沥青材料的粘度与粘附性研究
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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】
沥青路面 沥青胶结料
高温抗车辙性能 ★★
低温抗裂性能 ★★★
耐久性 抗疲劳性能 ★★★
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 ★★
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
