9.1 沥青材料
9.1.1 概述
沥青是一种土木工程中应用最多的有机胶凝材料，它是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物及这些碳氢化合物的一些非金属（氧、硫、氮等）衍生物所组成的混合物，沥青在常温下呈固体、半固体或液体的状态。它的颜色呈辉亮褐色以致黑色，富有高黏滞性，能溶解于汽油、苯、二硫化碳、四氯化碳、二氯甲烷等有机溶剂。
沥青是憎水性材料，具有良好的防水性、不导电性；能与砖、石、木材及混凝土等牢固黏结，并能抵抗一般的酸、碱及盐类物质的侵蚀；具有良好的耐久性；高温时易于进行加工处理，常温下很快变硬，并且能适应基材的变形，相对便宜，可以大量获得。因此，其被广泛地应用于建筑、铁路、道路、桥梁及水利工程中。
沥青因其在自然界中获得的方式，可分为地沥青（包括石油沥青、天然沥青）和焦油沥青（包括煤沥青、页岩沥青、木沥青）两大类。
地沥青是在自然界天然出产或石油精制得到的沥青材料。按其来源又可分为天然沥青（是石油在自然条件下长时间经受地球物理因素作用而形成的产物）和石油沥青。
焦油沥青是各种有机物（煤、木材、页岩等）干馏加工得到的焦油，再经加工而得到的产品。焦油沥青按其较高的有机物名称而命名，如由煤干馏所得到的煤焦油再经加工后得到的沥青，即称为煤沥青；除此之外，还有木沥青、页岩沥青等。
在土木工程中应用最为广泛的是石油沥青，其次是煤沥青，以及以沥青为原料通过加入表面活性物质而得到的乳化沥青，或加入改性材料而得到的改性沥青。
9.1.2 石油沥青
1）石油沥青的定义与分类
石油沥青是石油原油经蒸馏提取出各类石油产品后的残余物，再经加工而得到的产品。它是在土木工程中应用得最广泛、用量最大的沥青材料。它可根据不同的目的或依据进行分类，各种分类都有其特点和使用价值。
（1）按原油基属不同分类
①石蜡基沥青：因原油中含有大量烷烃，其石蜡含量较高，一般高于5%，在常温下往往以结晶体存在，使得沥青的黏结性和塑性下降。
②环烷基沥青：又称为沥青基沥青，通常含有较多的环烷烃和芳香烃，而其含蜡量＜2%，使其具有较好的黏结性、塑性与温度稳定性。
③中间基沥青：又称为混合基沥青，其烃类成分和沥青性质介于石蜡基沥青和环烷基沥青之间，其性能也比石蜡基沥青好，比烷烃基沥青差。
（2）按获取石油沥青的加工方法不同分类
按加工方法可分为直馏沥青、蒸馏沥青、氧化沥青、裂化沥青等。通过氧化加工等工艺，可使沥青获得更好的技术性能。
（3）按石油沥青在常温下的稠度分类
按稠度可分为黏稠沥青和液体沥青。黏稠沥青是指常温下为固态或半固态的沥青。液体沥青是指常温下处于液体状态的沥青，它通常是用溶剂将黏稠沥青稀释配制而成的液体，故又称为稀释沥青。
（4）按石油沥青的主要用途分类
按主要用途分为道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青。
①道路石油沥青是石油蒸馏的残余物或由残余物氧化而得到的产品，主要适用于沥青路面或制作屋面防水层的黏结剂。
②建筑石油沥青是由原油蒸馏后的重油经氧化而制成的产品，主要用于建筑工程中屋面及地下防水的胶结料、涂料以及制造油纸、油毡等沥青类防水卷材和防腐绝缘材料等。
③普通石油沥青（又称为多蜡沥青）是由石蜡基原油减压、蒸馏后的残渣经空气氧化而得的产品。其蜡含量高、黏度低、塑性差，在土木工程中很少单独使用，可与建筑石油沥青掺配或经改性处理后使用。
2）石油沥青的组成
沥青的化学组成十分复杂，对其进行化学成分分析极为困难，很难根据分子类型或结构划分其组成。通常从工程使用的角度出发，将沥青中化学成分和物理性质相近并且具有某些共同特征的部分划分为同一个组，称为组分。这样就可以把沥青看作是由多个组分组成的混合物。工程中，一般将石油沥青划分为油分、树脂和地沥青质3个主要组分。这3个组分可利用沥青在不同有机溶剂中的选择性溶解分离出来。沥青的3个组分的主要特征和作用见表9.1。
表9.1 石油沥青3组分各组分性状
不同组分对石油沥青性能的影响不同。油分赋予沥青流动性；树脂使沥青具有良好的塑性和黏结性；地沥青质则决定沥青的稳定性（包括耐热性、黏性和脆性），其含量越多，软化点越高、黏性越大，越硬脆。
3）石油沥青的结构
在石油沥青中油分与树脂互溶，树脂浸润地沥青质。因此，石油沥青的结构是以地沥青质为核心，周围吸附部分树脂后形成胶团，无数胶团分散在油分中而形成的胶体结构。
沥青由于各组分的化学结构和含量不同，可形成不同的胶体结构，通常按沥青的流变特性，可分为溶胶、凝胶和溶胶唱凝胶3种结构。
（1）溶胶型结构
当地沥青质含量相对较少时，油分和树脂含量相对较高，胶团外膜较厚，胶团之间相对运动较自由，这时沥青形成的胶体结构称为溶胶结构。具有溶胶结构的石油沥青黏性小，流动性大，温度稳定性较差。
（2）凝胶型结构
当地沥青质含量较多而油分和树脂较少时，胶团外膜较薄，胶团靠近聚集，移动比较困难，这时沥青形成的胶体结构称为凝胶结构。具有凝胶纳构的石油沥青弹性和黏结性较高，温度稳定性较好，但塑性较差。
（3）溶胶唱凝胶型结构
当地沥青质含量适当并有较多的树脂作为保护膜层时，胶团之间保持一定的吸引力，这时沥青形成的胶体结构称为溶胶唱凝胶结构。溶胶唱凝胶型石油沥青的性质介于溶胶型和凝胶型两者之间。石油沥青胶体结构的3类型示意图如图9.1所示。
图9.1 石油沥青胶体结构的类型示意图
9.1.3 石油沥青的技术性质
1）物理特征常数
（1）密度
沥青的密度是沥青在规定温度条件下单位体积的质量。我国现行试验法规定温度为15℃。沥青密度也可用相对密度表示，相对密度是指在规定温度下沥青质量与同体积水质量之比。
沥青的密度与其化学组成有密切的关系，通过沥青密度的测定，可以大概地了解沥青的化学组成。通常黏稠沥青的密度为0.96～1.04g/cm3。我国富产石蜡基沥青，其特征为含硫量低、含蜡量高、沥青质含量少，所以密度常在1.0g/cm3以下。
（2）热胀系数
沥青在温度上升1℃时的长度或体积变化，分别称为线胀系数或体胀系数，统称热胀系数。沥青路面的开裂，与沥青混合料的热胀系数有关。沥青混合料的热胀系数，主要取决于沥青的热学性质。特别是含蜡沥青，当温度降低时，蜡由液态转变为固态，比热容突然增大，沥青的热胀系数发生突变，因而易导致路面开裂。
（3）介电常数
沥青的介电常数与沥青使用的耐久性有关，这是早年就为人们所知的。现代高速公路交通的发展，要求沥青路面具有较高的抗滑性。有国外学者认为，沥青的介电常数与路面的抗滑性有很好的相关性。
2）黏滞性（简称黏性）
石油沥青的黏滞性是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性。也就是说，它反映了沥青软硬、稀稠的程度，是划分沥青牌号的主要技术指标。
工程上，液体石油沥青的黏滞性用标准黏度指标表示，它表征液体沥青在流动时的内部阻力；对于半固体或固体的石油沥青则用针入度指标表示，它反映石油沥青抵抗剪切变形的能力。标准黏度是在规定温度T（通常为20℃、25℃、30℃或60℃）下，规定直径d（为3mm、5mm或10mm）的孔流出50cm3沥青所需的时间（单位为s）。常用符号“CT，d”表示（T为试验温度，℃；d为孔径，mm）。标准黏度测定示意图，如图9.2所示。