沥青材料的粘度与粘附性研究答辩稿

长安大学硕士学位论文辩论会2003年6月1沥青材料的粘度与粘附性研究

研究生：封晨辉指导教师：延西利

教

授

2目录第一章绪论第二章沥青与集料粘附性的评价方法第三章试验材料根本分析第四章沥青的粘度试验分析第五章沥青的组分试验分析第六章试验结果分析第七章结论与建议3第一章绪论

§1-1沥青材料概述

§1-2沥青材料的粘性与粘附性

§1-3沥青粘度与粘附性的研究现状

§1-4关于本课题研究

4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。以1997年我国的公路建设为例，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。我国公路根底设施建设近年来一直呈飞速上升趋势，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，尤其是沥青路面的早期破坏，日益成为专业人士关注的重点。路面的早期水损害就与沥青的粘附性密切相关，粘附性的好坏直接影响着沥青路面的使用质量和耐久性。所以，深入研究沥青与集料的粘附性对沥青路面的效劳水平和效劳质量有重大的指导意义。5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。沥青的粘附性是指沥青与集料的粘附能力，是两种物质在界面上不同分子之间的吸引或排斥作用，可以说吸附作用是沥青与集料粘附的本质。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。沥青材料的粘性与粘附性

6对沥青粘附性的研究：对沥青与集料评价方法的研究

对改善沥青与集料粘附性方法的研究

对影响沥青与集料粘附性因素的研究

对沥青粘度的研究：通过粘温曲线研究沥青的流变特性研制新的测粘仪器沥青粘度与粘附性的研究现状

7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。测定上述五种沥青80℃～100℃的动力粘度，研究沥青的流变性能。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。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。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。结合“八五〞国家科技攻关成果对试验结果进行分析论证。关于本课题研究

8第二章沥青与集料粘附性的评价方法

§2-1沥青与集料粘附性根本理论§2-2影响沥青与集料粘附性的因素§2-3沥青与集料粘附性的评价方法9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。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，外表粗糙、微孔隙较多的集料容易吸附沥青，形成稳定的混合料结构。化学反响理论化学反响理论认为，沥青与集料之间的粘附性主要来源于沥青与集料外表发生化学反响。侧重于沥青与集料界面上发生的化学反响。外表能理论外表能理论认为，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外表而形成的。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外表剥离的过程，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。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外表活性物质对集料外表的定向吸附而形成的。侧重于从沥青与集料所带的外表电荷角度解释问题。沥青与集料粘附性根本理论10集料的性质集料的吸水率、集料的外表化学性质、外表积、孔隙大小等、集料外表的洁净程度。沥青的性质沥青酸值、粘度、沥青的外表张力、水及荷载的作用混合料的类型以及路基路面的结构，尤其是排水设施等

影响沥青与集料粘附性的因素

11常用的粘附性评价方法水煮法、水浸法、光电比色法、搅动水净吸附法间接的粘附性评价方法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、浸水抗压强度试验等；动荷载试验如浸水车辙试验及浸水环道试验。本论文采用的粘附性评定方法本论文通过比照不同的试验方法，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?〔JTJ052－2000〕“沥青与粗集料的粘附性试验〞〔T0616－1993〕中的水煮法作为评定方法。沥青与集料粘附性的评价方法

12选择代表性集料时要尽量选择外表均匀的颗粒，外观表现为外表颜色一致。控制沥青被加热的温度在150℃左右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。水煮时不时有沥青从集料外表脱落漂浮在液面上，为防止集料在取出时“脱落物〞又粘回去，应及时用报纸将其粘走。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。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。标准水煮法本卷须知13按标准的水煮法程序准备集料和沥青样品，并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。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。按标准的水煮法程序使集料外表裹覆沥青、水煮、观察沥青膜的剥落情况。所不同的是：①静置20min需左右，称重沥青与集料的质量为W2，精确到0.0001g。②水煮时间延长到5min。取10个洁净的100ml玻璃小烧杯，编号并称重，质量记为W3。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，移入枯燥器冷却1h，称重，质量为W4。那么粘附率P为：水煮称重法试验步骤14第三章试验材料根本分析§3-1沥青材料试验分析

§3-2集料性质试验分析

§3-3水煮法粘附性试验

15

沥青材料试验分析

16沥青材料试验分析17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外表特征：石灰石外表致密均匀，颜色一致，较光滑，属于微晶结构；花岗岩外表粗糙不平，属巨晶结构，且不均匀含有石英矿物，外表局部点亮晶晶的。集料性质试验分析

18水煮法粘附性试验

19第四章沥青的粘度试验分析

§4-1试验原理

§4-2Brookfield粘度试验设备与规程§4-3Brookfield粘度试验结果

20旋转粘度计:布洛克菲尔德(Brookfield)型旋转粘度计、双筒旋转式粘度计、动态剪切流变仪等。毛细管粘度计：真空减压毛细管粘度计、逆流式毛细管粘度计等。

流出型粘度计：塞波特粘度计、恩格拉粘度计、道路沥青标准粘度计等。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两块板式滑板粘度计、哈尔滨建筑大学的自行研制的三块板式滑板粘度计。

落柱式粘度计：由和于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。

粘度的测定方法

21Brookfield粘度计简介

22Brookfield粘度试验本卷须知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。粘度计和热容器必须用气泡水准和调平螺丝调到水平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，而且试验时一般将试样量适当增多。选择标准试验的20rpm转速。测定沥青不同温度的粘度通常由低到高依次测定。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。23Brookfield粘度试验结果及回归函数指数回归形式：幂函数回归形式：24Brookfield粘度试验结果的回归分析

25Brookfield粘度试验结果的回归分析26分析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值也能表示的沥青的感温性，由PI值表示的沥青的感温性排序为：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。

27沥青在高温域的粘温关系遵从幂函数形式，或者是半对数坐标下的直线关系。沥青在不同的温度域所表现的性能有较大差异，因此在实际工程中应根据实际的气候条件选择沥青。小结28第五章沥青的组分试验分析

§5-1沥青的组分分析概述

§5-2沥青的四组分试验设备与规程

§5-3沥青的化学组分试验结果

29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。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，而将沥青别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。随着别离条件的改变，所得组分的性质和数量都会有所不同，例如，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。沥青组分概述

30三组分法，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。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。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。沥青组分分析方法分类

31沥青质是深褐色至黑色的无定形物质。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。胶质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。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，局部地变为沥青质。胶质在沥青中属于强极性的组分。芳香分是深棕色的粘稠液体，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。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。沥青中四组分的不同特征

32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。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根底。没有极性很强的沥青质中心，就不能形成胶团核心，同样假设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，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，可将沥青分为三类：溶胶型沥青、凝胶型沥青、溶凝胶型沥青。沥青的胶体结构

33沥青四组分别离流程图34沥青质测定器

玻璃吸附柱示意图

35严格按照试验规程所说，按氧化铝净重参加1％的蒸馏水。必须严格保证试验温度维持在50℃±1℃。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。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枯燥时除去。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。沥青四组分测定本卷须知36沥青的化学组分试验结果

37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异很大；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。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，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。比照表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。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。试验结果分析

38沥青的粘度随沥青质和胶质含量的增多而增大。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。

沥青质和胶质的含量对沥青性能的影响较大。

结论

39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

§6-2沥青的化学组分与粘附性试验结果分析§6-3对沥青粘附性的认识

40沥青的粘度与粘附性试验结果分析

41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上下没有明显的相关性。②中海90、日本90和辽河110的粘附率几乎相等，作者认为称重水煮法不能将粘附性的差异区分出来，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。④由表6-2可以看出，沥青经室内老化试验后，沥青的粘度随老化时间的延长而增大，但与集料的粘附性降低，这与路用实际是相符的。沥青的粘度与粘附性试验结果分析42国家“八五〞科技攻关专题粘附试验结果43图6－160℃粘度与三种石料吸附量的关系

图6－260℃粘度与三种石料净吸附量的关系

国家“八五〞科技攻关专题粘附试验结果分析44国家“八五〞科技攻关专题粘附试验结果分析图6－360℃粘度与三种石料剥落率的关系

45国家“八五〞科技攻关专题粘附试验结果分析从图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外表特征有关，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。46试验结果的综合分析及研究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、酸碱性根本相同时，粘附性随沥青粘度的增大而提高。尤其对于酸性集料来说，粘度对粘附性的影响更明显。沥青与酸性集料在接触界面上发生的化学反响较与碱性集料的少，因此，粘度对试验结果的影响相对较大。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。同时也可以说明：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。沥青发生老化后，粘度增大，但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〞这一论断还应加一限制条件，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。47小结一般来说，沥青粘度与沥青－集料的粘附性没有明显的相关性。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，但差异不是很大。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。48沥青的化学组分与粘附性试验结果49沥青的化学组分与粘附性试验结果50沥青的化学组分与粘附性试验结果分析图6－4五种沥青胶质/沥青质比照图图6－5五种沥青老化前后胶质/沥青质比照图51沥青的化学组分与粘附性试验结果分析对照表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。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。由表6－5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。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。沥青发生老化时破坏了沥青的胶体体系，使其性能下降。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根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。表6－7说明：被SBS吸附过的基质沥青的粘附性有一定提高，沥青质含量增加，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。52矩形坐标系下沥青的四组分构成试验证实：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。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，比照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。53图6－7矩形坐标系下沥青的四组分组成及形心位置比较54矩形坐标系下沥青的化学组成要素55矩形坐标系下沥青组分分析由表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奉献较大。56小结沥青组分中，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。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