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瀝青

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瀝青是由不同分子量的碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的黑褐色複雜混合物,是高黏度有機液體的一種,呈液態,表面呈黑色,可溶於二硫化碳。瀝青是一種防水防潮和防腐的有機膠凝材料。瀝青主要可以分為煤焦瀝青、石油瀝青天然瀝青三種:其中,煤焦瀝青是煉焦的副產品。石油瀝青是原油蒸餾後的殘渣。天然瀝青則是儲藏在地下,有的形成礦層或在地殼表面堆積。瀝青主要用於塗料、塑料、橡膠等工業以及鋪築路面等。
中文名
 瀝青
英文名
Bitumen、Asphalt
CAS登入號
8052-42-4
EINECS登入號
232-490-9
熔    點
 485
沸    點
 <470℃
水溶性
不溶於水
密    度
 1.15-1.25
外    觀
半固體或液體狀態
閃    點
204.4
危險性描述
健康危害:中等毒性
來    源
石油
成    分
瀝青質樹脂
含    量
99.48%
爆炸下限
 30(g/立方厘米)
導電效能
絕緣體(常溫下)

瀝青組成結構

近年來最常採用的方法是按L·W·科爾貝特的方法一將瀝青分離為飽和分、芳香分、膠質和瀝青質等四個組分。瀝青中各組分的含量與瀝青和技術性質之間存在一定的規律性, 如圖所示。[1] 
按膠體結構解釋, 隨著分散介質飽和分和芳香分含量的減少, 保護物質膠質和分散相瀝青質含量的增加, 瀝青由溶膠結構轉變為溶凝膠結構以至凝膠結構。瀝青技術指標中的針入度隨之減小, 軟化點隨之升高。而當瀝青中各組分含量比例協調時, 可得到最佳的延度。但是上述規律只適用於相同油源和相同工藝獲得的瀝青如表一中瀝青均為大慶原油, 採用丙脫工藝獲得瀝青對於相同原油, 採用不同工藝, 或者不同原油相同工藝甚至不同原油和工藝獲得的瀝青, 它們即使具有相近的瀝青組分含量但是它們的技術性質指標可以相差很大。產生這些現象的原因是由於不同油源和工藝獲得的瀝青, 它們的各化學組分雖然可以很接近, 但是它們各個組分的化學結構並不相同, 各組分的溶度引數不同。亦即各組分的相溶性不同, 因而形成不同的膠體結構, 所以它們的技術性質亦不相同。[1] 
瀝青
瀝青(8張)
瀝青屬於憎水性材料,它不透水,也幾乎不溶於水、丙酮乙醚、稀乙醇,溶於二硫化碳四氯化碳氫氧化鈉
瀝青及其煙氣對面板粘膜具有刺激性,有光毒作用和致癌作用。我國三種主要瀝青的毒性:煤焦瀝青>頁岩瀝青>石油瀝青,前二者有致癌性。瀝青的主要面板損害有:光毒性皮炎,皮損限於面、頸部等暴露部分;黑變病,皮損常對稱分佈於暴露部位,呈片狀,呈褐-深褐-褐黑色;職業性痤瘡;疣狀贅生物及事故引起的熱燒傷。此外,尚有頭昏、頭脹,頭痛、胸悶、乏力、噁心、食慾不振等全身症狀和眼 、鼻、咽部的刺激症狀。

瀝青應用領域

在土木工程中,瀝青是應用廣泛的防水材料和防腐材料,主要應用於屋面、地面、地下結構的防水,木材、鋼材的防腐。瀝青還是道路工程中應用廣泛的路面結構膠結材料,它與不同組成的礦質材料按比例配合後可以建成不同結構的瀝青路面,高速公路應用較為廣泛。

瀝青行業分析

2013年,國內瀝青產量為1993.51萬噸,同比增長9.71%。相對於國產瀝青而言,進口瀝青價格偏高,進而提振國產瀝青需求,帶動國內瀝青產能利用率提升。預計2014年國內瀝青產量繼續增長,但隨著需求的好轉,總體過剩的局面將有所改觀。
瀝青行業上游為石油化工、煤炭和改性劑及乳化劑,下游為高速公路、防水建築材料、機場建設和市政工程道路建設等。
在完整的石油化工產業鏈中,石油瀝青的前端產品為醚、烷、烴、苯等各大類產品,作為原油加工後端產品的石油瀝青經過焦化工藝可得到石油膠。
對於瀝青行業來說,上游產業對其的影響主要體現在原油價格波動、原油加工能力變化帶來石油瀝青產量及產品價格的波動。
2014年全球經濟溫和復甦將帶動原油需求,且近兩年來美國原油交割地庫欣地區至墨西哥灣煉油廠輸油管道的擴張在一定程度上減輕了當地的庫存壓力,提振了WTI油價。因此,儘管受到美聯儲退出QE以及供應增加的影響,2014年國際原油價格重心仍有望小幅上移,預計WTI原油價格全年波動區間在90—115美元/桶,這對瀝青期貨價格形成支撐。
從下游需求來看,瀝青產品主要應用於高速公路、市政道路、橋樑及機場等場所的鋪設,其中公路建設對於瀝青的消耗量佔到82%。在產能一定的情況下,下游需求的增加會進一步推動瀝青產品價格的增長,反之,則會帶來價格的下行。
2013年受貨幣政策中性偏緊、資金投放不足的影響,部分道路建設專案被擱淺,導致2013年瀝青需求增長有限。
不過,道路建設的施工週期一般在3-4年,且鋪設瀝青主要集中在施工建設尾聲,因此,“十二五”最後兩年,瀝青的需求狀況將逐步改善。

瀝青行業前景廣闊

改革開放以來中國的經濟一直保持著高速的增長,公路交通建設突飛猛進,我國道路瀝青生產企業也得到了迅猛發展。尤其是重交瀝青和改性瀝青實現了由無到有、由小到大、由少到多的質的飛躍,為我國道路建設做出了巨大貢獻。
其中,用瀝青來養護路面通常分為三種類型:預防性養護、矯正性養護、應急性養護。這三種養護型式可以根據路面的使用情況來進行選擇,每一種養護型式又需要選擇不同的養護方法和養護裝置。三種養護措施的差異主要體現在路面狀況和通車時間長短上。當然,三者之間沒有明顯的界限。
預防性養護是路面出現破損前就進行養護;矯正性養護指修補路面的區域性損害或對某些特定的病害進行處理;應急性養護是在緊急情況下的措施,例如,路面爆裂和嚴重坑槽需要立刻修補才能通車的。
現如今我國瀝青行業已進入規模化、集中化的快速發展階段,人們對瀝青的瞭解也越來越熟悉,因為瀝青的用量不僅大,而且還非常的廣泛,不管是鄉村裡的小街道,城市裡的大道,還是高速都離不了瀝青的使用,所以瀝青回收則成了人們口中非常火爆的話題,尤其在男人的口中,有的人則把回收瀝青當作是一種事業,甚至有的人因為瀝青回收而發家致富呢!
然而瀝青的發展規模同我們國內市場的需求相比較,中國瀝青市場仍然處於供不應求的狀態,尤其是那些高階的改性瀝青市場,在中國也是有待有才人士而發掘的,我國普通的道路瀝青生產廠家眾多,但是專業的瀝青生產廠家比較少,我們應該逐步提高專業瀝青的廠家,來彌補不斷增長的專業瀝青市場需求。

瀝青歷史

瀝青古典時期

考古研究發現,早在前1200年的古典時期的早期,人們已經開始應用天然瀝青,在生產兵器和工具時用瀝青作為裝飾品,為雕刻物新增顏色。特別是在美索不達米亞地區,由於天然瀝青的充足的蘊涵量,瀝青被廣泛利用。生活在那裡的蘇美爾人 用天然瀝青覆蓋在器皿和船的外面。另外,他們已經開始在粘土磚中使用天然瀝青做結合劑。
這是巴比倫的一條華麗的道路的橫斷面示意圖。燒過的磚由瀝青塗抹過,最上層的石板平放在
巴比倫一條華麗道路的橫截面示意圖 巴比倫一條華麗道路的橫截面示意圖
瀝青抹面上。這種華麗的道路可以算作是現代瀝青混凝土路的先驅。在那一千年的時間裡,瀝青的應用範圍得到擴大,以至於在挨近美索不達米亞的印度和歐洲,天然瀝青作為密封材料用於浴池、船、水渠、廁所和河堤。在公元前第七世紀的亞述帝國和巴比倫帝國,瀝青已經在道路工程中投入使用。那時,瀝青作為接縫材料和塗抹材料來裝飾和加固華道。此後,瀝青作為水泥一樣的結合劑被用於建造中國的長城和巴比倫空中花園的密封工程。
羅馬帝國時期,瀝青被稱為“猶太瀝青”(Bitumen Iudaicum, Judenpech)。公元前100年,龐貝古城的羅馬大道使用瀝青填充接縫和塗抹外層。

瀝青中世紀

羅馬帝國衰落後,中世紀時期開始。在此期間,瀝青失去了它曾經的輝煌。人們在過去一千年中的積累的使用瀝青的經驗幾乎遺失殆盡,直到十八世紀人們才開始重新開始學習使用瀝青。在公元1000年的阿拉伯人開始從天然瀝青 (Naturasphalt) 中提取瀝青 (Bitumen) 。方法是加熱天然瀝青 (Naturasphalt) 直到瀝青 (Bitumen) 從中析出。
與作為建築材料不同,15世紀時在中南美洲的印加帝國,人們把瀝青用作醫藥用途。1595年3月22日,Walter Raleigh在探險途中於特立尼達島發現了一個天然瀝青湖。直到今天人們還在用這種自己從地下冒出的瀝青修築道路。

瀝青近現代

Eirini d'Eyriny於1721年寫的博士論文的封面1712年,希臘醫生Eirini d'Eyriny在瑞士的Val de Travers發現了儲量巨大的瀝青礦。一開始他只是對瀝青的醫藥用途感興趣。但是由於瀝青作為工程材料的優良特點,他最終於1721年寫成了他的論文《關於瀝青的博士論文》(Dissertation sur L'Asphalte ov Ciment Naturel)並開始為現代瀝青工藝的研究奠定基礎。之後的三百年間 (1712年-1986年),不知有多少瀝青通過位於Val de Travers的總長度超過100公里的如迷宮般錯綜複雜的礦井隧道, 被開採出來並銷往世界各地。
在接下來的時間裡,瀝青的豐富多彩的運用被擴大到屋頂防水層的密封。當時,用瀝青加固路面還很昂貴,以至於只有富人專用的道路才能使用瀝青加固面層。 瀝青第一次被使用在橋樑上是在Sunderland的一座木橋上用作瀝青路面安裝。
1810年,在里昂,瀝青瑪緹質鋪層被首次運用。十年以後在熱那亞發展出了現代瀝青油毛氈的前身並且獲得成功的運用。基於廣泛的嘗試,在1837年,瀝青工藝被證明可以運用在公路工程上。1839年在奧地利首都維也納發現通過重新加熱可以使瀝青再利用的方法。
1838年在普魯士的漢堡出現第一條被鋪上瀝青的道路。1851年,從 Travers 到巴黎的公路上有78米長的部分鋪上了瀝青面層。僅僅20年後,巴黎幾乎被完全鋪上瀝青,不久之後這種情況發展到差不多歐洲所有的大城市。
隨後,堅韌的瀝青瑪緹脂發明;1842年在奧地利的因斯布魯克,澆注瀝青被髮明並於不久之後成功應用於道路工程施工中。基於瀝青具有類似混凝土的特性,1853年由Léon Malo提出了瀝青混凝土的概念。為了得到足夠的壓縮比,1876年人們開始用碾壓的方法壓縮瀝青混凝土。
在20世紀初,伴隨著工程給材料價格的持續下降,瀝青展示出更多的意義。1907年,第一個瀝青混合料構件在美國投入使用。1914年,為了獲得更好的折射率,人們在柏林第一次看到了瀝青路面的賽車車道,
緊接著瀝青在道路工程中的應用,1923年,瀝青應用於水壩的密封。為了加速施工進度和改良構件,1924年在美國加利福尼亞州進行了第一次的道路完工驗收檢測。為了確定建築材料的質量,接下來的幾年中很多測試程式得到發展。這些程式直到今天依然有效的運用於交通工程的研究、設計和具體施工當中。1936年發展發明了 Ring und Kugel-Versuch,一年後發明了Brechpunkt nach Fraa&szlig,1941年發明了馬歇爾測試 (Marshall-Test)。
通過專門的新增劑,1950年起,在低溫狀態下進行瀝青施工成為可能 (被稱為冷瀝青)。為了確定合適的瀝青結構厚度,1959年,在奧地利發展了通過同位素進行無干擾研究的方法並得到成功驗證。
為了使機場的飛機跑道盡快投入使用,1963年在英國出現了乾式瀝青施工工藝。不久後的1968年第一次出現了瑪緹質瀝青施工。 二十世紀七十年代在美國開始實踐瀝青回收再利用。為了更好的密封效果,1979年開始在垃圾堆場工程中使用瀝青。

瀝青類別

瀝青主要可以分為煤焦瀝青、石油瀝青和天然瀝青三種:

瀝青煤焦瀝青

煤焦瀝青是煉焦的副產品,即焦油蒸餾後殘留在蒸餾釜內的黑色物質。它與精製焦油只是物理性質有分別,沒有明顯的界限,一般的劃分方法是規定軟化點在26.7℃(立方塊法)以下的為焦油,26.7℃以上的為瀝青。煤焦瀝青中主要含有難揮發的蒽、菲、芘等。這些物質具有毒性,由於這些成分的含量不同,煤焦瀝青的性質也因而不同。溫度的變化對煤焦瀝青的影響很大,冬季容易脆裂,夏季容易軟化。加熱時有特殊氣味;加熱到260℃在5小時以後,其所含的蒽、菲、芘等成分就會揮發出來。

瀝青石油瀝青

石油瀝青原油蒸餾後的殘渣。根據提煉程度的不同,在常溫下成液體、半固體或固體。石油瀝青色黑而有光澤,具有較高的感溫性。由於它在生產過程中曾經蒸餾至400℃以上,因而所含揮發成分甚少,但仍可能有高分子的碳氫化合物未經揮發出來,這些物質或多或少對人體健康是有害的。

瀝青天然瀝青

天然瀝青儲藏在地下,有的形成礦層或在地殼表面堆積。這種瀝青大都經過天然蒸發、氧化,一般已不含有任何毒素。
瀝青材料分為地瀝青和焦油瀝青兩大類。地瀝青又分為天然瀝青和石油瀝青,天然瀝青是石油滲出地表經長期暴露和蒸發後的殘留物;石油瀝青是將精製加工石油所殘餘的渣油,經適當的工藝處理後得到的產品。焦油瀝青是煤、木材等有機物乾餾加工所得的焦油經再加工後的產品。工程中採用的瀝青絕大多數是石油瀝青,石油瀝青是複雜的碳氫化合物與其非金屬衍生物組成的混合物。通常瀝青閃點在240℃~330℃之間,燃點比閃點約高3℃~6℃,因此施工溫度應控制在閃點以下。

瀝青技術指標

密度
瀝青試樣在規定溫度下單位體積所具有的質量,以t/㎥計。
相對密度
在規定溫度下,瀝青質量與同體積的水質量之比值。
針入度
在規定溫度和時間內,附加一定質量的標準針垂直貫入瀝青試樣的深度,以0.1mm表示。
針入度指數
一種瀝青結合料的溫度感應性指標,反應針入度隨溫度而變化的程度,有不同溫度的針入度按規定方法計算得到。
延度
規定形態的瀝青試樣,在規定溫度下以一定速度受拉伸至斷開時的長度,以cm表示。
軟化點
瀝青試樣在規定尺寸的金屬環內,上置規定尺寸和質量的金屬鋼球,放於水或甘油中,以規定的速度加熱,至鋼球下沉達規定距離時的溫度,以℃表示。
溶解度
瀝青試樣在規定溶劑中可溶物的含量,以質量百分率表示。
蒸發損失
瀝青試樣在內徑55mm、深35mm的盛樣皿中,在163℃溫度條件下加熱並保持5h後質量的損失,以百分率表示。
閃點
瀝青試樣在規定的盛樣器內按規定的升溫速度受熱時所蒸發的氣體以規定的方法與試焰接觸,初次發生一瞬即燃時的試樣溫度,以℃表示。盛樣器對粘稠瀝青是克利夫蘭開口杯(簡稱COC),對液體瀝青是泰格開口杯(簡稱TOC)。
弗拉斯脆點
塗於金屬片上的瀝青試樣薄膜在規定條件下,因被冷卻和彎曲而出現裂紋時的溫度,以℃表示。
粘度
瀝青試樣在規定條件下流動時形成的抵抗力或內部阻力的度量,也稱粘滯度。

瀝青主要產品

瀝青石油瀝青

石油瀝青是原油加工過程的一種產品,在常溫下是黑色或黑褐色的粘稠的液體、半固體或固體,主要含有可溶於氯仿的烴類及非烴類衍生物,其性質和組成隨原油來源和生產方法的不同而變化。石油瀝青的主要組分是油分、樹脂和地瀝青質。還含2%~3%的瀝青碳和似碳物,還含有蠟。瀝青中的油分和樹脂能浸潤瀝青質。瀝青的結構以地瀝青質為核心,吸附部分樹脂和油分,構成膠團。
產品效能
石油瀝青色黑而有光澤,具有較高的感溫性。對石油瀝青可以按以下體系加以分類:
生產方法
(1)蒸餾法:是將原油經常壓蒸餾分出汽油、煤油、柴油等輕質餾分,再經減壓蒸餾(殘壓10~100mmHg)分出減壓餾分油,餘下的殘渣符合道路瀝青規格時就可以直接生產出瀝青產品,所得瀝青也稱直餾瀝青,是生產道路瀝青的主要方法。
(2)溶劑沉澱法:非極性的低分子烷烴溶劑對減壓渣油中的各組分具有不同的溶解度,利用溶解度的差異可以實現組分分離,因而可以從減壓渣油中除去對瀝青性質不利的組分,生產出符合規格要求的瀝青產品,這就是溶劑沉澱法。
(3)氧化法:是在一定範圍的高溫下向減壓渣油或脫油瀝青吹入空氣,使其組成和效能發生變化,所得的產品稱為氧化瀝青。減壓渣油在高溫和吹空氣的作用下會產生汽化蒸發,同時會發生脫氫、氧化、聚合縮合等一系列反應。這是一個多組分相互影響的十分複雜的綜合反應過程,而不僅僅是發生氧化反應,但習慣上稱為氧化法和氧化瀝青,也有稱為空氣吹製法和空氣吹制瀝青。
(4)調合法:調合法生產瀝青最初指由同一原油構成瀝青的4組分按質量要求所需的比例重新調合,所得的產品稱為合成瀝青或重構瀝青。隨著工藝技術的發展,調合組分的來源得到擴大。例如可以從同一原油或不同原油的一、二次加工的殘渣或組分以及各種工業廢油等作為調合組分,這就降低了瀝青生產中對油源選擇的依賴性。隨著適宜製造瀝青的原油日益短缺,調合法顯示出的靈活性和經濟性正在日益受到重視和普遍應用。
(5)乳化法:瀝青和水的表面張力差別很大,在常溫或高溫下都不會互相混溶。但是當瀝青經高速離心、剪下、重擊等機械作用,使其成為粒徑0.1~5微米的微粒,並分散到含有表面活性劑(乳化劑——穩定劑)的水介質中,由於乳化劑能定向吸附在瀝青微粒表面,因而降低了水與瀝青的介面張力,使瀝青微粒能在水中形成穩定的分散體系,這就是水包油的乳狀液。這種分散體系呈茶褐色,瀝青為分散相,水為連續相,常溫下具有良好流動性。從某種意義上說乳化瀝青是用水來“稀釋”瀝青,因而改善了瀝青的流動性。
(6)改性瀝青:現代公路和道路發生許多變化:交通流量和行駛頻度急劇增長,貨運車的軸重不斷增加,普遍實行分車道單向行駛,要求進一步提高路面抗流動性,即高溫下抗車轍的能力;提高柔性和彈性,即低溫下抗開裂的能力;提高耐磨耗能力和延長使用壽命。現代建築物普遍採用大跨度預應力屋面板,要求屋面防水材料適應大位移,更耐受嚴酷的高低溫氣候條件,耐久性更好,有自粘性,方便施工,減少維修工作量。使用環境發生的這些變化對石油瀝青的效能提出了嚴峻的挑戰。對石油瀝青改性,使其適應上述苛刻使用要求,引起了人們的重視。經過數十年研究開發,已出現品種繁多的改性道路瀝青、防水卷材和塗料,表現出一定的工程實用效果。但鑑於改性後的材料價格通常比普通石油瀝青高2~7倍,使用者對材料工程效能尚未能充分把握,改性瀝青產量增長緩慢。改性道路瀝青主要用於機場跑道、防水橋面、停車場、運動場、重交通路面、交叉路口和路面轉彎處等特殊場合的鋪裝應用。歐洲將改性瀝青應用到公路網的養護和補強,較大地推動了改性道路瀝青的普遍應用。改性瀝青防水卷材和塗料主要用於高檔建築物的防水工程。隨著科學技術進步和經濟建設事業的發展,將進一步推動改性瀝青的品種開發和生產技術的發展。改性瀝青的品種和製備技術取決於改性劑的型別、加入量和基質瀝青(即原料瀝青)的組成和性質。由於改性劑品種繁多,形態各異,為了使其與石油瀝青形成均勻的可供工程實用的材料,多年來評價了各種型別改性劑,並開發出相應的配方和製備方法,但多數已工程實用的改性瀝青屬於專利技術和專利產品。
主要用途
主要用途是作為基礎建設材料、原料和燃料,應用範圍如交通運輸(道路、鐵路、航空等)、建築業、農業、水利工程、工業(採掘業、製造業)、民用等各部門。
包裝與貯存
瀝青在生產和使用過程中可能需要在貯罐內保溫貯存,如果處理適當,瀝青可以重複加熱即可在較高溫度保持相當長的時間而不會使其效能受到嚴重損害。但是如果接觸氧、光和過熱就會引起瀝青的硬化,最顯著的標誌是瀝青的軟化點上升,針入度下降,延度變差,使瀝青的使用效能受到損失
加熱輸出
瀝青儲存在大型儲罐中,當在使用輸出時,需要對儲罐中的瀝青進行加熱後,提高瀝青的流動性,方可順利、快速輸出。加熱輸出需要的熱源一般是導熱油。據石油化工技術推廣中心介紹,傳統加熱方式如下缺點:
1、加熱過程不經濟。當只需要倒出少量瀝青時,也要對整個罐內的瀝青全部進行加熱,加熱的瀝青量是該次使用量的幾倍,使大量的導熱油做了無用功。
2、罐內各部分瀝青溫度不均衡。靠近加熱器的瀝青溫度較高,遠離加熱器的瀝青溫度較低,嚴重影響了出油的流動性。
3、影響瀝青質量。反覆對罐內瀝青進行加熱,加熱過程中產生大量細小的分解物,對瀝青色度質量產生一定的影響,增加了後期處理的成本。
區域性加熱技術:導熱油進入“區域性快速加熱器”後,對瀝青罐中的瀝青進行區域性快速加熱,需要多少瀝青,加熱多少瀝青,不用整罐、反覆加熱,在節省能源的同時,瀝青輸出更加迅速。

瀝青巖瀝青

瀝青路面的流動變形是國際上最常見的瀝青路面損壞現象。據統計,在路面的維修統計中,約有80%是因為車轍引起的變形破壞。通過工程實踐發現,加入巖瀝青的改性瀝青在高溫穩定方面有較大的優勢,能夠很好地解決高等級瀝青路面由於大交通量,超重超載等引起的路面車轍,早期病害等現象。
巖瀝青是石油經過長達億萬年的沉積、變化,在熱、壓力、氧化、觸媒、細菌等的綜合作用下生成的瀝青類物質。常用為基質瀝青改性劑。巖瀝青的物理特性趨近於“煤”。
國內已經探明的天然巖瀝青礦產資源主要分佈於我國新疆,青海以及四川青川一帶。青川巖瀝青礦分佈在我國有著天府之國美譽的四川北部龍門山地區,初步探明的儲量在300萬噸以上,遠景儲量1000萬噸,被專家譽為“中國乃至世界罕見的瀝青天然礦體”,儲藏量位居全國第一。川北的天然巖瀝青是以分子量高達一萬的瀝青質為主要組成成分,其化學構成為碳81.7%,氫7.5%,氧2.3%,氮1.95%,硫4.4%,鋁1.1%,矽0.18%及其他金屬0.87%。其中,碳、氫、氧、氮、硫的含量較高,幾乎每個瀝青質的大分子中都含有上述元素的極性官能團,使其在岩石的表面產生極強的吸附力。

瀝青國內超級瀝青研發成果

2014年5月25日,中國軍隊首次在鄭民高速公路上進行第三代戰機跑道試飛。揚子晚報軍事專家孫小偉解讀說,可供飛機起降的高速路跑道要求非常嚴格,與一般高速公路鋪設的標準不一樣。其中一個關鍵點是這條高速公路的“材質”,鄭民高速公路的最上面鋪了一層特殊的改進瀝青混凝土。記者昨日從東南大學採訪獲悉,這種耐300℃高溫零下30℃低溫的“超級瀝青”由東南大學聯合句容寧武科技開發公司研製的。
“超級”瀝青
能耐300℃高溫,耐酸耐鹼有彈性
“鄭民高速(鄭州至民權),是河南省高速公路網中重要的一條聯絡通道,全線採用雙向四車道高速公路技術標準。2008年,鄭民高速公路開始修建,由東南大學博士後張佔軍擔任總負責,鋪設這條高速所用的國產‘超級瀝青’是由江蘇研發製造的。”東南大學校長助理朱建設研究員告訴記者,這種瀝青叫“環氧瀝青”。
與常見的瀝青不同,製造環氧瀝青是將環氧樹脂加入瀝青中,經過與固化劑發生反應,使瀝青具有很高的強度及韌性,且在高低溫下變形很小。這種材料看起來簡單,只要把瀝青和環氧樹脂按照一定比例混合起來即可。然而,要想得到材料的合適配比卻比登天還難。科研幾乎是在一片空白中展開。“就像人的血型一樣,輸血得找能配對的,瀝青和環氧樹脂,顯然相互不能融合,難就難在這裡。
由江蘇自主研發的這種環氧瀝青究竟有多牛呢?朱建設介紹,在反覆實驗室中,國產環氧瀝青保持在300℃高溫及零下30℃低溫下不變形,“噴氣式飛機起降時噴出的氣體溫度達1000℃,瞬間可‘融化’普通瀝青。”這種瀝青還耐腐蝕,“我們曾做實驗,把環氧瀝青分別浸泡在酸、鹼、鹽中一個多月,拿出來幾乎沒有變化。”這種瀝青還有一個特點是有韌性,“過去我們的路面多是剛性,車開上去硬碰硬,噪音大,車輪和路面的磨損都嚴重。新型瀝青有一定彈性,為重型飛機起降時提供緩衝力,飛機不易磨損。”還有一個關鍵點,這種材質是吸水的,可滲透因雨雪導致的積水。
研發之路
長江二橋鋪的美國瀝青,國產造價便宜一半
不過在2006年前,這種耐高溫低溫、耐壓的環保瀝青的製造技術由美國壟斷,並實行技術封鎖。2001年,中國工程院院士、東南大學黃衛教授領銜的團隊在鋪設長江二橋時,用了美國的“環氧瀝青”,如果用普通的瀝青鋪裝,在溫差大的季節,橋面容易出現裂縫併產生滑移,會陷入“屢壞屢修、屢修屢壞”的怪圈。“但美國的環氧瀝青價格高得嚇人,一噸要人民幣7萬多元。二橋鋪完了,黃衛教授就說,必須開發中國自己的環氧瀝青鋪裝材料與成套技術,國家重大工程建設的核心技術,必須掌握在我們中國人手裡!”
2001年,東南大學成立了“新型環氧瀝青製造裝置及工程應用專案組”,黃衛教授擔任組長,朱建設研究員是主要負責人,並選擇了句容寧武開展產學研合作。“東南大學交通學院、化學化工學院、自動化學院三大學院教授和寧武科技的技術人員攜手,一起努力了6年多,終於掌握了這種特殊瀝青的製造方法。”“美國的要7萬多一噸,我們的價格只有它的一半,3萬多。”[2] 

瀝青主要特性

瀝青粘度很大但是具有流動性。2014年4月,世界上持續時間最長的實驗終於有了結果,但期待見證這一實驗50多年的澳洲物理學家梅斯通此時卻已經過世8個月了,終其一生,這位教授也無緣見證守候數十年的實驗成果。[3] 
上世界20年代,為了向學生展示固體也可以像液體一樣流動,澳大利亞昆州大學物理系教授帕奈爾進行了一項瀝青滴落實驗。瀝青在不同的條件下有固體和液體兩種形式,是一種常用於防水的粘性材料,粘度是水的2300億倍,固體可以抗擊錘子的敲打而不變形。但是一個漏斗就可以讓固體瀝青流動起來。[3] 
試驗中,研究人員把瀝青放入玻璃漏斗中,通過擠壓作用,已經固化的瀝青還會像液體一樣向下流動,但這個過程非常緩慢。瀝青流動的有多慢呢?澳洲大陸由於板塊漂移作用,每年會向北移動約6釐米,而瀝青固化流動的速度要比地球板塊運動還要慢10倍。[3] 
物理學家梅斯通在帕奈爾去世後接手保管工作,此前瀝青已經滴落了5滴。梅斯通本可以見證3次這一世界上持續時間最長的實驗,但天意弄人,梅斯通陰差陽錯地錯過了三次轉瞬即逝的滴落瞬間,直至去世也沒能看到守候數十載的實驗成果。[3] 
據悉,1977年梅斯通在瀝青即將滴落的時候整整守候了它一個週末,而偏偏瀝青卻在他筋疲力盡回到家的時候掉落了下來。1988年的時候一滴瀝青接近滴落狀態,而梅斯通離開房間僅5分鐘去喝了杯咖啡就再次錯過了這難得的一瞬間。2000年的時候,為了完整記錄瀝青滴落的瞬間,梅斯通安裝了一個網路攝像頭,這樣即使自己當時遠在英國,也能夠看到並記錄下瀝青滴落的瞬間。然而,熱帶風暴造成當時停電20分鐘,等電力恢復的時候,梅斯通等待了逾10年之久的瀝青已經滑落。2014年,第九滴瀝青終於再次滴落了,但梅斯通教授卻再也看不到它墜落的瞬間了。2013年8月,梅斯通教授因為中風去世,享年78歲。[3] 
梅斯通教授去世後,這個實驗器械被昆州大學的懷特保管。懷特說,實驗至少還可以再持續80年。按照2014年的速度,下一滴瀝青將在2027年滴落。據悉,這一實驗被吉尼斯世界紀錄認定為世界上持續時間最久的實驗,它還於2005年獲得“搞笑諾貝爾”獎(Ig Nobel Prize)——“研究,就是為了讓你們這些人笑並思考”。[3] 

瀝青主要危害

瀝青是一種棕黑色有機膠凝狀物質,包括天然瀝青、石油瀝青、頁岩瀝青和煤焦油瀝青等四種。主要成分是瀝青質樹脂,其次有高沸點礦物油和少量的氧、硫和氯的化合物。有光澤,呈液體、半固體或固體狀態,低溫時質脆,粘結性和防腐效能良好。如果衣服不小心染上瀝青,可用稀氫氧化鈉清洗。
四種瀝青中以煤焦油瀝青危害最大。在電極焙燒爐製作中要排出大量的瀝青煙。由於瀝青中含有熒光物質,其中含致癌物質3,4苯並芘高達2.5%一3.5%,高溫處理時隨煙氣一起揮發出來。瀝青煙氣是黃色的氣體,其中試焦油細霧粒。經測定電極焙撓爐排出的瀝青煙氣中含3,4苯並芘為1.3—2mg/立方米。
瀝青煙和粉塵可經呼吸道和汙染面板而引起中毒,發生皮炎、視力模糊、眼結膜炎、胸悶、腹病、心悸、頭痛等症狀。經科學試驗證明,瀝青和瀝青煙中所含的3,4苯並芘是引起面板癌肺癌、胃癌和食道癌的主要原因。
在受瀝青汙染的空氣中生活,易致免疫力下降。
瀝青及其煙氣中主要成分為酚類、化合物、蒽、萘、吡啶等對面板粘膜具刺激性,塗以30%煤焦油瀝青甲苯溶液塗皮3次,區域性繼炎症之後呈現角化過度與皸裂。
瀝青及其所含吡啶等均系光毒物,在紫外線作用下可引起光化學反應。瀝青所致光化學反應系瀝青在有氧條件下通過光能作用所發生的光化學反應,反映生成的自由基、過氧化物引起細胞損傷,故是一種非免疫性疾病。
動物複製出瀝青癌。我國用小鼠塗皮實驗也見瀝青可致面板癌。多為磷狀上皮癌,少數為角化乳突瘤。一般認為煤油瀝青致癌性最強,天然瀝青不具致癌性,對石油瀝青的致癌性則有意見尚不一致。
煤焦瀝青塗皮對動物體重增長的影響比石油瀝青為明顯,而煤焦瀝青面板塗搽又比其煙霧吸入對動物的危害為大。提示煤焦瀝青對動物有一定的全身作用,其作用程度與吸收途徑有關。
面板損害
1.日光性皮炎 本病常於接觸瀝青粉塵或煙氣,並暴露於日光後發病。
工人在鋪設瀝青馬路 工人在鋪設瀝青馬路
日晒後數分鐘到1-2d(多數為數小時)即可發病。皮損限於面部、頸後等暴露部位,尤以眼瞼與顴頰部為著。皮損呈晒斑型表現為界限清晰的紅鮮紅斑,常伴有水腫,嚴重時出現水皰、大皰,甚至糜爛、滲液。皮損於1—2d內達到高峰,一般停止接觸3-5d迅速消退,區域性附有輕度糠樣鱗屑,常繼發暫時性輕度色素沉著。自覺灼痛,個別輕度瘙癢。
2.黑變病 本病常對稱分佈於面、頸部暴露部位,前臂也波及。特別好發於眼周、顳部、前額髮際與內皆角,鼻旁頰部與口周。皮損多呈片狀,色澤偏深,呈褐-深褐-褐黑色,有時稍帶褐紅或淡紫色。其大小,形狀不一,邊緣多數模糊。前臂的色素沉著常以毛孔為中心,受累毛孔輕度角化;有時淡褐帶灰紫色色素沉著斑與正常面板相間,交雜成雲霧狀。發病時常有瀝青光毒性皮炎反覆發作史,並常伴有瀝青痤瘡。本病呈慢性過程。日晒每使病情加重。脫離接觸可望好轉,乃致痊癒。
3.痤瘡 瀝青所致職業性痤瘡主要表現為黑頭粉刺、毫毛折斷與毛囊炎性丘診。本病好發於直接接觸
部位,如面部、指背、手背和前臂,也常常波及被瀝青汙染的衣褲的部位,如大腿伸面,偶發於軀幹。黑頭粉刺為擴大的毛孔中的黑點,其下常有帶白色的小硬結。瀝青所致黑頭一般比氯化物所致者粗大些,分佈也散在些,主要位於面部,特別是顳間、眉部、鼻旁兩側,眼瞼與耳廓也可波及。毛囊炎性紅色丘疹為毛囊性丘疹,頂端可有黃白色膿皰,嚴重時演變為、硬結,可遺疤痕;常散在分佈於面部與前臂。毳毛折斷、變粗,區域性毛孔常見擴張,並有輕度角化,主要分佈在首節指背與前臂橈伸面。本病發病不受年齡限制。自覺症狀缺如,有時伴乾燥感,出現毛囊炎、癤時有疼痛感。
4.疣狀贅生物 好發於手背、腕部與面部,也可波及陰囊等處。類似扁平疣,表面為膚色--淡褐--褐色扁平
瀝青 瀝青
丘疹,針帽或綠豆大小,圓形或不規則形,表面粗糙或平滑,境界清楚。散在或密集分佈。
無自覺症狀或微癢。一般工齡愈長,發病率愈高,皮損愈多。疣狀贅生物可自然消退。可能演變為面板癌。
5.燒傷 多由潑濺、跌滑等事故引起。高熱的液態瀝青對面板造成熱力燒傷。臨床表現與一般熱燒傷相似。面板表面可覆以黑色瀝青,與創面緊緊粘附,不易清除。
眼、鼻、咽症狀
瀝青粉塵與煙氣對眼的損害以瞼結膜炎為主,有時伴有淺表性斑點狀角膜炎,工齡較長者翼狀胬肉佔有一定比例。鼻咽部常有乾燥、灼熱感,也可引起鼻炎、咽炎等。
全身症狀
聞及瀝青嗅味後,可出現頭昏、頭脹、頭痛、胸悶、乏力、噁心或咳嗽、心悸、耳鳴等不適,尤其在烈日下操作時。脫離接觸(如下班後)症狀常迅速緩解。嚴重時(如重症光毒性皮炎)可伴發熱。
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參考資料
  • 1.    嚴家伋.瀝青化學結構和工程性質的相依性:石油瀝青,1987
  • 2.    戰鬥機高速公路起降全靠超級瀝青 系東大研製  .人民網.2014年05月30日[引用日期2014-05-31]
  • 3.    歷時50載 世界“最久”實驗有新進展  .網易網[引用日期2014-04-27]
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