沥青综合知识

沥青综合知识

沥青是一种有机胶凝材料，它是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物及其非金属（氧、氮、硫等）衍生物所组成的混合物。在常温下，沥青呈褐色或黑褐色的固体、半固体或粘稠液体状态。它具有把砂、石等矿物质材料胶结成为一个整体的能力，形成具有一定强度的沥青混凝土，因此，被广泛地应用于铺筑路面、防渗墙等道路和水利工程中。

沥青是憎水性材料，几乎不溶于水，而且本身构造致密，具有良好的防水性、耐腐蚀性；它能与混凝土、砂浆、砖、石料、木材、金属等材料牢固地粘结在一起，且具有一定的塑性，能适应基材的变形。因此，沥青材料及其制品又被广泛地应用于地下防潮、防水和屋面防水等建筑工程中沥青材料。

沥青的种类较多，按产源可分为：

在工程中，最常用的是石油沥青，其次是煤沥青。

石油沥青

一、石油沥青的生产工艺概述

（一）石油的基属分类

石油是炼制石油沥青的原料，石油沥青的性质首先与石油的基属有关。

我国目前的原油分类是按照“关键馏分特性”和“含硫量”进行分类的。

1. 关键馏分特性分类。石油在半精馏装置中，于常压下蒸得250～275℃的馏分称为“第一关键馏分”；于5.33kPa的压力下减压蒸馏，取得275～300℃的馏分称为“第二关键馏分”。测定以上两个关键馏分的相对密度，并对照表9-1所列相对密度范围或特性因素，决定两个关键馏分的基属，如石蜡基、中间基或环烷基。

根据原油两个关键馏分的相对密度（或特性因数）由表9-1决定其所隶属的基属，原油可分为表9-2所列七类。

表9-1 关键馏分的基属分类指标 关键馏分 第一关键馏分 石蜡基（P） 相对密度＜0.8207 中间基（M） 相对密度=0.8207～0.8506 环烷基（N） 相对密度＞0.8506 （K①＞11.9） （K=11.5～11.9） （K＜11.5） 第二关键馏分 ＜0.8207 （K＞12.2） =0.8721～0.9302 （K=11.5～12.2） ＞0.9302 （K＜11.5） 注：① K为特性因素，根据关键馏分的沸点和密度指数查有关诺模图而求得。 表9-2 原油按关键馏分基属的分类 第二关键馏分基属 中间基（M） 环烷基（N） 石蜡基（P） 石蜡基（P） 石蜡-中间基（P-M） 中间基（M） 中间—石蜡基（M-P） 中间基（M） 中间—环烷基（M-N） 环烷基（N） 环烷—中间基（N-M） 环烷基（N）

2. 含硫量的分类。含硫量＜0.5%者为低硫原油；含硫量高于0.5%者为含硫原油。如含硫为0.22%的石蜡基原油称为低硫石蜡基原油，含硫量为0.85%的中间基原油称为含硫中间基原油。

按现行常规工艺，作为生产沥青原料的原油基属的选择，最好是选用环烷基原油，其次是中间基原油，最好不选用石蜡基原油，因为石蜡含量的存在将给沥青性能带来不良的影响。但是石蜡基原油通过现代工艺亦能生产出优质沥青。

（二）石油沥青生产工艺概述

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。生产工艺如图9-1所示。原油经常压蒸馏后得到常压渣油，再经减压蒸馏后，得到减压渣油。

渣油经过再减蒸工艺，进一步深拔出各种重质油品，可得到不同稠度的直馏沥青；渣油经不同深度的氧化后，可以得到不同稠度的氧化沥青或半氧化沥青；渣油经不同程度地脱出脱沥青油，可得到不同稠度的溶剂沥青。除轻度蒸馏和轻度氧化的沥青属于高标号慢凝沥青外，这些沥青都属于粘稠沥青。

在粘稠沥青中掺加煤油或汽油等挥发速度较快的溶剂，称为中凝液体沥青或快凝液体沥青。

为得到不同稠度的沥青，也可以采用硬的沥青与软的沥青（粘稠沥青或慢凝液体沥青）以适当比例调配，称为调配沥青。按照比例不同所得成品可以是粘稠沥青，亦可以是慢凝液体沥青。

快凝液体沥青需要耗费高价的有机稀释剂，同时要求石料必须是干燥的。为节约溶剂和扩大使用范围，可将沥青分散于有乳化剂的水中而形成沥青乳液，这种乳液亦称为乳化沥青。

图9-1 石油沥青生产工艺流程示意图

为更好地发挥石油沥青和煤沥青的优点，选择适当比例的煤沥青与石油沥青混合而成一种稳定的胶体，这种胶体称为混合沥青。

沥青的制造方法不同，其性状有很大的差异，简述如下：

（1）蒸馏法：与氧化沥青相比，通常直馏沥青具有较好的低温变形能力，但温度感应性大。

（2）氧化法：与直馏沥青相比，通常氧化沥青具有较低的温度感应性，高温时抗变形能力较好，但低温时变形能力较差。

（3）半氧化法：所得沥青兼具高温和低温两方面性能。

（4）溶剂脱沥青法：溶剂脱沥青法的优点是，可以使石蜡基渣油原料中的蜡，随脱沥青油萃取出，而得到的溶剂脱沥青的含蜡量大大降低，使沥青的性能得到改善。

二、石油沥青的组成和结构

（一）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（10%～15%），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）。现举典型的石油沥青元素组成示例如表9-3。

表9-3 石油沥青的分子量、元素组成和碳氢比 序沥青标加工号 号 油源基属 工艺 1 A-60 低硫石蜡基 丙烷脱 油源工艺 分子量MW 955 元素组成（质量，%） 碳（C） 氢（H） 氧（O） 硫（S） 氮（N） 86.10 11.00 1.78 0.38 0.74 碳氢原子比C/H 0.657 平均分子式 C68.5H104.2O1.1S0.1N0.5 2 3 4 A-60 A-60 A-60 含硫中间基 含硫中间环烷基 含硫环烷基 氧化 氧化 氧化 1020 1142 1300 84.50 84.10 81.90 10.60 10.50 9.60 1.68 1.24 1.50 2.51 3.12 6.47 0.71 1.04 0.53 0.669 0.672 0.716 C71.8H107.3O1.1S0.8N0.5 C80..0H119.0O0.9S1.1N0.8 C88..6H123.8O1.2N0.5

由于沥青化学组成结构的复杂性，虽然多年来许多化学家致力于这方面的研究，但是目前仍不能直接得到沥青元素含量与路用性能之间的关系。

元素组成与分子量配合可以计算出沥青的平均分子式（见表9-3）；如与相对密度、分子量、红外光谱和核磁共振波谱等数据配合可以计算出沥青的平均化学结构。因此，沥青的元素组成是研究沥青化学结构的重要参数。

微量元素在沥青中的作用，目前还研究不够。一般认为，他们的含量与沥青的加工艺（如与催化剂的匹配）和性能改善（如与改性剂的协同作用）有较密切的关系。

（二）化学组分

石油沥青是由多种化合物所组成的混合物，由于它的结构复杂性，将其分离为纯粹的化合物单体，目前分析技术还有一定困难。实际上，在生产应用中，并没有这样的必要。因此，许多研究者就致力于沥青“化学组分”分析的研究。化学组分分析就是将沥青分离为化学性质相近，而且与其路用性质有一定联系的几个组，这些组就称为“组分”。

石油沥青的化学组分，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。我国现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）中规定有三组分和四组分两种分析法。

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、树脂和沥青质3个组分。因我国富产石蜡基中间基沥青，在油分中往往含有蜡，故在分析时还应将油蜡分离。由于这一组分分析方法，是兼用了选择性溶解和选择性吸附的方法，所以又称为溶解一吸附法。

该方法分析流程是用正庚烷沉淀沥青质，继将溶于正庚烷中的可溶分用硅胶吸附，装于抽提仪中抽提油蜡，再用苯—乙醇抽出树脂。最后将抽出的油蜡用丁酮—苯为脱蜡溶剂。在-20℃的条件下，冷冻过滤分离油、蜡。按此方法的分析原理，如图9-2所示。

按三组分分析法所得各组分的性状如表9-4。

按上述分析方法，对几种不同油源和工艺的典型国产沥青进行组分分析，其结果如表9-5。

从表中分析结果可以看出，相同粘度等级的沥青，由于原油基属的差异，其所含化学组分不同。

图9-2 石油沥青三组分分析原理图解

表9-4 石油沥青三组分分析法的各组分性状 组分 外观特征 平均分子量碳氢比（原子比）C/H 0.5～0.7 0.7～0.8 0.8～1.0 物化特征 几乎可溶于大部分有机溶剂，具有光学活性，常发现有荧光，相对密度约0.910～0.925 温度敏感性高，溶点低于100℃，相对密度大于1.000 加热不熔化，分解为硬焦碳，使沥青呈黑色 200～700 800～3000 1000～5000 油分 淡黄透明液体 树脂 沥青质 红褐色粘稠半固体 深褐色固体末状微粒 表9-5 石油沥青化学组分（溶解—吸附法） 序号 1 2 3 4 5 沥青标号 AL（S）-4 AL（S）-4 AL（S）-4 A-60 A-60 沥青粘（稠）度 C60，5=38S C60，5=32S C60，5=34S P25℃=70 （1/10mm） P25℃=62（1/10mm） 油源工艺 油源基属 低馏石蜡基 含馏中间基 含馏环烷基 低馏石蜡基 低馏石蜡基 化学组分 加工工艺 油分（O） 树脂（R） 沥青质（A） 蜡（P） 直馏 直馏 直馏 氧化 丙脱 36.41 38.97 37.41 13.64 4.06 30.35 32.46 37.29 19.97 77.05 10.32 12.39 16.40 33.86 14.86 22.92 16.18 8.90 32.53 4.03

溶解—吸附法的优点是组分界限很明确，组分含量能在一定程度上说明沥青的性能，但是它的主要缺点是分析流程复杂，分析时间很长。

2. 四组分分析法。四组分分析法是将沥青试样先用正庚烷沉淀“沥青质（At）”，再将可溶分（即软沥青质）吸附于氧化铝谱柱上，先用正庚烷冲洗，所得的组分称为“饱和分（S）”；继用甲苯冲洗，所得的组分称为“芳香分（Ar）”；最后用甲苯—乙醇、甲苯、乙醇冲洗，所得组分称为“胶质（R）”。按此方法分析的原理，如图9-3所示。对于含蜡沥青，可将所分离得的饱和分与芳香分，以丁酮—苯为脱蜡溶剂，在-20℃下冷冻分离固态烷烃，确定含蜡量。

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