该法是沥青材料在规定温度(25 ℃)条件下,以规定质量的标准针(100g)经过规定时间(5s)贯入沥青试样的深度(以1/10mm 为单位计)。试验条件以PT,m,t表示。其中P 为针入度,T 为试验温度,m 为标准针的质量(包括连杆及砝码的质量),t为贯入时间。常用的试验条件为P25 ℃,100g,5s。按照上述方法测定的针入度值越小,表示石油沥青的黏度越大,塑性越好。针入度一般为5°～200°,是划分沥青牌号的主要依据。

2)标准黏度。标准黏度主要用来测定液体石油沥青、煤沥青和乳化沥青等的黏度,常采用标准黏度计(图7-5)测定,它表征了液体沥青在流动时的内部阻力。试验方法是液体状态的沥青材料,在标准黏度计中,在规定的温度(20 ℃、25 ℃、30 ℃、60 ℃)条件下,通过规定的流孔直径(3mm,4mm,5mm 和10mm),流出50mL体积所需的时间,试验条件以CT,d 表示,其中C 为黏度,T 为试验温度,d 为流孔直径。试验温度和流孔直径,根据液体状态沥青的黏度选择。

图7-4　针入度试验

图7-5　标准黏度计测定液体沥青示意

1—沥青试样;2—活动球塞;3—流孔;4—水

(2)塑性。塑性是指石油沥青在外力作用下产生变形而不破坏,除去外力后,仍能保持变形后的形状的性质。塑性反映沥青开裂后的自愈能力及受到机械应力作用后变形而不破坏的能力。石油沥青的塑性用延度表示,以cm 为单位。延度越大,表明沥青的塑性越大。

延度的测定方法是将沥青试样制作成“8”字形标准试件(最小断面为1cm2),在规定的拉伸速度(以5cm/min)和规定的温度(25 ℃)下拉断时伸长的长度(以cm 计)即延度。沥青的延度采用延度仪来测量,如图7-6所示。

(3)温度稳定性。温度稳定性是指石油沥青的黏滞性和塑性随温度升降而变化的性能,一般用软化点指标衡量。软化点是指沥青由固态转变为具有一定流动性膏体的温度,可采用环球法测定,如图7-7所示。其是将沥青试样装入规定尺寸(直径约为16mm,高度约为6mm)的铜环内,试样上放置一标准钢球(直径为9.53mm,质量为3.5g),浸入水中或甘油中,以规定的升温速度(每分钟5 ℃)加热,使沥青软化下垂。当沥青下垂量达25.4mm时的温度(℃),即沥青软化点。软化点越高,表明沥青的耐热性越好,即温度稳定性越好。

图7-6　延度仪模具

图7-7　软化点试验(www.xing528.com)

(a)初始状态;(b)试验状态

(4)大气稳定性。沥青的大气稳定性是指沥青在使用环境(主要是热、阳光、空气、水分等)条件下抵抗老化的能力。石油沥青的大气稳定性以沥青试样在160 ℃下加热蒸发5h后的质量蒸发损失百分率和蒸发后针入度比表示。蒸发损失百分率越小,蒸发后针入度比越大,则表示沥青大气稳定性越好,即老化越慢。沥青大气稳定性的优劣主要取决于其组成和结构,使用环境和施工质量也是重要的影响因素。

(5)施工安全性。

1)闪点是指加热沥青挥发出的可燃气体和空气的混合物在规定条件下与火焰接触,初次闪火(有蓝色闪光)时的沥青温度(℃)。

2)燃点是指加热沥青产生的气体和空气的混合物与火焰接触能持续燃烧5s以上,此时沥青的温度(℃)。燃点温度比闪点温度约高10 ℃。沥青质含量越高,闪点和燃点相差越大。液体沥青由于油分较多,闪点和燃点相差很小。

闪点和燃点的高低表明沥青引起火灾或爆炸的可能性大小,它关系到运输、储存和加热使用等方面的安全。

(6)防水性。石油沥青是憎水性材料,几乎完全不溶于水,它本身的构造致密,与矿物材料表面有很好的黏结力,能紧密黏附于矿物材料表面,形成致密膜层。同时,它还有一定的塑性,能适应材料或构件的变形,所以,石油沥青具有良好的防水性。

(7)溶解度。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,以表示石油沥青中有效物质的含量,即纯净程度。那些不溶解的物质会降低沥青的性能(如黏性等),应将不溶物视为有害物质(如沥青碳或似碳物)而加以限制。

以上七种性质是石油沥青的主要性质,是全面评价土木工程中常用石油沥青品质的依据。沥青的针入度、软化点和延度是划分沥青标号的主要依据,称为沥青的三大指标。

4.石油沥青的技术标准、选用及掺配

(1)石油沥青的技术标准。建筑石油沥青按针入度划分牌号,每一牌号的沥青还应保证相应的延度、软化点、溶解度、蒸发损失、蒸发后针入度比和闪点等。根据《建筑石油沥青》(GB/T 494—2010)规定,建筑石油沥青的技术要求见表7-2。

表7-2　建筑石油沥青的技术要求

由表7-2可知,牌号越大,沥青越软,随着沥青的牌号增加,沥青的黏性减小,塑性增大,温度稳定性变差。

(2)石油沥青的选用。选用石油沥青材料时,应根据工程性质(房屋、道路、防腐)及当地气候条件、所处工程部位(屋面、地下)来选用不同品种和牌号的沥青。

建筑石油沥青黏性较大,耐热性较好,但塑性较小,主要用于制造油毡、油纸、防水涂料和沥青胶等防水材料。它们绝大部分用于屋面及地下防水、沟槽防水、防腐及管道防腐等工程。对于屋面防水工程,主要应考虑沥青的高温稳定性,选用软化点较高的沥青,如10号沥青或10号与30号的混合沥青。屋面防水工程应注意防止过分软化,为避免夏季流淌,屋面用沥青材料的软化点还应比当地气温下屋面可能达到的最高温度高25 ℃～30 ℃。但软化点也不宜过高,否则冬季低温易发生硬脆甚至开裂。对一些不易受温度影响的部位,可选用牌号较大的沥青。例如,地下室防水工程主要应考虑沥青的耐老化性,选软化点较低的沥青,如40号沥青。

(3)沥青的掺配。某一种牌号沥青的特性往往不能满足工程技术要求,因此,需用不同牌号沥青进行掺配。在进行掺配时,为了不使掺配后的沥青胶体结构破坏,应选用表面张力相近和化学性质相似的沥青。试验证明,同产源的沥青容易保证掺配后的沥青胶体结构的均匀性。所谓同产源,是指同属石油沥青,或同属煤沥青(或焦油沥青)。

两种沥青掺配的比例可用下式估算:

案例分析

式中　Q1 ——较软沥青用量(%);

Q2 ——较硬沥青用量(%);

T——掺配后的沥青软化点(℃);

T1 ——较软沥青软化点(℃);

T2 ——较硬沥青软化点(℃)。

【案例引入】　某工程需要用软化点为80 ℃的石油沥青,现有10号和40号两种石油沥青,应如何掺配才能满足工程需要?

解析:　由表7-2可知,10号石油沥青的软化点为95℃,40号石油沥青的软化点为60 ℃。估算掺配量:

40号石油沥青的掺量(%)＝

测试题

10号石油沥青的掺量(%)＝100%－42.9%＝57.1%

根据估算的掺配比例和其邻近的比例(±5%～±10%)进行试配(混合熬制均匀),测定掺配后沥青的软化点,然后绘制“掺配比—软化点”曲线,即可从曲线上确定所要求的掺配比例。同样,可采用针入度指标按上述方法进行估算及试配。

图7-8　煤沥青