石油沥青

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摘要石油沥青是指石油原油经蒸馏等提炼出汽油、煤油、柴油及润滑油后的残留物,或再经加工而得到的产品。 石油沥青组分 石油沥青是多种碳氢化合物及其非金属(氧、硫和氮)衍生物的混合物。它的组成元素主要有碳(80%~87%)、氢(10%~15%),其余非烃元素如氧、硫、氮等(<3%)。此外还...

石油沥青

石油沥青是指石油原油经蒸馏等提炼出汽油、煤油、柴油及润滑油后的残留物,或再经加工而得到的产品。

石油沥青组分

石油沥青是多种碳氢化合物及其非金属(氧、硫和氮)衍生物的混合物。它的组成元素主要有碳(80%~87%)、氢(10%~15%),其余非烃元素如氧、硫、氮等(<3%)。此外还有一些微量的金属元素如镍、钡、铁、锰、钙、镁和钠等。石油沥青的化学成分非常复杂,对其进行化学成分分析也十分困难,同时化学组成不能反应沥青的物理性质和化学性质的差异。因此从工程使用角度来讲,将沥青中化学成分和物理性质相近,并且具有共同特征的部分,划分为若干组,这些组即为沥青的组分。在沥青中,其技术性质与各组分含量的多少有直接关系。我国现行《公路工程沥青基与沥青混合料试验规程》JT J052—2000中规定有三组分和四组分两种分析方法。

(1)三组分分析法。石油沥青的三组分分析法是将石油沥青分离为油分、胶质(也称树脂)和沥青质(也称地沥青质)三个主要组分。

不同组分对石油沥青性能的影响不同。油分为淡黄色至红褐色的油状液体,是沥青中分子量最小和密度最小的组分,加热可挥发,占沥青总量的45%~60%。油分赋予石油沥青以流动性,可以降低其黏度和软化点。油分含量越多,沥青的软化点越低,针入度越大,稠度越低。

树脂为黄色至黑褐色黏稠半固体,分子量和密度比油分大,占沥青总量的15%~30%。树脂赋予石油沥青以良好的黏性、塑性和流动性,对沥青的延性、黏结力有很大影响。树脂分为中性树脂和酸性树脂。中性树脂使沥青具有一定黏性、塑性和可流动性,其含量越多,沥青的黏结性和延伸性越大,而沥青树脂中绝大部分属于中性树脂。

沥青质为深褐色至黑色无定形固体粉末,分子量比树脂大,占沥青总量的5%~30%。沥青质是决定石油沥青温度稳定性、黏性及硬度的重要组分。随着沥青质含量的提高,石油沥青的黏结力、黏度增加,温度稳定性、硬度提高,越硬脆。

此外,石油沥青中还含有2%~3%的沥青碳和似碳物,是石油沥青中分子量最大的成分,会降低石油沥青的黏结力。

(2)四组分分析法。我国现行四组分分析法是将石油沥青分离为沥青质、胶质、饱和分以及芳香分4个主要组分。饱和分是一种非极性稠状油类,对温度较为敏感,作用是软化胶质和沥青质,保持体系的稳定性;芳香分由沥青中最低分子量的环烷芳香化合物组成,溶解力很强,是胶溶沥青的分散剂。饱和分和芳香分作为油分,在沥青中起到润滑和柔软作用。

石油沥青结构

油分、树脂和沥青质是石油沥青中的3大主要组分。油分与沥青质是靠树脂将两者联系起来的,油分和树脂可以互相溶解,树脂能浸润沥青质。因此,石油沥青的结构是以沥青质为核心,周围吸附部分树脂和油分,构成胶团,无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。石油沥青中各组分相对含量的不同,可以形成不同的胶体结构。

(1)溶胶型结构。当沥青质含量相对较少,油分和树脂含量较高时,胶团外膜较厚,胶团之间完全没有引力或引力很小,胶团间相互移动较自由,这种胶体结构的石油沥青,称为溶胶型石油沥青。它的特点是黏性小而流动性和塑性较好,开裂后自愈能力较强,对温度的敏感性强(高温稳定性较差)。液体沥青多属此结构。

(2)凝胶型结构。当沥青质含量相对较多,油分和树脂含量较少时,胶团外膜较薄,胶团靠近聚集,相互吸引力增大,胶团间相互移动较困难,这种胶体结构的石油沥青,称为凝胶型石油沥青。它的特点是具有较好的弹性,黏性较高,流动性和塑性较低,开裂后自愈能力较差,对温度的敏感性低(温度稳定性好)。建筑工程中常使用的氧化沥青多属此结构。

(3)溶—凝胶型结构。当沥青质含量适当并有较多的树脂作为保护层时,胶团间有一定的吸引力,形成一种介于溶胶型和凝胶型二者之间的结构,称为溶凝胶型结构。性质也介于二者之间,此结构在高温时具有较好的稳定性(抗高温能力较强),低温时具有良好的变形能力。道路石油沥青多属此结构。

石油沥青分类

按生产方法分为:直馏沥青、溶剂脱油沥青、氧化沥青、调合沥青、乳化沥青、改性沥青等;

按外观形态分为:液体沥青、固体沥青、稀释液、乳化液、改性体等;

按用途分为:道路沥青、建筑沥青、防水防潮沥青、以用途或功能命名的各种专用沥青等。

石油沥青技术性质

1.黏滞性(黏性)

石油沥青的黏滞性是指沥青材料抵抗外力作用下发生黏性变形的能力,是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性,也反映了沥青软硬、稀稠的程度。

石油沥青黏滞性的大小与石油沥青的组分含量及温度有关。一般来讲,沥青质含量较高,又有适量树脂和较少的油分时,则黏性较大。在一定温度范围内,温度升高,其黏性降低。

沥青黏滞性大小的表示有绝对黏度和相对黏度两种,而工程上常用相对黏度(条件黏度)来表示。测定相对黏度的主要方法是用标准黏度计和针入度仪。

黏稠石油沥青的相对黏度是用针入度仪测定的针入度表示。它反映了石油沥青抵抗剪切变形的能力。针入度是指在规定温度(25℃)下,以规定重量(100g)的标准针,在规定时间(5s)内垂直穿入沥青试样中的深度,单位为度(即1/10mm),符号为

P(25℃,100g,5s)。例如某沥青在上述条件下测得针入度为60(0.1mm),可表示为:P(25℃,100g,5s)

=60(0.1mm)。针入度值越小,表明黏度越大。

液体石油沥青的相对黏度是用标准黏度计测定的标准黏度表示。它表征了液体沥青在流动时的内部阻力。标准黏度是在规定温度t(20℃、25℃、30℃或60℃)、规定直径d(3mm、5mm或10mm)的孔口流出50mL沥青所需的时间秒数(s),以CT,d表示(T为试验温度,℃;d为孔径,mm)。如某沥青在60℃时,自5mm孔径流出50mL沥青所需时间为100s,表示为C60,5100。在相同温度和相同流孔条件下,流出时间愈长,表示沥青黏度愈大。

2.塑性

塑性是指石油沥青在外力作用时产生变形而不破坏(裂缝或断开),除去外力后仍保持变形后形状的性质,也可反映沥青开裂后的自愈能力。

石油沥青的塑性用延度仪测定的延度表示。沥青延度试验如图74所示,将沥青试样制成∞字形标准试件(中间最小截面积为1cm2),在规定拉伸速度(5cm/min)和规定温度(25℃)下拉断时的伸长长度(cm)即为延度。沥青的延度越大,塑性越好。

石油沥青的塑性与它的组分和所处温度有关。沥青质含量相同时,树脂和油分的比例将决定沥青的塑性大小,油分、树脂含量愈多,沥青延度越大,塑性越好;沥青的塑性随温度升高而增大。

3.温度稳定性(温度敏感性、温度感温性)

温度稳定性是指石油沥青的黏性和塑性随温度改变而变化的性能。温度稳定性差的沥青,对温度变化的反应敏感。当温度升高时,沥青由固态或半固态逐渐软化成黏性流动状态,当温度降低时由黏性流动状态转变成固态甚至变硬变脆,在此过程中反映了沥青随温度升降其黏性和塑性的变化。

工程中使用的沥青材料要求有较好的温度稳定性,以免气温变化时沥青性能出现过大变化。石油沥青的温度稳定性用软化点表示,一般用环球法测定。将沥青试样装入规定尺寸的铜环内,上置一规定尺寸和质量的铜球,置于水或甘油中,以5℃/min的升温速度加热至沥青软化下垂达25.4mm(与下方底板接触)时的水温(或甘油的温度),即为软化点,以℃为单位。软化点是指沥青受热由固态转变为具有一定黏性流动状态时的温度。软化点越高,沥青的耐热性越好,即温度稳定性越好(温度敏感性越小)。针入度是在规定温度下测定沥青的条件黏度,而软化点则是沥青达到规定条件黏度时的温度。因此软化点既是反映沥青材料稳定性的一个指标,也是沥青黏度的一种量度。

衡量石油沥青温度稳定性的指标还有针入度指数(PI)和针入度黏度指数(PVN),两者都涉及针入度P。

(1)针入度指数(PI)。近年来,工程中常采用针入度指数PI作为沥青温度稳定性指标,以反映针入度随温度而变化的程度。针入度指数PI应用基础是沥青针入度的对数(lgP)与温度(T)之间存在线性关系,即:lgP=AT+K,式中P为沥青的针入度,A为直线斜率,K为截距(常数)。斜率A表征沥青针入度(1gP)随温度(T)的变化率,故称A为针入度一温度感应系数。针入度指数(PI)值越大,沥青的温度稳定性越好,即感温性越低。针入度指数同时也可用来判别沥青的胶体结构状态:溶胶型PI<-2;凝胶型PI>+2;溶胶—凝胶型-2<PI<+2。

(2)针入度黏度指数(PVN)。针入度黏度指数兼顾针入度和黏度值,其中黏度最直接真实地反映沥青的变形及流动能力。该法应用沥青25℃时的针入度值和135℃(或60℃)时的黏度值与温度的关系来计算沥青的感温性。针入度黏度指数越大,表示沥青的感温性越低。

4.大气稳定性

大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能,它反映沥青的耐久性。

石油沥青的大气稳定性以沥青试样在160℃下加热蒸发5h后质量“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,亦即“老化”越慢,沥青的使用寿命长。

蒸发损失率=蒸发前沥青质量-蒸发后沥青质量

蒸发前沥青质量×100%针入度比=蒸蒸发发后前残沥留青物针针入入度度×100%

以上4种性质是石油沥青的主要性质,此外,为评定沥青的品质和保证施工安全,还应当了解石油沥青的闪点、燃点、溶解度和防水性等。

(1)闪点和燃点。闪点是指加热沥青至挥发出的可燃性气体和空气的混合物,与火焰接触出现初次闪火现象时的沥青温度,它是施工安全的温度控制指标。沥青加热到闪点温度,极易起火。若温度继续升高,遇火后沥青将开始燃烧,燃点是指火焰持续燃烧5s以上时的沥青温度。闪点和燃点的高低,表明沥青引起火灾或爆炸的可能性大小,关系到运输、储存和加热使用等方面的安全。

(2)溶解度。溶解度是指石油沥青在规定溶剂(三氯乙烯、四氯化碳、苯等)中可溶物的含量,以质量百分率表示。不溶物(沥青碳、似碳物等)会降低石油沥青的黏结性。

(3)防水性。石油沥青构造致密,与矿物材料表面有良好的黏结力,可紧密黏附矿物表面,因而几乎不溶于水,是典型的憎水材料。

石油沥青主要用途

主要用途是作为基础建设材料、原料和燃料,应用范围如交通运输(道路、铁路、航空等)、建筑业、农业、水利工程、工业(采掘业、制造业)、民用等各部门。

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