沥青是一种憎水性的有机胶凝材料。在常温下呈黑色或黑褐色的黏稠状液体、半固体或固体。沥青具有良好的不透水性、粘结性、塑性、抗冲击性、耐化学腐蚀性及电绝缘性等。目前在土木工程中大量应用石油沥青，也少量使用煤沥青。

9.1.1　石油沥青

石油沥青是石油经蒸馏等工序提炼出各种轻质油（如汽油、煤油、柴油等）及润滑油后得到的渣油，或再经加工而得到的物质。

1.石油沥青组分与结构

（1）石油沥青的组分。石油沥青是由多种高分子的碳氢化合物及其衍生物组成的复杂混合物。沥青的主要成分是碳和氢，碳占70%～85%，氢约占10%～15%，其余为少量的氧、硫、氮等，约占5%。由于沥青具有同分异构特点，其化学组成相同，物理力学性质相差悬殊。故对沥青一般不做化学分析，只是从使用角度出发，将化学成分接近以及物理力学性质有一定关系的成分，划分为若干组，这些组称为组分或组丛。沥青的组分主要有油分、树脂和地沥青质。

1）油分。油分为淡黄色至红褐色的黏性液体，分子量为100～500，密度为0.7～1.0g／cm3，含量为40%～60%，能溶于大多数有机溶剂，但不溶于酒精。油分是决定沥青流动性的组分。

2）树脂。又称为沥青脂胶，为黄色至黑褐色的黏稠状半固体，分子量为600～1000，密度为1.0～1.1g／cm3，其含量为15%～30%。树脂中绝大多数属于中性树脂，中性树脂能溶于三氯甲烷、汽油和苯等有机溶剂。另外，树脂中还有少量的酸性树脂，其含量为10%以下，是油分氧化后的产物，具有酸性，它易溶于酒精、氯仿，是沥青中的表面活性物质，它提高了沥青与矿物材料的粘结力。树脂是决定沥青塑性和粘结性的组分。

3）地沥青质。地沥青质是深褐色至黑褐色无定形固体粉末，分子量为1000～6000，密度为1.1～1.5g／cm3，含量为10%～30%，能溶于二硫化碳、氯仿和苯，但不溶于汽油和石油醚。地沥青质是决定沥青粘性和温度敏感性的组分。

除上述3种主要组分外，石油沥青中还有少量的沥青碳或似碳物，为无定形的黑色固体粉末，分子量最大，含量不多，一般为2%～3%。它们是在沥青加工过程中，由于过热或深度氧化脱氢而生成的。沥青碳或似碳物会降低沥青的粘结力和塑性。此外，石油沥青中还含有石蜡。它会降低沥青的黏性和塑性，同时增加沥青的温度敏感性，所以石蜡是石油沥青的有害成分。

（2）石油沥青的结构。在石油沥青的胶体结构中，油分和树脂可以互相溶解，树脂能浸润地沥青质，在地沥青质超细颗粒的表面形成树脂薄膜。所以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的互溶物而构成胶团，无数胶团分散在油分中而形成胶体结构。石油沥青的各组分相对含量不同，形成的胶体结构也不同。

1）溶胶结构。油分和树脂含量较多，胶团间的距离较大，引力小，相对运动较容易，此时所形成的沥青结构称为溶胶结构。此种结构沥青的特点是流动性、塑性和温度敏感性大，黏性小，开裂后自行愈合能力强。

2）凝胶结构。地沥青质含量较多，胶团也多。胶团间的距离小，引力大，相对移动比较困难，此时所形成的沥青结构称为凝胶结构。此种结构沥青的特点是黏性大，塑性和温度敏感性小，开裂后自行愈合能力差。建筑石油沥青多属于此种结构。

3）溶—凝胶结构。地沥青质含量适宜，胶团间的距离较近，相互有一定的引力，形成介于溶胶和凝胶二者之间的结构，称为溶—凝胶结构。此种结构沥青的特点介于溶胶和凝胶二者之间。道路石油沥青多属于此种结构。

石油沥青的结构除与组分的相对含量有关外，还与温度有关。

2.石油沥青的技术性质

（1）防水性。石油沥青是憎水性的胶凝材料，本身结构致密，不溶于水，同时具有良好的塑性以及与矿物材料的粘附性和粘结力，故它具有良好的防水性。

（2）黏滞性（黏性）。黏滞性是指沥青在外力作用下，抵抗变形的能力。黏滞性也是沥青软硬、稀稠程度的反映。沥青在常温下的状态不同，黏滞性的指标也不同。对于在常温下呈固体或半固体的石油沥青，其以针入度来表示黏滞性的大小；对于在常温下呈液体的石油沥青，以黏滞度来表示其黏滞性的大小。针入度是在规定温度（25℃）条件下，以规定质量（100g）的标准针，经历规定时间（5s）贯入试样中的深度（见图9.1），以1／10mm为单位。针入度越大，则沥青的黏滞性越小。针入度是石油沥青的重要技术指标之一。黏滞度是在规定温度（25℃或60℃）条件下，通过规定流孔直径（3mm、5mm或10mm）流出50cm3沥青所需要的时间（s），如图9.2所示。常用符号“CdtT”来表示，d为流孔直径，t为试样温度，T为流出50cm3沥青的时间。黏滞度越大，则沥青的黏滞性也越大。石油沥青黏滞性的大小与其组分的相对含量及温度有关。如地沥青质含量较多，则黏滞性大；温度下降，黏滞性随之增加；反之降低。

（3）塑性。塑性是指沥青在外力作用下，产生变形而不破坏，除去外力后，仍保持变形后形状的性质。塑性用延度来表示。延度是将沥青试样制成“∞”字形标准试件（中间最小截面积1cm2），置于延度仪内25℃的水中，以5cm／min的速度拉伸，用拉断时的伸长度来表示，以cm为单位，如图9.3所示。延度越大，则沥青的塑性越好。延度也是沥青的重要技术指标之一。石油沥青的塑性与其组分、温度、厚度及拉伸速度有关。当树脂含量较多，且其他组分含量又适当时，则塑性较大；温度升高，则塑性增大；膜层厚度越厚，则塑性越大；拉伸速度越快，则塑性越大。

图9.1　针入度测定示意图

图9.2　黏滞度测定示意图

图9.3　延度测定示意图

图9.4　软化点测定示意图

（4）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。沥青是高分子非晶态物质，没有一定的熔点，随着温度的升降发生状态（固体→半固体→液体或液体→半固体→固体）的变化。温度变化相同，黏滞性和塑性变化小的沥青，则其温度敏感性小；反之，温度敏感性大。

温度敏感性用软化点来表示，用软化点测定仪来测定。将沥青熔化注入标准铜环（直径约15.88mm、高约6mm）内，冷却后在试样上放一标准钢球（直径9.53mm、质量3.5g），置于水或甘油中，以规定的升温速度（5℃／min）加热，当沥青软化下垂至规定距离（25.4mm）时的温度，如图9.4所示，即为软化点。软化点越高，则沥青的温度敏感性越小。温度敏感性还可以用针入度指数P.I.来表示。P.I.用式（9.1）计算：

式中　A——针入度—温度感应性系数；

P25℃——沥青在温度25℃下，针的质量100g，经5s的针入度；

t软——沥青的软化点。

P.I.值越大，则沥青的温度敏感性越小。沥青的温度敏感性与其组分及含蜡量有关。沥青中地沥青质含量较多，其温度敏感性较小；沥青中含蜡较多，其温度敏感性较大。

（5）大气稳定性。大气稳定性是指沥青在热、阳光、氧气等大气因素的长期综合作用下，抵抗老化的性能。在大气因素的综合作用下，沥青中低分子组分向高分子组分转变，且树脂转变为地沥青质比油分转变为树脂的速度快得多，油分和树脂逐渐减少，地沥青质逐渐增多，使沥青的流动性、塑性和粘结性降低，硬脆性增大，这种现象称为石油沥青的“老化”所以大气稳定性即为沥青抵抗老化的性能，也是沥青的耐久性。

石油沥青的大气稳定性以加热蒸发损失百分率和针入度比来表示。先测定沥青的质量及其针入度，然后将试样在160℃下加热蒸发5h，待冷却后再测定其质量及针入度。蒸发损失的质量占原质量的百分率，称为蒸发损失百分率；蒸发后针入度占原针入度的百分率，称为针入度比。蒸发损失百分率越小和针入度比越大，则沥青的大气稳定性越好。

此外，为评定沥青的品质和保证施工安全，还应了解石油沥青的溶解度、闪点和燃点。

溶解度是指石油沥青在三氯乙烯、四氯化碳或笨中溶解的百分率，以表示石油沥青中有效

物质的含量，即纯净程度。石油沥青的不溶物会降低其性能，视为有害物质。

闪点是指沥青加热至挥发出的可燃气体和空气的混合物，在规定条件下与火焰接触，初次闪火（有蓝色光）时的沥青温度（℃）。

燃点是指沥青加热至挥发出的可燃气体和空气的混合物，与火焰接触能持续燃烧5s以上时沥青的温度（℃）。

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，它关系到运输、贮存和加热使用方面的安全。例如建筑石油沥青的闪点约230℃，在熬制沥青时一般加热温度应控制在185～200℃，为安全起见，沥青加热时还应与火焰隔离。

3.石油沥青的技术标准

在土木工程中使用的石油沥青有道路石油沥青、建筑石油沥青和防水防潮石油沥青等3种。

道路石油沥青和建筑石油沥青的牌号是按照针入度、延度和软化点等技术指标划分的，并以针入度值来表示。各品种各牌号沥青的技术要求见表9.1。

从表9.1可以看出，在同一品种石油沥青中，牌号愈大，针入度愈大（黏滞性愈小）、延度愈大（塑性愈好）、软化点愈低（温度敏感性愈大）、大气稳定性愈好。

防水防潮石油沥青的牌号是按照针入度指数、针入度、软化点、脆点等技术指标划分，并以针入度指数值来表示。其各牌号的技术要求见表9.1。从表9.1可以看出，防水防潮石油沥青的牌号愈大，针入度指数愈大（温度敏感性愈小）、脆点愈低、应用温度范围愈宽、大气稳定性愈好。防水防潮石油沥青的针入度均与30号建筑石油沥青相近，但软化点比30号沥青高15～30℃，所以质量优于建筑石油沥青。(www.daowen.com)

4.石油沥青的选用

选用沥青材料的原则是，根据工程性质（道路、房屋、防腐）、使用部位以及气候条件来选用不同品种和牌号的沥青。在满足主要技术性能要求的前提下，应选用较大牌号的石油沥青，以保证其具有较长的使用年限。

表9.1　石油沥青的技术标准

道路石油沥青具有黏滞性小、塑性好等特点，多用于拌制沥青混凝土和沥青砂浆等，用于道路路面或车间地面等工程。道路石油沥青还可用作密封材料、粘结剂及沥青涂料等。在建筑工程中，有时用60号沥青与建筑石油沥青掺配使用。

建筑石油沥青具有黏滞性较大、塑性较差、温度敏感性较小等特点，主要用作制造防水卷材、防水涂料和沥青胶等，用于屋面及地下防水、沟槽防水、防腐蚀及管道防腐等工程。对于屋面防水工程，应防止沥青因软化而流淌。由于沥青吸热，在夏天高温季节，一般屋面沥青防水层的温度高于当地环境气温25～30℃；为避免夏季流淌，一般屋面用沥青的软化点应高于当地屋面最高温度20℃以上。

防水防潮石油沥青具有温度敏感性较小的特点，特别适合用作防水卷材的涂料及屋面与地下防水的粘结材料。其中3号沥青温度敏感性一般，适用于一般温度下的室内及地下防水工程；4号沥青温度敏感性较小，适用于一般地区可行走的缓坡屋面防水；5号沥青温度敏感性小，适用于一般地区暴露屋顶或气温较高地区的屋面防水；6号沥青温度敏感性最小，适用于一般地区，特别是用于寒冷地区的屋面及其它防水工程。

当一种牌号的沥青不能满足技术要求时，可将2种或3种同产源的沥青进行掺配使用。两种沥青掺配比例可按式（9.3）和式（9.4）计算：

式中：P1——高软化点沥青的用量，%；

P2——低软化点沥青的用量，%；

T1——高软化点沥青软化点值，℃；

T2——低软化点沥青软化点值，℃；

T——要求达到的软化点值，℃。

以计算出的掺配比例为中心，在其±5%～±10%的邻近掺配范围内，分别进行不少于三组的试配试验，测定掺配后沥青的软化点，然后绘制掺配比例—软化点关系曲线，从曲线上确定实际掺配比例。

9.1.2　煤沥青

烟煤炼焦或制煤气时，从干馏所挥发的物质中冷凝出煤焦油，将煤焦油再继续蒸馏提炼出轻油、中油、重油和蒽油后所剩的残渣，称为煤沥青。根据蒸馏程度不同，分为低温煤沥青、中温煤沥青和高温煤沥青。建筑工程上使用的煤沥青多为黏稠或半固体的低温煤沥青。煤沥青的技术性质应满足GB2290—80《煤沥青》规定。

1.煤沥青的特性

煤沥青是由不饱和的碳氢化合物及其非金属衍生物所组成的复杂混合物。它的主要组分为油分、树脂、游离碳等，常含有少量的酸、碱物质。由于煤沥青的组分与石油沥青不同，故其性质也不相同。煤沥青的特性为：

（1）塑性较差。煤沥青含较多的游离碳，使用中易因变形而开裂。

（2）温度敏感性大。煤沥青含较多的可溶性树脂，受热易软化。

（3）大气稳定性差。煤沥青含较多化学稳定性差的成分和挥发性成分，易老化。

（4）与矿料的粘结较强。煤沥青中的酸、碱物质是表面活性物质。故与矿料的粘结较强。

（5）防腐性好。煤沥青含有酚、蒽油等有毒物质，所以防腐能力较强，适用于木材的防腐处理。

（6）有毒、有臭味。煤沥青在施工中应防止中毒。

2.煤沥青与石油沥青的简易鉴别方法

煤沥青与石油沥青的简易鉴别方法参见表9.2。

表9.2　煤沥青与石油沥青的简易鉴别

9.1.3　改性沥青

土木工程中使用的沥青应具备较好的综合性能，如在高温下要有足够的强度和热稳定性；在低温下应有良好的柔韧性；在加工和使用条件下具有抗“老化”能力；与各种矿物质材料具有良好的粘结性等。但沥青本身不能完全满足这些要求，使得沥青防水工程漏水严重，使用寿命短。为此，常用下述方法对沥青进行改性，以满足使用要求。

1.矿物填充料改性

在沥青中加入一定数量的矿物填充料，可以提高沥青的黏滞性和耐热性，减小沥青的温度敏感性，同时也可以减少沥青的用量。

常用的矿物填充料有粉状和纤维状两类。粉状的有滑石粉、石灰石粉、白云石粉、磨细砂、粉煤灰和水泥等；纤维状的有石棉粉等。

粉状矿物填充料加入沥青中，由于沥青对矿物填充料表面的浸润、粘附，形成大量的结构沥青，从而提高了沥青的大气稳定性，降低了温度敏感性。

纤维状的石棉粉加入沥青中，由于石棉具有弹性以及耐酸、耐碱、耐热性能，是热和电的不良导体，内部有很多微孔，吸油（沥青）量大，故可提高沥青的抗拉强度和耐热性。

一般矿物填充料的掺量为20%～40%。

2.聚合物改性

用聚合物改性沥青，可以提高沥青的强度、塑性、耐热性、粘结性和抗老化性，主要用于生产防水卷材、密封材料和防水涂料。用于沥青改性的合成树脂主要有SBS、APP，有时也用PVC、PE、古马隆树脂等。

（1）苯乙烯—丁二烯—苯乙烯（SBS）改性沥青。SBS是热塑性弹性体，常温下具有橡胶的弹性，在高温下又能向塑料那样熔融流动，称为可塑材料。所以用SBS改性的沥青具有热不粘冷不脆、塑性好、抗老化性能高等特性。是目前应用最成功和用量最大的改性沥青。SBS的掺量一般为5%～10%。主要用于制作防水卷材，也可用于密封材料或防水涂料等。

（2）无规聚丙烯（APP）改性沥青。APP在常温下为白色橡胶状物质，无明显的熔点。APP掺入沥青中，使沥青的性能得到改善。APP改性沥青具有良好的弹塑性、低温柔韧性、耐冲击性和抗老化等性能。它主要用于防水卷料。制备方法：先将沥青加热熔化，再加入APP，并强力搅拌均匀而成。

3.其他改性沥青

（1）再生橡胶改性沥青。再生橡胶改性沥青具有一定的弹性、塑性，良好的粘结力、气密性、低温柔韧性和抗老化等性能，而且价格低廉。它可用于防水卷材、片材、密封材料、胶粘剂和涂料等。制备方法：将废旧橡胶加工成直径为1.5mm或更小颗粒，然后与沥青混合，经加热脱硫而成。此外还可使用丁基橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等改性材料。

（2）橡胶和树脂共混改性沥青。用橡胶和树脂两种改性材料同时改善沥青的性质，使其同时具有橡胶和树脂的特性。由于橡胶和树脂的混溶性较好，故改性效果良好。橡胶、树脂和沥青在加热熔融状态下，沥青与高分子聚合物之间发生相互侵入和扩散，沥青分子填充在聚合物大分子的间隙内，同时聚合物分子的某些连接扩散进入沥青的分子中，形成凝聚的网状混合结构，从而获得较优良的性能。橡胶和树脂共混改性沥青的原料品种、配比、制作工艺不同，其性能也不相同。它可用于防水卷材、片材、密封材料和涂料等。