9.1.1 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、柴油等）及润滑油以后的残留物，再经过加工而得的产品。
9.1.1.1 石油沥青的组分
石油沥青是由许多高分子碳氢化合物及其非金属（氧、硫、氮等）衍生物组成的复杂混合物，很难将其逐个分离。常将沥青中化学成分及物理力学性质相近的物质划分为若干个组，这些组就称为“组分”。
石油沥青的组分有油分、树脂、地沥青质等，各组分的主要特性如下：
油分为淡黄色至红褐色的油状液体，是沥青中相对分子质量最小和密度最小的组分，密度为0.7～1.0g/cm3，能溶于石油醚、二硫化碳、三氯甲烷、苯、四氯化碳和丙酮等有机溶剂中，但不溶于酒精。油分赋予沥青以流动性，但含量较多时沥青的温度稳定性差。
树脂（沥青脂胶）为黄色至黑褐色黏稠状物质（半固体），相对分子质量比油分大（650～1000），密度为1.0～1.1g/cm3，一般在沥青中的含量为15％～30％。沥青脂胶绝大部分属于中性树脂。中性树脂能溶于三氯甲烷、汽油和苯等有机溶剂，但在酒精和丙酮中难溶解或溶解度很低，它赋予沥青以良好的黏结性、塑性和可流动性。中性树脂含量愈高，石油沥青的延度和黏结力等品质愈好。另外，沥青树脂中还含有少量的酸性树脂，即地沥青酸和地沥青酸酐，是沥青中的表面活性物质。它改善了石油沥青对矿物材料的浸润性，特别是提高了对碳酸盐类岩石的黏附性，并有利于石油沥青的可乳化性。
地沥青质又叫沥青质，为深褐色至黑色固态无定形物质（固体粉末），相对分子质量比树脂更大（1000以上），密度为1.1～1.5g/cm3，不溶于酒精、正戊烷，但溶于三氯甲烷和二硫化碳，染色力强。地沥青质是决定石油沥青温度敏感性、黏性的重要组成部分，一般在沥青中的含量为10％～30％。其含量愈多，则温度稳定性愈好，软化点愈高，黏性愈大，但愈硬脆。
另外，石油沥青中还含有2％～3％的沥青碳和似碳物，是石油沥青中相对分子质量最大的，它降低石油沥青的黏结力。石油沥青中还含有一定量的固体石蜡，它会降低石油沥青的黏结性和塑性，同时对温度特别敏感（即温度稳定性差），是石油沥青中的有害成分。
9.1.1.2 石油沥青的胶体结构
油分、树脂和地沥青质是石油沥青的三大组分，其中油分和树脂可以互相溶解，树脂能浸润地沥青质，并在地沥青质的超细颗粒表面形成树脂薄膜。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。根据沥青中各组分的相对比例不同，胶体结构可分为溶胶型、凝胶型和溶-凝胶型三种类型。
（1）溶胶型结构 地沥青质含量较少，胶团间完全没有引力或引力很小，在外力作用下随时间发展的变形特性与黏性液体一样。这种结构的特点是流动性、塑性和温度敏感性大，黏性小，开裂后自行愈合能力强。
（2）凝胶型结构 沥青质含量较多，胶团间有引力形成立体网状，地沥青质分散在网格之间，在外力作用下弹性效应明显。这种结构的特点是黏性大，塑性和温度敏感性小，开裂后自行愈合能力差。建筑沥青多属于凝胶结构。
（3）溶-凝胶结构 介于溶胶与凝胶之间，并有较多的树脂，胶团间有一定的吸引力，在常温下受力变形的最初阶段呈现出明显的弹性效应，当变形增加到一定数值后，则变为有阻尼的黏性流动。大部分优质道路沥青均配成溶-凝胶型结构，具有黏弹性和触变性，故亦称弹性溶胶。
9.1.1.3 石油沥青的技术性质
（1）黏滞性 石油沥青的黏滞性又称黏性，它反映石油沥青在外力作用下抵抗变形的能力。石油沥青的黏滞性与其组分及所处的环境温度有关，一般地沥青质含量增加，其黏滞性变大；温度升高，其黏滞性降低。
黏滞性应以绝对黏度表示，但因其测定方法较复杂，故工程中常用相对黏度（条件黏度）来表示黏滞性，对半固体或固体的石油沥青用针入度表示，对液体石油沥青则用黏滞度表示。
石油沥青的针入度是在规定温度（25℃）条件下，以规定质量（100g）的标准针，在规定时间（5s）内贯入试样中的深度来表示，单位以0.1mm计。针入度反映石油沥青抵抗剪切变形的能力。针入度值越小，表明黏滞性越大。
黏滞度是将一定量的液体沥青，在某温度下经一定直径的小孔流出50cm3所需的时间，以秒（s）表示。常用符号“Ttd”表示黏滞度，其中d为小孔直径（mm），t为试样温度，T为流出50cm3沥青的时间。d有10mm、5mm、3mm三种，t通常为25℃或60℃。
（2）塑性 塑性指在外力作用下产生变形而不破坏，除去外力后，仍能保持变形后形状的性质。石油沥青的塑性与其组分、温度及拉伸速度有关，树脂含量越多，塑性越大；温度升高，塑性增大。
在常温下，塑性较好的沥青在产生裂缝时，由于自身的塑性而自行愈合，故塑性反映沥青开裂后的自愈能力。
石油沥青的塑性用延度表示。延度愈大，塑性愈好。延度测定是把沥青制成“8”字形标准试件，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，单位以厘米（cm）计。
（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。由于沥青是一种高分子非晶态热塑性物质，故没有一定的熔点，沥青的黏滞性和塑性随温度变化而变化。温度敏感性与其组分和含蜡量有关，石油沥青中地沥青质含量较多时，其温度敏感性较小。在工程中使用时往往加入滑石粉、石灰石粉等矿物填料，以减小其温度敏感性。沥青中含蜡量较多时，在温度较高（60℃左右）时易发生流淌，在温度较低时又易变硬开裂。
温度敏感性以软化点指标表示，即沥青受热由固态转变为具有一定流动性膏体时的温度。沥青软化点一般采用“环球法”测定。它是把沥青试样装入规定尺寸（直径15.88mm，高6mm）的铜环内，试样上放置一标准钢球（直径9.53mm，质量3.5g），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（25.4mm）时的温度即为其软化点，以摄氏度（℃）计。
另外，沥青的脆点是反映温度敏感性的另一个指标，它是指沥青从高弹态转到玻璃态过程中的某一规定状态的相应温度，该指标主要反映沥青的低温变形能力。寒冷地区使用的沥青应考虑沥青的脆点。沥青的软化点愈高，脆点愈低，则沥青的温度敏感性越小。
（4）大气稳定性 石油沥青在热、阳光、氧气或潮湿等大气因素的长期综合作用下抵抗老化的性能，称为石油沥青的大气稳定性，即沥青材料的耐久性。在大气因素的综合作用下，沥青中各组分会发生不断递变，低分子化合物将逐步转变成高分子物质，即油分和树脂逐渐减少，而地沥青质逐渐增多。石油沥青随着时间的推移，流动性和塑性将逐渐减小，硬脆性逐渐增大，直至脆裂。这个过程称为石油沥青的“老化”。所以，大气稳定性即为沥青抵抗老化的性能。
石油沥青的大气稳定性以加热蒸发损失百分率和加热前后针入度比来评定。其测定方法是：先测定沥青试样的质量及其针入度，然后将试样置于烘箱中，在160℃下加热蒸发5h，待冷却后再测定其质量及针入度。计算出蒸发损失质量占原质量的百分数，称为蒸发损失百分率；测得蒸发后针入度占原针入度的百分数，称为蒸发后针入度比。蒸发损失百分数愈小和蒸发后针入度比愈大，表示沥青的大气稳定性愈好，即“老化”愈慢。
以上四种性质是石油沥青材料的主要性质，前三项是划分石油沥青牌号的依据。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，以表示沥青中有效物质的含量，即纯净程度。
闪点是指沥青加热至挥发出的可燃气体与空气的混合物，在规定条件下与火接触，初次闪火（有蓝色光）时的温度。
燃点是指沥青加热至挥发出的可燃气体与空气的混合物，与火接触能持续燃烧5s以上时的温度。
闪点和燃点的高低，反映沥青引起火灾或爆炸的可能性大小，它关系到运输、储存和加热使用方面的安全。各种沥青的最高加热温度必须低于其闪点，为安全起见，沥青加热时还应与火隔离。
9.1.1.4 石油沥青的技术标准及应用
（1）石油沥青的技术标准 根据我国现行石油沥青标准，在工程建设中常用的石油沥青分道路石油沥青、建筑石油沥青和防水防潮石油沥青，各品种按技术性质划分牌号。不同石油沥青的技术指标要求见表9.1。
表9.1 石油沥青技术标准
从表9.1可以看出，道路石油沥青、建筑石油沥青和防水防潮石油沥青主要是按针入度指标来划分牌号的。在同一品种石油沥青材料中，牌号愈小，沥青愈硬；牌号愈大，沥青愈软。同时随着牌号的增加，沥青的黏性减小（针入度增加），塑性增加（延度增大），而温度敏感性增大（软化点降低）。
（2）石油沥青的应用 在选用沥青材料时，应根据工程性质（房屋、道路、防腐）、当地气候条件及所处工程部位（屋面、地下）来选用不同品种和牌号的沥青。
道路石油沥青牌号较多，主要用于道路路面或车间地面等工程，一般拌制成沥青混凝土、沥青拌合料或沥青砂浆等使用。
建筑石油沥青黏性较大，耐热性较好，但塑性较小，主要用于制造油毡、油纸、防水涂料和沥青胶。它们绝大部分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，应注意防止过分软化。为避免夏季流淌，屋面用沥青材料的软化点还应比当地气温下屋面可能达到的最高温度高20℃以上。但软化点也不宜选择过高，否则冬季低温易发生硬脆甚至开裂。对一些不易受温度影响的部位，可选用牌号较大的沥青。
防水防潮石油沥青的温度稳定性较好，特别适用做油毡的涂覆材料及建筑屋面和地下防水的黏结材料。其中：3号沥青温度敏感性一般，质地较软，用于一般温度下的室内及地下结构部分的防水；4号沥青温度敏感性较小，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，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，并且质地较软，除一般地区外，主要用于寒冷地区的屋面及其他防水防潮工程。
9.1.1.5 石油沥青的掺配与稀释
当不能获得合适牌号的沥青时，可采用两种牌号的石油沥青掺配使用。两种石油沥青的掺配比例可用下式估算：
式中 Q1——较软石油沥青用量，％；
Q2——较硬石油沥青用量，％；
T——掺配后的石油沥青软化点，℃；
T1——较软石油沥青软化点，℃；
T2——较硬石油沥青软化点，℃。
以估算的掺配比例和其邻近的比例（5％～10％）进行试配（混合熬制均匀），测定掺配后沥青的软化点，然后绘制“掺配比-软化点”关系曲线，即可从曲线上确定出所要求的掺配比例。
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