沥青材料的粘度与粘附性研究

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；18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

沥青路面 高温抗车辙性能 低温抗裂性能 抗疲劳性能 耐久性 水稳定性 抗老化性 表面服务功能 路面透水性 行车舒适性能 施工性能 【9】

沥青胶结料 ★★ ★★★ ★★★ ★ ★★★ ★ ★★ ☆ ★★ 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T800表示沥青高温性能的相对好坏。然而，针入度相同的沥青，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碱值 等级标准 <0.8 良好 0.7～0.8 合格 【6】

<0.6 级差 0.6～0.7 不合格

【10】

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》

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：

btm （1－1）

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

【3，5，6】水损害的能力较好”。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：

(a) (b) (c) 图2－1 液体对固体的浸润

1．有浸润固体表面并扩展到整个表面的倾向（图2－1a）； 2．液体浸润固体表面并有一定的扩展（图2－1b）；

3．液体有离开固体自我收缩的倾向，液体不能润湿固体表面（图2－1c）。 根据经典的润湿理论，当集料表面处于潮湿状态时，沥青要能粘附在集料表面，可应用沥青－集料－水三相体系平衡来描述。

设集料－沥青的界面张力为γ面张力为γ

bw

bs

，集料－水的界面张力为γ

sw

，沥青－水的界

。对于集料表面的某一平面处（图2－2），当沥青将要被水取代，

沥青在集料表面成球状接触时，三种界面张力处于平衡状态，即：

图2－2 石料表面沥青被水剥离

γ

bs

＋γ

bw

cosθ-γ

sw

sw

=0

bw

cosθ=(γ-γ

bs

)/ γ (2－1)

因此，若θ=180℃,则cosθ=-1,于是表面不被润湿；当θ＝0℃，cosθ＝＋1，则表面完全润湿；当θ<90℃，γ

sw

>γ

bs

,集料表面被水润湿的程度比沥青润

湿的要好，所以集料表面的沥青容易被水剥离；当θ>90℃，集料表面的沥青不易被水剥离。

四、分子定向理论

分子定向理论认为，沥青与集料之间的粘附性是由于沥青中的表面活性物质

对集料表面的定向吸附而形成的。

表面活性物质的分子是由极性基和非极性基组成的不对称结构，极性基带有偶极矩，故能表现出力场。沥青的活性部分可能会有下列元素，如－OH、-COOH、-NH2等，那么沥青可视为表面活性物质在非极性化合物中的溶液，根据所含表面活性物质数量的不同而具有不同的活性。沥青粘附在集料表面后，沥青在石料表面首先发生极性分子定向排列而形成吸附层，与此同时，在极性力场中的非极性分子，由于得到极性的感应而获得额外的定向能力，从而构成致密的表面吸附层。因此认为，沥青的极性是粘附的本性，是导致集料吸附沥青的根本原因。由于水是极性分子且含有氢键，比沥青的极性大的多，因此水分子易于从集料表面挤走被吸附的沥青分子而与集料的表面活性中心发生吸附。

以上四种理论，从不同的角度对沥青与集料的粘附机理予于解释，每一理论都有其独特之处，又相互关联。沥青和集料都是组成和结构都极其复杂的混合物，所以单一的某个理论并不能完全解释清楚沥青与集料之间的粘附过程。力学理论偏重于沥青与集料的物理作用过程，根据这一理论可以推断出，表面粗糙、微孔隙较多的集料容易吸附沥青，形成稳定的混合料结构。但是对比石灰岩与花岗岩的表面特征会发现：石灰岩表面大多致密，花岗岩表面粗糙多孔，然而对于同种沥青石灰岩与之的粘附性比花岗岩要好。由此可见，物理作用在粘附过程中并不占重要地位。化学反应理论侧重于沥青与集料界面上发生的化学反应。沥青分子与集料分子以化学键相结合，键力较强，不易被水分子破坏。沥青与集料发生的化学反应多种多样，生成物也复杂多变，难以准确界定，只能进行理论推断及定性的描述。表面能理论是从能量的角度描述沥青－集料的粘附作用过程。它能很好的解释水使沥青从集料表面剥离的过程，并使这一过程定量化：通过测定沥青与集料之间的接触角来评定粘附性能的好坏。原西安公路交通大学采用毛细管柱法测定沥青－甲苯溶液及水对集料的润湿角，结果见表2－1。集料与沥青及水的接触角的差值越小则粘附性能越好。分子定向理论侧重于从沥青与集料所带的表面电荷角度解释问题。带电表面有相互吸引或排斥的作用，作用力的大小要看表面电荷的多少。用电渗仪测定集料的表面电荷，可以定量评价不同集料与同种沥青的粘附能力。

表2－1 集料与沥青－甲苯溶液及水接触角测定结果

【6】

石料品种 矿料与沥青—甲苯溶液的接触角（°） 矿料与水的接触角（°） 矿料与沥青及水的接触角（°） 石灰岩 14 9.7 4.3 安山岩 13.5 8.6 4.9 玄武岩 15 8.7 6.3 片麻岩 18 5.5 12.5 花岗岩 19 5.5 13.5

综上所述，四种理论各有所长，从不同的角度提出了研究沥青－集料体系粘附性的方法。同时，这四种理论又是相互关联的。无论力学理论、化学反应理论，还是分子定向理论都是从沥青分子与集料分子之间的相互作用着手的，这种固体表面和与它接触的液态物质分子的粘结和吸着现象称为吸附。吸附作用分为物理吸附和化学吸附两种形态。当吸附物质与被吸附物质之间仅有分子力（即范德华力）作用时，产生物理吸附；当接触的界面形成化合物时，则产生化学吸附。在引力作用下发生物理吸附作用，会在集料表面形成沥青的定向层，此时被吸附的沥青不会发生任何化学变化；在化学吸附的情况下，沥青与集料表面的矿物质发生化学反应。化学吸附作用仅触及被吸附物质的一层分子，而物理吸附实际上可能形成几个分子厚度的吸附层。但是发生化学吸附时，沥青与集料的粘结较为牢固。当碳酸岩或碱性岩石与含有足够数量酸性表面活性物质的沥青粘结时，会发生化学吸附过程，在沥青与集料的接触面上形成不溶于水的化合物，使集料表面形成的沥青层具有较高的抗水害能力。而沥青与酸性石料粘结时只发生物理吸附，所以易被水剥离。因此，可以说吸附作用是沥青与集料粘附的本质。在对沥青－集料体系的粘附性进行研究时，需把这些理论综合起来应用才能相得益彰。

§2－2 影响沥青与集料粘附性的因素

影响沥青与集料粘附性的因素可归纳为沥青、集料等内因及水、荷载等外因。见表2－2。

一、集料的性质

集料是由矿物质组成的，而每种矿物均有其独特的化学性质和晶体结构。对 于剥落而言，关键是集料对水的吸附能力的大小，亲水性集料对水的吸附能力比沥青大，而憎水性集料恰好相反。我国的《公路沥青路面施工技术规范》对集料的吸水率要求不大于2％。

表2－2 影响沥青与集料粘附性的因素集料性质 矿物成分； 表面构造； 多孔性； 含土量； 耐久性； 表面积； 吸收性； 含水率； 形状； 干燥程度； 风化程度等。 沥青性质 粘度； 流变性； 耐久性； 电荷极性成分； 是否使用抗剥落剂等。 【6】

环境条件 雨量； 湿度； 水的pH值； 盐分； 温度； 温度循环； 交通量设计； 施工质量； 路基路面排水； 地下水位等。 沥青混合料性质 空隙率； 渗透性； 沥青含量； 沥青膜厚度； 填料类型； 矿料级配； 混合料类型等。

集料的表面化学性质、表面积、孔隙大小等均对粘附性有影响。集料表面含有铁、钙、镁、铝等高价阳离子时与沥青产生化学吸附时形成稳定的吸附层；而含有钠、钾等低价阳离子时，与沥青产生化学吸附时形成的吸附层极不稳定，遇水后易被乳化。集料的比表面积大有助于形成牢固的沥青吸附层。

集料表面的洁净程度对集料与沥青的粘附性影响很大，泥土、粉尘将成为粘附沥青的隔离剂，如果遇水，水分湿润泥土，更加容易造成剥落。在我国，集料脏的问题特别严重，一方面是采石厂的覆盖层没有认真清理，混进了土和杂物；另一方面，许多拌和厂的集料堆放场地没有进行硬化处理，就堆放在土地上，装载机很容易将底下的土铲起来混在集料中，污染集料。集料加盖篷顶防雨的要求在大部分拌和厂都没有认真执行，雨后污染集料的问题更加严重，这是影响粘附性的重要原因。

二、沥青的性质

由于炼制沥青的原油品种及炼油工艺的不同，沥青中所含的酸性及碱性化合物也不一样，如果沥青中含有多量的地沥青酸或地沥青酸酐等极性大的组分，则沥青就具有较强的表面活性且呈酸性，易与集料中的碱性矿物形成很强的粘结力。沥青的表面活性大小用沥青酸值来表示，酸值越大，与集料的粘附性越好。 粘度是沥青流变性质的重要指标，粘性大的沥青对于抵抗水的置换要比粘性小的沥青好，这是由于在粘性大的沥青中存在有较多的极性物质，并具有良好的润湿性。沥青的表面张力反映其内部分子之间的作用力的大小，在与集料粘附时，沥

青的表面张力越大，其吸附力越大。沥青是一种相当复杂的高分子化合物，所以在与集料的粘附过程中的作用也非常复杂，单一的物理指标不能全面的描述这种影响，相互之间也存在许多内在的联系，在以后的章节里一一叙述。

三、水及荷载的作用

影响沥青与集料粘附性的因素除了沥青、集料本身的性质等内因外，还包括水和荷载等外因。沥青失去对集料的附着力从粘着的集料表面脱落的过程即所谓沥青混合料的剥离。水及交通荷载的存在是沥青与集料发生粘附性破坏而剥离的先决条件。洁净的集料在干燥条件下与沥青粘附良好，然而水在沥青路面施工过程中，以及在以后的服务期内都是不可避免的。首先，集料在沥青与拌和前可能未被充分干燥，尤其是多孔性石料，水分容易渗透到骨料内部的毛细管中。这些水分在沥青与集料作用的当时可能并不明显，但在以后会慢慢渗出进到沥青与集料的界面之间，使其相互分离。其次，在雨季，尤其是在梅雨季节，尽管雨量不大，但持续时间很长，可能达数月之久。沥青混合料长时间处于水的包围之中，水分就很容易浸润到集料与沥青的界面上，导致沥青膜被水置换，发生剥离。交通荷载的反复作用是加速水损害进程的重要因素。当路面上有水时，汽车的通过会形成一种水力冲刷现象，在轮胎前面的水受轮胎挤压挤入路表面的空隙中，造成水压力，轮胎通过后在轮胎的后方又形成负压，将空隙中的水吸出，这种挤入和吸出的反复循环，便形成了水力冲刷，使集料松散、掉粒、继而成为坑槽而造成路面破坏。破坏的进程与荷载的大小、频率有关。

混合料的类型以及路基路面的结构，尤其是排水设施等都对沥青与集料的粘附性有着重要的影响，在这里不再一一赘述。

§2－3 沥青与集料粘附性的评价方法

一、常用的粘附性评价方法

自二十世纪30年代以来，人们就相继提出了许多评定沥青与集料粘附性的试验方法，最简单直观的就是将沥青裹覆在集料表面，浸入水中，判断沥青从集料表面剥落的数量，从而确定沥青的粘附等级。每一种方法都力求模拟自然和交通荷载条件下产生剥落的过程和剥落破坏的情况。由于剥落形成过程影响因素较多，机理复杂，至今尚没有一种公认的准确的试验方法。国际上通行的试验方法

有：水煮法、水浸法、光电比色法、搅动水净吸附法等,然而各国根据实际情况又各有不同的规定。下面对几种方法简单介绍如下：

（1） 水煮法

水煮法是用粒径大于13.2mm的粗集料，经150℃左右的沥青浸润，取出冷却后在沸水中煮3min，观察碎石表面沥青膜被水移动剥落的程度，分5个等级评定其粘附性。

水煮法的试验方法简单，操作方便，观察碎石表面沥青被沸水剥落的情况比较直观，可以较快地确定沥青对集料的粘附性，因而目前无论在研究工作中还是在工程实践中，使用都比较广泛。但由于该方法评定结果受到人为因素的影响，带有一定的经验性。

（2） 水浸法

水浸法是选用粒径介于9.5～13.2mm的粗集料20颗，用沥青拌合成混合料，浸泡在80℃的恒温水槽中30min，然后评定沥青膜剥落面积百分率。原西安公路交通大学在“八五”国家科技攻关课题研究时，制作了一套不同剥落率的样本照片，评定粘附性等级时可对照照片进行，一定程度上避免了人为因素的影响。

（3） 光电比色法

由于水煮法和水浸法都是半定量的测定方法，不能得出确切的沥青膜剥落率数值，因此光电比色法被作为剥落率的定量测定方法被提出。试验通常采用721型光电分光光度计测定，染色液采用0.01g/L的酚藏红花生物染料溶液。它的基本原理是基于物质在光的激发下，对光波长的选择性吸收，而有各自的吸收光带，当以色散后的光谱通过某一溶液时，某些波长的光线会被溶液吸收，在通过溶液的光谱中出现相应的黑暗谱带。根据波尔（Beer）定律，在一定的波长下，溶液中某一种物质的浓度与光的吸收效应存在一定关系，即有色溶液的吸光度与溶液的浓度、液层厚度成正比。光电分光光度计就是将透过溶液的光线通过光电转换器将光能转换为电能，从指示器上读出相应的吸光度，根据事先标定的标准曲线，即可推算出溶液的浓度。试验时，用规定数量的沥青混合料样品在已知浓度的染料水溶液中，于60℃浸置2h后，因水浸而使沥青膜剥落，裸露的石料表面将吸附染料，使水溶液中染料浓度下降。染料浓度的变化用分光光度计测定，从而准确推算出沥青与集料的粘附性。

（4） 搅动水净吸附法

该方法是美国SHRP计划推出的定量测定沥青与集料粘附性的方法。它是基 于矿料表面对沥青有吸附作用，以及遇水后对沥青膜的置换作用，即水使沥青膜剥落的特性，将一定粒级的集料放在沥青－甲苯溶液中一段时间进行循环回流，则会有一部分沥青吸附到集料表面，之后，向沥青－甲苯溶液中加入一定量的水，让水对吸附在集料表面的沥青进行置换。这一系列过程便会使沥青－甲苯溶液中沥青的浓度发生改变，利用光电分光光度计测定溶液的吸光度，即可计算出集料对沥青的吸附剂量、加水后沥青的剥落量，以及计算出自集料表面剥落的沥青剥落率或吸附率。

二、间接的粘附性评价方法

以上介绍的都是直接评定沥青与集料粘附性的方法，除此之外采用沥青混合料水稳定性的评价方法也可间接评价沥青与集料的粘附性。沥青混合料在浸水条件下，由于沥青与集料的粘附力降低，导致损坏，最终表现为混合料的整体力学强度降低，因此，沥青混合料的水稳定性最终是由浸水条件下沥青混合料物理力学性能降低的程度来表征的。目前国内外水稳定性试验的评价方法多种多样，试验条件各异，评价指标也不相同，但大致可分为两类：一是静荷载试验，二是动荷载试验。

静荷载试验如浸水马歇尔试验、冻融后劈裂强度试验、浸水劈裂强度试验、浸水抗压强度试验，通过浸水前后试件的抗压强度、劈裂强度之比来评价水造成的损失。如常用的浸水马歇尔试验，用浸水前后的马歇尔稳定度之比评价；美国AASHTO T283规定的洛特曼（Lottman）试验将试件进行真空饱水或冻融循环，测定试验前后的劈裂抗拉强度或者回弹模量比评价；Tunnicliff、Root等人在总结Lottman法的不足的基础上改进了试验的试验条件，提出了Tunnicliff－Root法，通过试验前后的间接抗拉强度比评价水稳性。在本课题的第一阶段研究中【11】提出了用沥青与石料之间的抗剪强度来评价沥青与石料之间的剪切粘附性，并作出这样一个假设：剪切破坏不是发生在沥青膜内部，而是发生在沥青和石料剪切的界面层上。因此，剪切粘附试验中剪切强度的大小，即可反应沥青与石料间粘附性的大小。剪切试验结果与水煮试验结果之间有良好的相符性，并达到了定量分析的目的。

动荷载试验如浸水车辙试验及浸水环道试验，力求模拟汽车行驶状态下路面的受损状态。浸水车辙试验试件尺寸300mm³300mm³50mm，按试验规程的标准方法用轮碾法成型。试件在25℃水中浸泡20min，然后在0.09MPa浸水抽真空15min，再放到-18℃冰箱中放置16h，而后放在40℃水中融化4h后进行浸水车辙试验，碾压速度42次/min，碾压4000次后测定其剥落率。浸水环道试验比浸水车辙试验的规模要大，但更接近实际状态，用达到剥落指数破坏的次数作为评价指标。

三、上述方法的优缺点比较

上述评价粘附性的试验方法，不论直接还是间接，都各有优缺点，应根据实际情况选用。

水煮法试验简单易行，用于鉴别粗集料与沥青的粘附性时比较直观，在工程及科研中应用都很广泛。但水煮试验样品少，试验条件不甚严格，且分级较粗，人为因素影响较大。

水浸法试验样品较多，可以避免以偏概全错误的发生，而且水浸法有标准的剥落率图对照评定，可以减少人为因素的影响。试验过程较水煮法复杂一些，但结果更可靠一些。

光电比色法通过酚藏红花溶液浓度的改变确定剥落率，使沥青与集料的粘附率定量化，可用于确定抗剥落剂的最佳添加量【25】，克服了水煮和水浸法分级较粗的缺点，适用于科学研究中。有资料显示【6】，光电比色法的测定结果对不同石料的差别较小，剥落率普遍偏大，这可能是光电比色法不仅记入了沥青膜剥落影响的溶液浓度，也包括了从沥青膜上溶解但并未剥落的沥青对溶液浓度的影响。

搅动水净吸附法较光电比色法有很大改进，它不再使用染料示踪，直接用沥青－甲苯溶液的浓度改变量计算沥青在集料表面的吸附和剥落，试验结果与实际情况较相符

【6】

，用于定量研究沥青与集料的粘附性更加可靠。但它的技术难度较

大，试验仪器设备方面目前还不可能全面推广，现在多在科研项目中使用。

浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验等混合料的水稳性试验通过浸水、冻融循环等环境条件的改变来模拟沥青路面的实际工作状况，加速成型混合料的破坏进程，可以反应沥青路面在较长的服务期内沥青与集料的性质。但混合料试验在成型试件时很难统一，空隙率和饱水率较难控制，而沥青混合料的水稳性与进入试

件中的水量关系很大，因此有些数据的离散性较大。而且通过混合料的试验评定粘附性扩大了试验的影响因素，如果要确定单一因素如沥青的粘度、某一组分对粘附性的影响难以达到目的。 四、本论文采用的粘附性评定方法

本论文通过对比不同的试验方法，并结合实际的试验条件和工程实际选用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052－2000）“沥青与粗集料的粘附性试验”（T 0616－1993）中的水煮法作为评定方法。试验步骤与规范相同，试验时应注意以下几点：

1、进行水煮试验时，首先应选择具有代表性的5个集料，规范要求“粒径 13.2～19mm形状接近立方体的规则集料”。试验时作者发现表面不均匀的集料（某些部分富含矿物质，颜色发亮）水煮时剥落情况与表面均匀的集料有明显差异。所以，在选择代表性集料时要尽量选择表面均匀的颗粒，外观表现为表面颜色一致。

2、控制沥青被加热的温度在150℃左右，保证沥青与加热的集料相接触发生相互作用时沥青的粘度属同一温度下，增加数据的可比性。

3、水煮过程在洁净透明的大玻璃杯中进行，垫石棉网，人为控制水的“微沸”程度相当。为了有个量化的标准，特将“微沸”定义如下【22】：微沸为容器中的液体表面局部区域有滚动，间或有大气泡由容器底部上升至液体表面后破裂的现象。水煮时还不时有沥青从集料表面脱落漂浮在液面上，为避免集料在取出时“脱落物”又粘回去，应及时用报纸将其粘走。

4、水煮3min后关火，并及时在水中观察沥青膜剥落情况，评定等级。如果将裹有沥青的集料取出后再观察，就会使一些聚集成团的沥青又铺展开，造成没有剥落的假相，特别对于花岗岩，水煮3min后，在水中时，只有零星的沥青聚集在集料富含活性物质的点上，几乎没有成片的沥青膜。但一旦从水中取出，沥青又铺展成薄层，似乎没有剥落。

5、对5个集料分别评定等级，求其平均值，取接近的整数作为最后结果。 同时，找有经验的同学一同评定，将人为误差降到最低。

水煮法只能粗略地评定沥青与集料的粘附性，为了将试验结果定量化，作者借鉴太原理工大学刘祖愉【24】等人提出的改进水煮法，即用水煮前后石料表面吸

附沥青的质量差表示粘附性的大小，作者称其为称重水煮法。该方法在其他文献

【14、20、21】

【21】

如《石油沥青抗剥落剂对沥青在石料与钢铁上的粘附影响研究》中也

有应用。试验步骤如下：

1、按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052－2000）（T 0616－1993）规范的水煮法程序准备集料和沥青样品。但是由于称重法测定粘附率数据离散性较大，所以作者将集料的个数增加为10个，选取结果相近的几个求取平均值。

2、用软铁丝将集料在中部系牢，用精度为万分之一的电子天平称重，质量为W1。清洁干净的集料，以及裹覆有沥青的集料不能直接放在天平托盘上称重，因此，自制了称重支架，将集料挂起来称重。

3、按规范的水煮法程序使集料表面裹覆沥青、水煮、观察沥青膜的剥落情况。所不同的是：①裹覆有沥青的集料在水煮前应冷却至室温，大概需静置20min左右（比水煮法静置时间稍长），然后称重，沥青与集料的质量为W2，精确到0.0001g。②因集料裹覆沥青后在室温下放置时间较长，会导致沥青与集料之间粘附性的提高，使不同沥青之间的结果无明显区别。所以，为了能区分不同沥青的差异，作者将水煮时间延长到5min。

4、取10个洁净的100ml玻璃小烧杯，编号并称重，质量记为W3。 5、将水煮过的10个集料颗粒分别置入10个小烧杯，置于120℃的烘箱中 加热除水3h后，移入干燥器冷却1h，称重，质量为W4。

6、沥青与集料的粘附率P可用式（2-2）计算：

PW4W3W1W2W1100% （2－2）

第三章 试验材料基本分析

本论文属于《沥青与石料间的剪切粘附性研究》课题的第二阶段研究，在课题的第一阶段

【11】

中，选择了国产克拉玛依重交90和胜利重交70两种沥青，陕西丰裕口的花岗岩、

＃＃

陕西铜川的石灰岩两种石料。试验时，将石料切割成10cm³5cm³1cm规则石片，将一面抛光，使其粗糙度大致相同。试件形状制成如图3－1所示形状，为两个石片中间夹一薄层沥青，在试验温度下保温，然后用自制的试件拉头夹住石片两端，在MTS实验机上进行剪

切试验，用试件的抗剪强度定量表示沥青与石料的粘附性。

图3－1 沥青与石料剪切粘附性研究中的试件形状

本论文在原材料选择时想沿用课题第一阶段的材料，但找齐这些原材料存在一些困难。胜利炼油厂已不生产重交70沥青，作者只找到重交90沥青，但测定其针入度只达到70

＃

＃

#

标准，可能是沥青发生老化所致。因老化沥青与原沥青在组成上有一定差异，所以未使用该沥青。为了准备石料，作者曾亲往陕西丰裕口地区，但没有找到料场，所以作者放弃了沿用的想法，而根据实际情况选用。

本论文选用的原材料有：克拉玛依90、中海70、中海90、日本90和辽河110五种重交道路沥青，陕西延安的花岗岩、河南焦作的石灰岩两种石料。中海沥青是中国海洋石油总公司（简称中海公司）利用渤海绥中36－1海上原油生产的重交道路沥青。中海公司在辽宁盘锦、山东青岛、江苏泰州、山东滨化设置分厂，统一生成中海36－1品牌沥青，目前，该沥青在我国高速公路上得到了广泛应用。

＃

＃

＃

＃

＃

§3－1 沥青材料试验分析

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对五种沥青进行常规指标测试，包括：15℃、25℃、30℃三个温度下的针入度，软化点和15℃延度。对五种沥青的针入度值进行回归分析，并计算针入度指数PI值、当量软化点T800和当量脆点T1.2，结果见表3－1。

表3－1 沥青技术指标汇总

试验项目 针入度 （5s，100g） 15℃ 25℃ 克拉玛依90 34 84 中海70 23 75 中海90 23 81 日本90 24 80 辽河110 27.8 102.3 （1/10mm) 30℃ 136.7 >150 48.75 0.0401 -0.016 49.27 -21.15 70.42145 123.7 >150 48.5 0.0491 -1.31693 46.27 -11.24 57.51324 129 >150 44.3 0.0506 -1.50142 45.26 -10.55 55.8083 130 >150 47.75 0.0494 -1.347 45.68 -11.48 57.16397 160.7 >150 47.1 0.0516 -1.62011 43.04 -11.68 .72674 延度（15℃，5cm/min） 软化点（环球法）（℃） A（回归常数） PI值 T800(℃) T1.2（℃) 塑性温度范围（℃） 图3－2 针入度温度关系曲线 2.42.22克拉玛依90中海70中海90日本90辽河110lgP1.81.61.401.21520温度（℃）克拉玛依90中海70＃2530-0.5-1中海90日本90辽河110-1.5-2

图3－3 针入度指数PI柱状图

早在1936年，Pfeiffer和J Phand VanDoormaal就通过大量的沥青试验证实，沥青的针入度和温度在半对数坐标中呈直线关系。

LgP＝AT＋K (3-1)

式中：T－不同的试验温度（℃）；

P－相应温度下的针入度（0.1mm）；

A－回归常数，为针入度温度关系直线的斜率，表示了沥青的温敏性；

K－回归常数，为针入度温度关系直线的截距，表示同温度条件下不同沥青的软硬程度。

从图3－2针入度回归直线中可以看出，中海70、中海90、日本90、辽河110四种沥青的针入度温度关系直线几乎平行，同样从表3－1中可以看出这四种沥青的回归常数A值很接近，所以说这四种沥青的温敏性比较接近。而克拉玛依90的针入度回归直线斜率较其他都小，回归常数A比其他沥青都小，说明克拉玛依90的温敏性最好。

把五种沥青的回归常数A进行排序如下：克拉玛依90<中海70<日本90<中海90<辽河110。其中中海90和日本90的温敏性最接近，辽河110最差。

沥青的针入度指数PI值是最常用的描述沥青温敏性的指标

【6】

。 它是由15℃、25℃、

30℃三个温度的针入度经过回归计算求得回归常数A值，再按式3－2计算而得。

PI20500A (3-2)

150A针入度指数PI值是由常温域的针入度变化决定的，而路面使用期间的温度一般在-30℃～＋60℃之间，所以PI值可以很好地说明沥青在这一温度区间的温敏性

【6】

。PI值还

可以反映沥青偏离牛顿流体的程度，当PI<－2时，沥青的温敏性强，同温度条件下更接近牛顿流体的性质（流变指数即复合流动度值高），但在低温时显示明显的脆性特征；当PI>+2时，沥青具有明显的凝胶特征，沥青的耐久性不好，它的低温脆性虽小，但显示较强的荷载速率感应性，与牛顿流体偏离较大，即流变指数往往较小，所以在大变形条件或变形速率很低时，抗裂性能变差，这对温缩裂缝很重要。从五种沥青的针入度指数图（图3－3）中可以看出：克拉玛依90的针入度指数明显大于其他四种，说明该沥青对温度的敏感性最好，高低温性能都很好；其他四种沥青的排序为:中海70>日本90>中海90>辽河110，辽河110沥青针入度指数最小，说明其温敏性最差，与回归常数A的分析结果一致。PI值的大小还可以反应沥青的胶体结构，在第五章中将详细介绍，从五种沥青的PI值可知，它们都属于溶凝胶型结构，均适用于道路工程中。

§3－2 集料性质试验分析

在道路与桥梁的建筑中，各种矿质集料是与结合料（水泥或沥青）组成混合料而使用于

结构物中的。早年的研究认为，矿质集料是一种惰性材料，它在混合料中只起着物理的作用

【9】

。随着近代物化－力学研究的发展，研究认为矿质集料在混合料中与结合料起着复杂的

物理－化学作用，矿质集料的化学性质在很大程度上影响着混合料的物理－力学性质，尤其对保证沥青与集料的良好结合是很重要的。

多数天然集料都是由多种矿物组合而构成的。在集料中发现的最重要的矿物为二氧化硅（石英）、长石（正长石、斜长石）、铁镁矿物（白云母、蛭石）、碳酸盐矿物（方解石、白云石）和粘土矿物（伊里石、高岭石、蒙脱石）等。对集料进行化学分析可得到集料化学组成，通常根据氧化物给出，典型的集料化学组成见表3－2。从表中可以看出，石灰岩和花岗岩在化学组成上最大的不同在于：石灰岩含有氧化钙成分高，二氧化硅含量少；而花岗岩二氧化硅含量很高，氧化钙含量很低。按克罗斯的分类方法

【5】

，岩石化学组成中二氧化

硅含量大于65％的集料称为酸性集料；含有二氧化硅为52％～65％的集料称为中性集料；二氧化硅含量小于52%的集料为碱性集料。

表3－2 典型集料的化学组成（％） 集料 石灰岩 花岗岩

本论文所选用的集料分别为陕西延安的花岗岩，河南焦作的石灰岩。在长安大学应用化学与分析测试中心测定两种石料的SiO2含量，陕西延安的花岗岩为72.3％，河南焦作的石灰岩为25.6％，分别为酸性集料和碱性集料。

用肉眼观察可以发现陕西延安的花岗岩和河南焦作的石灰岩不同的表面特征：石灰石表面致密均匀，颜色一致，较光滑，属于微晶结构；花岗岩表面粗糙不平，属巨晶结构，且不均匀含有石英矿物，表面部分点亮晶晶的。集料在环境因素的影响下，会发生氧化、水合、风化等变化，使集料表面存在一些有害物质

【27】

【5】

SiO2 1 76.72 CaO 95.57 1.99 Fe2O3 0.27 2.87 Al2O3 0.27 17. MgO 0.06 0.02 MnO 0.06 0.02 SO3 0.01 0.15 ，如，粘土、页岩、淤泥、铁氧化物、石膏、

水溶盐等。因此，在进行粘附性试验时要将集料清洁干净，并使用新破碎的没有被污染集料，以减少集料性质对试验结果的影响。

§3－3 水煮法粘附性试验

本论文采用水煮法来评定沥青与集料的粘附性，试验步骤按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000) “沥青与粗集料的粘附性试验”（T 0616－1993）进行，试验时的注意事项见§2－3，测定结果见表3－2。

表3－2 水煮法测定沥青与集料粘附性等级

石灰岩 花岗岩

从表中数据可以看出，不同沥青与花岗岩的粘附性等级普遍较低，都只有一级，即不管沥青的性质如何，如果集料是亲水憎油的，相互之间的粘附力就较弱；而石灰岩与不同沥青的粘附性等级有差别，克拉玛依90达到最优，中海70、中海90、辽河110良，日本90一般。由此可以说明，集料的性质是决定沥青与集料粘附性好坏的关键因素。而对于同种集料，沥青的性质（粘度、酸值等）以及掺加抗剥落剂后沥青的性质对沥青与集料的粘附性有很大影响。在本组试验中，花岗岩与五种沥青的粘附等级都为一级，这是试样水煮后在烧杯中观察的结果。裹覆有沥青的花岗岩在水煮时沥青发生明显的聚集，以沥青微滴的形式附着在花岗岩表面吸附性较强的点上，水煮3min后根本形不成连续的沥青膜。而从水中取出后，聚集的沥青微滴又铺展开来，能覆盖70％左右的集料表面，造成剥落面积小的假相。

水煮法评定沥青与集料的粘附性等级，人为因素影响较大，曾做过一个试验，让两个沥青专家做同一组沥青与集料的水煮粘附试验，一个评定为5级，一个为3级。所以，作者又做了半定量测定沥青与集料粘附性的试验，水煮称重法，依照§2－3所述试验步骤，测定五种沥青与石灰岩的粘附率，结果见表3－3。

表3－3 水煮称重法测定沥青与石灰岩的粘附率

粘附率 克拉玛依90 92 中海70 90 中海90 86.39

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)(T 0616－1993)给出的评定标准，克拉玛依90和中海70可以评为4级，其余三种评为3级。比水煮法评定的等级低，这是因为，用剥落的重量代表剥落的面积有一定偏差，因为集料表面形成的沥青膜有的厚，有的薄。前苏联的JI.A.列宾捷尔的研究认为，沥青与集料相互作用后，沥青在集料表面产

日本90 87 辽河110 85.43 克拉玛依90 5 1 中海70 4 1 中海90 4 1 日本90 3 1 辽河110 4 1 生化学组分的重新排列，在集料表面形成一层厚度为δ的扩散结构膜，如图3－4所示，在此膜厚度以内的沥青称为结构沥青，此膜以外的沥青称为自由沥青。结构沥青与集料发生相互作用，并使沥青的粘度增大，越是靠近集料表面，其粘度越大；而自由沥青与集料距离较远，没有与集料发生相互作用，仅将分散的集料粘结起来，并保持原来的性质。在水煮试验中，用单颗粒集料裹覆沥青，也会形成结构沥青和自由沥青，自由沥青在水煮时容易脱落，形成水煮前后的质量损失，但可能不会引起集料表面沥青膜的破裂，所以，称重法只能评定沥青与集料相对粘附的好坏。用质量计算沥青的初始吸附量及水煮后的残留沥青量（吸附率）比观察剥落面积更能说明沥青与集料之间的吸附程度即粘附性。但在水煮称重法中，沥青的质量相对于集料的质量而言所占比例极小，因此，试验误差较大。虽然将试验的样品数量增多至10个，数据的离散性还是很大，只能求取比较接近的几个值的平均值作为最终结果。这种试验方法还有待进一步改进，不过，作者认为通过质量反映沥青与集料之间的粘附性是一个很好的思路。

图3－4 自由沥青与结构沥青

第四章 沥青的粘度试验分析

§4-1 试验原理

一、牛顿流体与非牛顿流体

牛顿在1687年提出了关于物质粘性的假设，即牛顿粘性定律：“在其他条件相同的情况下，液体内部层与层之间由于光滑程度不足而产生的阻力与层间相互离开的速度成比例。”如图4－1所示，距离H的两个平行板之间充满粘性液体，在面积为A的移动板上有一个作用力F，使自由平板以相对于固定板的速度V移动，如果这种移动满足下列条件：

图4－1 粘性流动原理

1、液体之间的剪切流动是层流；

2、液体与两平行板之间相互接触，且无相对位移。

则接触移动板的液面流速为v，而固定板表面的液面流速为零。在平板之间 的液体由于液面层之间的内摩擦阻力（即光滑程度不足）的阻碍，越是接近于固定板的液面层流速越小，且呈直线变化。

设距离固定板y处的液层流速为v，则沿y轴方向的速度变化梯度γ:

dvtan dy当H非常小时

v0v HHF A由于力F作用于面积为A的平板上，剪应力

按照牛顿假设，“层与层之间的阻力”即等于克服此阻力的作用力τ，而“层

间相互离开的速度”即速度变化梯度，一般称为剪变率。于是按牛顿粘性定律：

τ＝ηγ (4-1)

或 S=ηD (4-2)

式中：S——剪应力；

D——剪变率；

η——流动物体的粘性常数，即粘度，也称动力粘度。

凡是符合牛顿定律的称为牛顿粘性，这样的液体称为牛顿液体。牛顿定律描述的是液体的一种理想状态，通常的低分子液体如水、硅油（常用作标准粘度液）都属于牛顿流体。

牛顿流体的粘度η是一常数，与速度v无关。所以，牛顿流体的流变方程式S=ηD表示的是一条通过原点的直线，在测定粘度时，变化不同的剪切速率，测定结果不变。这是鉴别是否属于牛顿流体的标志。可是许多物质如沥青在温度不太高时，却并非总是这样，此时的流变曲线将表现出两个特点：

1、引起流体流动的应力与应变速率不成直线关系；

2、在固定应力作用下，应变的变化与时间不成直线关系，即剪切速率在变 化；反之改变应变速率将检测出不同的粘性系数。

这样的流体称为非牛顿流体。石油沥青在高温状态下可看作牛顿流体，而在路面的使用温度时则为非牛顿流体。

二、粘度的测定方法

道路石油沥青在使用温度下（-30℃～60℃）显示的多是非牛顿特性，即粘弹塑性体，其粘性系数并非常数。因此，测定粘度时，通常固定某一个条件（如固定剪应力、或剪变率）测定其条件粘度。此时的剪应力与剪变率之比称为视粘度，或叫表观粘度。沥青在温度高于软化点不多时（一般在70℃以上），其非牛顿性质就完全消失，而转变为牛顿沥青。

我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)根据测定沥青从较低温度到较高温度范围内粘度的需要，对不同类型的粘度计已分别做了规定。例如，为测定沥青60℃粘度分级用的动力粘度，世界上都统一采用真空减压毛细管粘度计（规程 T 0620）；对确定施工温度而测定135℃或更高温度的运动粘度通常采用T 0619的逆流式毛细管方法、T 0623的塞波特粘度计法；对其

他如乳化沥青和煤沥青采用T 0622的恩格拉粘度计法、T 0621的标准粘度计法。美国SHRP计划推出布洛克菲尔德(Brookfield)粘度计法(ASTM•D4402)，可以测定沥青以及改性沥青60℃以上的旋转粘度。该仪器在国内同类产品市场上占有近90％的份额，国内多数大学和公路交通工程研究所及其他单位都使用该仪器测定沥青的动力粘度。我国亦将此法收入沥青与沥青混合料规范，见T 0626。量测沥青粘度的仪器根据测量原理不同可分为以下几类：

1、旋转粘度计，如布洛克菲尔德(Brookfield)型旋转粘度计（T 0626）及没 有列入我国试验规程却很常用的双筒旋转式粘度计、SHRP推出的动态剪切流变仪等。Brookfield和双筒旋转式粘度计常用于测定沥青的高温粘度，通常在软化点以上。动态剪切流变仪通过测定沥青的复数剪切弹性模量G*和相位角δ，用G*cosδ表示沥青的粘性成分。它的测量范围较广，在25℃～82℃范围内都可以应用。

2、毛细管粘度计，如真空减压毛细管粘度计（T 0620）和逆流式毛细管粘 度计（T 0619）等。毛细管法是最基本的测粘方法，不少国家制定了方法标准，如美国ASTM D2171、AASHTO T202、英国IP222、日本JAA－001等。

3、流出型粘度计，如塞波特粘度计（T 0623）、恩格拉粘度计（T 0622）、 道路沥青标准粘度计（T 0621）等，它们都是利用沥青在某一温度下流过某一孔径的孔所需要的时间来测定的，沥青粘度大，流出阻力大，需要的时间多，所以它是一个相对量。这些粘度计由于结构简单，价格便宜，在生产部门被广泛采用。但流出型粘度计在操作时要使流出的沥青全部没入接受瓶的肥皂水中而不能粘在瓶壁上有一定的难度。

4、滑板粘度计，如壳牌石油公司研制的两块平行板之间夹一薄层沥青的滑板粘度计，哈尔滨建筑大学的谭忆秋、张肖宁等人自行研制的三块板式滑板粘度计。滑板粘度计主要用于测量沥青及改性沥青的低温粘度（软化点以下至接近0℃温度范围内均可），并可测定其弹性恢复性能。

5、落柱式粘度计，由R.J.Schmidt和L.E.Santucci于1963年提出，它是利用一个双筒圆柱体，间隙中装入沥青试样，在荷载作用下内筒徐徐落下，使试样与外筒间产生剪切变形，通过荷载与变位的测定求解沥青粘度。落柱式粘度计测粘的温度范围一般为20～40℃。该仪器的缺点是制作试件困难，由于间隙小，注

入试件时容易带入气泡，影响试验结果。

本论文选用布洛克菲尔德旋转粘度计测定沥青的高温粘度（100℃左右），该粘度计操作简便且试验误差小。

三、旋转式粘度计的测粘原理

旋转式粘度计由半径分别为R2和R1的外筒与内筒组成，筒的长度为L，内筒与外筒之间装入沥青试样，固定内筒并以一定的角速度ω旋转外筒，或者固定外筒，以ω旋转内筒，使用测力元件可测得相应于角速度ω的力矩M并做了以下假设：

a） 旋转时两筒之间的流体为层流，而不是紊流；

b）两个筒在长度方向是无限的，筒底的粘性阻力可以不计；

c） 旋转运动过程中，液体内部升温不预考虑，但如果流体较粘稠，测定时间过长，流体内部升温就有影响，剪应力随时间延长而降低。

图4－2 旋转粘度计测粘原理图 则： 剪应力 M2R1L2

剪变率R242(R2R12)

粘度2M(R2R12)2RRL2142 （4－3）

仪器的R1、R2、L均已知，按照选定的转速，则角速度也为已知数，试验时测得不同的旋转力矩M，即可根据仪器的结构常数，按照式4－3计算得流体的粘度。

§4-2 Brookfield粘度试验设备与规程

一、Brookfield粘度计简介

Brookfield粘度计是一种同轴圆柱旋转粘度计，可以测量较大范围内不同 类型沥青的粘度（改性沥青和非改性沥青），以Brookfield DV-Ⅱ型粘度计为例，主要有两部分组成：布鲁克菲尔德粘度计和保温系统,如图4-3所示。

布鲁克菲尔德粘度计有马达、纺锤体、控制键和数字读数器组成。马达通过扭力弹簧驱动纺锤体旋转，扭矩增加时弹簧卷紧，弹簧扭矩用一旋转式传感器量测。

纺锤体类似于竖直的垂球，旋转时受到粘性结合料的阻碍，旋转粘度即为测量浸入一定温度的沥青结合料试样的纺锤体维持其确定的旋转速度所需的扭矩大小。Brookfield粘度计备有多种型号纺锤体，可根据沥青结合料的粘度范围选用。

数字读数器可显示粘度计自动计算的试验温度时的粘度、温度、剪切速率（转速）、纺锤体编号和扭矩百分数。若显示的钮矩百分数超出10％～98％这一范围，则需更换转子。

控制键用于输入试验参数如纺锤体编号，设定旋转速度和马达开关。 保温系统由试样室、热容器和温度控制器组成。试样室是不锈钢或铝质杯状容器；热容器装纳试样室，由用于保持或改变试验温度的电加热器件构成，温度控制器可设置所需的试验温度。

二、试验注意事项

沥青布氏旋转粘度试验依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)T 0625步骤进行，作者对所选的五种沥青测定了其80℃ ～100℃的高温粘度，测定粘度时应注意的事项总结如下：

1、Brookfield粘度计有两个温度显示器：温度控制显示器和粘度计数字读 数器。大多数情况下这两个显示值是不一样的。根据资料和试验显示【16】，在60℃时两个温度显示值相差达1.1℃，在135℃时相差2.5℃。另外，两个温度显示器差值还与环境温度有关。作者在9月份做粘度试验，两个温度显示值相差0.4℃，在一月份相差0.6℃。所以，在做沥青旋转粘度试验时，要用标准温度计的显示值作对比试验，将标准温度计放入加热炉内，以标准温度计的显示值与

温控器显示值作比较（两个温控器都与此比较），确定其差值，以此来修正温控器读数，以保证温度设定的准确性和唯一性。

2、为了试验设备正常运转，粘度计和热容器必须用气泡水准和调平螺丝调到水平，每次试验前都应检查。

3、测定粘度前应先估计测定温度下沥青的粘度，选择适合的转子型号。对 应于每一个转子型号，规范都给出一个适宜的试样用量，并要求：“装入的沥青应浸没转子的筒体，且大约高于转子筒体上部的圆锥面1/8英寸（约3.2mm）。然而作者在试验时发现，按照给定的沥青用量装入盛样筒，转子下落较深，无法判定转子的下落高度。其次，若转子下落较深，使悬挂转子的挂钩正好处于加热炉炉口，导致加热炉的盖子（有的文献称之为定位板【16】）盖不上，致使盛样筒沥青温度不均匀。所以，作者在试验时一般将试样量适当增多，使转子进入沥青中时，可清楚地看到沥青液面的位置，并使挂钩位置稍高于炉口，加上定位板不至于影响转子的转动。当然，试样的多少会影响粘度的测定结果，试样多，会增大转子的旋转阻力，使粘度值偏大，但如果试验时保持同样的水平，则系统误差一致，试验结论仍有可比性。

4、转速的选择影响沥青粘度的测定结果，温度越低，沥青越接近非牛顿体，转速对沥青粘度的影响越大。本课题测定沥青80℃以上温度的粘度，此时的沥青已属牛顿流体，转速对测定结果影响很小。为了误差一致，选择规范试验的20rpm转速。

5、测定沥青不同温度的粘度通常由低到高依次测定。因为加热炉升温较快，而降温缓慢，由低到高可以节省时间。

6、温度是影响沥青粘度的一个决定性因素，所以为保证试验的准确性一定要确保试样温度均衡。因此，对于每一测试温度，均需恒温半小时，在粘度读数稳定的情况下才可读数，以一分钟为间隔记录3个粘度值，求取平均值作为最后结果。

图4－3 Brookfield旋转粘度计示意图

§4-3 Brookfield粘度试验结果

一、Brookfield粘度试验结果

本论文采用Brookfield旋转粘度仪测定了五种沥青80～100℃温度域的动 力粘度，目的是确定沥青在水煮试验温度下的粘度值，同时测定了不同旋转速率下的粘度，结果相差不大，所以认为此时的沥青已属牛顿流体。为了减少系统误差，试验统一采用20rpm的转速，试验结果如表4－1所示：

表4－1 沥青Brookfield旋转粘度（Pa·s）试验结果

克拉玛依90 中海70 中海90 日本90 辽河110 80℃ 12.7 18.45 15.5 15.1 10.3 85℃ 8 11.3 9.675 9.413 6.425 90℃ 5.3 7.2 6.225 6.125 4.1 95℃ 3.525 4.5 4.125 4.1 2.688 100℃ 2.717 3.037 2.737 2.813 1.825

二、粘度试验结果分析

对沥青的粘度试验结果进行回归分析，若按指数形式回归，即粘温关系式为：

AeBT （4－4）

式中：η——粘度，Pa²s；

A，B——回归常数，A表示粘温曲线的位置关系，A越大代表同温度条件下沥青的粘度越大，B代表沥青的粘温变化率，其绝对值越大说明沥青的温敏性越差；

T——温度，℃。

不同沥青的指数回归曲线见图4－4，回归常数A、B和相关系数R分别记为A1、B1及R1，见表4－2。

如果以幂函数形式回归，即粘温关系式为：

AT （4－5）

B式中η、T、A、B意义同上。

不同沥青的幂函数回归曲线见图4－5，回归参数A、B和相关系数R分别记为A2、B2、和R2，见表4－2。

2015粘度（Pa²s）10克拉玛依中海70中海90日本90辽河110508090温度(℃）图4－4 指数形式回归的粘温曲线

100

201510508090温度（℃）

图4－4 幂函数形式回归的粘温曲线

表4－2 沥青粘温曲线回归参数表

克拉玛依90 中海70 中海90 日本90 辽河110 粘度（Pa·s)克拉玛依中海70中海90日本90辽河110100A1 指数 B1 回归 R1 A2 幂函数B2 回归 R2 11347 -0.0851 0.9995 2E＋15 －7.4335 0.9999 25290 -0.0906 0.9993 5E＋16 －8.1236 0.9998 15205 -0.08 0.9995 9E＋15 －7.7487 1 11950 -0.0838 0.9990 3E＋15 －7.5219 0.9999 10273 -0.0867 0.9992 6E＋15 －7.7725 1

对照两种不同形式回归的参数表，五种沥青在高温条件下的温敏性从优到劣排序为：

按指数形式回归：日本90>克拉玛依90>中海90>辽河110>中海70 按幂函数形式回归：克拉玛依90>日本90>中海90>辽河110>中海70 两种回归形式下的温敏性排序大致相同，只是日本90和克拉玛依90有差异。克拉玛依沥青是众所周知的性能良好的沥青，它的高温及低温性能一般都较好。因此，作者认为，幂函数形式的回归与实际情况更为接近。从两种回归形式的相关系数看，幂函数形式普遍大于指数形式，说明在高温域，沥青的粘温曲线遵从幂函数形式。

针入度指数PI值的大小也能表示的沥青的感温性，PI的绝对值越大，说明其对温度比较敏感，温敏性差。从图3－2可得五种沥青的温敏性排序为：

克拉玛依90>中海70>日本90>中海90>辽河110

与幂函数回归的温敏性排序相比有较大的出入，说明沥青在不同的温度域表现的流变特征不同。中海70在常温域的温敏性很好，排在第二位，而在高温域却最差。克拉玛依沥青无论在常温域还是高温域，温敏性都很好。由此可见，沥青的性能变化多端，仅用常温域的针入度对其分级并不能全面反映它的性能。我国的沥青路面病害较多，寿命短，原材料的选择有很大责任。修筑沥青路面时，应根据路面所在地区的气候特点选择恰当的沥青。美国SHRP沥青项目的研究，首先提出了沥青及沥青混合料按气候分级的设想，将沥青及沥青混合料的分级建立在沥青路面使用性能的基础上。在沥青性能分级中，主要考虑的是温度因素，规定每一等级的沥青结合料必须能适应于当地的最高和最低设计温度的要求，并且将空气温度转换为路面温度作为设计温度，使得沥青路面的设计更为合理、科

学。

三、主要结论

1、沥青在高温域的粘温关系遵从幂函数形式：AT，或者是半对数坐标下的直线关系：lgABT。

2、沥青在不同的温度域所表现的性能有较大差别，因此在实际工程中应根据实际的气候条件选择沥青。

B第五章 沥青的组分试验分析

§5－1 沥青的组分分析概述

沥青的化学组成是影响沥青性质的重要因素，长期以来，许多学者致力于研究石油沥青的化学组成，但是，由于沥青组成与结构的复杂性和不确定性，至今没有明确的可指导实践的结论，特别是化学组成与其性质的相关性更有待于研究。沥青的常规指标并不能全面反映沥青的使用性能，例如，沥青的60℃粘度很高，但在高温下依然容易出现车辙；沥青与集料的水煮等级符合规范要求，但水损害现象依然很严重。因此，人们在不断的寻求能准确反映沥青使用性能的沥青结合料标准。美国的SHRP计划开发了体积排出色谱法（SEC）和离子交换色谱法（IEC）将石油沥青分离成相对分子质量大小不同的馏分或酸性分（强酸、弱酸）、碱性分（强碱、弱碱）、中性分和两性分，还进行了大量的核磁共振试验。但是，无论仪器多先进、试验方法多科学，也很难把大量不同沥青品种的结果统一到一起，所以SHRP终究没有得出满意的结论。尽管如此，对沥青化学组成进行深入研究，可以从根本上了解沥青的性质，为改善沥青性能和调和、改性沥青提供依据。在我国，对沥青化学组成的研究还刚刚起步。为了合理地利用国家资源，跟上时代的步伐，在这方面必须做更多更艰巨的工作。

沥青是石油中质量最重的部分，也是相对分子质量最大，组成及结构最为复杂的部分。在有机化合物中，分子中若含有10个碳原子的碳氢化合物可能有75个异构体，若含有20个碳原子的碳氢化合物可能有366319个异构体，而沥青是

一个分子中含有大约24到150个碳原子的烃类、非烃类化合物组成的混合物，这就意味着沥青可能含有1016个异构体。所以现在对沥青化学组成的研究，还不能采用研究石油低沸点馏分的化学组成那样将沥青按化学结构分为不同的类型。只能根据沥青在不同有机溶剂中的选择性溶解或在不同吸附剂上的选择性吸附，而将沥青分离为几个化学性质比较接近而又与其胶体结构性质、流变学性质和路用性质有一定联系的几个组，称为组分。显然，随着分离条件的改变，所得组分的性质和数量都会有所不同，例如，用不同溶剂沉淀得到的沥青质，不但数量不等，而且在元素组成上也有比较明显的差别。按目前的试验方法及ISO标准的定义，用正庚烷（C7 ）沉淀沥青质，C/H原子比明显地要比正戊烷（C5）C/H原子比大，此外，正庚烷沥青质还含有较多的杂原子如氮、硫、氧等。所以，沥青中各组分的名称和定义多数是条件性的。

一、沥青组分分析方法分类

根据试验方法的不同，沥青的组分有以下几种分类方法：

（1）三组分法，即溶解－吸附分析法（RL哈巴尔德、K.E.斯坦菲尔德法）。该法将沥青分解成沥青质（A）、油分（O）和树脂（R）三种组分。这种组分试验方法的特点是各组分界限明确，但分析时间长。

（2）四组分法，即色谱分析法。该法将沥青分解成沥青质（As）、饱和分（S）、芳香分（Ar）和胶质（R）四种组分。这种组分试验方法的特点是试验速度快，组分与沥青结构关系密切，但试验操作的要求较高。

（3） 五组分法，即化学沉淀法，也称罗斯特勒法。该法将沥青分解成沥青 质（A）、氨基（N）、第一酸性分（A1）、第二酸性分（A2）和链烷分（P）五种组分。

三组分和四组分法已列入我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，三组分见（T 0617－1993），四组分见（T 0618－1993）。我国习惯于采用四组分分析方法，它又称科尔贝特法（Corbett），目前已经成为国际上通用的沥青组分评价方法。由于沥青的四组分饱和分（Saturate）、芳香分（Aromatic）、胶质（Resin）和沥青质（Asphaltenes）通常以S、Ar、R、At表示，所以四组分分析又称为SARA分析。

二、沥青中四组分的不同特征：

1、沥青质

沥青质是深褐色至黑色的无定形物质，有的文献中又称之为沥青烯。它没有固定的熔点，加热时通常是首先膨胀，然后在到达300℃以上时，分解生成气体和焦炭。沥青质相对密度大于1，相对分子质量一般都在1000以上。不溶于乙醇、石油醚，易溶于苯、氯仿、四氯化碳等溶剂。它是复杂的芳香分物质，有很强的极性。沥青质的存在对沥青的温敏性有好的影响，它可使沥青在高温时仍有较大的粘度。沥青质含量在大多数道路沥青中约为10％～30％，在很硬的氧化沥青中可高达50％以上。

2、胶质

胶质也称为树脂或极性芳烃，是半固体或液体状的黄色至褐色的粘稠状物质。它的化学组成和性质介于沥青质和油分之间，但更接近沥青质。相对密度接近1.00（0.98～1.08），相对分子质量大约在500～1000之间或更大些。胶质溶于石油醚、汽油、苯等有机溶剂，在沥青中含量为15％～30％。胶质是沥青质的扩散剂或胶溶剂，胶质和沥青质的比例在一定程度上决定沥青是溶胶或是凝胶的特征。胶质最大的特点之一就是化学稳定性很差，在吸附剂的影响下，稍稍加热，甚至在室温下，在有空气存在时（特别是在阳光的作用下）很容易氧化缩合，部分地变为沥青质。胶质的分子结构中含有相当多的稠环芳香族和杂原子化合物，在沥青中属于强极性的组分，这一突出的特征使胶质有很好的粘结力。

3、芳香分

芳香分是由沥青中最低分子量的环烷芳香化合物组成的，它是胶溶沥青质的分散介质。芳香分在沥青中占40％～65％，是深棕色的粘稠液体。

4、饱和分

饱和分是由直链烃和支链烃所组成的，是一种非极性稠状油类，对温度较为敏感，在沥青中占5％～20％。

芳香分和饱和分都作为油分，在沥青中起着润滑和柔软作用。油分含量越多，沥青的软化点越低，针入度越大，稠度降低。饱和族对温度敏感，含量不宜过大。

三、蜡含量对沥青路用性能的影响

在进行四组分分析时，通常离不开蜡含量的测定。沥青中的蜡是含有16～55个碳（甚至更高）的烷烃化合物，在常温下多呈固体，故又称固体烃。蜡分

为石蜡和地蜡两种。通常石蜡的分子量较低，呈片状结晶，晶体较大且容易形成，性极稳定；地蜡分子量较高，呈针状结晶，结晶困难，较石蜡的化学反应稍活泼。蜡可以溶液状态或以悬浮（结晶）状态处于沥青中。后一种存在状态对沥青的路用性能有很不利的影响，前一种则影响较小。根据我国的研究和实践，沥青中蜡对沥青路用性能的影响主要表现在以下方面：

1、蜡在高温时融化，使沥青粘度降低，影响高温稳定性，增大温度敏感性。 2、蜡使沥青与集料的亲和力变小，影响沥青的粘结力及抗水剥离性。 3、蜡在低温时结晶析出，分散在其他各组分之间，减小了分子间的紧密联 系。当蜡结晶的大小超过胶束的界限时，便以不均相的悬浮物状态存在于沥青中，蜡相当于沥青中的杂质，使沥青的极限拉伸应变和延度变小，容易造成低温发脆、开裂。

4、减小了低温时的应力松弛性能，使沥青的收缩应力迅速增加而容易开裂。 5、低温时的流变指数增加，复合流动度减小，实践感应性增加。对测定条 件下有相同粘度的沥青，在变形速率小时，含蜡的沥青粘度增加更大，劲度也大，这也是造成温度开裂的原因之一。

6、蜡的结晶及融化使一些测定指标出现假相，使沥青的性质发生突变，使 沥青性质在这一温度区的变化不连续。

如上所述，沥青中的蜡对沥青及沥青混合料的性能产生明显的影响，尤其当蜡含量超过3％时，蜡的融化与结晶就成了沥青性能的指挥棒。因此，我国道路部门要求，重交通道路沥青的含蜡量必须小于3％。目前，国产重交道路沥青通过精选原油、优化生产工艺，一般都能达到这一要求。因此，在本论文中没有考虑蜡含量的影响。

四、沥青的胶体结构

现代胶体理论认为，大多数的沥青是由相对分子质量相当大、芳香性很高的沥青质分散在较低相对分子质量的可溶质中组成的胶体溶液。用超级显微镜对沥青溶液进行观察，认为沥青质是分散相，而油分是分散介质，但沥青质与油分不亲和，而且沥青质和油分两种组分混合不能形成稳定的体系。胶质对沥青质是亲和的，胶质对油分也是亲和的，胶质包裹沥青质形成胶团，分散在油分中形成稳定的胶体。沥青质分子对极性强大的胶质所具有的强吸附力是形成沥青胶体结构

的基础。没有极性很强的沥青质中心，就不能形成胶团核心，同样若没有极性与之相当的胶质被吸附在沥青质的周围形成中间相，也不会形成稳定的胶体溶液，沥青质就容易从溶液中沉淀分离出来。只有当沥青质和可溶质的相对含量及性质相匹配时，沥青的胶体体系才处于稳定状态。按其胶体状态的不同，可将沥青分为以下三类：

①当油分和胶质足够多时，沥青质形成的胶团全部分散，胶团能在分散介质的粘度许可范围内自由运动，这种沥青称为溶胶型沥青。其特点是胶体结构中的沥青质较少，芳香树脂较多，因此，具有良好的粘结性，但温度敏感性较强（见图5－1a）。

②当油分与树脂很少时，胶团浓度相对增加，相互之间靠拢较近，胶团会形成不规则的骨架结构，胶团移动比较困难，这种沥青称为凝胶型沥青。其特点是弹性好，温度稳定性好，而且具有触变现象。但如果沥青中含有较多的芳香树脂，即使沥青质含量大，胶团的吸引力也小，也不能形成凝胶型结构（见图5－1c）。

③介于这两者之间的沥青称为溶凝胶型沥青。这种沥青比溶胶型沥青稳定，粘结性和温敏性都较好（见图5－1b）。

a）溶胶型 b）溶-凝胶型 c）凝胶型 图5－1 沥青的胶体结构

一般来说，直馏沥青多为溶胶型，氧化沥青多为凝胶型或溶凝胶型。通常按照沥青的针入度指数PI值可简单地区分三种胶体结构：

PI<-2 为溶胶型结构

PI=－2～＋2 为溶-凝胶型结构 PI>＋2 为凝胶型结构

四、沥青在使用过程中的组分变化

沥青在加工、储运、施工以及使用过程中，由于长时间地与空气接触，在外

部自然条件（风、雨、温度变化以及紫外线等）的作用下，会发生一系列的物理和化学变化，如蒸发、脱氢、氧化、缩合等，此时，沥青发生一系列的组成变化，使沥青逐渐硬化变脆，在外力的作用下，甚而开裂破碎，不能继续发挥其原有的粘结和密封作用，这个过程称为老化。有的沥青路面在使用相当长一段时间后发生水损害，其重要原因就是，老化后的沥青粘结力下降，不能很好得裹覆集料表面，容易被水剥落。

沥青材料发生老化，其常规指标的变化表现在：老化后针入度降低、软化点增高、延度减小、脆点上升、粘度增大。究其原因是由于沥青的化学组成发生变化而使其胶体性质变坏所致。沥青发生老化时化学组成的变化主要表现在：芳香分缩合成胶质和胶质缩合成沥青质。因此，四组分中，沥青质明显增多，饱和分、芳香分含量变化不大，胶质含量有所下降。这样，由于分散相的增多和分散介质胶溶能力的减弱，导致沥青的胶体稳定性下降，使用性能变差。

§5－2 沥青的四组分试验设备与规程

一、沥青四组分试验方法概述

将沥青试样用正庚烷沉淀出沥青质，过滤后，用正庚烷回流除去沉淀中夹杂 的可溶分，再用甲苯回流溶解沉淀，得到沥青质。将脱沥青质的部分吸附于氧化铝色谱柱上，依次用正庚烷、甲苯、甲苯－乙醇展开洗出，相应得到饱和分、芳香分和胶质。沥青组分分离流程图见图5－2。

石油沥青（0．5~1．0g） 正庚烷分离（6mL） 过 滤 不溶分 热正庚烷回流（30mL） 可溶分（软沥青质） Al2O3吸管（40~50g）（恒温水槽50±1℃）不溶分 甲苯回流（60mL） 可溶分 正庚烷冲洗（80mL） 脱附物 可溶分 （沥青质As） 不溶分 （残渣，无机物） 饱和分S 吸附物 甲苯—乙醇冲洗（80mL） 甲苯冲洗40mL） 乙醇冲洗40mL） 脱附物（胶质R）

图5－2 沥青四组分分离流程图

二、主要试验仪器

四组分法所使用的沥青质测定器见图5－3，包括磨口三角瓶、抽提器及冷 凝器。三个部件以磨砂口相连。使用的玻璃吸附柱见图5－4，在操作中需要保持柱子温度恒定，故在柱外设夹套，用超级恒温水浴与之相接，热水循环保温。

三、测定注意事项

1、用作吸附剂的氧化铝在使用前需先活化，氧化铝的活性是通过活化后的 氧化铝中蒸馏水的加入量来实现的。水加的少，吸附活性高，分离效果较好，但柱效率低；水加得多，氧化铝吸附活性减弱，分离效果变差。选择适宜的水量，即能保证一定的吸附分离作用，又有理想的柱效率。所以要严格按照试验规程所说，按氧化铝净重加入1％的蒸馏水。

2、试验时的温度高低影响沥青组分在氧化铝上的吸附，也影响它们的脱附 和溶解。因此，实验必须在恒定的温度下进行。而温度过高，正庚烷的挥发损失多；温度太低，沥青中某些组分会以蜡状物结晶析出，附着在氧化铝上，达不到预期的分离效果，因此，必须严格保证试验温度维持在50℃±1℃。

3、测定的组分是溶剂冲洗、溶解得到的，因此，溶剂的用量及各组分间的 切换要尽量统一，按标准要求去做，以保证结果有好的重复性。

4、回收溶剂时溶剂的流出不宜太快，也不宜把溶剂蒸的太干，以免组分受 热分解而损失。残留的溶剂可待真空干燥时除去。

5、所用冲洗溶剂要尽量来自同一厂家以保证化学试剂成分的一致性，减少 试验误差。

把沥青分为3～4个组分虽然可以从一定的方面解释一些沥青性质的差异，但是存在着使用上的局限性，这些局限性主要表现在几乎相同的组分组成，但在使用性质上有相当的差别。

1

2

3

4

5

图5－3 沥青质测定器

1－冷凝器；2－四个爪；3－滤纸；4－抽提器；5－磨口三角瓶

图5－4 玻璃吸附柱示意图

1－溶剂；2－活性氧化铝；3－棉花；4－接受瓶；5－超级恒温水浴

§5－3 沥青的化学组分试验结果

一、沥青化学组分试验结果

1、按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052－2000）T 0618－1993沥青化学组分试验（四组分法）测定五种沥青的组分，试验结果见表5－1。另做克拉玛依110的四组分分析，与克拉玛依90和中海70、90进行同类型不同标号沥青化学组成的对比分析，结果见表5－2。沥青发生老化是沥青与集料粘附性丧失的重要因素，因此作者做了五种沥青经薄膜烘箱加热老化后的组分分析，结果见表5－3。将表5－1的试验结果绘制成柱状图，如图5－5所示。

表5－1 沥青四组分试验结果

沥青 克拉玛依90 中海70 中海90 日本90 辽河110

表5－2 同类型不同标号沥青四组分试验结果

沥青 70 中海 90 克拉玛依 90 110 6.59 3.0 3.2 24.42 37.57 39.31 27.63 21.47 24.25 36.36 30.98 28.87 42.95 33.98 32.07 沥青质 6.48 饱和分 24.23 芳香分 28.26 胶质 40.1 胶质＋沥青质 46.58 沥青质 3.0 6.48 6.59 8.26 4.94 饱和分 37.57 24.23 24.42 16.15 24.69 芳香分 21.47 28.26 27.63 45.66 27.63 胶质 30.98 40.1 36.36 29.56 30.91 胶质＋沥青质 33.98 46.58 42.95 37.82 35.85

表5－3 不同沥青老化后四组分试验结果

沥青 克拉玛依90 中海70 中海90 日本90 辽河110

沥青质 4.41 8.36 8.57 10.82 6.52 饱和分 44 24.53 25.68 25.94 24.48 芳香分 22.55 26.30 28.85 41.67 24.35 胶质 22.81 32.08 27.80 23.94 24.73 胶质＋沥青质 27.22 40.44 36.37 34.76 31.25 50403020100 克拉玛依90 中海70 中海90 日本90 辽河110沥青质饱和分芳香分胶质图5－5 沥青四组分对比柱状图

2、由于改性沥青对沥青粘附性的影响很大，为了进一步研究沥青组分对粘附性的影响，作者做了改性剂对沥青组分和粘附性的影响试验。具体方法如下：

将颗粒状SBS50g与150g沥青拌和后在120℃下加盖保温24h，每2h搅拌一次，使改性剂充分与沥青相互作用，然后滤取自由沥青进行组分分析。同时取150g基质沥青做同样处理以作为对比，试验结果见表5－4。

表5－4 改性剂对沥青组分的影响 沥青 基质 沥青 改性 后 基质 沥青 改性 后 沥青质 胶质 饱和分 芳香分 沥青质增加量 1.78 1.79 胶质增加量 2.60 1.98 沥青质＋胶质增加量 4.28 3.77 中海90 日本90 6.59 8.37 8.26 10.05 36.36 38.96 29.56 31. 24.42 24.02 16.15 16.14 27.63 24.11 45.66 42.34

二、试验结果分析

1、从表5－1和表5－2沥青的四组分组成可以看出：不同品种的沥青其四组分的组成比例差别很大，由此可说明沥青化学组成的复杂性。同一品种不同标号的沥青四组分组成较相似，一般高标号沥青比低标号沥青沥青质含量多，胶质含量少。

2、有资料显示：沥青的粘度随沥青质和胶质含量的增多而增大【8】，作者将五种沥青的沥青质＋胶质含量和其80℃的旋转粘度绘制成散点图，如图5－6所示，数据见表5－5。从图中可以看出，沥青的粘度随沥青质和胶质含量的增多大体上是增大的。

表5－5 胶质和沥青质与沥青的粘度 沥青 克拉玛依90 中海70 中海90 日本90 辽河110 胶质＋沥青质 33.98 46.58 42.95 37.82 35.85 80℃旋转粘度（Pa²s） 12.7 18.45 15.5 15.1 10.3 20粘度（Pa•s）1510530304550胶质＋沥青质（％）

图5－6 胶质＋沥青质和沥青粘度的相关性

3、对比表5－1和表5－3可知，沥青发生老化时，沥青质含量明显增多，胶质含量减少。由沥青的胶体理论可知，沥青是由沥青质吸附胶质，再分散于液态的芳香分和饱和分组成的分散介质中形成的。沥青质增多，胶质减少会引起沥青由溶－凝胶结构向凝胶结构转化。由此可见，沥青质和胶质的含量对沥青性能的影响较大。沥青质和胶质是沥青中的重质组分，而且，沥青中最具化学活性的成分也存在于其中，因此，作者尝试用胶质和沥青质来评价沥青的性能，这一点在第六章中详细论述。

4、从表5－4可以看出，沥青经改性后，沥青质和胶质含量相对上升，饱和分和芳香分含量相对下降。这是由于加入改性剂后，沥青中的部分饱和分和芳香分进入改性剂网络中，使自由沥青的组分比例发生了明显的变化【19】，沥青的性能随之改变。

三、结论

1、沥青的粘度随沥青质和胶质含量的增多而增大。

2、沥青发生老化时，沥青质含量明显增多，胶质含量减少。沥青由溶－凝胶结构向凝胶结构转化。

3、沥青质和胶质的含量对沥青性能的影响较大。

第六章 试验结果分析

§6－1 沥青的粘度与粘附性试验结果分析

一、试验结果及分析

沥青发生水煮破坏是在100℃恒温下进行的，所以首先研究了沥青100℃的粘度和与石料粘附性等级的关系。将五种沥青的100℃旋转粘度和与石灰岩、花岗岩的粘附性试验结果汇总在同一个表中，见表6-1。

表6-1 沥青的100℃粘度与粘附性表 沥青种类 100℃旋转粘度（Pa²s） 与石灰岩粘附等级（水煮法） 与花岗岩粘附等级（水煮法） 与石灰岩的粘附率（％）（水煮称重法） 克拉玛依90 2.717 5 1 92 中海70 3.037 4 1 90 中海90 2.737 4 1 86.39 日本90 2.813 3 1 87 辽河110 1.825 4 1 85.43

从表中数据可以看出：①克拉玛依90与石灰岩的粘附性最好，但它的粘度是排在倒数第二位的；中海70、中海90、辽河110三种沥青与石灰岩的粘附性等级相同，但中海70的粘度却是最大，辽河110的粘度最小，而中海90的粘度居中。因此，可以说沥青粘度的大小和与石料粘附性等级的高低没有明显的相关．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．性。当然，因为水煮法评定等级依靠目估，人为因素影响大，而且它的分级较粗，．

难于将微小的差别区分出来，试验误差在所难免。但是在100℃高温下，所有的沥青粘度都较小，相差并不大，影响也就不明显。②水煮称重法测定的沥青与石灰岩的粘附率，除了克拉玛依90比较特殊外，其余四种沥青的粘度大小与粘附率大小排序还一致。中海90、日本90和辽河110的粘附率几乎相等，但并不能根据这些数据来断然下结论，作者认为称重水煮法不能将粘附性的差别区分出来，这种方法思路很好，但具体操作还有待进一步深入研究。 ③不同沥青与花岗岩的粘附率都是一级，说明集料的性质是决定沥青与集料之间粘附性的关键因素。通常石灰岩等碱性石料与沥青的粘附性都能达到4级，满足重交通道路的需求，而花岗岩等酸性石料都需要添加抗剥落剂才能达到，这一点无论在实践中，还是科研中都已得到普遍的认同。

为了进一步揭示沥青粘度与粘附性之间的关系，作者还做了克拉玛依90和中海90两种沥青老化之后旋转粘度和与石灰岩粘附性的试验，与老化前的试验结果进行对比，见表6-2。

表6-2 沥青老化前后粘度与粘附性的变化

沥青种类 100℃旋转粘度（Pa²s） 与石灰岩的粘附性（水煮法） 加热试验。

克拉玛依90 老化前 老化后 老化前 老化后 2.717 2.990 5 4 中海90 2.737 3.145 4 3 注：沥青老化采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052－2000）T 0609－1993沥青薄膜

由表6-2可以看出，沥青经室内老化试验后，粘度增大，但与集料的粘附性降低，这与路用实际是相符的。沥青路面总是在使用一段时间后慢慢出现掉粒、松散等水损害症状，说明随着沥青的老化，它与集料的粘附性会慢慢丧失。室内沥青的老化试验（旋转薄膜烘箱老化）也表明，沥青的粘度随老化时间的延长而增大。沥青路面的早期水损害现象与施工质量差，阴雨天多、超载严重等客观因素有关，而沥青路面在服务期内路用性能的下降就与沥青的抗老化性能即耐久性有很大关系。

搅动水净吸附法能够定量描述沥青在集料表面的吸附和剥落，用于科学研究更具说服力。国家“八五”科技攻关专题测定了不同沥青的粘度（标准粘度），并用搅动水净吸附法测定沥青与石灰岩、片麻岩、花岗岩三种典型石料的的剥落率，数据见表6-3。其中，所用沥青为国家“八五”科技攻关选取的七种代表性国产沥青：克拉玛依（KLM）、辽河（LH）、单家寺（SJS）、欢喜岭（HXL）、胜利（SL）、茂名（MM）和兰炼（LL）。三种典型石料中，片麻岩、花岗岩SiO2含量分别为：69％、72％，石灰岩是道路工程中最常用的碱性石料。以沥青的60℃粘度为横坐标，与三种石料的吸附量、净吸附量及剥落率为纵坐标分别绘制成图，如图6-1、6-2、6-3所示。

表6-3 沥青的粘度及与典型石料的粘附性汇总表

KLM LH 65 0.377 0.086 0.195 0.032 0.07 0.122 0.013 15.5 37.9 60.1 SJS 62.4 0.412 0.106 0.173 0.12 0.08 0.137 0.049 17 21.2 58.9

HXL 210.1 0.555 0.016 0.218 0.032 0.016 0.182 0.011 0 17 67 SL 59.3 0.55 0.157 0.143 0.01 0.107 0.061 0 31.1 57.7 100 MM 129.1 0.486 0.108 0.139 0.047 0.068 0.053 0.009 30.3 62 79.9 LL 175.3 0.753 0.086 0.123 0.027 0.665 0.058 0.003 21.2 51.7 90.5 60℃粘度（Pa²s） 309.9 135℃粘度（Pa²s） 0.5 石灰岩 吸附量 片麻岩 （mg/g） 花岗岩 石灰岩 净吸附量片麻岩 （mg/g） 花岗岩 石灰岩 剥落率（％） 片麻岩 花岗岩 0.083 0.225 0.062 0.077 0.118 0.015 8 19.7 75.2 0.250.2吸附量（mg/g)0.150.10.050010020060℃粘度（Pa²s）300400石灰岩片麻岩花岗岩

图6－1 60℃粘度与三种石料吸附量的关系

0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020010020060℃粘度（Pa²s）300400石灰岩片麻岩花岗岩净吸附量（mg/g）

图6－2 60℃粘度与三种石料净吸附量的关系

120100剥落率（％）806040200010020060℃粘度（Pa²s）300400石灰岩片麻岩花岗岩

图6－3 60℃粘度与三种石料剥落率的关系

从图6－1、6－2、6－3中可以看出：沥青的粘度和其粘附性之间没有明显．．．．．．．．．．．．．．．．的相关关系，粘度大的沥青粘附性好，但粘度小的沥青粘附性不一定不好。粘附．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．的好坏很大程度取决于集料的性质。由图6－1可得，片麻岩的初始吸附量最大，其次为石灰岩、花岗岩。从图6－2和6－3可知，粘附性最好的是石灰岩，其次为片麻岩、花岗岩。片麻岩的初始吸附量较大与它多孔的表面特征有关，而经水剥离后的吸附量小于石灰岩，说明化学吸附在粘附过程中起主要的作用。从图6－3中数据的分散情况可以说明沥青的性质对粘附性的影响程度：花岗岩>片麻

岩>石灰岩。

二、试验结果的综合分析及研究 由以上试验结果及综合分析可知：

1、沥青粘度是影响沥青－集料粘附性的重要因素，但没有明显的相关性。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．通常所谓粘附性随沥青粘度的增大而提高的论断是有前提条件的：同种沥青对于同种集料，而且集料的界面特性如形状、粗糙度、酸碱性基本相同时，粘附性随沥青粘度的增大而提高。由图6-3可知，尤其对于酸性集料来说，粘度对粘附性的影响更明显，这可以从某些改性沥青粘附性提高来说明，而且，沥青与酸性集料在接触界面上发生的化学反应较与碱性集料的少，因此，粘度对试验结果的影响相对较大。

2、由所有试验结果可得，无论何种沥青，与碱性集料的粘附性都好于酸性集料，一般高2个粘附等级，说明集料的性质是粘附性好坏的关键因素。沥青通常是呈酸性的，与碱性集料会发生化学吸附，作用力强，且不容易被水破坏；与酸性集料只发生物理吸附，或者有少量的化学吸附作用发生，粘结不牢固，容易被水剥离。从图6－2和图6－3可知，化学吸附发生的程度是粘附性好坏的关键因素。由此可以说明：粘附作用的本质是吸附作用，而且化学吸附较物理吸附稳定。

3、表6－2说明，沥青老化后粘度增大，粘附性下降，这更进一步说明沥青的粘度与粘附性之间没有直接的相关关系。沥青发生老化后，软化点升高、粘度增大，脆性增强、而塑性减弱。与同粘度的未老化沥青相比，路用性能差了很多。因此，“同一品种不同标号沥青的粘度越大，粘附性越好”这一论断还应加一条件，即原沥青。对于老化沥青这一论断不成立，其原因将在第五章中论述。

三、结论

1、一般来说，沥青粘度与沥青－集料的粘附性没有明显的相关性。 2、同种原沥青对于同种集料，低标号的沥青粘度较大，与集料的粘附性较高标号的要好，但差别不是很大。

3、集料性质是影响沥青－集料粘附性的重要因素。碱性集料比酸性集料与 沥青的粘附性好。沥青的性质对酸性集料的粘附性影响比碱性集料粘附性影响程度大。

§6-2 沥青的化学组分与粘附性试验结果分析

四、试验结果

将§5－3中沥青化学组分的试验结果与相应沥青与石灰岩的粘附性等级绘制在一个表格中。五种沥青的四组分与粘附试验结果见表6－4，同类型不同标号沥青四组分与粘附试验结果见表6－5，不同沥青老化后四组分与粘附试验结果见表6－6，沥青改性后四组分与粘附试验结果见表6－7。同时由第五章的分析可知，胶质和沥青质对沥青的性能影响较大，因此，作者在表中列出胶质＋沥青质含量和胶质/沥青质的大小。

表6－4 沥青四组分与粘附试验结果 沥青 沥青质 饱和分 芳香分 胶质 胶质/沥青质 10.33 6.188 5.517 3.579 6.662 胶质＋沥青质 33.98 46.58 42.95 37.82 35.85 粘附等级（石灰岩） 5 4 4 3 4 克拉玛依90 中海70 中海90 日本90 辽河110

3.0 6.48 6.59 8.26 4.94 37.57 24.23 24.42 16.15 24.69 21.47 28.26 27.63 45.66 27.63 30.98 40.1 36.36 29.56 30.91 表6－5 同类型不同标号沥青四组分与粘附试验结果 沥青 沥青质 饱和分 芳香分 胶质 胶质/沥青质 6.188 5.517 10.33 9.022 胶质＋沥青质 46.58 42.95 33.98 32.07 粘附等级（石灰岩） 4 4 5 4 70 中海 90 克拉玛依

90 110 6.48 6.59 3.0 3.2 24.23 24.42 37.57 39.31 28.26 27.63 21.47 24.25 40.1 36.36 30.98 28.87 表6－6 不同沥青老化后四组分试验结果 沥青 克拉玛依90 中海70 中海90 日本90 辽河110

表6－7 沥青改性后四组分与粘附试验结果 沥青 基质 沥青 改性 后 基质 沥青 改性 后 沥青质 胶质 饱和分 芳香分 沥青质增加量 1.78 1.79 胶质增加量 2.60 1.98 沥青质＋胶质增加量 4.28 3.77 粘附等级（石灰岩） 4 4 3 4 沥青质 4.41 8.36 8.57 10.82 6.52 饱和分 44 24.53 25.68 25.94 24.48 芳香分 22.55 26.30 28.85 41.67 24.35 胶质 22.81 32.08 27.80 23.94 24.73 胶质/沥青质 5.17 3.84 3.24 2.21 3.79 胶质＋沥青质 27.22 40.44 36.37 34.76 31.25 粘附等级（石灰岩） 4 3 2 2 2 中海90 日本90 6.59 8.37 8.26 10.05 36.36 38.96 29.56 31. 24.42 24.02 16.15 16.14 27.63 24.11 45.66 42.34

1210820沥青质/胶质克拉玛依90中海70中海90日本90辽河110图6－4 五种沥青胶质/沥青质对比图

1210820 克90 中70 中90 日90 辽110图6－5 五种沥青老化前后胶质/沥青质对比图

原沥青老化沥青二、试验数据分析

1、对照表6－4、6－5、6－6、6－7中胶质＋沥青质和与石灰岩的粘附性等级可发现这两者之间不存在相关性，由此也可证实，沥青的粘度和粘附性之间不存在明显的相关性。

2、将表6－4中五种沥青的胶质/沥青质大小绘成柱状图，如图6－4所示。由表6－4和图6－4可知，胶质/沥青质的值越大，沥青－集料的粘附性越好。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．由试验可知，克拉玛依90是一种比较特殊的沥青，其旋转粘度不大，胶质＋沥青质的含量也不高，但其粘附性却是最好的。唯一能解释此现象的原因就是胶质/沥青质的大小。克拉玛依90的胶质/沥青质几乎是中海70的1.5倍。因此，可以推测胶质/沥青质的大小是可以用来衡量沥青粘附性的一个指标。五种沥青中，虽然中海70、中海90、辽河110的粘附性等级都是4，但其水煮后沥青残留量是不同的，根据肉眼观察，沥青残留量顺序如下：克拉玛依90>中海70>辽河110>中海90>日本90，与胶质/沥青质的排序：克拉玛依90>辽河110>中海70>中海90>日本90基本相符。

3、由表6－5中中海、克拉玛依各两种标号的沥青试验结果可知，对于同一种沥青，沥青标号越低，沥青质＋胶质的含量和胶质/沥青质的比值也越大，其粘附性越好；根据肉眼观察，其沥青残留量的排序与沥青质＋胶质含量和胶质/沥青质比值的排序一致。“沥青质和胶质是决定沥青粘附性的主要因素”已为大．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．家所接受。 ．．．．．

从化学结构方面来说，胶质的分子结构中含有相当多的稠环芳香族和杂原子

的化合物，在沥青中属于强极性组分，沥青酸和酸酐也主要存在于此，这都在沥青与集料界面的物理化学吸附作用中起到决定性作用。

4、对比五种原样沥青的胶质/沥青质和老化后沥青的胶质/沥青质大小，并绘成柱状图，见图6－5。从表6－4、6－6和图6－5可以看出，沥青发生老化．．．．．．后，胶质/沥青质减小，沥青的性能下降，粘附性也变差。沥青的老化破坏是由．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．于沥青质显著增加的结果。从组分转化的角度就是：油分转化为胶质，胶质转化为沥青质，并且胶质转化为沥青质的速度大于油分转化为胶质的速度。由于胶质的减少，沥青质的增多，破坏了沥青的胶体体系，使其粘附性下降。沥青再生中的组分调节，主要是增加胶质含量，改变老化沥青的组分比例，使再生沥青的技术性质基本恢复到原始沥青的状态。

由以上分析可推断，胶质对沥青粘附性的影响可能更大。 ．．．．．．．．．．．．．．．

5、表6－7说明：被SBS吸附过的基质沥青的粘附性有一定提高，由沥青组分改变的结果，虽然沥青质也有增加，但增加不多，胶质增加，且增加量较大。这与沥青老化沥青质增加，胶质减少，导致粘附性下降完全不同。由此，更说明胶质/沥青质衡量粘附性的合理性。

三、矩形坐标系下沥青的四组分构成

沥青的四组分分析把沥青分为四个组分：沥青质、胶质、饱和分和芳香分。试验证实：四组分单独存在时，饱和分和芳香分的针入度极大，软化点极低，粘度也小，可以认为它们是沥青中的软组分，起塑化剂作用；而胶质和沥青质的针入度为零，软化点都很高，胶质的粘度比饱和分和芳香分大三、四个数量级，因此可认为它们是硬组分，在沥青中起稠化剂作用【8】。沥青的性能优劣很大程度上取决于四组分的组成比例，即沥青的胶体体系的构成。不同的沥青，其每一组分的元素组成并不完全相同，所以每一种沥青形成性能良好的胶体体系的比例也不尽相同。沥青的复杂之处由此可见一斑。

石油大学对于从大庆原油制取道路沥青的组成研究表明，只有当其中所含油分、胶质、沥青质的量符合一定关系时，沥青的性能才能符合要求【8】。如图6－6所示的三组分三角坐标图形象地说明了这种关系，即对这种油源的沥青，只有当其组成落在图中用虚线标明地区域时，其性能才是合格的。显然，这个区域的范围是很有限的。

图6－6 大庆道路沥青组成的三角坐标图

为了研究组分构成对沥青粘附性的影响，作者依照导师的思路并借鉴大庆道路沥青组成的三角形坐标把表6－4中沥青的四组分试验结果绘制到一个矩形坐标系中，其中矩形的每一个边代表一种组分，表6－4中每一组分都没有超过50％，所以每个坐标的长度定为50％，以50cm计。每一种沥青的四组分都会在这个矩形坐标系中形成一个四边形，对比每一个四边形的面积以及四边形形心相对于矩形坐标系的形心位置来分析沥青的化学组成。克拉玛依90、中海70、中海90、日本90和辽河110在矩形坐标系下的组分构成以及形心位置比较如图6－7所示，每一种沥青的组分四边形面积、组分四边形形心与坐标系形心的相对位置见表6－8。 饱和分5050饱和分5050沥青质芳香分沥青质芳香分5050胶质克拉玛依90四组分形心矩形坐标形心5050胶质中海70四组分形心矩形坐标形心 饱和分5050饱和分5050沥青质芳香分沥青质芳香分5050胶质中海90四组分形心矩形坐标形心5050胶质日本90四组分形心矩形坐标形心 50 饱和分5050饱和分50沥青质芳香分沥青质芳香分5050胶质辽河110四组分形心矩形坐标形心5050胶质五种沥青形心位置比较 图6－7 矩形坐标系下沥青的四组分组成及形心位置比较 表6－8 矩形坐标系下沥青的化学组成要素 克拉玛依 90 矩形坐标系下的面积1013.2093 1140.6621 11.9458 1241.5916 1201.1961 （cm） 距离形心与矩形坐（cm） 标系形心的相角度对位置 （°） 306 242 248 247 260 3.7911 2.7044 2.7762 6.9393 3.2988 2中海70 中海90 日本90 辽河110

由表6－8可以看出，克拉玛依90的组分四边形面积最小，粘附性最好；日本90的组分四边形面积最大，粘附性最差；而中海70、中海90、和辽河110的组分四边形面积居中，其粘附性也居中。因此，作者认为组分四边形的面积与．．．．．．．．．．．．．．．．沥青的粘附性相关性较好，面积越大，粘附性越差。由图6－7中的沥青形心位．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

置比较可以看出，克拉玛依沥青位于矩形坐标系形心右下方较近的位置，粘附性优；日本90位于矩形坐标系形心左下方较远的位置，粘附性差；中海70、中海90和辽河110的形心位置相距很近，集中于矩形坐标系左下方较近的位置，粘附性良。并且，克拉玛依90和中海70、中海90、辽河110的形心与矩形坐标系形心距离几乎相等。由此，作者推断粘附性较好的沥青的四组分形心会落在矩形坐标系形心下方3cm左右一个较小的圆弧范围内。然而，形心落入该区域的四边形很多，因此，沥青的四组分构成也复杂多变。粘附性良好的位置在矩形坐标系形心的下部，说明胶质对粘附性的贡献较大。

四、结论

1、沥青组分中，胶质对沥青粘附性的影响可能更大；胶质和沥青质相对含量的变化是影响沥青胶体结构的重要因素，同时也是粘附性降低的关键原因。

2、从沥青组分的角度来说，用胶质/沥青质比值来评价沥青粘附性更合理。随着胶质/沥青质比值的增大，粘附性变好。但这个比值并非越大越好，它存在一个上限，但本论文没有对这个上限值进行研究。

3、作者认为，沥青是一个稳定的胶体系统，每一组分都是不可或缺的。沥青老化时，其组分的改变破坏了胶体系统的稳定，导致沥青性能的下降。沥青组分之间应该是一个协调的比例。研究组分与粘附性的关系也应该基于此思想，而不是单纯强调某一组分。

4、以沥青的四组分为坐标轴建立了矩形坐标系，以沥青四组分四边形的面积及形心位置评价沥青的粘附性。结果表明，沥青四组分四边形的面积大小与沥青的粘附性相关性很好，面积越小，粘附性越好。

§6－3 对沥青粘附性的认识

沥青的粘附性是沥青与集料之间的相互作用，是两方共同作用的结果。影响沥青粘附性的因素是复杂的，既有沥青方面的，也有集料方面的，在大多数情况下，集料的影响更大，是粘附性的决定因素。前面对粘附性已有详细论述，这里不再赘述。

本论文的目的是从沥青方面出发，通过沥青粘度和组分与粘附性试验的分析研究，找到

影响沥青－集料粘附性的沥青方面的关键因素。由本论文的试验和分析可得：沥青粘度与沥青－集料的粘附性没有明显的相关性，在一定的前提下，随沥青粘度的增大，粘附性提高；在沥青组分中，胶质对粘附性的影响可能更大，好的沥青其组分之间的比例应该是协调的，通过胶质/沥青质来评价沥青粘附性更合理、科学。

在组分的研究中，作者认为应坚持系统的思想。沥青本身就是一个系统，任何组分都是系统的组成要素。在沥青胶体系统中，各组分之间应该是相互依赖、相互制约的。在被SBS吸附过的基质沥青试验中，沥青质和胶质增加，粘附性提高；基质沥青中，沥青质含量高的沥青其粘度相应较大，这对粘附性有利；而沥青老化之后，胶质减少，沥青质显著增加，而粘附性明显下降。因此，我们有理由认为，老化破坏的根源在于打破了沥青各组分之间的平衡，破坏了沥青系统的协调，导致了沥青性能的降低。因此，作者建立了矩形坐标系，研究不同沥青之间组分的相互平衡。

任何事物都是矛盾的集合体，沥青也不例外。沥青质的存在对沥青的感温性有好的影响，使沥青在高温时仍有较大的粘度，沥青质含量超过一定限度后，沥青的性能将显著破坏；胶质本身对沥青粘弹性，形成良好的胶体溶液等方面都有重要作用，但其化学稳定性差，很容易氧化缩合；油分使胶体体系易于稳定，但温度敏感性好，对沥青的高温性能不利。因此，对沥青性能的分析应综合考虑。在显微镜观察的均匀沥青混合物中，是不同组分的相容性与相互关系控制着沥青胶结料的性状，而不是任何单一组分的数量。沥青胶结料不同组分的相

【】

互作用形成一个平衡或相容的体系，给予沥青胶结料特有的粘弹特性26。

从沥青的胶体结构入手研究沥青的粘附性已有先例。有资料【8】依据沥青粘附性的好坏将其分为三大类：

第一类沥青：沥青质含量（AT）>25％；胶质（R）<24％；油分（M）>50％；AT/（AT＋R）>0.5，AT/（R＋M）>0.35。

第二类沥青：沥青质含量（AT）≤18％；胶质（R）>36％；油分（M）≤48％；AT/（AT＋R）<0.34，AT/（R＋M）>0.22。

第三类沥青：介于上两类沥青之间：AT为21％～23％；R为30％～34％；M为45％～49％；AT/（AT＋R）为0.39～0.44；AT/（R＋M）为0.25～0.30。

经过与石灰岩、花岗岩、砂岩的粘附性试验发现，第一类沥青及第三类沥青对与石料的粘附力都很好，而且与石灰岩的粘附性普遍大于砂岩、花岗岩。本论文试验结果虽然与此结论不符，但这种研究与分析的思路却是我们应该借鉴的。

第七章 结论与建议

一、主要结论：

1、通过本论文的试验结果可知，沥青与集料的粘附性好坏首先取决于集料的化学性质。

对于同种集料，沥青的性质则起到决定性作用。

2、沥青的粘度和沥青的粘附性是沥青的两个重要技术指标，粘度反映沥青本身的粘结性，粘附性反映沥青与集料的吸附作用。试验证实，沥青的粘度对粘附性有影响，但不存在明显的相关性。

3、沥青的粘度在高温域（80℃～100℃）属牛顿流体，粘度随温度的变化遵从幂函数形式变化，即：ATB（A、B为曲线回归常数），或者是半对数坐标下的直线关系。

4、尝试用水煮称重法评定沥青粘附性的好坏，并通过延长水煮时间来区别不同沥青与集料之间的粘附性。试验证实，用水煮前后裹覆沥青的质量差比用剥落面积法更能反映沥青与集料之间相互作用的程度。

5、通过对粘度与粘附性试验的对比分析，可以看出，沥青粘度的大小对它与花岗岩集料粘附性的影响比对与石灰岩集料的大。

6、通过沥青的四组分分析可知，沥青质＋胶质的含量与沥青粘度的大小相关性很好：含量越高，粘度越大。从沥青发生老化时的组分变化可以说明沥青质的含量对沥青粘度的影响更大。

7、沥青的胶体结构决定了沥青的物理、化学性质，经过组分与粘附性试验的对比分析可知，胶质含量对沥青粘附性的影响较大。用胶质/沥青质的比值来评价沥青粘附性更合理。这个比值在一定的区域内时沥青的粘附性良好，且比值越大，粘附性越好。

8、建立沥青四组分的矩形坐标系，以沥青四组分四边形的面积及形心位置评价沥青的粘附性，结果表明，沥青四组分四边形的面积与沥青的粘附性相关性很好，面积越小，粘附性越好。

9、作者认为，沥青是一个稳定的胶体系统，每一组分都是不可或缺的。沥青组分的改变破坏了胶体系统的稳定，导致沥青性能的下降，沥青组分之间应该是一个协调的比例。研究组分与粘附性的关系也应该基于此思想，而不是单纯强调某一组分。

二、 进一步研究的建议：

从沥青的化学组成角度研究沥青的粘附性具有很重要的现实意义，它对改善沥青混合料的强度和稳定性有重要作用，而且对于沥青的调和和改性也有重要的指导意义。沥青的粘附性是沥青与集料的相互作用过程，而沥青和集料都是化学组成和结构极为复杂的物质，因此，在这个相互作用过程中所起的化学反应、生成的物质、反应的条件都是值得探讨的。本论文在完成过程中受到试验条件和试

验技术的，没能深入研究沥青化学，而只是建立起沥青的宏观指标－粘度和沥青的四组分之间的简单关系，还有许多问题需要进一步研究。

1、沥青的性质很大程度是由沥青的胶体结构决定的，那么沥青的组分（四组分或者五组分）之间以何种比例组合会形成较稳定的胶体结构，或者以何种比例组合会使沥青的某一性能（高温、低温或水稳）达到最佳。

2、当胶质/沥青质在什么区域内时，沥青的粘附性较好。

3、在矩形坐标系下，沥青四组分形心处于什么区域内时,沥青的粘附性良好,矩形坐标系能否用于评价沥青的其他性能。

4、用水煮前后集料裹覆沥青的质量差可以评价沥青与集料之间的粘附性，但试验条件、试验步骤仍需改善。