瀝青
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。它們多會以液體或半固體的石油形態存在。[1]
瀝青的成分包括四大類化合物:[2]
- Naphthene aromatics (Naphthalene)
- Polar aromatics
- Saturated hydrocarbons
- Asphaltenes
瀝青主要可以分為煤焦瀝青、石油瀝青和天然瀝青三種：其中，煤焦瀝青是煉焦的副產品。石油瀝青是原油分餾後的殘渣。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。[3]
石油瀝青是把原油以分餾法提煉得的，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。
瀝青多會用於建築的防水防腐，或用於瀝青路面的膠結材料，俗稱柏油路。
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。
煤焦油瀝青為1級致癌物。
概念
[編輯]工程中使用瀝青[4]，並將其在《危險材料551的技術規範》（德語《der Technische Regel für Gefahrstoffe 551》）中確定下來，這之前，瀝青在建築工程中廣泛使用。
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和抗剪模量。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。[5]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。[6]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，[7]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。[8]另外，他們已經開始在粘土磚中使用天然瀝青做結合劑。
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。[9]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。
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]
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。[10]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。[11]
在接下來的時間裡，瀝青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梁上是在Sunderland的一座木橋上用作瀝青路面安裝。
1810年，在里昂，瀝青瑪𤧛脂(mastic)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，堅韌的瀝青瑪𤧛脂發明；1842年在奧地利的因斯布魯克，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。
為了使機場的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。[12] 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。
健康風險
[編輯]
在工作場所可能會透過呼吸或皮膚攝入瀝青。美國國家職業安全衛生研究所（NIOSH）已設定15分鐘期間內的建議暴露限值為5 毫克/立方米。[13]
基本上瀝青是種惰性材料，需要加熱或稀釋才可被加工應用，主要用於鋪路、屋頂等。在評估瀝青相關的潛在健康危害時，國際癌症研究機構（IARC）認為瀝青排放的職業暴露及潛在致癌危害/風險高低主要取決於應用時的狀況，尤其是溫度。[14] 特別是溫度超過199 °C（390 °F）時，暴露風險較加熱至較低溫度（如瀝青路面混合物生產及鋪設時一般用的溫度）更高。[15] IARC將鋪路瀝青氣霧列為2B類可能致癌物。[14]
2020年，科學家報告指出，瀝青目前是城市地區一個重要且大部分時候被忽視的空氣污染來源，尤其在炎熱、陽光普照的日子更為明顯。[16][17]
在台灣，有不法商人「為謀私利，使用有害人體健康瀝青拔除豬頭皮上毛髮，再運交回傳統市場攤商，導致不知情消費者吞下肚，危害消費者食用安全」，被判處監禁及罰款。[18][19]
在喜馬拉雅山發現的一種類似瀝青的物質稱為石蜜，有時用作阿育吠陀藥物，但實際上並非焦油、樹脂或瀝青。[20]
瀝青價格
[編輯]瀝青的價格取決於幾個因素。改變瀝青價格的主要因素是原油價格和市場供求量。其他影響因素包括：
- 世界原油價格
- 硫燃料油的區域價格
- 消費國的需求量
- 新加坡、韓國、泰國、義大利、希臘等全球競爭對手的價格
- 政治衝突
- 運費
- 煉油廠之間的競爭
參考文獻
[編輯]- ^ Kimemia, Timothy. Shell Bitumen Handbook. [2022-04-10]. （原始內容存檔於2022-04-16）.
- ^ Sörensen, Anja; Wichert, Bodo. Asphalt and Bitumen. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (編). Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2009-10-15: a03_169.pub2 [2022-04-13]. ISBN 978-3-527-30673-2. doi:10.1002/14356007.a03_169.pub2. （原始內容存檔於2022-04-13） （英語）.
- ^ Buton Asphalt Indonesia. 2012. 印尼布敦岩瀝青 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2012-02-24.
- ^ Gefährdungen und Schutzmaßnahmen im Straßenbau, Wissensportal TU Dresden, Seite 2 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2009-03-20.
- ^ Felix Kern: Faszination Strassenbau, Motorbuch Verlag, 2005, ISBN 3-613-02499-3, Seite 52
- ^ D. Richter, M. Heindel: Straßen- und Tiefbau, Teubner Verlag, 2004, ISBN 3-519-35621-X, Seite 11
- ^ Eduard Zirkler: Asphalt, ein Werkstoff durch die Jahrtausende, Giesel Verlag (2001), Seite 49
- ^ Microsoft Corporation: Microsoft Encarta Professional 2003, Artikel: Asphalt
- ^ Eduard Zirkler: Asphalt, ein Werkstoff durch die Jahrtausende, Giesel Verlag (2001), Seite 82 ff.
- ^ A. Burton: Dampfmaschinen - Veteranen der Technik, Bechtermünz-Verlag, 2000, ISBN 3-8289-5368-9, Seite 111
- ^ Gout & Region, Couvet: Mines d'Asphalte de Travers,（Stand Mai 2008）
- ^ Felix Kern: Faszination Strassenbau, Motorbuch Verlag (2005), Seite 16
- ^ CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Asphalt fumes. cdc.gov. [2015年11月27日].
- ^ 14.0 14.1 IARC. Bitumens and Bitumen Emissions, and Some N- and S-Heterocyclic Polycyclic Aromatic Hydrocarbons 103. 法國里昂: 國際癌症研究機構. 2013. ISBN 978-92-832-1326-0.
- ^ Cavallari, J. M.; Zwack, L. M.; Lange, C. R.; Herrick, R. F.; Mcclean, M. D. Temperature-Dependent Emission Concentrations of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Paving and Built-Up Roofing Asphalts. Annals of Occupational Hygiene. 2012, 56 (2): 148–160. ISSN 0003-4878. PMID 22267131. doi:10.1093/annhyg/mer107
.
- ^ Asphalt adds to air pollution, especially on hot, sunny days. phys.org. [2020年10月11日] （英語）.
- ^ Khare, Peeyush; Machesky, Jo; Soto, Ricardo; He, Megan; Presto, Albert A.; Gentner, Drew R. Asphalt-related emissions are a major missing nontraditional source of secondary organic aerosol precursors. Science Advances. 2020年9月1日, 6 (36): eabb9785. Bibcode:2020SciA....6.9785K. ISSN 2375-2548. PMC 7467703 . PMID 32917599. doi:10.1126/sciadv.abb9785 （英語）.
- ^ ETtoday新聞雲. 用瀝青除豬毛！「加工滷味吞下肚」撈240萬 黑心夫妻下場曝. ETtoday新聞雲. 2022-02-15 [2025-06-06] （中文）.
- ^ 自由時報. 瀝青含重金屬 引發致癌風險. 2018-02-03 [2025-06-06] （中文）.
- ^ Nadkarni, Dr. K. M. Nadkarni, A. K. , 編. Indian Materia Medica 2. Popular Prakashan. 1994年: 23–32. ISBN 81-7154-143-7.
參見
[編輯]延伸閱讀
[編輯]- 黃學潤, 譚曉彤, 吳美松, 林遠航, 鄭宇霞. 皇后山邨食水黑點｜《香港01》委託浸大驗黑粒 證與瀝青高度吻合. 香港01. 2025-06-05 [2025-06-05] （中文（香港））.
……致癌風險……喺水管內慢慢浸，個風險會提高……
- 皇后山邨水質｜食水夾雜黑點屬瀝青 K Kwong拆解瀝青入水致癌風險 把水煲滾可除污染物？，星島頭條
- 瀝青，中國疾病預防控制中心
- 吸瀝青毒煙 鋪路工臨高危（2015）
- 道路建造中產生的瀝青煙對健康的不良影響（PDF）：上／下；職業安全健康局
