沥青的特性及影响因素分析

沥青是一种有机胶凝材料，它是由多种碳氢化合物及其非金属衍生物组成的混合物，在常温下为黑褐色或黑色固体、半固体或黏性液体状态。沥青不溶于水，可溶于多种有机溶剂，具有良好的黏性、塑性、防水性和防腐性，是建筑工程中一种重要的防水、防潮和防腐材料。

沥青按其获得的方式分为地沥青和焦油沥青两大类，其中地沥青包括石油沥青和天然沥青；焦油沥青包括煤沥青、木沥青、泥炭沥青等。工程中常用的沥青材料主要为石油沥青和煤沥青，由于石油沥青的技术性质优于煤沥青，在工程中应用更为广泛。

7.1.1　石油沥青

1.石油沥青的组分与结构

石油沥青是由石油原油蒸馏后的残留物经加工而得，石油沥青是由多种化合物组成，其化学组成甚为复杂。目前尚难将沥青分离为纯粹的化合物单体，并且沥青具有同分异构性，为了便于研究，常将其化学组成和物理力学性质比较接近的成分归类分析，从而划分为若干组，称为“组分”。石油沥青的主要组分有油分、树脂和地沥青质:

（1）油分。油分是淡黄色至红褐色的黏性透明液体，分子量为200～700，几乎溶于所有溶剂，密度为0.6～1.0g/cm3，含量40%～60%，它使沥青具有流动性。

（2）树脂。树脂是红褐色至黑褐色的黏稠的半固体，分子量为500～3000，密度为1.0～1.1g/cm3，含量15%～30%。在沥青中绝大多数属于中性树脂，它使沥青具有良好的塑性和黏结性，另有少量（约1%）的酸性树脂，是沥青中表面活性物质，能增强沥青与矿物材料的黏结。

（3）地沥青质。地沥青质是深褐色至黑褐色粉末状固体颗粒，分子量为1000～5000，密度为1.1～1.5g/cm3，含量10%～30%。它能提高沥青的黏滞性和耐热性，但含量增多时会降低沥青的低温塑性，是决定沥青性质的主要成分。

除以上三种主要组分外，石油沥青中还有少量的沥青碳和似碳物，为无定形的黑色固体粉末，分子量最大，含量不多，一般为2%～3%。它们是在沥青加工过程中，由于过热或深度氧化脱氢而生成的，会降低沥青的黏结力。此外，石油沥青中还含有石蜡，它会降低沥青的黏性和塑性，同时增加沥青的温度敏感性，所以石蜡是石油沥青的有害成分。

在石油沥青中，油分和树脂可以互相溶解，树脂能浸润地沥青质，在地沥青质超细颗粒的表面形成树脂薄膜。所以石油沥青的结构是以地沥青质为核心，周围吸附部分树脂和油分的互溶物而构成胶团，无数胶团分散在油分中形成胶体结构。

根据沥青中各组分含量的不同，沥青可以有三种胶体状态:溶胶结构（地沥青质含量少，油分、树脂较多）、凝胶结构（地沥青质含量较多，油分、树脂较少）和溶凝胶结构（地沥青质、油分、树脂含量介于前两种之间）。溶胶结构的沥青黏滞性小、流动性大、塑性好，但温度稳定性较差；凝胶结构的沥青弹性和黏性较高、温度敏感性较小、流动性和塑性较低；溶凝胶结构沥青的性质介于上述两者之间。

2.石油沥青的主要技术性质

（1）黏滞性。黏滞性又称黏性，是反映材料内部阻碍其相对流动的一种特性。黏滞性表示沥青的软硬、稀稠的程度，是划分沥青牌号的主要性能指标。沥青在常温下的状态不同，黏滞性的指标也不同。对于在常温下呈固体或半固体的石油沥青，以针入度表示黏滞性的大小；对于在常温下呈液体的石油沥青，以黏滞度表示其黏滞性的大小。

针入度是指在规定温度（25℃）时，以规定质量（100g）的标准针，经规定时间（5s）贯入沥青试样的深度，以1/10mm为单位。针入度测定示意图如图7-1所示。针入度的数值越小，表明黏滞性越大。

图7-1　针入度测定示意图

黏滞度是指在规定温度（25℃或60℃）条件下，通过规定直径（35mm或10mm）的孔，流出50mL所需的时间（s）。黏滞度越大，表示沥青的稠度越大。

沥青的黏滞性与其组分及所处的环境温度有关，当地沥青质含量较高，又有适量的树脂且油分含量较少时黏滞性较大。在一定的温度范围内，黏滞性随温度的升高而降低，反之则增大。

（2）塑性。塑性是指石油沥青在受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。塑性用延度表示。

延度是将沥青制成∞字形标准试件，在25℃水中以每分钟5cm的速度拉伸至试件断裂时的伸长值，以cm为单位。延度越大，塑性越好，柔性和抗裂性越好。延度测定示意图如图7-2所示。

图7-2　延度测定示意图

石油沥青的塑性与其组分、温度及膜层厚度有关。当树脂含量较高，且其他组分含量又适当时，则塑性较大；温度升高，则塑性增大；膜层增厚，塑性也增大。

（3）温度敏感性。温度敏感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。建筑工程要求沥青的黏滞性及塑性随温度变化较小，即温度敏感性小。工程中常通过加入滑石粉、石灰石粉等矿物掺料，来减小沥青的温度敏感性。

温度敏感性用软化点来表示，软化点通过“环球法”试验测定，如图7-3所示。将沥青试样装入规定尺寸的钢环中，上置规定尺寸和质量的钢球，再将置球的钢环放在有水或甘油的烧杯中，以5℃/min的速度加热至沥青软化下垂达25.4mm时的温度，即为沥青的软化点。软化点越高，沥青的耐热性越好，即温度敏感性越小，温度稳定性越好。

图7-3　软化点测定示意图（单位:mm）

沥青的温度敏感性与其组分及含蜡量有关。沥青中地沥青质含量较多，其温度敏感性较小；沥青中含蜡量较多，其温度敏感性较大。

（4）大气稳定性。大气稳定性是指石油沥青在热、光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能。在大气因素的综合作用下，沥青中低分子组分向高分子组分转化递变，且树脂转变为地沥青质比油分转变为树脂的速度快得多，油分和树脂逐渐减少，地沥青质逐渐增多，使沥青的流动性、塑性和黏结性降低，硬脆性增大，直至脆裂，这种现象称为石油沥青的“老化”，所以大气稳定性即为沥青抵抗老化的性能，也是沥青的耐久性。

石油沥青的大气稳定性可以用沥青试样在加热蒸发前后的“蒸发损失百分率”和“针入度比”来表示。先测定沥青的质量及其针入度，然后将试样在160℃下加热蒸发5h，待冷却后再测定其质量和针入度。蒸发损失的质量占原质量的百分率，称为蒸发损失百分率；蒸发后针入度占原针入度的百分率，称为针入度比。蒸发损失百分率越小、针入度比越大，则沥青的大气稳定性越好，“老化”愈慢。

除上述主要性质外，为评定沥青品质和保证施工安全，还应了解沥青的闪点、燃点等性质。

闪点是指沥青加热至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，初次闪光时的沥青温度（℃）。燃点是指沥青加热至挥发出的可燃气体和空气的混合物，与火焰接触能持续燃烧5s以上时沥青的温度（℃）。

闪点和燃点的高低，表明沥青引起火灾或爆炸的可能性的大小，它关系到运输、储存和加热使用方面的安全。例如建筑石油沥青的闪点约230℃，在熬制沥青时一般加热温度应控制在185～200℃，为安全起见，沥青加热时还应与火焰隔离。(www.xing528.com)

3.石油沥青的技术标准

在土木工程中使用的石油沥青主要有道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青三类。道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青的牌号是按照针入度、延度和软化点等技术指标划分的，并以针入度值来表示。各品种各牌号沥青的技术指标如表7-1所示。

表7-1　道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青的技术标准

由表7-1可看出，随着沥青牌号的增加，针入度越大（黏滞性越小）、延度越大（塑性越好）、软化点越低（温度敏感性越大）。

4.石油沥青的选用

在选用沥青材料时应根据工程性质、当地气候条件、使用部位及施工方法来选择不同品种和不同牌号的沥青。在满足主要技术性能要求的前提下，应选用较大牌号的石油沥青，以保证其具有较长的使用年限。

道路石油沥青具有黏滞性小、塑性好等特点，可用来拌制沥青砂浆和沥青混合料，用于道路路面或车间地面等工程，部分牌号也可用于建筑工程。道路石油沥青还可用作密封材料、黏结剂及沥青涂料等。

建筑石油沥青具有良好的防水性、黏结性、耐热性及温度稳定性，但黏滞性大、塑性较差，主要用于制造防水卷材、防水涂料和沥青胶等，用于屋面和各种防水工程。

对于屋面工程用的沥青材料，应主要考虑耐热性要求，软化点应比本地区屋面可能达到的最高温度高20～25℃，如可选10号或30号石油沥青。对于不易受温度影响的部位或气温较低的地区，如地下防水防潮层，可选用牌号较大的沥青，如60号或100号沥青。

普通石油沥青，由于含有害成分石蜡较多（一般含量大于5%，有的高达20%以上），具有温度敏感性较大，黏性较小，塑性较差的特点，故在工程中不宜单独使用，一般与建筑石油沥青掺配使用。

5.石油沥青的掺配

当单独使用一种牌号沥青不能满足工程的要求时，可采用两种或三种牌号的石油沥青掺配使用。掺配量按式（7-1）、式（7-2）计算:

式中　Bg——高软化点的石油沥青含量，%；

Bd——低软化点的石油沥青含量，%；

t——掺配沥青所需的软化点，℃；

t1——高软化点石油沥青的软化点，℃；

t2——低软化点石油沥青的软化点，℃。

按确定的配比进行试配，测定掺配后沥青的软化点。以试配结果来确定符合要求软化点的配比。如用三种沥青进行掺配，可先计算两种的掺量，然后再与第三种沥青进行掺配。

7.1.2　煤沥青

煤沥青俗称柏油，是炼焦或生产煤气的副产品。烟煤在干馏过程中的挥发物质，经冷凝而成黑色黏性液体，称为煤焦油，煤焦油再经分馏提取各种油品后的残渣即为煤沥青。根据蒸馏温度不同，煤沥青可分为低温煤沥青、中温煤沥青和高温煤沥青三种。建筑上所采用的煤沥青，多为黏稠或半固体的低温煤沥青。

1.煤沥青的特性

与石油沥青相比，煤沥青具有以下特性:

（1）因含有蒽、萘、酚等物质，有着特殊的臭味和毒性，故其防腐能力强。

（2）因含表面活性物质较多，故与矿物表面粘附能力强，不易脱落。

（3）含挥发性和化学稳定性差的成分较多，在热、光、氧气等长期综合作用下，煤沥青的组成变化较大，易硬脆，故大气稳定性差。

（4）含有较多的游离碳，塑性差，容易因变形而开裂。

由此可见，煤沥青的主要技术性质比石油沥青差，主要适用于木材防腐、制造涂料、铺设路面等。

2.煤沥青与石油沥青的简易鉴别

石油沥青与煤沥青性质有别，必须认真鉴别，不能混淆，其简易鉴别方法如表7-2所示。

表7-2　石油沥青与煤沥青的鉴别