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沥青

沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物,是高黏度有机液体的一种,呈液态,表面呈黑色,可溶于二硫化碳。沥青是一种防水防潮和防腐的有机胶凝材料。沥青主要可以分为煤焦沥青、石油沥青天然沥青三种:其中,煤焦沥青是炼焦的副产品。石油沥青是原油蒸馏后的残渣。天然沥青则是储藏在地下,有的形成矿层或在地壳表面堆积。



沥青用途

在土木工程中,沥青是应用广泛的防水材料和防腐材料,主要应用于屋面、地面、地下结构的防水,木材、钢材的防腐。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,高速公路应用较为广泛。


沥青目前分为90号和70号沥青


组成结构

近年来最常采用的方法是按L·W·科尔贝特的方法一将沥青分离为饱和分、芳香分、胶质和沥青质等四个组分。沥青中各组分的含量与沥青和技术性质之间存在一定的规律性, 如图所示。[1] 按胶体结构解释, 随着分散介质饱和分和芳香分含量的减少, 保护物质胶质和分散相沥青质含量的增加, 沥青由溶胶结构转变为溶凝胶结构以至凝胶结构。沥青技术指标中的针入度随之减小, 软化点随之升高。而当沥青中各组分含量比例协调时, 可得到最佳的延度。但是上述规律只适用于相同油源和相同工艺获得的沥青如表一中沥青均为大庆原油, 采用丙脱工艺获得沥青对于相同原油, 采用不同工艺, 或者不同原油相同工艺甚至不同原油和工艺获得的沥青, 它们即使具有相近的沥青组分含量但是它们的技术性质指标可以相差很大。产生这些现象的原因是由于不同油源和工艺获得的沥青, 它们的各化学组分虽然可以很接近, 但是它们各个组分的化学结构并不相同, 各组分的溶度参数不同。亦即各组分的相溶性不同, 因而形成不同的胶体结构, 所以它们的技术性质亦不相同。[1] 沥青沥青(8张)沥青属于憎水性材料,它不透水,也几乎不溶于水、丙酮乙醚、稀乙醇,溶于二硫化碳四氯化碳氢氧化钠。沥青及其烟气对皮肤粘膜具有刺激性,有光毒作用和致癌作用。我国三种主要沥青的毒性:煤焦沥青>页岩沥青>石油沥青,前二者有致癌性。沥青的主要皮肤损害有:光毒性皮炎,皮损限于面、颈部等暴露部分;黑变病,皮损常对称分布于暴露部位,呈片状,呈褐-深褐-褐黑色;职业性痤疮;疣状赘生物及事故引起的热烧伤。此外,尚有头昏、头胀,头痛、胸闷、乏力、恶心、食欲不振等全身症状和眼 、鼻、咽部的刺激症状。

应用领域

在土木工程中,沥青是应用广泛的防水材料和防腐材料,主要应用于屋面、地面、地下结构的防水,木材、钢材的防腐。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,高速公路应用较为广泛。

行业分析

2013年,国内沥青产量为1993.51万吨,同比增长9.71%。相对于国产沥青而言,进口沥青价格偏高,进而提振国产沥青需求,带动国内沥青产能利用率提升。预计2014年国内沥青产量继续增长,但随着需求的好转,总体过剩的局面将有所改观。沥青行业上游为石油化工、煤炭和改性剂及乳化剂,下游为高速公路、防水建筑材料、机场建设和市政工程道路建设等。在完整的石油化工产业链中,石油沥青的前端产品为醚、烷、烃、苯等各大类产品,作为原油加工后端产品的石油沥青经过焦化工艺可得到石油胶。对于沥青行业来说,上游产业对其的影响主要体现在原油价格波动、原油加工能力变化带来石油沥青产量及产品价格的波动。2014年全球经济温和复苏将带动原油需求,且近两年来美国原油交割地库欣地区至墨西哥湾炼油厂输油管道的扩张在一定程度上减轻了当地的库存压力,提振了WTI油价。因此,尽管受到美联储退出QE以及供应增加的影响,2014年国际原油价格重心仍有望小幅上移,预计WTI原油价格全年波动区间在90—115美元/桶,这对沥青期货价格形成支撑。从下游需求来看,沥青产品主要应用于高速公路、市政道路、桥梁及机场等场所的铺设,其中公路建设对于沥青的消耗量占到82%。在产能一定的情况下,下游需求的增加会进一步推动沥青产品价格的增长,反之,则会带来价格的下行。2013年受货币政策中性偏紧、资金投放不足的影响,部分道路建设项目被搁浅,导致2013年沥青需求增长有限。不过,道路建设的施工周期一般在3-4年,且铺设沥青主要集中在施工建设尾声,因此,“十二五”最后两年,沥青的需求状况将逐步改善。

行业前景广阔

改革开放以来中国的经济一直保持着高速的增长,公路交通建设突飞猛进,我国道路沥青生产企业也得到了迅猛发展。尤其是重交沥青和改性沥青实现了由无到有、由小到大、由少到多的质的飞跃,为我国道路建设做出了巨大贡献。其中,用沥青来养护路面通常分为三种类型:预防性养护、矫正性养护、应急性养护。这三种养护型式可以根据路面的使用情况来进行选择,每一种养护型式又需要选择不同的养护方法和养护设备。三种养护措施的差异主要体现在路面状况和通车时间长短上。当然,三者之间没有明显的界限。预防性养护是路面出现破损前就进行养护;矫正性养护指修补路面的局部损害或对某些特定的病害进行处理;应急性养护是在紧急情况下的措施,例如,路面爆裂和严重坑槽需要立刻修补才能通车的。现如今我国沥青行业已进入规模化、集中化的快速发展阶段,人们对沥青的了解也越来越熟悉,因为沥青的用量不仅大,而且还非常的广泛,不管是乡村里的小街道,城市里的大道,还是高速都离不了沥青的使用,所以沥青回收则成了人们口中非常火爆的话题,尤其在男人的口中,有的人则把回收沥青当作是一种事业,甚至有的人因为沥青回收而发家致富呢!然而沥青的发展规模同我们国内市场的需求相比较,中国沥青市场仍然处于供不应求的状态,尤其是那些高端的改性沥青市场,在中国也是有待有才人士而发掘的,我国普通的道路沥青生产厂家众多,但是专业的沥青生产厂家比较少,我们应该逐步提高专业沥青的厂家,来弥补不断增长的专业沥青市场需求。

历史

古典时期

考古研究发现,早在前1200年的古典时期的早期,人们已经开始应用天然沥青,在生产兵器和工具时用沥青作为装饰品,为雕刻物添加颜色。特别是在美索不达米亚地区,由于天然沥青的充足的蕴涵量,沥青被广泛利用。生活在那里的苏美尔人 用天然沥青覆盖在器皿和船的外面。另外,他们已经开始在粘土砖中使用天然沥青做结合剂。这是巴比伦的一条华丽的道路的横断面示意图。烧过的砖由沥青涂抹过,最上层的石板平放在巴比伦一条华丽道路的横截面示意图巴比伦一条华丽道路的横截面示意图沥青抹面上。这种华丽的道路可以算作是现代沥青混凝土路的先驱。在那一千年的时间里,沥青的应用范围得到扩大,以至于在挨近美索不达米亚的印度和欧洲,天然沥青作为密封材料用于浴池、船、水渠、厕所和河堤。在公元前第七世纪的亚述帝国和巴比伦帝国,沥青已经在道路工程中投入使用。那时,沥青作为接缝材料和涂抹材料来装饰和加固华道。此后,沥青作为水泥一样的结合剂被用于建造中国的长城和巴比伦空中花园的密封工程。罗马帝国时期,沥青被称为“犹太沥青”(Bitumen Iudaicum, Judenpech)。公元前100年,庞贝古城的罗马大道使用沥青填充接缝和涂抹外层。

中世纪

罗马帝国衰落后,中世纪时期开始。在此期间,沥青失去了它曾经的辉煌。人们在过去一千年中的积累的使用沥青的经验几乎遗失殆尽,直到十八世纪人们才开始重新开始学习使用沥青。在公元1000年的阿拉伯人开始从天然沥青 (Naturasphalt) 中提取沥青 (Bitumen) 。方法是加热天然沥青 (Naturasphalt) 直到沥青 (Bitumen) 从中析出。与作为建筑材料不同,15世纪时在中南美洲的印加帝国,人们把沥青用作医药用途。1595年3月22日,Walter Raleigh在探险途中于特立尼达岛发现了一个天然沥青湖。直到今天人们还在用这种自己从地下冒出的沥青修筑道路。

近现代

Eirini d'Eyriny于1721年写的博士论文的封面1712年,希腊医生Eirini d'Eyriny在瑞士的Val de Travers发现了储量巨大的沥青矿。一开始他只是对沥青的医药用途感兴趣。但是由于沥青作为工程材料的优良特点,他最终于1721年写成了他的论文《关于沥青的博士论文》(Dissertation sur L'Asphalte ov Ciment Naturel)并开始为现代沥青工艺的研究奠定基础。之后的三百年间 (1712年-1986年),不知有多少沥青通过位于Val de Travers的总长度超过100公里的如迷宫般错综复杂的矿井隧道, 被开采出来并销往世界各地。在接下来的时间里,沥青的丰富多彩的运用被扩大到屋顶防水层的密封。当时,用沥青加固路面还很昂贵,以至于只有富人专用的道路才能使用沥青加固面层。 沥青第一次被使用在桥梁上是在Sunderland的一座木桥上用作沥青路面安装。1810年,在里昂,沥青玛缇质铺层被首次运用。十年以后在热那亚发展出了现代沥青油毛毡的前身并且获得成功的运用。基于广泛的尝试,在1837年,沥青工艺被证明可以运用在公路工程上。1839年在奥地利首都维也纳发现通过重新加热可以使沥青再利用的方法。1838年在普鲁士的汉堡出现第一条被铺上沥青的道路。1851年,从 Travers 到巴黎的公路上有78米长的部分铺上了沥青面层。仅仅20年后,巴黎几乎被完全铺上沥青,不久之后这种情况发展到差不多欧洲所有的大城市。随后,坚韧的沥青玛缇脂发明;1842年在奥地利的因斯布鲁克,浇注沥青被发明并于不久之后成功应用于道路工程施工中。基于沥青具有类似混凝土的特性,1853年由Léon Malo提出了沥青混凝土的概念。为了得到足够的压缩比,1876年人们开始用碾压的方法压缩沥青混凝土。在20世纪初,伴随着工程给材料价格的持续下降,沥青展示出更多的意义。1907年,第一个沥青混合料构件在美国投入使用。1914年,为了获得更好的折射率,人们在柏林第一次看到了沥青路面的赛车车道,紧接着沥青在道路工程中的应用,1923年,沥青应用于水坝的密封。为了加速施工进度和改良构件,1924年在美国加利福尼亚州进行了第一次的道路完工验收检测。为了确定建筑材料的质量,接下来的几年中很多测试程序得到发展。这些程序直到今天依然有效的运用于交通工程的研究、设计和具体施工当中。1936年发展发明了 Ring und Kugel-Versuch,一年后发明了Brechpunkt nach Fraaß,1941年发明了马歇尔测试 (Marshall-Test)。通过专门的添加剂,1950年起,在低温状态下进行沥青施工成为可能 (被称为冷沥青)。为了确定合适的沥青结构厚度,1959年,在奥地利发展了通过同位素进行无干扰研究的方法并得到成功验证。为了使机场的飞机跑道尽快投入使用,1963年在英国出现了干式沥青施工工艺。不久后的1968年第一次出现了玛缇质沥青施工。 二十世纪七十年代在美国开始实践沥青回收再利用。为了更好的密封效果,1979年开始在垃圾堆场工程中使用沥青。

类别

沥青主要可以分为煤焦沥青、石油沥青和天然沥青三种:

煤焦沥青

煤焦沥青是炼焦的副产品,即焦油蒸馏后残留在蒸馏釜内的黑色物质。它与精制焦油只是物理性质有分别,没有明显的界限,一般的划分方法是规定软化点在26.7℃(立方块法)以下的为焦油,26.7℃以上的为沥青。煤焦沥青中主要含有难挥发的蒽、菲、芘等。这些物质具有毒性,由于这些成分的含量不同,煤焦沥青的性质也因而不同。温度的变化对煤焦沥青的影响很大,冬季容易脆裂,夏季容易软化。加热时有特殊气味;加热到260℃在5小时以后,其所含的蒽、菲、芘等成分就会挥发出来。

石油沥青

石油沥青原油蒸馏后的残渣。根据提炼程度的不同,在常温下成液体、半固体或固体。石油沥青色黑而有光泽,具有较高的感温性。由于它在生产过程中曾经蒸馏至400℃以上,因而所含挥发成分甚少,但仍可能有高分子的碳氢化合物未经挥发出来,这些物质或多或少对人体健康是有害的。

天然沥青

天然沥青储藏在地下,有的形成矿层或在地壳表面堆积。这种沥青大都经过天然蒸发、氧化,一般已不含有任何毒素。沥青材料分为地沥青和焦油沥青两大类。地沥青又分为天然沥青和石油沥青,天然沥青是石油渗出地表经长期暴露和蒸发后的残留物;石油沥青是将精制加工石油所残余的渣油,经适当的工艺处理后得到的产品。焦油沥青是煤、木材等有机物干馏加工所得的焦油经再加工后的产品。工程中采用的沥青绝大多数是石油沥青,石油沥青是复杂的碳氢化合物与其非金属衍生物组成的混合物。通常沥青闪点在240℃~330℃之间,燃点比闪点约高3℃~6℃,因此施工温度应控制在闪点以下。

技术指标

密度沥青试样在规定温度下单位体积所具有的质量,以t/㎥计。相对密度在规定温度下,沥青质量与同体积的水质量之比值。针入度在规定温度和时间内,附加一定质量的标准针垂直贯入沥青试样的深度,以0.1mm表示。针入度指数一种沥青结合料的温度感应性指标,反应针入度随温度而变化的程度,有不同温度的针入度按规定方法计算得到。

延度

规定形态的沥青试样,在规定温度下以一定速度受拉伸至断开时的长度,以cm表示。

软化点

沥青试样在规定尺寸的金属环内,上置规定尺寸和质量的金属钢球,放于水或甘油中,以规定的速度加热,至钢球下沉达规定距离时的温度,以℃表示。

溶解度

沥青试样在规定溶剂中可溶物的含量,以质量百分率表示。

蒸发损失

沥青试样在内径55mm、深35mm的盛样皿中,在163℃温度条件下加热并保持5h后质量的损失,以百分率表示。

闪点

沥青试样在规定的盛样器内按规定的升温速度受热时所蒸发的气体以规定的方法与试焰接触,初次发生一瞬即燃时的试样温度,以℃表示。盛样器对粘稠沥青是克利夫兰开口杯(简称COC),对液体沥青是泰格开口杯(简称TOC)。

弗拉斯脆点

涂于金属片上的沥青试样薄膜在规定条件下,因被冷却和弯曲而出现裂纹时的温度,以℃表示。

粘度

沥青试样在规定条件下流动时形成的抵抗力或内部阻力的度量,也称粘滞度。


主要产品



石油沥青


石油沥青是原油加工过程的一种产品,在常温下是黑色或黑褐色的粘稠的液体、半固体或固体,主要含有可溶于氯仿的烃类及非烃类衍生物,其性质和组成随原油来源和生产方法的不同而变化。石油沥青的主要组分是油分、树脂和地沥青质。还含2%~3%的沥青碳和似碳物,还含有蜡。沥青中的油分和树脂能浸润沥青质。沥青的结构以地沥青质为核心,吸附部分树脂和油分,构成胶团。

产品性能

石油沥青色黑而有光泽,具有较高的感温性。对石油沥青可以按以下体系加以分类:

生产方法

(1)蒸馏法:是将原油经常压蒸馏分出汽油、煤油、柴油等轻质馏分,再经减压蒸馏(残压10~100mmHg)分出减压馏分油,余下的残渣符合道路沥青规格时就可以直接生产出沥青产品,所得沥青也称直馏沥青,是生产道路沥青的主要方法。

(2)溶剂沉淀法:非极性的低分子烷烃溶剂对减压渣油中的各组分具有不同的溶解度,利用溶解度的差异可以实现组分分离,因而可以从减压渣油中除去对沥青性质不利的组分,生产出符