沥青材料的粘度与粘附性研究

目录
第一章绪论 (1)
§1-1 沥青材料概述 (1)
§1-2 沥青材料的粘性与粘附性 (3)
§1-3 沥青粘度与粘附性的研究现状 (6)
§1-4 关于本课题研究 (9)
第二章沥青与集料粘附性的评价方法 (10)
§2-1 沥青与集料粘附性基本理论 (10)
§2-2 影响沥青与集料粘附性的因素 (13)
§2-3 沥青与集料粘附性的评价方法 (15)
第三章试验材料基本分析 (21)
§3-1 沥青材料试验分析 (22)
§3-2 集料性质试验分析 (24)
§3-3 水煮法粘附性试验 (25)
第四章沥青的粘度试验分析 (28)
§4-1 试验原理 (28)
§4-2 Brookfield粘度试验设备与规程 (32)
§4-3 Brookfield粘度试验结果 (34)
第五章沥青的组分试验分析 (39)
§5-1 沥青的组分分析概述 (39)
§5-2 沥青的四组分试验设备与规程 (44)
§5-3 沥青的化学组分试验结果 (47)
第六章试验结果分析 (51)
§6-1 沥青的粘度与粘附性试验结果分析 (51)
§6-2 沥青的化学组分与粘附性试验结果分析 (56)
§6-3 对沥青粘附性的认识 (62)
第七章结论与建议 (65)
参考文献 (67)
致谢 (69)
第一章绪论
§1－1 沥青材料概述
沥青作为一种非常重要的土工材料，被广泛应用于道路工程和建筑防水工程中。

据历史记载，最早的沥青路面建成于公元前600年前的巴比伦王国，但这种技术不久便失传了。

一直到19世纪，人们才又开始用沥青来筑路。

1833年，在英国开始进行煤沥青碎石路面铺装；1854年，在巴黎首次用碾压法进行沥青路面铺装；1870年前后在伦敦、华盛顿、纽约等地采用沥青作路面铺装。

时至今日，沥青路面已成为道路路面中占主要地位的路面结构。

在我国已建成的和正在兴建的高速公路中几乎全部都是沥青混凝土路面。

随着公路建设的飞速发展，沥青的需求量也逐年增加。

以1997年我国的公路建设为例，仅新建的1400Km高速公路、3000Km一级公路和1.5万公里二级公路，估计使用了道路沥青达250万吨，其中进口沥青达76万吨，加上其他新建中低级道路和乡镇道路使用的沥青，以及30多万公里已建沥青路面的养护维修用沥青，我国沥青的年使用量已突破400万吨[6]。

从世界范围来看，全世界每年沥青总用量为7500万吨，其中80％用于道路工程，约6000万吨【9】。

沥青作为石油能源的一种重要产品，并非取之不尽、用之不竭的，况且，适合炼制道路沥青的原油更加有限，因此，深入研究道路沥青的性能对合理利用资源有重要意义。

在我国，公路基础设施建设近年来一直呈飞速上升趋势。

1988年10月，我国第一条高速公路沪嘉高速建成通车，到2002年底，仅仅十几年时间，我国高速公路总里程已超过2.5万公里，公路等级不断提高，路网密度不断增大，“五纵七横”的主骨架已经形成，四通八达的公路网日趋完善。

然而，由于建设速度快，技术水平低，经验不成熟，我国的公路出现问题的现象比较普遍。

调查表明【4】，通车仅2～3年的个别高速公路的沥青路面就出现大面积破坏；某高速公路通车仅9个月，沥青路面就出现破坏现象，不到一年，由于大面积破坏严重，不得不把原沥青面层铣刨重新铺面层。

沥青路面的早期破坏，如水损害、辙槽、泛油、裂缝、抗滑性下降、平整度较快变差等日益成为专业人士关注的重点。

新建
高速公路产生早期损坏的原因，除了设计、施工方面的原因外，材料的合理选择是很重要的因素之一，路面的早期水损害就与沥青的粘附性密切相关。

沥青与集料的粘附性取决于沥青、集料各自的性质以及它们之间相互作用的程度。

粘附性的好坏直接影响着沥青路面的使用质量和耐久性。

选择粘附性良好的沥青与集料成型沥青混合料可以明显避免沥青路面的早期破坏现象。

所以，深入研究沥青与集料的粘附性对沥青路面的使用有重大的现实意义。

沥青材料是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属（氧、硫、氮）的衍生物所组成的混合物。

沥青按照它在自然界中获得方式的不同可分为许多种类，如天然沥青、石油沥青、煤沥青、木沥青、页岩沥青等。

道路工程中常用的是石油沥青、煤沥青和天然湖沥青。

石油沥青是石油经各种炼制工艺的加工而得到的沥青产品。

它的组成主要是碳（80％～87％）、氢（10％～15％），其次是非烃元素，如氧、硫、氮等（<3％）。

此外，还含有一些微量元素，如镍、钒、铁、锰、钙、镁、钠等，但含量都很少，约为几个至几十个ppm(百万分之一)。

石油沥青按其原油基属不同可分为：石蜡基沥青、中间基沥青和环烷基沥青。

道路沥青最好选用环烷基原油炼制，其次为中间基原油，最好不用石蜡基原油，因为石蜡含量的存在将给沥青的路用性能带来不良的影响。

石油沥青的性质不仅与原油产地有关，而且与石油沥青的生产工艺关系密切。

目前，国内外生产沥青的主要工艺方法有：蒸馏法、氧化法、半氧化法、溶剂脱沥青法和调和法等。

制造方法不同，沥青的性状就有很大差别。

用石蜡基原油通过现代加工工艺也能生产出优质的道路沥青【5】。

煤沥青是由煤干馏的产品——煤焦油再加工而获得的。

根据煤干馏的温度不同而分为：高温煤焦油（700℃以上）和低温煤焦油（450℃～700℃）两类。

路用煤沥青主要是由练焦或制造煤气得到的高温煤焦油加工而得。

以高温焦油为原料可获得数量较多且质量较佳的煤沥青，而低温煤焦油则相反，获得的煤沥青数量较少，且往往质量亦不稳定。

煤沥青的元素组成与石油沥青相近，但“碳氢比”较石油沥青大得多。

从技术性质上与石油沥青相比，煤沥青的温度稳定性较低，与矿质集料的粘附性较好，但耐久性较差。

天然沥青是当原油通过岩石裂缝渗透到地表后并长期暴露在大气中时，其中所含轻质部分蒸发而残留物经氧化后形成的。

一般存在于岩石裂缝中、地面上或
形成湖泊。

天然沥青最出名的产地在中美洲的特立尼达湖。

天然湖沥青针入度低，经稀释后可用于铺路，掺加到普通的石油沥青中对于改善其高温性能有较好的作用。

用特立尼达湖沥青铺筑的第一条沥青路面是1876年铺筑的在华盛顿D.C的宾夕法尼亚大道。

至今，已有千万吨沥青从特立尼达湖取出，但湖沥青总量并未有减少的迹象。

当材料取出时，深处的地压力推动更多的重残留物到达表层，天然地持续其制作过程。

因此，可以说这是个极重要的能源产地。

随着公路等级的不断提高，对沥青材料的要求也越来越高。

世界各国对于沥青的物理性能、化学结构及试验方法等进行了大量的研究工作。

沥青的评价指标体系也从针入度分级过渡到粘度分级，现在美国的SHRP战略公路研究计划又提出路用性能分级体系。

由此可见，对于沥青宏观指标的研究进展很快，成果不断问世。

而从沥青的微观结构及化学组成上分析沥青的使用性能，至今未取得重大突破。

对几种不同油源和工艺的典型国产沥青进行组分分析，结果显示【5】，相同粘度等级的沥青，由于原油基属的差异，其所含的化学组分不同；以相同原油为原料所生产的沥青，由于工艺条件的不同，其沥青的化学组分亦不同；即便化学组成相近的沥青其技术性质也相差很远。

因此，可以说对沥青的研究还有很广阔的领域有待深入。

综上所述，沥青在现代公路交通中有着举足轻重的地位，开展沥青性能的研究可以提高沥青路面的服务质量，延长它的服务年限，改善现有路面的使用性能，并有利于节约能源、合理利用资源。

§1－2 沥青材料的粘性与粘附性
按照现代沥青路面的建筑工艺，沥青与不同级配组成的矿质集料可以铺筑不同结构类型的沥青路面。

较早的常用路面结构形式有：沥青表面处治、沥青贯入式、沥青碎石及普通的密级配沥青混凝土AC。

随着车辆荷载的不断增加，汽车行驶速度的不断提高，重车和胎压的增大以及车辆交通的渠化，沥青路面表现出抗车辙能力不足和早期破损增多的现象，因此现代交通对沥青路面的性能提出了更高的要求——高温抗车辙能力强、低温抗裂潜力大、水稳定性好、表面平整、抗滑性良好、而且经久耐用。

为适应这一要求，科研工作者不断开发出许多新型的路面结构类型，如：开级配沥青磨耗层OGFC，其表面抗滑性好，且由间断级
配组成的沥青面层孔隙率大，透水性好，可以提高沥青路面的水稳性；起源于德国的沥青马蹄脂碎石路面SMA，采用三多一少（沥青多、矿粉多、粗集料多、细集料少）的结构形式，使沥青面层具有良好的抗车辙能力,耐久性和抗疲劳裂缝的性能较一般的沥青混凝土路面要好；我国开发的抗滑表层AK,应用间断级配增大沥青面层的构造深度,解决了多雨地区沥青路面抗滑性不足的问题。

沥青路面结构类型的变化与发展同时也是沥青材料应用的发展，如何才能发挥好沥青材料的功效将是沥青路面研究的重点。

沥青在沥青混合料中一方面起粘结作用将集料粘结成为一个整体，另一方面沥青的性能在很大程度上决定了沥青路面的服务性能。

表1－1汇总了沥青性能对沥青路面性能的影响程度，由此可见，沥青在沥青混合料中的重要性。

表1－1 沥青材料与沥青路面性能的关系【9】
注：表中★★★表示非常重要，★★表示比较重要，★表示有影响，☆表示几乎无关沥青的技术特性主要包括粘结性、粘附性、延展性、温敏性和耐久性。

沥青的粘结性是指沥青材料在外力作用下，沥青粒子产生相互位移时抵抗变形的性能。

它是与沥青路面力学行为联系最密切的一种性质，通常用粘度（η）来表示。

沥青的粘附性是沥青与其它物质粘附的能力，沥青与集料的粘附好坏直接影响沥青路面的使用质量和耐久性。

沥青的延展性是指当其受到外力的拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力，通常用延度来表示。

沥青的温敏性是指沥青的技术性能如针入度、延度、粘度等随温度而变化的行为，可以集中反映沥青的路用性
能。

沥青的耐久性是指沥青在大气、光照、水、荷载等环境因素的作用下能够满足使用性能的时间长短，也称之为沥青的抗老化性能，它关系到沥青路面的服务质量和服务期限。

沥青的这五大技术性能是相辅相成的，本论文主要探讨沥青的粘结性和粘附性，当然它们也离不开沥青的延展性、温敏性和耐久性的影响。

沥青是由多种复杂的碳氢化合物形成的胶体，其粘度随温度的不同而发生明显的变化。

当被加热熔融至200℃时，沥青粘度小至10－1Pa²s数量级，同水差不多；而冬天处于严寒状态下的沥青近于固体，粘度可高达1011Pa²s。

对于路用沥青，粘度随温度而变化的关系是极其重要的性能。

由沥青的粘温曲线可以分析它的高低温性能。

目前，工程上比较重视的是60℃和135℃两个温度条件下的粘度。

60℃恰好是我国夏季沥青路面的平均温度，测定60℃粘度可真实地反映路面的实际使用情况。

粘度大的沥青在荷载作用下产生较小的剪切变形，弹性恢复性能好，残留的永久性塑性变形小，抗车辙能力强。

我国现在通用的沥青指标采用针入度分级，用当量软化点T
表示沥青高温性能的相对好坏。

然而，针入
800
度相同的沥青，其粘度会有很大不同。

因此，美国、澳大利亚等国已开始采用60℃粘度作用沥青的分级指标。

135℃粘度是为了保证沥青混合料的拌和及施工和易性而提出的，规范要求沥青的135℃粘度不大于3Pa²s。

另外，沥青与集料通常在163℃的高温下拌和，美国SHRP计划提出测定沥青135℃和165℃的Brookfield旋转粘度，再综合确定沥青与集料的拌和温度。

沥青与集料拌和的过程就是沥青逐渐“浸润”集料表面并裹覆其上的过程。

拌和时的沥青有一定的流动性才能在短时间内浸润集料表面，而且粘度越大，所需的浸润时间越长。

为保证沥青与集料的良好粘附，形成高强度的沥青混合料，需根据实际情况确定沥青的拌和温度。

在公路工程中，沥青的粘附性是指沥青与集料的粘附能力，粘附作用是沥青混合料结构和强度形成的先决条件。

粘附性的好坏直接影响着沥青路面的使用质量和耐久性。

两种物质之间的相互作用从微观角度来讲是两种物质界面上不同分子之间的吸引或排斥作用，沥青与集料之间的相互作用也是如此。

有资料显示【6】，吸附是沥青与集料粘附的本质。

所以，深入研究沥青与集料界面上的相互作用是解决粘附问题的关键。

沥青路面在外界环境（水和荷载）的作用下，沥青与集料之间会逐渐丧失粘附能力而使沥青从集料表面剥落的现象称为水损害。

调查发现
【4】，我国使用一年以上的高速公路，基本上都出现了不同程度的水损害。

开展对沥青与集料粘附性的研究是防治水损害发生的主要途径之一。

综上所述，沥青的粘度和粘附性是影响沥青混合料路用性能的重要因素。

目前，有关沥青的粘度和粘附性各自的研究成果很多，但它们之间相关性的研究却很少。

通常认为，沥青的粘度越大，与集料的粘附性越好。

本论文即针对沥青的这两大技术指标提出论题。

§1－3 沥青粘度与粘附性的研究现状
目前国内外对于沥青粘附性的研究主要有以下几个方面：
（1）对沥青与集料评价方法的研究。

目前，国际上还没有统一的测定沥青与集料粘附性的试验方法。

最常用的是水煮试验法，即用沥青裹覆集料，经水煮后观察沥青从集料表面剥离的程度评价粘附性。

该方法简单易行，结果直观，应用较广泛。

日本道路公团提出了一种动态振荡剥离试验，考虑水浸的同时，还考虑了汽车荷载的影响。

该方法采用硅质石料和石灰岩各半，组成60g石料，用4％～8％的沥青充分拌和，使集料表面充分裹覆沥青，在60℃烘箱中保存15h，再次加热拌和，取50g放入瓶子里，冷却至室温后注入蒸馏水，然后将瓶子挂在振荡式试验机的恒温水槽中，在25℃条件下以60次/min的频率振荡15min，取出集料观察表面沥青膜的剥离状况。

如果在此条件下的试验看不出剥离，可以将恒温水槽的水温升高到39℃或49℃，继续以120次/min的频率振荡15min，再观察，以剥离5％为优，5％～25％为良，25％～50％为差，大于50％为劣。

动态振荡式剥离试验可以很好地模拟沥青路面在汽车荷载的作用下，沥青从集料表面剥离的过程，与水煮法相比，动态振荡的试验条件更加接近路面的实际状况。

与此相似，德国ScanRoad R & D公司也开发了一种动态冲刷水煮法试验。

将裹覆有沥青的集料置于装有100ml蒸馏水的玻璃瓶中，在保温状态下旋转玻璃瓶24h，观察集料表面剥落的面积百分数。

德国还提出了测定粘附极限粘度的半定量方法【18】。

该方法是通过每隔24h有规律地升温确定结合料开始从石料中分离地温度，通过测定所用结合料的粘度求出在已确定的分离温度下的相应粘度并列入所谓的粘附极限粘度值。

美国的SHRP计划提出的搅动水净吸附法，用于定量地描述沥青在矿料表面的吸附和剥落情况。

由此可以看出，对沥青与集料粘附性
评价方法的研究从估测到半定量、定量的研究趋势。

（2）对改善沥青与集料粘附性方法的研究。

众所周知，石灰岩与沥青的粘附性好，但它的软质矿物含量高，耐磨性差，不能适用于沥青路面表面层抗滑及耐磨耗的需要。

相反，花岗岩、砂岩、石英岩等岩石，石质坚硬、致密、耐磨性强，能充分发挥集料之间的嵌挤作用，但它与沥青粘附性差，容易在水分的作用下造成沥青膜的剥落，很快导致沥青路面的掉粒、松散、坑槽等水损害破坏。

因此，提高沥青与集料的抗剥离性能，是长久以来道路和沥青制造部门共同研究的课题。

目前常用的改善粘附性的措施有：①用干燥的磨细消石灰粉或生石灰粉、水泥作为填料的一部分，其用量宜为矿料总量的1％～2％。

②在沥青中掺加抗剥落剂。

③将粗集料用石灰浆处理后使用。

其中，用消石灰作为填料改善沥青与集料的粘附性效果明显、价格便宜、施工简单，在国内外得到普遍认同；在沥青中掺加抗剥落剂也是在工程上普遍使用的一种方法。

抗剥落剂是一种表面活性剂，它通过亲油基与沥青结合，亲水基与集料结合，使沥青与集料的粘附性得以提高。

但现在市场上的抗剥落剂绝大部分是从高级脂肪酸衍生出来的长链的胺类化合物，实践证明，此类抗剥落剂中有许多产品的受热稳定性差，在高温状态下会失去功效，导致沥青路面的耐久性差。

因此，选择长效优质的抗剥落剂是沥青路面工程建设的重要保证。

（3）对影响沥青与集料粘附性因素的研究。

沥青与集料的相互作用是一个复杂的物理化学过程，集料、沥青、沥青混合料及环境条件都对粘附性的好坏起着不可忽视的作用。

集料的性质中对粘附性影响较大的是集料的化学成分。

在沥青路面的应用上，以硅、铝为主要成分的集料亲水、憎油，称为酸性集料；以锰、镁为主要成分的集料憎水、亲油，称为碱性集料。

我国“八五”科技攻关专题建议以集料碱值为标准，将集料划分为良好、合格、不合格、极差四个等级，如表1－2所示。

并提出了测定石料碱值的标准方法，见《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052－2000）“石料碱值试验”（T 0328－2000）。

表1－2集料粘附性评价标准【6】
沥青的性质对粘附性也有重要影响。

在《沥青与集料界面粘附性研究》【10】一文中，作者分析了沥青的酸值、沥青的电性能、沥青与集料的接触角、沥青的表面张力、沥青的蜡含量及沥青粘度对粘附性的影响，并应用灰关联分析对影响粘附性的沥青因素进行排序，认为沥青的酸值影响最大，其次为沥青的粘度、表面张力和含蜡量。

沥青的酸值反应了沥青中的表面活性成分的多少，酸值越大的沥青与碱值越大的集料粘附性越好。

沥青的粘度是与沥青路面力学行为联系最密切的一种性质。

它影响着沥青混合料的强度、高温稳定性及水稳定性等路用性能。

“七五”及“八五”国家科技攻关专题对沥青混合料车辙试验动稳定度的影响因素分析后证实，动稳定度DS 与沥青结合料的60℃动力粘度有很好的相关性。

沥青在使用过程中会发生老化，粘度增大，脆性增强。

室内沥青老化试验证实：沥青的粘度随老化时间的延长而增大，相关关系式为：
m
η（1－1）
=
bt
式中：η－沥青粘度；
t－老化时间；
m－老化指数；
b－回归常数。

沥青的老化指数m反应沥青在室内老化试验条件下的老化速度，同时也可反应沥青的抗老化性能。

为了研究沥青的性质，通常测定不同温度、不同剪变率的粘度变化及流变曲线、粘温曲线，用以反映沥青的流变特性及温敏性。

沥青的粘度变化范围很大，所以没有一种仪器可以测定所有温度域的沥青粘度。

因此，科研工作者开发出多种多样的测粘仪器，例如，真空减压毛细管粘度仪、滑板粘度计、Brookfield 旋转粘度计等。

关于各种粘度计的应用条件将在第四章中详细介绍。

沥青的粘度对沥青的粘附性有一定的影响，从而影响沥青的耐久性和水稳性。

许多文献中都有这样的描述：“粘度大的沥青，粘结力大，粘附性好，抵抗水损害的能力较好”【3，5，6】。

但这只是一种定性描述，没有数据支持。

本论文将通过试验证实它们之间是否存在定量关系。

综上所述，沥青的粘度和粘附性是沥青技术性能的两个重要指标，是影响沥青混合料水稳性和耐久性的重要因素。

研究沥青的粘度和粘附性之间的相关性对指导工程实践和完善沥青路面的设计思路、设计理论有重要意义。

§1－4 关于本课题研究
本课题以沥青与集料为研究对象，沥青的动力粘度和粘附性为研究方法，研究沥青粘度与粘附性的相关性。

沥青的动力粘度反映了沥青结合料自身的流动性，我们称之为沥青的粘结力。

沥青与集料的粘附性反映的是沥青与集料的相互吸着作用，从沥青的角度考虑，我们称之为沥青的粘附力。

沥青的粘结力对其粘附力是否有一定的影响和相关性？本课题试图通过多种沥青的粘度与粘附性试验讨论沥青粘结力与粘附力之间的相关关系，结果表明：沥青的粘度与粘附性没有明显的相关关系。

那么，沥青的哪种性质可能会影响沥青的粘附性呢？论文转而对沥青的组分进行了分析，从沥青的化学组成中找寻影响粘附力的决定因素。

具体研究内容有：
（1）测定克拉玛依90＃、中海70＃、中海90＃、日本90＃和辽河110＃五种重交沥青的三大技术指标，通过这些宏观指标评定沥青的技术性能。

（2）测定上述五种沥青80℃～100℃的动力粘度，研究沥青的流变性能。

（3）用水煮法测定上述五种沥青与典型花岗岩、石灰岩的粘附等级，与沥青的动力粘度对照分析，寻求两者之间的相关关系。

（4）用称重法测定上述五种沥青与石灰岩的粘附率，定量评价不同粘度沥青的粘附力。

（5）测定上述五种沥青以及其老化后和改性后的的四组分组成，分析沥青的化学组分对粘附力的影响。

（6）结合“八五”国家科技攻关成果对试验结果进行分析论证。

第二章沥青与集料粘附性的评价方法
§2－1 沥青与集料粘附性基本理论
沥青与集料的粘附是一个复杂的物理－化学过程【3】，目前，有四种理论可用
来解释其粘附机理。

一、力学理论
力学理论认为沥青与集料之间的粘附性主要是由于其间分子力的作用。

集料的表面通常是粗糙和多孔的，从微观角度看是粗糙和高低不平的，这种粗糙增加了集料表面的表面积，使沥青和集料的粘合(界)面积增大，提高了两者之间总的粘结力。

此外，集料的表面存在着各种形状、各种取向与各种大小的孔隙和微裂缝，由于吸附与毛细作用，沥青渗入上述孔隙与裂缝，增加了两者结合的总内表面积，从而提高了总的粘结力。

再者，沥青在高温时以液相渗入骨料孔隙与微裂隙中，当温度降低后，沥青则在孔隙中发生胶凝硬化，这种锲入与锚固作用，增强了沥青与集料之间的机械结合力。

也就是说，在沥青与集料的粘附过程中，机械力是一种普遍存在的结合力。

但是沥青与集料的结合过程是一个十分复杂的过程，仅仅认为其间只有机械结合力，就把问题看得过于简单了。

二、化学反应理论
化学反应理论认为，沥青与集料之间的粘附性主要来源于沥青与集料表面发生化学反应。

石油沥青中含有大量的酸性及碱性化合物，用离子交换分离技术测定的石油沥青中的酸性组分高于碱性组分，即石油沥青是呈酸性的。

碱性集料如石灰岩表面存在碱性活性中心，容易与沥青中的酸性成分发生化学反应，生成不溶于水的化合物，故粘附性好。

而酸性集料如花岗岩表面缺乏这种碱性活性中心，故较少发生化学反应，沥青与集料之间只有机械力的作用，所以粘附性差。

三、表面能理论
表面能理论认为，沥青与集料之间的粘附性是由于能量作用原理即沥青润湿集料表面而形成的。

位于固体或液体表面的质点，一面受到处于固体或液体内部质点引力的作用，另一面与空气接触，而气体分子对其表面的作用力非常小，与内部质点的作用力不相平衡，所以固体或液体表面都具有一定的自由能，液体润湿固体表面的过程也是固液体系的表面自由能减小的过程。

液体完全浸润固体表面是形成高粘结强度的必要条件。

液体对固体的浸润有如图2－1所示三种情况：。