认知胶凝材料与沥青分类详解

【任务描述】

本任务是认知胶凝材料的定义，认知沥青的分类及石油沥青的分类、组成、结构、技术性质。

【学习目标】

①熟悉胶凝材料的定义及分类。

②能描述沥青的分类、石油沥青的分类。

③熟悉石油沥青的三组分及蜡含量的意义。

④能描述石油沥青的结构，熟悉石油沥青的技术性质。

1.胶凝材料的定义

在建筑工程中，能以自身的物理化学作用将松散材料(如砂、碎石)胶结成为具有一定强度的整体结构的材料，统称为胶凝材料，又称为结合料。胶凝材料按其化学成分不同，分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。无机胶凝材料根据其硬化条件的不同，又分为既能在水中硬化又能在空气中硬化的水硬性胶凝材料(如水泥)和只能在空气中硬化的气硬性胶凝材料(如石灰、石膏、水玻璃)。

2.沥青的分类

沥青材料是一种有机胶凝材料，其内部组成是一些极其复杂的高分子碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属(氧、硫、氮)衍生物所组成的混合物。

沥青在常温下一般呈固体或半固体，也有少数呈现黏性液体状态，可溶于二硫化碳、四氯化碳、三氯甲烷和苯等有机溶剂，颜色为黑褐色或褐色。

沥青具有良好的憎水性、黏结性和塑性，可以防水、防潮，因而广泛应用于道路工程中。

我国按照来源不同，将沥青分为地沥青和焦油沥青两大类。

（1）地沥青

地沥青是由地下原油演变或石油精制加工得到的沥青。按其产源又可分为天然沥青和石油沥青。

①天然沥青。天然沥青是石油在自然条件下，由于地壳运动使地下石油上升到地壳表层聚集或渗入岩石孔隙，经受长时间地球物理因素作用而形成的产物。

②石油沥青。石油沥青是石油经精制加工其他油品后的残渣，最后加工而得到的产品。由于我国天然沥青储量很少，而石油资源丰富，因此，石油沥青在工程中应用广泛。

（2）焦油沥青

焦油沥青是各种有机物(煤、页岩、泥炭、木材等)干馏加工得到的焦油，经再加工而得到的产品。焦油沥青按干馏原料的不同，可分为煤沥青、页岩沥青、木沥青和泥炭沥青等。

在路桥工程中，最常用的是道路石油沥青。

3.石油沥青的基础知识

从油井开采出来的石油，一般简称为原油，它是由多种分子量大小不等的烃类(烷烃、环烷烃和芳香烃等)组成的复杂混合物。炼油厂将原油分馏而提取汽油、煤油、柴油和润滑油等石油产品后所剩残渣，再通过直馏、氧化等工艺加工可制得各种不同的石油沥青。

为了改变黏稠沥青的施工工艺，可将其配制成液体沥青和乳化沥青；为了改善黏稠沥青的使用性能，可将其加工成调和沥青和改性沥青。

1）石油沥青的分类、组成和结构

（1）石油沥青的分类

石油沥青可根据不同的情况进行分类。

①按原油成分分类。原油是生产石油沥青的原料。石油沥青的性质与石油沥青的基属密切相关。

原油的分类一般是根据“关键馏分特性”和“含硫量”，可分为石蜡基原油、环烷基原油和中间基原油，以及高硫原油(含硫量＞2%)、含硫原油(含硫量0.5%～2%)和低硫原油(含硫量＜0.5%)。由不同基属原油炼制的石油沥青分别为：

a.石蜡基沥青：也称多蜡沥青，它是由含大量的烷属烃成分的石蜡基原油提炼而得。这种沥青因原油中含有大量烷烃，沥青中蜡含量一般大于5%，有的高达10%以上。蜡在常温下往往以结晶体存在，降低了沥青的黏结性、塑性和温度稳定性。

b.环烷基沥青：也称沥青基沥青，含有较多的环烷烃和芳香烃，所以此种沥青的芳香性高，蜡含量一般小于2%，沥青的黏结性和塑性均较高。

c.中间基沥青：也称混合基沥青，蜡含量、所含烃类成分和沥青的性质一般均介于石蜡基和环烷基沥青之间。

我国石油油田分布较广，国产石油大部分为石蜡基原油和中间基原油，从国外进口的原油多为环烷基原油。

②按加工方法分类。(www.xing528.com)

a.直馏沥青：用直馏方法将石油在不同沸点温度的馏分(汽油、煤油、柴油)提取后，残留的黑色液体状产品，符合沥青标准的残渣称为直馏沥青；不符合沥青标准、蜡含量大的称为渣油。一般情况下，低稠度原油生产的直馏沥青，其温度稳定性不足，还需要进行氧化处理才能达到黏稠石油沥青的性质指标。

b.氧化沥青：将常压或减压重油，或低稠度直馏沥青在250～300℃的高温下吹入空气，经数小时氧化后获得的常温下为半固体或固体状的沥青称为氧化沥青。氧化沥青具有良好的温度稳定性。在道路工程中使用的沥青，氧化程度不能太深，有时也称为半氧化沥青。

c.溶剂沥青：这种沥青是对蜡含量较高的重油采用溶剂萃取工艺，提炼出润滑油原料后所余残渣。在溶剂萃取过程中，一些石蜡成分溶解在萃取溶剂中随之被拔出，因此，溶剂沥青中石蜡成分相对减少，其性质较之由石蜡基原油生产的渣油或氧化沥青有很大的改善。

③按常温下沥青的稠度分类。根据用途不同，对石油沥青的稠度要求不同，一般可分为黏稠沥青和液体沥青两大类。黏稠沥青在常温下为固态或半固态，按针入度分级时，针入度小于40者为固体沥青，针入度在40～300的为半固态，而针入度大于300的为黏性液体沥青。

④按用途分类。

a.道路石油沥青：用作道路路面的黏结材料，具有良好的黏结性、塑性和温度稳定性。

b.建筑石油沥青：用作建筑工程防水、防锈、防腐的石油沥青。

（2）石油沥青的组成

①元素组成。石油沥青是由多种碳氢化合物及其非金属(氧、硫、氮)的衍生物组成的混合物。所以，它的组成主要是碳(80%～87%)、氢(5%～10%)，其次是非烃元素，如氧、硫、氮等(＜3%)。此外，还含有一些微量的金属元素，如镍、钒、铁、锰、钙、镁、钠等，但含量都很少，约为几个至几十个ppm(百万分之一)。

由于沥青化学组成结构的复杂性，许多元素组成非常相近的沥青其性质却相差很大，到目前为止还不能直接得到沥青元素含量与路用性能之间的关系。

②化学组分。目前的分析技术尚难将沥青分离为纯粹的化合物单体。为了研究石油沥青化学组成与使用性能之间的联系，从工程角度出发，常将沥青所含烃类化合物中化学性质相近的成分归类分析，从而划分为若干组，称为“沥青化学组分”，简称“组分”。

将沥青分为不同组分的化学分析方法称为组分分析法，许多研究者曾提出不同的分析方法，而且还在不断修正和发展中。《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中规定有三组分和四组分两种分析法。

a.三组分分析法。石油沥青的三组分分析法(马卡森法)，是将石油沥青分离为油分、树脂和沥青质3个组分。因我国富产石蜡基或中间基沥青，在油分中往往含有蜡，故在分析时还应将油蜡分离。按三组分分析法所得各组分的性状见表2.17。

表2.17　石油沥青3组分分析法的各组分性状

b.四组分分析法。该法可将沥青分离为沥青质、饱和分、芳香分、胶质4种成分。对于多蜡沥青，还可将饱和分和芳香分用于丁酮-苯混合溶液冷冻分离出蜡。按四组分分析法所得各组分的性状见表2.18。

表2.18　石油沥青4组分分析法的各组分性状

沥青的化学组分与沥青的物理力学性质有着密切关系，主要表现为沥青组分及其含量的不同将引起沥青性质趋向性的变化。一般认为，油分使沥青具有流动性；树脂使沥青具有塑性，树脂中含有少量的酸性树脂(即地沥青酸和地沥青酸酐)，是一种表面活性物质，能增强沥青与矿质材料表面的黏附性；沥青质能提高沥青的黏结性和热稳定性。

③沥青的蜡含量。蜡组分的存在对沥青性能的影响是沥青性能研究的一个重要课题。特别是在我国富产石蜡基原油的情况下，更是应该关注。现有研究认为：由于沥青中蜡的存在，在高温时会使沥青容易发软，导致沥青路面的高温稳定性降低，出现车辙；在低温时会使沥青变得脆硬，导致路面低温抗裂性降低，出现裂缝。此外，蜡会使沥青与石料黏附性降低，在水分的作用下，会使路面骨料与沥青产生剥落现象，造成路面被破坏；更严重的是，蜡含量大的沥青会使沥青路面的抗滑性能降低，影响路面的行车安全。

对于沥青蜡含量的限制，由于世界各国测定方法不同，所以限值也不一致，《公路工程沥青及沥青混合试验规程》(JTG E20—2011)规定用蒸馏法测定道路石油沥青的蜡含量。它是以蒸馏法馏出油分后，使蜡在规定的溶剂及低温下结晶析出，蜡含量以质量百分数表示。

（3）石油沥青的结构

沥青的技术性质不仅取决于它的化学组分，而且取决于它的结构。石油沥青的结构是一种胶体结构。现代胶体理论认为：沥青中沥青质是分散相，饱和分和芳香分是分散介质，但沥青质不能直接分散在饱和分和芳香分中，沥青质是吸附了胶质形成胶团，由于胶质的胶溶作用使胶团胶溶，分散于芳香分和饱和分中。所以，沥青的胶体结构是以沥青质为胶核，胶质被吸附其表面，并逐渐向外扩散形成胶团，胶团再分散于饱和分和芳香分中。

①石油沥青胶体结构分类。根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同，可以形成不同的胶体结构。沥青的胶体结构可分为3种类型。

a.溶胶型结构。当沥青中沥青质分子量较低，并且含量很少(10%以下)，同时有一定数量的胶质，这样使胶团能够完全胶溶而分散在芳香分和饱和分的介质中，如图2.5(a)所示。这类沥青的特点是：沥青的黏滞性小，流动性大，塑性好，温度稳定性较差，具有较好的自愈性和低温时变形能力。

b.溶-凝胶型结构。沥青中沥青质含量适当(15%～25%)，并有较多数量的胶质。这样形成的胶团数量增多，胶体中胶团的浓度增加，胶团距离相对靠近，如图2.5(b)所示，它们之间有一定的吸引力。这是一种介于溶胶与凝胶之间的结构，称为溶-凝胶结构。这类沥青的特点是：高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的形变能力。

c.凝胶型结构。沥青中沥青质含量很高(＞30%)，并有相当数量的胶质来形成胶团，如图2.5(c)所示。这种胶体结构的沥青称为凝胶型沥青。这类沥青的特点是：弹性和黏性较高，温度敏感性较小，流动性、塑性较低，虽具有较好的温度感应性，但低温变形能力较差。

图2.5　沥青胶体结构示意图

②石油沥青胶体结构类型的判定。沥青的胶体结构与其路用性能有密切的关系。为便于工程使用，通常采用针入度指数法。该法是根据沥青的针入度指数(PI)值，按表2.19来划分其胶体结构类型。

表2.19　沥青的针入度指数和胶体结构类型

2）道路石油沥青的技术性质

道路石油沥青的技术性质包括黏滞性、塑性、温度稳定性、加热稳定性、抗老化性能、安全性、溶解性、密度等。