煤瀝青（俗稱柏油）是用煤乾餾煉焦和制煤氣的副產品煤焦油煉製而成。根據煤乾餾的溫度不同而分為高溫煤焦油（700℃以上）和低溫煤焦油（450～700℃）兩類。路用煤瀝青主要是由煉焦或製造煤氣得到的高溫煤焦油加工而得。
基本介紹
- 中文名：路用加熱柏油
- 外文名：By heating asphalt road
- 別稱：煤瀝青
- 分類：高溫煤焦油和低溫煤焦油
- 套用：道路
- 學科：土木工程
概述,化學組成和結構特點,化學組成,結構,技術性能與技術標準,性能差異,技術指標,熱化學性質,
概述
煤瀝青俗稱“柏油”。焦油瀝青的一種。蒸餾煤焦油，分餾出輕油、中油、重油和蒽油後的殘留物。按蒸餾程度，分軟煤瀝青和硬煤瀝青。色黑而有光澤，味臭，熔化時易燃燒並有毒。其塑性、溫度穩定性和大氣穩定性比石油瀝青差，但防腐蝕性較好。價廉易制，常作為石油瀝青的代用品鋪築路面，製作油氈和木材防腐蝕等。使用時需注意防毒和防火。
化學組成和結構特點
化學組成
煤瀝青化學組分的研究，與石油瀝青研究方法相同，也是採用選擇性溶解等方法將煤瀝青劃分為幾個化學性質相近且與路用性能有一定聯繫的組。我國採用葛氏法按如圖所示流程劃分煤瀝青組分。
①游離碳。又稱自由碳，是高分子的有機化合物的固態碳質微粒，不溶於任何有機溶劑。在煤瀝青中含有游離碳能增加瀝青的黏度和提高其熱穩定性。隨著游離碳含量的增加，低溫脆性亦隨之增加。煤瀝青中游離碳相當於石油瀝青中的瀝青質。
②樹脂。硬樹脂呈固態晶體結構，在瀝青中能增加其黏滯性，類似石油瀝青中的瀝青質；軟樹脂呈赤褐色黏塑狀物質，溶於氯仿能使煤瀝青具有塑性，類似於石油瀝青中的樹脂。
③油分。主要由液體未飽和的芳香族碳氫化合物所組成，使煤瀝青具有流動性。在油分中包含有萘油、葸油和菲油等。當油含量<15%時，可溶於油分中；當油含量>15%，溫度低於10℃時變成晶體，使煤瀝青的稠度增加。萘在常溫下易揮發。原油含量低於15%時，降低煤瀝青的黏滯性，若超過此含量，油結晶，也使煤瀝青黏度增加。
此外，煤瀝青中含少量鹼性物質（吡啶，喹啉等）和酸性物質（酚），酚有毒且能溶於水。煤瀝青中的酸鹼物質都屬表面活性物質，相當於石油瀝青中的瀝青酸與瀝青酸酐，但其活性物質含量高於石油瀝青。所以煤瀝青表面活性比石油瀝青高，與石料的黏附力較好。
如表所示，為軟煤瀝青T-9各化學組分含量。
瀝青標號 | 化學組合（%） | |||||
游離碳 | 硬樹脂 | 軟樹脂 | 中性油 | 酚 | 萘 | |
軟媒瀝青T-9 | 13.32 | 11.78 | 38.14 | 33.71 | 2.41 | 0.64 |
結構
煤瀝青和石油瀝青相類似，也是複雜的膠體分散系，游離碳和硬樹脂組成的膠體微粒為分散相，油分為分散介質，而軟樹脂為保護物質，它吸附於固態分散膠粒周圍，逐漸向外擴散，並溶解於油分中，使分散系形成穩定的膠體物系。
技術性能與技術標準
性能差異
煤瀝青與石油瀝青相比，在技術性能上有下列差異：
①溫度穩定性差。由於可溶性樹脂含量較多，受熱易軟化，故溫度穩定性差。
②氣候穩定性差。由於煤瀝青中含有較多不飽和碳氫化合物。在熱、陽光、氧氣等長期綜合作用下，煤瀝青的組分變化較大，易老化變脆。
③塑性較差。因含有較多的游離碳，所以在使用時易因受力變形而開裂。
④煤瀝青與礦質材料表面黏附性能好。煤瀝青組分中含有酸鹼等表面活性物質，故與礦質材料表面黏滯力較強。
⑤防腐性能好。由於煤瀝青中含有酚、葸、萘油等成分，所以防腐性好，故可用做地下防水層及防腐材料等。
技術指標
①黏度。黏度表示煤瀝青的稠度。煤瀝青組分中油分含量減少、固態樹脂及游離碳量增加時，煤瀝青的黏度增高。煤瀝青的黏度測定方法與液體瀝青相同，亦是用道路瀝青標準黏度計測定。
②蒸餾試驗餾出量及殘渣性能。煤瀝青中含有各沸點的油分，這些油分的蒸發將影響其性能。因而煤瀝青的起始黏滯度並不能完全表達其在使用過程中黏滯性的特徵。為了預估煤瀝青在路面中使用過程的性能變化，在測定其起始黏度的同時，還必須測定煤瀝青在各流程中所含餾分及其蒸餾後殘留物的性能。
煤瀝青蒸餾試驗應測定試樣受熱時，在規定溫度範圍內蒸出的餾分含量，以質量百分率表示。除非特殊需要，各餾分蒸餾的標準切換溫度為170℃，270℃，300℃。
餾分含量的限定控制了煤瀝青由於蒸發而發生老化的情況，殘渣性能試驗保證了煤瀝青殘渣具有適宜的黏滯性。
③煤瀝青焦油酸含量。煤瀝青的焦油酸(亦稱酚)含量是通過測定試樣總的蒸餾餾分與鹼性溶液作用形成水溶性酚鹽物質的含量求得，以體積百分率表示。
焦油酸溶解於水，易導致路面強度降低，同時它有毒，因此對其在瀝青中的含量必須加以限制。
④含萘量。萘在煤瀝青中低溫時易結晶析出，使煤瀝青產生假黏度而失去塑性，而在常溫下易升華，並促使“老化”加速，同時萘也有毒，故對其含量應加以限制。煤瀝青的萘含量是試樣餾分中萘的含量，以質量百分率表示。
⑤甲苯不溶物。煤瀝青的甲苯不溶物含量，是試樣在規定的甲苯溶劑中不溶物（游離碳）的含量，用質量百分率表示。
⑥水分。與石油瀝青一樣，在煤瀝青中含有過量的水分會使煤瀝青在施工加熱時發生許多困難，甚至導致材料質量的劣化或造成火災。煤瀝青含水量的測定方法與石油瀝青相同。
熱化學性質
煤焦油瀝青在熱轉化過程中其組成和軟化點均發生明顯的變化。圖為軟化點為60℃的煤瀝青組成變化。熱轉化剛開始時，由於β組和γ組分的含量減少，
組分的含量均勻增大，幾乎與軟化點的增加相一致。同時，在熱轉化開始的1~2h內，γ組分的含量迅速減少，這可能是由於瀝青中最輕的組分部分地被蒸餾出去的原因。在這期間，β組分含量剛開始時增加，隨後減少。在同一段時間內，與
組分一樣，其中
組分和
組分含量增加，但開始時組分的增長速度更大。然後由於組分過飽和，β組分的穩定作用減小，在消耗了
組分和部分β組分的基礎上，
組分急劇增加。伴有
組分急速增長的瀝青組成急劇變化的曲線轉折點取決於原瀝青的特性。例如γ組分的原始含量為40%時，曲線的轉折點經過2h後出現；當為48%時，經3h達到曲線的轉折點。在這兩種情況下，瀝青的軟化點都達到90℃左右。
煤瀝青在熱轉化過程中最重要的性質是其中間相轉化。當煤瀝青於350~500℃下加熱時，通過熱台顯微鏡觀察可以發現，在各向同性的瀝青基質中會生成光學各向異性的新相——中間相，是由高分子芳香族物質以層狀定向排列而成的。中間相在一定溫度下生成物呈球形，是本身具有特殊複雜結構的液晶，大致在400~C時形成球形體，形成Brooks-Taylor中間相。這是由於相對分子質量為800和800以上的多環芳香族化合物在各種分子間互相作用力的作用下，開始平行分布並要達到一個最小表面的結果。開始生成的中間相小球體很小，要用微米測量。隨著溫度上升，這些中間相小球體在吸收瀝青各向同性相基質的基礎上不斷長大，同時由於溫度的升高也使體系的黏度降低，小球體不斷遷移並同別的小球體發生碰撞而聚結和融並。隨著溫度的進一步升高，瀝青中各向同性基質被吸收耗盡，系統的黏度急劇上升，中間相球體變形、固化，形成半焦。由小球體間相互融並所得到的結構，決定最終形成的碳素材料的結構。碳素的導電率、熱膨脹係數等物性除決定上述微晶結構外，還與這些微晶的集聚結構有關。所以，了解中間相的生成、發展和融並過程，對於掌握和控制煤瀝青的炭化和石墨化過程極為重要。
影響中間相形成的因素很多，原生喹啉不溶物（QI）對中間相的形成影響較大。它增大了固液相界面，且由於其固體表面有活性中心存在，使得瀝青基質中能形成中間相的分子吸附其上，降低了中間相的形成能量差，促使中間相晶核生成速率加快和數量增多，中間相球徑較小，中間相轉變的初始溫度下降，在中間相成長過程中吸附於球體表面，從而阻止了中間相球體的長大和融並。另一方面，由於原生QI是在焦爐爐頂空間由揮發分經熱解所形成的，因而含有較多的O、S、N等雜原子，提高了原料的活性，不利於中間相的轉化，最終導致形成大量的鑲嵌或各向同性結構。因此，對以纖維狀結構為主的針狀焦原料，必須脫除原生QI。研究表明，對針狀焦原料，其原生QI含量應控制在0.1%~0.3%，否則難以得到理想的針狀焦。
值得注意的是煤焦油瀝青中次生QI同原生QI結構完全不同。次生QI含有較多的電子順磁中心，隨著焦油向瀝青的轉化，其次生Q1含量增加，順磁中心的數目也增多。法國學者K．LAFDI等通過透射電鏡研究煤焦油在蒸餾過程中的變化，發現對於除去原生QI的精製焦油，經蒸餾所得不同軟化點的瀝青（72~136℃）中都發現了Brooks—Taylor型中間相小球體。由此看來，次生QI已含有部分中間相，或者形成了中間相的晶核。它具有一定的“微晶”結構，分子排列已具有一定的有序性，從而表現出對中間相轉化過程的不同影響。Marsh研究表明，加入具有平坦表面的物質，如石墨碎片，能夠提高中間相的單元尺寸，這可能引起片狀分子的吸收和在固體表面聚結形成中間相，相當於均勻成核過程。作者研究表明，煤焦油瀝青中次生QI的存在，由於其結構與中間相晶核相近或相同，可以成為中間相形成的晶種，降低了中間相成長的勢壘，從而有助於中間相的長大，因而對中間相轉化過程具有一定的促進作用。
