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沥青防水材料
一、沥青材料
沥青是高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的及其复杂混合物,在常温下呈现黑色或黑褐色的固体、半固体或液体状态。
沥青作为一种有机胶凝材料,具有良好的粘性、塑性、耐腐蚀性和憎水性,在建筑工程中主要用做防潮、防水、防腐蚀材料,要应用于屋面、地面、地下结构的防水工程以及其他防水工程和防腐工程。
沥青还是道路工程中应用广泛的路面结构胶结材料,它与不同组成的矿质材料按比例配合后可以建成不同结构的沥青路面。
二、沥青材料的分类
沥青按其在自然界中获得的方式分类可分为地沥青和焦油沥青两大类。
其中地沥青又分为天然沥青和石油沥青。
(一)焦油沥青
焦油沥青也被称为煤焦油沥青,即焦油蒸馏残留在蒸馏釜内的副产品,这种副产品是一种黑色物质。
与精制焦油有物理性质上的分别,并没有明确的分界限,一般的划分方式是软化点在26.7℃以下是焦油,26.7℃以上的是沥青。
焦油沥青中主要成分含有难挥发的蒽、菲、芘、等。
这些物质都是有毒性的,因为这些物质在焦油沥青含量有所不同,因此,焦油沥青的性质是也是不同的。
冬季温度过低对沥青的影响很大,容易脆裂,而夏季却容易软化。
加热的时有特殊气味,加热至260℃在5小时后,焦油沥青中含有蒽,菲,芘,等其他成分将会挥发出来。
(二)天然沥青
天然沥青存储在地下,是石油在自然界长期受地壳挤压并与空气、水接触逐渐变化而形成的,有的形成矿层、有的在地壳表面堆积。
这种天然沥青大都经过天然蒸发、氧化,一般没有任何毒素。
按原油的性质分类:
石油按其含蜡量的多少分为石蜡基、中间基和环烷基原油,不同性质的原油所炼制的沥青性质有很大差别。
石蜡基沥青基蜡含量一般大于5%;
环烷基沥青蜡含量少(一般低于3%),沥青黏性好,优质的道路石油沥青大多是环烷基沥青;
中间基沥青其蜡的含量约为3%-5%。
按加工方法分类:
直馏沥青、溶剂沥青、氧化沥青、裂化沥青、调和沥青。
(三)石油沥青
石油沥青是石油原油经蒸馏提炼出各种轻质油(如汽油、煤油、柴油等)及润滑油以后的残留物,或再经加工而得的产品。
三、石油沥青的组分和结构
(一)石油沥青的组分
沥青中化学成分和物理性质相近并具有某些共同特征的部分,划分成为一个组分,石油沥青的三个主要组分:
1、油分:
最轻组分,赋予沥青流动性;
2、树脂:
粘稠状物体,使沥青具有良好的塑性和粘结性;
3、地沥青质:
固体粉末,决定沥青的耐热性、粘性和脆性,含量愈多,软化点愈高,粘性愈大,愈硬脆。
4、还含有一定量固体石蜡,降低沥青的粘结性、塑性、温度稳定性和耐热性,是有害组分。
各组分比例不固定,在外界因素作用下,轻组分会向重组分转化。
(二)石油沥青的结构
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构成胶团,无数胶团分散在油分中而形成的胶体结构。
石油沥青胶体结构的类型:
溶胶结构:
地沥青质含量较少,油分和树脂含量较高时形成,具有溶胶结构的石油沥青粘性小,流动性大,温度稳定性差。
(如图一)
凝胶结构:
地沥青质含量较多而油分和树脂较少时形成,具有凝胶结构的石油沥青弹性和粘结性较高,温度稳定性较好,塑性差。
(如图二)
溶胶-凝胶结构:
地沥青质含量适当并有较多的树脂作为保护层膜时形成,性质介于溶胶型和凝胶型之间。
(如图三)
结构状态随温度变化而变化,温度升高,易熔固体成分转变成液体,温度下降恢复原来的状态。
图一图二图三
a.溶胶型
c.凝胶型
b.溶胶凝胶型
(三)石油沥青的技术性质
1、粘滞性(粘性)
石油沥青的粘滞性反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性。
反映沥青软硬、稀稠程度。
液体石油沥青的粘滞性用粘滞度(标准粘度)指标表示,表征液体沥青在流动时的内部阻力;
半固体或固体石油沥青的粘滞性用针入度指标表示,反映石油沥青抵抗剪切变形能力。
针入度越大,沥青越软,粘度越小。
地沥青质含量高,有适量树脂和较少油分时粘滞性大。
温度升高,粘性降低。
(针入度仪见图四所示,针入度测量如图五所示)
针入度的测量
针入度仪仪
图四图五
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,除去外力后仍保持变形后的形状不变的性质。
用延度指标表示石油沥青的塑性,延度愈大,沥青塑性愈好。
油分和地沥青质适量,树脂含量越多,延度越大,塑性越好。
温度升高,塑性增大。
(沥青延度测定如图六所示,沥青塑性延度表示如图七所示)
沥青塑性用延度表示
沥青延度测定
(a)8字模图;
(b)延度测定示意图
图七
图六
3、温度敏感性
温度敏感性是指石油沥青的粘滞性、塑性随温度升降而变化的性能。
用软化点指标衡量,软化点表示沥青由固态转变为具有一定流动性膏体的温度,软化点越高,沥青耐热性越好,温度稳定性越好。
软化点不能太低,不然夏季融化发软流淌;
也不能太高,否则不易施工,冬季易脆裂。
与地沥青质含量和蜡含量密切相关。
地沥青质增多,温度敏感性降低;
含蜡量多,温度敏感性大。
(软化点测软化点测定仪
定仪如图八所示)
图八
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。
老化:
在大气因素综合作用下,沥青中轻组分会向重组分转化,而树脂向地沥青质转化的速度比油分向树脂转化速度快得多,石油沥青会随时间进展而变硬变脆,这种现象称老化。
石油沥青的大气稳定性以“蒸发损失百分率”和“蒸发后针入度比”来评定。
蒸发损失百分率愈小,蒸发后针入度比愈大,沥青大气稳定性愈好,老化愈慢。
此外,为全面评定石油沥青质量和保证安全,还需要了解沥青的溶解度、闪点等性质。
溶解度是指石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳或苯中溶解的百分率。
用以限制有害不溶物含量,不溶物会降低沥青的粘结性。
而闪点是指加热沥青产生的气体和空气的混合物在规定条件下与火焰接触,初次产生蓝色闪光时的温度。
闪点高低,关系到运输、贮存和加热使用等的安全。
四、改性沥青混合料的研究、应用现状
(一)沥青的掺配和改性
1、沥青掺配:
某一种牌号的石油沥青往往不能满足工程技术要求的软化点,需要用不同牌号沥青进行掺配。
可用两种或三种沥青进行掺配。
掺配同源原则:
即同属石油沥青或同属煤沥青才可掺配。
三种沥青掺配是两种掺配得到新软化点后再与另外一种掺配。
当某种沥青性能不能满足要求时,几种石油沥青可掺配使用。
2、氧化改性:
也称吹制,在250—300℃高温下向残余沥青或渣油吹入空气,提高沥青粘度和软化点,改善沥青性能。
道路石油沥青、建筑石油沥青和普通石油沥青均为氧化改性沥青。
3、矿物填充料改性:
为提高沥青的粘性能力和耐热性,降低温度敏感性,在石油沥青中加入一定数量的矿物填充料进行改性。
矿物填充料大多是粉状和纤维状,加入填充料数量不宜小于15%。
沥青成单分子状排列在矿物颗粒(或纤维)表面,形成结合力牢固的沥青薄膜,称“结构沥青”,具有较高的粘性和耐热性。
4、聚合物改性:
聚合物(橡胶和树脂)与石油沥青相溶可赋予石油沥青某些橡胶特性,从而改善石油沥青的性能。
聚合物掺量达一定的限度形成聚合物网络结构,将沥青胶团包裹。
SBS改性沥青(丁苯橡胶的一种)是热塑性弹性体,具有橡胶和塑料的优点。
主要用作改性沥青防水卷材。
而APP改性沥青(聚丙烯的一种)与石油沥青相比,软化点高,延度大,冷脆点降低,粘度增大,具有优异的耐热性和抗老化性。
尤适用于气温较高的地区,主要用于制造防水卷材。
(二)改性沥青实际应用现状
随着时代的发展,公路运输,交通量的不断增长和大型化车辆,重载,超载车辆的比例逐步提高,交通对道路的要求越来越高。
我们幅员辽阔,温差较大,忽冷忽热,普通沥青路面难以满足的要求,在炎热的季节沥青路面重型车辆下形成永久变形的的车辙,在冬季低温的半刚性开裂反射裂缝裂缝,在雨季和春季形成形成的坑槽、松散等水损害破坏,路面防滑性能大幅度下降,在城市道路和高速公路上时常发生局部开裂。
因此,我们必须沥青进行改性、改良,也就是说,我们可以通过通过先进的技术,在一定程度上改善沥青的机械性能(高温稳定性,耐疲劳性,低温抗裂性等),粘合性和耐老化,以满足日益增长的高等级公路路面使用性能和发展需要。
目前国内外对沥青混合料的改性的研究可以按照改性方式的不同分为两大类:
一为单纯地对沥青的改性;
二为通过外掺改性剂法来实现对沥青混合料的改性。
(三)改性沥青市场向多元化发展
随着国内道路沥青市场需求的迅速增长和适合于生产道路沥青原油资源的日益丰富,国内道路沥青生产供应商数量明显增加。
在未来20年中,随着我国经济发展,全面建设小康社会,高速公路网覆盖面将达到10万公里,西部地区县与县之间、中部地区县与乡之间、东部地区乡与村之间,公路改造将高达到17万公里,国内道路对沥青需求总量将维持在较高水平,但需求总量将趋于稳定。
据统计2004年到2010年我国道路沥青年平均总需求量约为12Mt左右。
同时,我国经济的快速发展和交通量的日益增加,对道路的使用性能要求越来越高,节约资源和保护环境、降低路面行车的交通噪声、延长路面使用寿命、提高路面的抗车辙能力、减少路面龟裂、增加雨天路面的抗滑能力、降低养护费用、提高行车舒适度、路面铺装的厚度小等性能要求。
随着对改性沥青要求越来也严格,国内对于改性沥青研究更深入,越来越多的材料被用作改性剂来制备性能更优良的改性沥青,大部分的生产工艺也趋于成熟。
并且在"
十二五"
计划中把城市轨道交通和飞机场建设作为建设重点,也会促进高铁沥青和高强度沥青的生产。
在氟塑料及废高分子材料污染日益严重的情况下,回收率用成为现在讨论的话题,胶粉改性沥青能大大降低生产成本,又有利于实现废物利用,需求越来越被看好。
同时,我国东部公路建设基本接近饱和,后期国家加大对西部开发和建设,适合西部严寒地区的SBR沥青也将得到进一步的发展。
所以,预计后期胶粉改性沥青和SBR改性沥青、高粘度特种沥青等将得到更好的发展,SBS改性沥青一统天下的局面将被打破。
五、沥青基防水材料的应用
(一)冷底子油与沥青胶
冷底子油:
是用有机溶剂(汽油、柴油、煤油、苯等)与沥青溶合后
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