石油沥青技术性质：来自《土木工程材料》

2023-09-01 理论教育版权反馈

【摘要】：针入度值愈大，则黏性愈小，表示石油沥青愈软。图8.1石油沥青黏滞性试验示意图1—沥青试样；2—活动球杆；3—流孔；4—水2.塑性石油沥青的塑性用延度来表示。

1.黏滞性（黏性）

石油沥青的黏滞性（Viscosity）是指沥青在外力或自重的作用下抵抗变形的一种能力，也反映了沥青软硬、稀稠的程度。黏滞性是划分沥青牌号的主要技术指标，其大小与石油沥青的组分含量和温度有关。当石油沥青中地沥青质含量多、树脂适量、油分含量较少时，黏滞性就大。在一定温度范围内，温度升高，黏滞性就下降，反之黏滞性升高。

沥青黏滞性大小的表示有绝对黏度和相对黏度（条件黏度）两种。绝对黏度的测定方法因材而异，较为复杂，不便于工程上应用，故工程上常用相对黏度来表示。测定相对黏度的主要方法有标准黏度法和针入度法。黏稠石油沥青（固体或半固体）的相对黏度是用针入度仪测定的针入度来表示。针入度值越小，表示黏度越大。

针入度试验示意图如8.1（a）所示。黏稠石油沥青的针入度（Penetration）在规定温度（25±0.1℃）条件下，以规定质量（100 g）的标准针、历经规定时间（5 s）垂直自由贯入沥青试样的深度（以0.1 mm 为单位）。针入度以PT，m，t表示，P表示针入度，脚标表示试验条件，其中T为试验温度，m 为标准针（包括连杆及砝码）的质量，t 为贯入时间。我国现行试验规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011 T 0609—2011）规定：常用的试验条件为P（25℃，100g，5s）。针入度值愈大，则黏性愈小，表示石油沥青愈软。建筑石油沥青、道路石油沥青的针入度值在1~ 300范围内。

液态石油沥青的黏滞性用标准黏性计测定的黏度表示即在规定温度20℃、25℃、30℃或60℃下，50 mL液体沥青通过规定直径d（3 mm、5 mm或10 mm）的小孔流出所需的时间（以s 为单位），常用符号“CT，d”表示（T）为试验温度（℃）；d 为孔径（mm）。流出的时间越长，表明黏滞性越大，其试验如图8.1中（b）所示。

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图8.1　石油沥青黏滞性试验示意图

1—沥青试样；2—活动球杆；3—流孔；4—水

2.塑性

石油沥青的塑性用延度来表示。延度越大，塑性越好。延度测定是把沥青制成“∞”形标准试件，置于延度仪内（25±0.5）℃水中，以（5±0.25）cm/min 的速度拉伸，用拉断时的伸长度（cm）表示。沥青延度试验如图8.2所示。

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图8.2　沥青延度试验示意图

1—试模；2—试件；3—操纵杆；4—手柄；5—滑板架；6—指针；7—滑板；8—底盘； 9—控制箱；10—控温仪；11—丝杆；11—水浴槽；13—标尺

塑性好的沥青随建筑物的变形而变形，而且沥青在开裂后，因其特有的黏塑性可以使裂缝自行愈合（即塑性好的沥青具有自愈性）。塑性差的沥青，在低温或负温下易产生开裂，故塑性好是沥青作为柔性防水材料的原因之一。

沥青的塑性对冲击振动荷载有一定吸收能力，并能减少摩擦时的噪声，故沥青又是一种优良的铺设道路和桥梁的路面材料。

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。变化程度小，则沥青温度敏感性小，反之则温度敏感性大。

沥青是一种高分子非晶态热塑性物质的混合物，没有固定熔点。像高分子化合物一样，当温度升高时，沥青由固态或半固态逐渐软化，使沥青分子之间发生相对滑动，像液体一样发生黏性流动，称为黏流态；当温度降低时，沥青由黏流态逐渐转变为固态（或称高弹态），甚至变硬变脆（称为玻璃态）。沥青随温度的增加，其黏滞性和塑性将发生相应的连续变化，即塑性增加，黏性减小。而土木工程要求沥青的黏滞性和塑性随温度变化而变化要小，即温度敏感性较小。特别是用于屋面防水的沥青材料，为了避免温度升高发生流淌，或温度下降发生硬脆，应优先选用温度敏感性小的沥青。

温度敏感性以软化点（Softening Point）指标表示。由于沥青材料从固态至液态有一定的变态间隔，故规定以其中某一状态作为从固态转变到黏流态的起点，相应的温度称为沥青的软化点。

我国现行试验规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011 T 0609—2011）规定：沥青软化点采用环球法测定。把沥青试样装入内径为18.9 mm 的铜环内，环上放置一直径为9.5 mm、质量为（3.50±0.05）g 的标准钢球，浸入水或甘油中，以规定的速度升温（5℃/ min），当沥青软化下垂至规定距离（25.4 mm）时的温度即为软化点，以℃计。如图8.3所示。

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图8.3　沥青软化点试验示意图

沥青在低温时常表现为脆性破坏，因此，沥青的脆点（Brittleness）是反映其温度敏感性的另一个指标，它是指沥青从高弹态转变到玻璃态过程中的某一规定状态的相应温度。通常采用的费拉斯脆点是指涂于金属片的试样薄膜在特定条件下，因被冷却和弯曲而出现裂纹时的温度，以℃表示。该指标主要反映沥青的低温变形能力。寒冷地区应考虑所用沥青的脆点。沥青的软化点越高，脆点越低，其温度敏感性越小。

针入度、延度和软化点是评价黏稠石油沥青使用性能最常用的经验指标，所以统称为石油沥青的三大指标。

4.大气稳定性

石油的大气稳定性（耐久性）（Durability）是指在冷、热、阳光、空气或潮湿等自然环境中诸多因素的长期综合作用下抵抗老化的能力。

石油沥青在大气因素（热、冷、空气和水分）长期综合作用或在储运、加热、使用过程中，容易发生一系列的物理和化学变化，如脱氢、缩合、氧化等，即沥青中的低分子量组分向高分子量组分逐渐转化，也就是油分树脂地沥青质。而树脂向地沥青质转化的速度远比油分变为树脂的速度快得多。随着时间的延长，树脂显著减少，地沥青质含量显著增加，使沥青的塑性降低、黏性增加，逐步变得硬脆，直至脆裂乃至松散，使沥青失去防水、防腐效能。

评价沥青耐老化性的试验方法有薄膜烘箱加热试验和旋转薄膜加热试验。

（1）薄膜烘箱加热试验（Thin Film Oven Test）

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011 T 0609—2011）规定：将50 g 沥青试样放入直径140 mm、深9.5 mm 的不锈钢盛样皿中，盛样皿插入旋转烘箱中，沥青膜的厚度约为3.2 mm，在163℃的高温下，以5～6 r/min 的速度旋转，经过5 h，测定沥青的质量损失及针入度、黏度等各种性能指标的变化，如图8.4（a）所示。

（2）旋转薄膜加热试验（Rotating Thin Film Oven Test）

将沥青试样35 g 装入高140 mm 直径64 mm 的开口玻璃瓶中，盛样瓶插入旋转烘箱中，一边接受4 000 mL/min 流量吹入的热空气，一边在163℃的高温下，以15 r/min 的速度旋转，经过75 min 的老化后，测定沥青的质量损失及针入度、黏度等各种性能指标的变化，如图8.4（b）所示。

5.其他性质

为了较全面地评价石油沥青的质量和安全性，还必须对石油沥青的其他性质。如溶解度、闪点和燃点等有所了解。

（1）溶解度

溶解度（solubility）是指石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳和苯中溶解的百分率。此指标以限制有害的不溶物质（如沥青碳或似碳物）含量，因为不溶物会降低沥青的黏性。

（2）闪点（闪火点）

闪点（Flash Point）是指沥青加热至挥发的可燃气体和空气的混合物遇火时着火的最低温度（也就是初次产生蓝色光时沥青的温度）。熬制沥青时的加热温度不应超过闪点。

（3）燃点（又称着火点）

燃点（Fire Point）是指按规定继续加热到沥青表面发生燃烧火焰，并持续5 s 以上的最低温度。

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，它关系到在运输、储存和加热使用等方面的安全。例如，建筑石油沥青的闪点约为230℃，因此在熬制时，温度一般为180~ 200℃。为了安全，沥青还应与火焰隔绝。

石油沥青还具有良好的防水性和耐蚀性。但是它能溶解于多数有机溶剂中，如汽油、苯、丙酮等，使用时应予以注意。

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