沥青综合知识(2)

图9-3 石油沥青四组分分析原理图解

石油沥青按四组分分析法所得各组分的性状如表9-6。

表9-6 石油沥青四组分分析法的各组分性状 环数/分子 性状组分 外观特征 相对密度均） 无色液体 黄色至红色液体 0.89 0.99 1.09 1.15 （平平均分子量芳烃指数（平均） 环烷环 3.0 3.5 3.6 — 芳香环 0.0 625 730 970 3400 0.00 0.25 0.42 0.50 化学结构 饱和分 芳香分 [纯链烷烃]+[纯环烷]+[混合链烷-环烷烃] [混合链烷-环烷-芳香烃]+[芳香烃]+[含S化合2.0 物] 7.4 — [（链烷-环烷-芳香烃）多环结构]+[含S，O，N化合物] （链烷-环烷-芳香烃）[缩合环结构]+[含S，O，N化合物] 胶质 棕色粘稠液体 沥青质 深棕色至黑色固态

按照石油沥青四组分分析法，各组分对沥青性质的影响，根据L.W.科尔贝特的研究认为：饱和分含量增加，可使沥青稠度降低（针入度增大）；树脂含量增大，可使沥青的延性增加；在有饱和分存在的条件下，沥青质含量增加，可使沥青获得低的感温性；树脂和沥青质的含量增加，可使沥青的粘度提高。

按上述分析方法，对几种国产沥青化学组分的研究，选择其中典型油源和工艺、相同等级（A-60）的4种沥青分析结果列如表9-7。从表中可以看出：① 石蜡基沥青化学组分特点是，含蜡量高、芳香分和沥青质含量低；环烷基沥青与其相反，含蜡量较低、芳香分和沥青质含量较高，环烷—中间基沥青介于其间。由于石蜡基沥青属于少环（多直链烃）低芳香性的结构，所以它的路用性能较差。② 对石蜡基原油，采用丙烷脱沥青工艺，可以使沥青组分中含蜡量降低，饱和分含量相对减少，芳香分相对增加，路用性能得到适当改善。

表9-7 石油沥青化学组分（色层分析法） 油源工艺 序沥青号 标号 油源 低硫石蜡基 工艺 半氧饱和分（S） 7.5 化学组分（质量，%） 芳香分（Ar） 22.7 胶质（R） 56.7 沥青质（At） 0.3 蜡（P） 针入度（1/10mm） 12.8 64.5 沥青技术性质 软化点（℃） 51.8 延度（cm） 12.6 1 A-60 化 2 A-60 低硫石蜡基 含硫环3 A-60 烷-中间基 A-60 含硫环烷基 丙烷脱 氧化 氧化 1.3 25.6 63.9 0.2 9.0 62.0 48.3 58.8 10.8 26.1 48.0 10.0 5.1 44.5 51.0 69.3 4 8.1 41.6 28.4 20.0 1.9 43.0 51.3 100+

3. 沥青的含蜡量。蜡组分的存在对沥青性能的影响，是沥青性能研究的一个重要课题。特别是我国富产石蜡基原油的情况下，更为众所关注。蜡对沥青性能的影响，现有研究认为：沥青中蜡的存在，在高温时会使沥青容易发软，导致沥青高温稳定性降低，出现车辙或流淌；相反，在低温时会使沥青变得脆硬，导致低温抗裂性降低；此外，蜡会使沥青与石料粘附性降低，在有水的条件下，会使路面石子产生剥落现象，造成路面破坏；更严重的是，含蜡沥青会使沥青路面的抗滑性降低，影响路面的行车安全。对于沥青含蜡量的限制，由于世界各国测定方法不同，所以限制值也不一致，其范围为2%～4%。我国标准规定，重交通量道路石油沥青的含蜡量（蒸馏法）不大于3%。

（三）胶体结构

沥青的技术性质，不仅取决于它的化学组分及其化学结构，而且取决于它的胶体结构。

1. 胶体结构的形式。现代胶体理论认为：沥青的胶体结构，是以固态超细微粒的沥青质为分散相。通常是若干个沥青质麋集在一起，它们吸附了极性半固态的胶质，而形成“胶团”。由于胶溶剂——胶质的胶溶作用，而使胶团胶溶、分散于液态的芳香分和饱和分组成的分散介质中，形成稳定的胶体。

在沥青中，分子量很高的沥青质不能直接胶溶于分子量很低的芳香分和饱和分的介质中，特别是饱和分为胶凝剂，它会阻碍沥青质的胶溶。沥青之所以能形成稳定的胶体，是因为强极性的沥青吸附了极性较强的胶质，胶质中极性最强的部分吸附在沥青质表面，然后逐步向外扩散，极性逐渐减小，芳香度也逐渐减弱，距离沥青质愈远，则极性愈小，直至与芳香分接近，直至到几乎没有极性的饱和分。这样，在沥青胶体结构中，从沥青质到胶质，再从芳香分到饱和分，它们的极性是逐步递减的，没有明显的分界线。

2. 胶体结构分类。根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同，可以形成不同的胶体结构。沥青的胶体结构，可分下列3个类型。

图9-4 沥青的胶体结构示意图

（1）溶胶型结构：当沥青中沥青质分子量较小，并且含量很少（例如在10%以下），同时有一定数量的芳香度较高的胶质，这样使胶团能够完全胶溶而分散在芳香分和饱和分的介质中。在此情况下，胶团相距较远，它们之间吸引力很小（甚至

没有吸引力），胶团可以在分散介质粘度许可范围之内自由运动，这种胶体结构的沥青，称为溶胶型沥青（如图9-4a所示）。

这类沥青的特点是，当对其施加荷载时，几乎没有弹性效应，剪应力（）与剪变率（）成直线关系（如图9-5a所示），呈牛顿流型流动，所以这类沥青也称为“牛顿流沥青”。通常，大部分直馏沥青都属于溶胶型沥青。这类沥青在性能上，具有较好的自愈性和低温时变形能力，但温度感应性较大。

（2）溶—凝胶型结构：沥青中沥青质含量适当（例如在15%～25%之间），并有较多数量芳香度较高的胶质。这样形成的胶团数量增多，胶体中胶团的浓度增加，胶团距离相对靠近（如图9-4b所示），它们之间有一定的吸引力。这是一种介乎溶胶与凝胶之间的结构，称为溶—凝胶结构。这种结构的沥青称为溶—凝胶型沥青。这类沥青的特点是，在变形的最初阶段，表现出一定程度的弹性效应，但变形增加至一定数值后，则又表现出一定程度的粘性流动，是一种具有粘—弹特性的伪塑性体。它的剪应力（）和剪变率（）关系，如图9-5b所示。这类具有粘－弹特性的沥青，称为粘－弹性沥青。这类沥青，有时还有触变性。修筑现代高等级沥青路面用的沥青，都应属于这类胶体结构类型。通常，环烷基稠油的直馏沥青或半氧化沥青，以及按要求组分重（新）组（配）的溶剂沥青等，往往能符合这类胶体结构。这类沥青的性能，在高温时具有较小的感温性，低温时又具有较好的形变能力。

（3）凝胶型结构：沥青中沥青质含量很高（例如＞30%），并有相当数量芳香度高的胶质来形成胶团。这样，沥青中胶团浓度很大程度的增加，它们之间相互的吸引力增加，使胶团靠得很近，形成空间网络结构。此时，液态的芳香分和饱和分在胶团的网络中成为“分散相”，连续的胶团成为“分散介质”（如图9-4c所示）。这种胶体结构的沥青，称为凝胶型沥青。这类沥青的特点是，当施加荷载很小时，或在荷载时间很短时，具有明显的弹性变形。当应力超过屈服值（

）之后，则表现

为粘－弹性变形（如图9-5c所示），为一种似宾汉姆体。有时还具有明显的触变性。这类沥青称为弹性沥青。通常深度氧化的沥青多属于凝胶型沥青。这类沥青在性能上，虽具有较小的温度感应性，但低温变形能力较差。

图9-5 沥青的剪应力与剪应变关系图

3. 蜡对沥青胶体结构的影响。蜡组分在沥青胶体结构中，可溶于分散介质芳香分和饱和分中，在高温时，它的粘度很低，会降低分散介质的粘度，使沥青胶体结构向溶胶方向发展；在低温时，它能结晶析出，形成网络结构，使沥青胶体结构向凝胶方向发展。

4. 结构类型的判定。沥青的胶体结构与其性能有密切的关系。胶体结构类型的确定，可以根据流变学的方法（如流变曲线测定法）和物理化学的方法（如容积度法、絮凝比—稀释度法）等；为工程使用方便，通常采用针入度指数法。该法是根据沥青的针入度指数（PI）值，按表9-8来划分其胶体结构类型（沥青针入度指数的确定方法，参见本节沥青的感温性）。

表9-8 沥青的针入度指数和胶体结构类型 沥青的针入度指数沥青的胶体结构沥青的针入度指数沥青的胶体结构沥青的针入度指数沥青的胶体结构（PI） ＜-2 类型 溶 胶

（PI） -2～+2 类型 溶—凝胶 （PI） ＞+2 类型 凝 胶

三 、石油沥青的技术性质

用于现代沥青路面等的沥青材料，应具备下列主要技术性质。

（一）物理特征常数

现代沥青路面的研究，对沥青材料的下列物理特征常数极为重视。

1. 密度。沥青的密度是沥青在规定温度条件下、单位体积的质量。我国现行试验法（JTJ052-2000）规定温度为15℃。也可用相对密度表示，相对密度是指在规定温度下，沥青质量与同体积水质量之比。

沥青的密度与其化学组成有密切的关系，通过沥青的密度测定，可以概略地了解沥青的化学组成。通常粘稠沥青的密度波动在0.96～1.04范围。我国富产石蜡基沥青，其特征为含硫量低、含蜡量高、沥青质含量少，所以密度常在1.00以下。

2. 热胀系数。沥青在温度上升1℃时的长度或体积的变化，分别称为线胀系数或体胀系数，统称热胀系数。

沥青路面的开裂，与沥青混合料的热胀系数有关。沥青混合料的热胀系数，主要取决于沥青热学性质。特别是含蜡沥青，当温度降低时，蜡由液态转变为固态，比容突然增大，沥青的热胀系数发生突变，因而易导致路面产生开裂。

3. 介电常数。沥青的介电常数与沥青使用的耐久性有关，这是早年就为人们所知的。现代高速交通的发展，要求沥青路面具有高的抗滑性，根据英国道路研究所研究认为，沥青的介电常数与沥青路面抗滑性也有很好的相关性。

（二）粘滞性

沥青的粘滞性（简称粘性）是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性，是技术性质中与沥青路面力学行为联系最密切的一种性质。在现代交通条件下，为防止路面出现车辙，沥青粘度的选择是首要考虑的参数。沥青的粘性通常用粘度表示，所以粘度是现代沥青等级（标号）划分的主要依据。

1. 沥青粘度的表达方式。

（1）牛顿流型沥青的粘度：溶胶型沥青或沥青在高温条件下，可视为牛顿液体。设在两金属板中夹一层沥青，如图9-6所示，按牛顿内摩擦定律可推导出牛顿流型沥青的粘度：

图9-6 沥青粘度参数

（9-1）

式中：

——动力粘度（简称粘度）（Pa·s）； ——剪应力（Pa）；

——剪应变速率（简称剪变率）（s）。

在运动状态下，测定沥青粘度时，考虑到密度的影响，动力粘度还可采用另一种量描述，即沥青在某一温度下的动力粘度与同温下沥青密度之比，称为“运动粘度”（或称“动比密粘度”）。运动粘度（）表示如下： 式中：

——运动粘度（10-4m2/s）； ——动力粘度（Pa·s）； ——密度（g/cm3）。

（2）非牛顿流型沥青的粘度：沥青是一种复杂的胶体物质，只有当其在高温时（例如加热至施工温度时）才接近于牛顿液体。而当其在路面的使用温度时，沥青均表现为粘弹性体，故其在不同剪变率时，表现为不同的粘度。因此沥青的剪应力与剪变率并非线性关系，通常以表观粘度（或称视粘度）表达如下： 式中：

——沥青表观粘度（Pa·s）； 、——意义同前；

C——沥青的复合流动度系数。

沥青的复合流动系数C是评价沥青流变性质的重要指标。C=1.0表示牛顿流型沥青，C＜1.0表示非牛顿流型沥青，C值愈小表示非牛顿性愈强。剪应力和剪变率关系曲线，如图9-7所示。

（9-2）

（9-3）

图9-7 沥青流变曲线

2. 沥青粘度的测定方法。沥青粘度的测定方法可分为两类，一类为“绝度粘度”法，另一类为“相对粘度”（或称“条件粘度”）法。前者是由基本单位导出而得，通常采用仪器为“绝对单位粘度计”，如毛细管粘度计等。后者是由一些经验方法确定，常用的仪器为“经验单位粘度计”，各种流出型的粘度计如道路标准粘度计、赛氏粘度计和恩氏粘度计等。此外，针入度亦属这类。软化点，通常作为测定温度稳定性的一种方法，实质上，它也属于条件粘度的范畴。

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