沥青水泥

今天生产的大部分石油沥青用于公路路面。沥青铺路材料是沥青水泥、沙子和碎石的暗黑色混合物。加热后，热气腾腾地倒在路基上，耙平，然后用重型压路机压实。沥青还用于混凝土道路上的伸缩缝和补丁。机场跑道、网球场、游乐场和建筑物的地板也都使用沥青。称为道路油的轻质石油沥青喷洒在道路上以沉降灰尘和结合砾石。沥青的另一个主要用途是沥青瓦和卷屋顶，它们通常由浸透沥青的毛毡组成。沥青有助于保护屋顶材料并使其防水。沥青的其他应用包括：隧道、桥梁、水坝和水库的防水；金属管和汽车底盘的防锈和隔音；以及隔音墙和天花板。

原材料

现代沥青制造使用的原材料是石油，这是一种天然的 发生液体沥青。沥青是石油的天然成分，有些原油几乎完全是沥青。油井将原油供应给炼油厂，在那里将其分离成各种成分或馏分。

制造
过程

原油在炼油厂通过蒸馏过程分离成各种馏分。分离后，这些馏分被进一步精炼成其他产品，包括沥青、石蜡、汽油、石脑油、润滑油、煤油和柴油。由于沥青是原油的基础或重质成分，因此在蒸馏过程中不会蒸发或蒸发。沥青本质上是炼油过程中的重质残渣。

蒸馏原油

• 1 精炼过程首先将原油从储罐通过管道输送到热交换器或管式加热器，在那里其温度会迅速升高以进行初始蒸馏。然后进入常压蒸馏塔，在那里较轻且易挥发的组分或馏分蒸发并通过一系列冷凝器和冷却器排出。然后将其分离以进一步精炼成汽油（被视为“轻”馏分油）、煤油（被视为“中”馏分油）、柴油（被视为“重”馏分油）和许多其他有用的石油产品。

  来自这种常压蒸馏过程的重质残余物通常称为顶部原油。这种打顶的原油可用作燃料油或进一步加工成其他产品，如沥青。真空蒸馏可以去除足够的高沸点馏分以产生所谓的“直馏”沥青。然而，如果顶部原油含有足够低的挥发性成分，而这些成分无法通过蒸馏经济地去除，则可能需要溶剂萃取（也称为溶剂脱沥青）来生产所需稠度的沥青水泥。

削减

• 2 接下来，沥青可能会与挥发性物质混合或“减少”，从而制成比纯沥青水泥更柔软且可在较低温度下使用的产品。当稀释沥青用于铺路或建筑时，挥发性元素在暴露于空气或热量时会蒸发，留下坚硬的沥青水泥。切割剂的蒸发或挥发性的相对速度决定了稀释沥青是缓慢固化、中等固化还是快速固化。加热的沥青水泥与早期蒸馏过程中残留的沥青油混合制成慢固化沥青，与煤油混合制成中度固化沥青，与汽油或石脑油混合制成快速固化沥青。

乳化

• 3 也可以将沥青水泥乳化成一种液体，这种液体可以很容易地通过管道泵送、与骨料混合或通过喷嘴喷洒。为了乳化，沥青水泥被研磨成 5 到 10 微米或更小的小球（一微米等于百万分之一米）。这是与水混合。添加乳化剂，降低沥青和水分离的趋势。乳化剂可以是胶体粘土、可溶性或不溶性硅酸盐、肥皂或磺化植物油。

粉碎

• 4 也可以将沥青粉碎成粉末状沥青。沥青被粉碎并通过一系列细网筛，以确保颗粒大小均匀。动力沥青可与道路油和骨料混合用于路面施工。道路中的热量和压力慢慢地将粉末与骨料和粘合剂结合在一起，然后 物质硬化至与普通沥青水泥相似的稠度。

吹气

• 5 如果沥青用于铺路以外的用途，例如屋顶、管道涂层，或用作下密封剂或防水材料，则沥青可能会被氧化或吹气。该过程生产的材料在比铺路沥青更高的温度下软化。可以在炼油厂、沥青加工厂或屋顶材料厂吹气。沥青被加热到 500°F (260°C)。然后通过它鼓泡 1 到 4.5 小时。冷却后，沥青保持液态。

沥青混合料

由于沥青水泥是路面铺设的主要成分，以下简要介绍 沥青混合料有两种类型：热拌和冷拌。热拌沥青 (HMA) 通常用于交通繁忙的地区，而冷拌沥青用于二级道路。描述沥青路面混合物是如何生产的。用沥青水泥制成的沥青铺路混合物通常在沥青混合设备中制备。沥青混合料有两种类型：热拌和冷拌。热拌沥青 (HMA) 更常用，而冷拌沥青（通常由乳化沥青或稀释沥青制成的混合物）通常用于轻型到中等交通次要道路，或用于偏远地区或维护用途。热拌沥青是涂有沥青水泥的合适骨料的混合物。术语“热拌”来自于在混合之前加热集料和沥青以去除集料中的水分并获得足够的沥青水泥流动性以进行适当混合和可加工性的过程。

• 6 沥青水泥和骨料在混合设施中混合，在那里加热、配比和混合以生产所需的铺路混合物。热混合设施可能是永久性的（也称为“固定式”设施），也可能是便携式的并可以在不同工作间移动。热混设备可分为批量设备或滚筒混合设备，两者都可以是固定式或便携式的。批次式热混设备使用不同尺寸的热骨料，这些热骨料按比例从储料箱中抽取，组成一批进行混合。将骨料组合倒入称为搅拌机的混合室中。沥青也已经过称重，然后在搅拌机中与骨料充分混合。混合后，材料从搅拌机中倒空到卡车、存储筒仓或缓冲箱中。鼓式搅拌过程在鼓式搅拌机中同时加热和混合骨料和沥青。
• 7 混合完成后，将热混合料运送到摊铺现场，并用摊铺机将部分压实的层摊铺成均匀、平整的表面。在仍然很热的时候，铺路混合物被重型碾压机进一步压实，以产生光滑的路面。

质量控制

沥青水泥的质量受到生产沥青水泥的石油原油的固有特性的影响。不同的油田和地区生产的原油具有非常不同的特性。精炼方法也影响沥青水泥的质量。出于工程和施工目的，需要考虑三个重要因素：稠度，也称为沥青在特定温度下的粘度或流动度、纯度和安全性。

沥青水泥的稠度或粘度随温度变化，沥青根据标准温度下的稠度范围进行分级。与在道路上使用多年相比，粗心的温度和混合控制会对沥青水泥造成更大的硬化损坏。通常指定标准化的粘度或渗透测试来测量铺路沥青的稠度。吹气沥青通常使用软化点测试。

沥青水泥的纯度很容易测试，因为它几乎完全由可溶于二硫化碳的沥青组成。精炼沥青通常 99.5% 以上可溶于二硫化碳，残留的任何杂质都是惰性的。由于二硫化碳的危险易燃性质，三氯乙烯 (TCE) 也是沥青水泥的极好溶剂，用于溶解度纯度测试。

沥青水泥在离开精炼厂时必须不含水或湿气。然而，装载沥青的运输工具的罐中可能存在水分。当沥青加热到 212°F (100°C) 以上时，这会导致沥青发泡，这是一种安全隐患。规范通常要求沥青在高达 347°F (175°C) 的温度下不起泡。沥青水泥，如果加热到足够高的温度，会释放出烟雾，在有火花或明火的情况下会发生闪光。发生这种情况的温度称为闪点，远高于摊铺作业中通常使用的温度。由于沥青可能会起泡并确保足够的安全裕度，因此对沥青的闪点进行了测量和控制。

沥青水泥的另一个重要工程特性是其延展性，它是衡量材料被拉伸、拉伸或变形能力的指标。在沥青水泥中，延展性的存在与否通常比实际延展度更重要，因为一些延展性高的沥青水泥对温度也更敏感。延展性是通过“延伸”测试来测量的，即在标准条件和尺寸下成型的标准沥青水泥压块在标准温度（通常为 77°F [25°C]）下拉伸，直到它在张力下断裂。沥青水泥样品断裂时的伸长率是样品延展性的量度。

副产品/废物

环境保护法制定了严格的法规，以限制炼油厂和沥青加工厂的水流量以及微粒和烟雾排放。不仅灰尘，二氧化硫、烟雾和许多其他排放物都必须受到严格控制。静电除尘器、使用单个或多个锥形旋风器的初级除尘器以及由通常称为“袋式除尘器”的织物过滤器收集器组成的二级收集装置都是控制排放的必需设备。沥青生产过程中形成的碳氢化合物，如果不加控制，会产生气味难闻的烟雾和污染物，污染空气并使空气变暗。沥青生产中排放的污染物由围栏控制，围栏收集废气，然后通过加热过程将其再循环。这不仅消除了污染，而且提高了过程的加热效率。

沥青水泥、石头和沙子的更高成本迫使该行业提高效率并回收旧沥青路面。在沥青路面回收中，从旧路面回收的材料与新材料一起进行再加工。沥青回收的三大类是 1) 热拌回收，即在中央工厂将再生材料与新材料结合生产热拌路面混合物，2) 冷拌回收，即再生材料与新材料结合在现场或在中心工厂生产冷拌基础材料，以及 3) 表面回收，即旧沥青路面在原地加热、刮落或“松土”、重新混合、重新铺设和轧制的过程。也可以添加有机沥青回收剂以帮助将老化的沥青恢复到所需的规格。

由于溶剂蒸发和挥发性，稀释沥青的使用，特别是使用汽油或石脑油的快速固化稀释沥青，越来越受到限制或禁止，而乳化沥青（其中只有水蒸发）由于成本和环境法规而变得越来越流行。

未来

日益增长的经济和环境需求将为回收旧沥青路面带来许多新技术，例如使用微波彻底分解路面。微波加热沥青路面上的碎石比周围的水泥更快，然后被岩石的辐射热加热。这种方法可以防止沥青水泥燃烧。

正在研究原材料的替代来源，例如从污水污泥液化生产合成沥青。为确保一致的产品质量，正在开发用于制造改性沥青和乳液的新方法。正在开发许多新的测试来帮助表征沥青，例如高性能凝胶渗透色谱 (HP-GPC)，它允许研究许多特性并在几分钟内编译结果。新工艺、更高效的混合和研磨装置、在线液体质量流量计、在线监测系统和新的安全设备是其他一些正在研究改进的领域。

聚合物改性沥青裂缝封闭剂越来越受欢迎，并且正在开发许多其他沥青改性剂。添加改性剂以控制路面车辙、开裂、沥青氧化和水损害。一些市售的沥青改性剂是聚合物，包括弹性体、金属配合物、元素硫、纤维、熟石灰、波特兰水泥、有机硅、各种填料和有机抗剥离剂。许多这些改性剂尚未广泛使用，正在研究以进一步开发。通过混合某些沥青摩擦改性剂，它甚至可能有一天拥有“智能沥青水泥”，这将允许它根据是否存在水分来改变特性。结合防抱死刹车， 自动牵引力控制和安全气囊，这可以挽救我们国家高速公路上的许多生命。