瀝青

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精鍊過的石油瀝青
道路工程中的瀝青結構。

瀝青,是高黏度有機液體的一種,表面呈黑色,可溶於二硫化碳、四氯化碳。它們多會以柏油焦油的形態存在。

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。[1]

柏油形態的瀝青是把原油分餾法提煉得的,它們在原油中擁有最高的沸點,以及原油中最重的物質,因此會在分餾塔中的最底部找到。

而焦油形態的瀝青,則是把有機物質(多為煤炭),經過乾餾法處理而取得的物質。

瀝青多會用在建築上,例如鋪馬路。瀝青和碎石所鋪的馬路稱為柏油路

瀝青是一種天然的或人工生產的工程材料。它主要由瀝青結合劑和級配骨料構成。主要應用於道路工程的路面鋪設和加固、高層建築中的地板鋪面、水利工程中的密封材料。某些情況下也用於垃圾處理工程中的密封。出於工程技術和經濟方面的原因,瀝青構件具有不同的分層結構,主要包括瀝青承載層、瀝青聯結層以及瀝青面層。各層按照不同的厚度和所處位置,為緊密的結構主體提供不同的承載力。在化學上,瀝青混凝土是一種具有熱後可塑性的惰性材料。

概念澄清[編輯]

瀝青普遍被錯誤的與柏油混淆。瀝青是從石油中提取的,而柏油來源於煤或煤焦油。出於柏油對健康的危害,德國從1984年起禁止在道路工程中使用柏油[2],並將其在稱為《危險材料551》的技術規範(《der Technische Regel für Gefahrstoffe 551》)中確定下來。在此之前,柏油被廣泛的使用與建築工程當中。

材料特性[編輯]

瀝青的強度由溫度條件決定。在低溫時(例如冬季施工)瀝青處於彈性狀態,在高溫時(例如夏季施工)則處於粘性狀態。瀝青的這一溫度變化特性直接影響到它的彈性模量抗剪模量。彈性模量描述的是由外部荷載形變引起的瀝青內部應力。通常瀝青的彈性模量處於1000 N/mm²(夏季)到9000 N/mm²(冬季)之間。抗剪模量則描述了剪力在瀝青內部引起的應力。瀝青混凝土的材料特性還與瀝青粘結劑與骨料的配合比以及其各自的材料特性有關。配合比大約為95%的骨料配5%的瀝青,然而這個比例可以做一些微調。粘結劑的含量和強度都會大大改變材料行為特性。

骨料的顆粒組成情況為瀝青混凝土提供支撐作用。它必須採用合適的顆粒直徑大小的配合比例,成為「級配」。級配情況要與承載力相協調。為了達到好的承載能力,混合不同粒徑的骨料時,應使混合後的骨料儘可能地緊密。施工時還要達到恰當的壓縮比,使瀝青混凝土的骨料間空隙儘可能少。除此以外,瀝青混凝土的骨料的組成還應保證其防凍性以及瀝青混凝土路面層的光滑度。

統計[編輯]

瀝青是一種很基本的建築材料。例如在德國,有95%的道路裝配有瀝青混凝土路面。[3]更精確地統計發現,75%的城市道路和鄉鎮道路像聯邦公路一樣,由瀝青混凝土加固。[4]其餘25%的道路是鋪石路面和水泥混凝土路面。

歷史[編輯]

古典時期[編輯]

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,[5]在生產兵器和工具時用瀝青作為裝飾品,為雕刻物添加顏色。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。[6]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。[7]此後,瀝青作為水泥一樣的結合劑被用於建造中國長城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。

中世紀[編輯]

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。

近現代[編輯]

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Val de Travers發現了儲量巨大的瀝青[8]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。[9]

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年在普魯士漢堡出現第一條被鋪上瀝青的道路。1851年,從Travers巴黎公路上有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年在奧地利因斯布魯克,澆注瀝青被發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序得到發展。這些程序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 Fraaß,1941年發明了馬歇爾測試(Marshall-Test)。

通過專門的添加劑,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。

為了使機場飛機跑道儘快投入使用,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。[10] 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。

參考文獻[編輯]

  1. ^ Buton Asphalt Indonesia. 2012. 印尼布敦岩瀝青
  2. ^ Gefährdungen und Schutzmaßnahmen im Straßenbau, Wissensportal TU Dresden, Seite 2
  3. ^ Felix Kern: Faszination Strassenbau, Motorbuch Verlag, 2005, ISBN 3-613-02499-3, Seite 52
  4. ^ D. Richter, M. Heindel: Straßen- und Tiefbau, Teubner Verlag, 2004, ISBN 3-519-35621-X, Seite 11
  5. ^ Eduard Zirkler: Asphalt, ein Werkstoff durch die Jahrtausende, Giesel Verlag (2001), Seite 49
  6. ^ Microsoft Corporation: Microsoft Encarta Professional 2003, Artikel: Asphalt
  7. ^ Eduard Zirkler: Asphalt, ein Werkstoff durch die Jahrtausende, Giesel Verlag (2001), Seite 82 ff.
  8. ^ A. Burton: Dampfmaschinen - Veteranen der Technik, Bechtermünz-Verlag, 2000, ISBN 3-8289-5368-9, Seite 111
  9. ^ Gout & Region, Couvet: Mines d'Asphalte de Travers,(Stand Mai 2008)
  10. ^ Felix Kern: Faszination Strassenbau, Motorbuch Verlag (2005), Seite 16

參見[編輯]