長安大學碩士學位論文辯論會2003年6月1瀝青材料的粘度與粘附性研究

研究生：封晨輝指導教師：延西利

教

授

2目錄第一章緒論第二章瀝青與集料粘附性的評價方法第三章試驗材料根本分析第四章瀝青的粘度試驗分析第五章瀝青的組分試驗分析第六章試驗結果分析第七章結論與建議3第一章緒論

§1-1瀝青材料概述

§1-2瀝青材料的粘性與粘附性

§1-3瀝青粘度與粘附性的研究現狀

§1-4關于本課題研究

4瀝青材料概述

瀝青作為一種非常重要的土工材料，被廣泛應用于道路工程和建筑防水工程中。以1997年我國的公路建設為例，我國瀝青的年使用量已突破400萬噸[6]。從世界范圍來看，全世界每年瀝青總用量為7500萬噸，其中80％用于道路工程，約6000萬噸。我國公路根底設施建設近年來一直呈飛速上升趨勢，然而，由于建設速度快，技術水平低，經驗不成熟，我國的公路出現問題的現象比較普遍，尤其是瀝青路面的早期破壞，日益成為專業人士關注的重點。路面的早期水損害就與瀝青的粘附性密切相關，粘附性的好壞直接影響著瀝青路面的使用質量和耐久性。所以，深入研究瀝青與集料的粘附性對瀝青路面的效勞水平和效勞質量有重大的指導意義。5瀝青的粘結性是指瀝青材料在外力作用下，瀝青粒子產生相互位移時抵抗變形的性能。它是與瀝青路面力學行為聯系最密切的一種性質，通常用粘度〔η〕來表示。瀝青的粘附性是指瀝青與集料的粘附能力，是兩種物質在界面上不同分子之間的吸引或排斥作用，可以說吸附作用是瀝青與集料粘附的本質。瀝青的粘度和粘附性是影響瀝青混合料路用性能的重要因素。目前，有關瀝青的粘度和粘附性各自的研究成果很多，但它們之間相關性的研究卻很少。通常認為，瀝青的粘度越大，與集料的粘附性越好。本論文即針對瀝青的這兩大技術指標提出論題。瀝青材料的粘性與粘附性

6對瀝青粘附性的研究：對瀝青與集料評價方法的研究

對改善瀝青與集料粘附性方法的研究

對影響瀝青與集料粘附性因素的研究

對瀝青粘度的研究：通過粘溫曲線研究瀝青的流變特性研制新的測粘儀器瀝青粘度與粘附性的研究現狀

7測定克拉瑪依90＃、中海70＃、中海90＃、日本90＃和遼河110＃五種重交瀝青的三大技術指標，通過這些宏觀指標評定瀝青的技術性能。測定上述五種瀝青80℃～100℃的動力粘度，研究瀝青的流變性能。用水煮法測定上述五種瀝青與典型花崗巖、石灰巖的粘附等級，與瀝青的動力粘度對照分析，尋求兩者之間的相關關系。用稱重法測定上述五種瀝青與石灰巖的粘附率，定量評價不同粘度瀝青的粘附力。測定上述五種瀝青以及其老化后和改性后的的四組分組成，分析瀝青的化學組分對粘附力的影響。結合“八五〞國家科技攻關成果對試驗結果進行分析論證。關于本課題研究

8第二章瀝青與集料粘附性的評價方法

§2-1瀝青與集料粘附性根本理論§2-2影響瀝青與集料粘附性的因素§2-3瀝青與集料粘附性的評價方法9力學理論力學理論認為瀝青與集料之間的粘附性主要是由于其間分子力的作用。偏重于瀝青與集料的物理作用過程，根據這一理論可以推斷出，外表粗糙、微孔隙較多的集料容易吸附瀝青，形成穩定的混合料結構?；瘜W反響理論化學反響理論認為，瀝青與集料之間的粘附性主要來源于瀝青與集料外表發生化學反響。側重于瀝青與集料界面上發生的化學反響。外表能理論外表能理論認為，瀝青與集料之間的粘附性是由于能量作用原理即瀝青潤濕集料外表而形成的。從能量的角度描述瀝青－集料的粘附作用過程。它能很好的解釋水使瀝青從集料外表剝離的過程，并使這一過程定量化：通過測定瀝青與集料之間的接觸角來評定粘附性能的好壞。分子定向理論分子定向理論認為，瀝青與集料之間的粘附性是由于瀝青中的外表活性物質對集料外表的定向吸附而形成的。側重于從瀝青與集料所帶的外表電荷角度解釋問題。瀝青與集料粘附性根本理論10集料的性質集料的吸水率、集料的外表化學性質、外表積、孔隙大小等、集料外表的潔凈程度。瀝青的性質瀝青酸值、粘度、瀝青的外表張力、水及荷載的作用混合料的類型以及路基路面的結構，尤其是排水設施等

影響瀝青與集料粘附性的因素

11常用的粘附性評價方法水煮法、水浸法、光電比色法、攪動水凈吸附法間接的粘附性評價方法靜荷載試驗如浸水馬歇爾試驗、凍融后劈裂強度試驗、浸水劈裂強度試驗、浸水抗壓強度試驗等；動荷載試驗如浸水車轍試驗及浸水環道試驗。本論文采用的粘附性評定方法本論文通過比照不同的試驗方法，并結合實際的試驗條件和工程實際選用?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程?〔JTJ052－2000〕“瀝青與粗集料的粘附性試驗〞〔T0616－1993〕中的水煮法作為評定方法。瀝青與集料粘附性的評價方法

12選擇代表性集料時要盡量選擇外表均勻的顆粒，外觀表現為外表顏色一致?？刂茷r青被加熱的溫度在150℃左右水煮過程在潔凈透明的大玻璃杯中進行，墊石棉網，人為控制水的“微沸〞程度相當。水煮時不時有瀝青從集料外表脫落漂浮在液面上，為防止集料在取出時“脫落物〞又粘回去，應及時用報紙將其粘走。水煮3min后關火，并及時在水中觀察瀝青膜剝落情況，評定等級。對5個集料分別評定等級，求其平均值，取接近的整數作為最后結果。同時，找有經驗的同學一同評定，將人為誤差降到最低。標準水煮法本卷須知13按標準的水煮法程序準備集料和瀝青樣品，并將集料的個數增加為10個，選取結果相近的幾個求取平均值。用軟鐵絲將集料在中部系牢，用精度為萬分之一的電子天平稱重，質量為W1。按標準的水煮法程序使集料外表裹覆瀝青、水煮、觀察瀝青膜的剝落情況。所不同的是：①靜置20min需左右，稱重瀝青與集料的質量為W2，精確到0.0001g。②水煮時間延長到5min。取10個潔凈的100ml玻璃小燒杯，編號并稱重，質量記為W3。將水煮過的10個集料顆粒分別置入10個小燒杯，置于120℃的烘箱中加熱除水3h后，移入枯燥器冷卻1h，稱重，質量為W4。那么粘附率P為：水煮稱重法試驗步驟14第三章試驗材料根本分析§3-1瀝青材料試驗分析

§3-2集料性質試驗分析

§3-3水煮法粘附性試驗

15

瀝青材料試驗分析

16瀝青材料試驗分析17本論文所選用的集料分別為陜西延安的花崗巖，河南焦作的石灰巖。在長安大學應用化學與分析測試中心測定兩種石料的SiO2含量，陜西延安的花崗巖為72.3％，河南焦作的石灰巖為25.6％，分別為酸性集料和堿性集料。用肉眼觀察可以發現陜西延安的花崗巖和河南焦作的石灰巖不同的外表特征：石灰石外表致密均勻，顏色一致，較光滑，屬于微晶結構；花崗巖外表粗糙不平，屬巨晶結構，且不均勻含有石英礦物，外表局部點亮晶晶的。集料性質試驗分析

18水煮法粘附性試驗

19第四章瀝青的粘度試驗分析

§4-1試驗原理

§4-2Brookfield粘度試驗設備與規程§4-3Brookfield粘度試驗結果

20旋轉粘度計:布洛克菲爾德(Brookfield)型旋轉粘度計、雙筒旋轉式粘度計、動態剪切流變儀等。毛細管粘度計：真空減壓毛細管粘度計、逆流式毛細管粘度計等。

流出型粘度計：塞波特粘度計、恩格拉粘度計、道路瀝青標準粘度計等。滑板粘度計：如殼牌石油公司研制的兩塊平行板之間夾一薄層瀝青的兩塊板式滑板粘度計、哈爾濱建筑大學的自行研制的三塊板式滑板粘度計。

落柱式粘度計：由和于1963年提出，它是利用一個雙筒圓柱體，間隙中裝入瀝青試樣，在荷載作用下內筒徐徐落下，使試樣與外筒間產生剪切變形，通過荷載與變位的測定求解瀝青粘度。

粘度的測定方法

21Brookfield粘度計簡介

22Brookfield粘度試驗本卷須知將標準溫度計放入加熱爐內，以標準溫度計的顯示值與溫控器顯示值作比較〔兩個溫控器都與此比較〕，確定其差值，以此來修正溫控器讀數，以保證溫度設定的準確性和唯一性。粘度計和熱容器必須用氣泡水準和調平螺絲調到水平測定粘度前應先估計測定溫度下瀝青的粘度，選擇適合的轉子型號，而且試驗時一般將試樣量適當增多。選擇標準試驗的20rpm轉速。測定瀝青不同溫度的粘度通常由低到高依次測定。對于每一測試溫度，均需恒溫半小時，在粘度讀數穩定的情況下才可讀數，以一分鐘為間隔記錄3個粘度值，求取平均值作為最后結果。23Brookfield粘度試驗結果及回歸函數指數回歸形式：冪函數回歸形式：24Brookfield粘度試驗結果的回歸分析

25Brookfield粘度試驗結果的回歸分析26分析對照兩種不同形式回歸的參數表，五種瀝青在高溫條件下的溫敏性從優到劣排序為：

按指數形式回歸：日本90>克拉瑪依90>中海90>遼河110>中海70按冪函數形式回歸：克拉瑪依90>日本90>中海90>遼河110>中海70作者認為，冪函數形式的回歸與實際情況更為接近。從兩種回歸形式的相關系數看，冪函數形式普遍大于指數形式，說明在高溫域，瀝青的粘溫曲線遵從冪函數形式。針入度指數PI值也能表示的瀝青的感溫性，由PI值表示的瀝青的感溫性排序為：克拉瑪依90>中海70>日本90>中海90>遼河110與冪函數回歸的溫敏性排序相比有較大的出入，說明瀝青在不同的溫度域表現的流變特征不同。

27瀝青在高溫域的粘溫關系遵從冪函數形式，或者是半對數坐標下的直線關系。瀝青在不同的溫度域所表現的性能有較大差異，因此在實際工程中應根據實際的氣候條件選擇瀝青。小結28第五章瀝青的組分試驗分析

§5-1瀝青的組分分析概述

§5-2瀝青的四組分試驗設備與規程

§5-3瀝青的化學組分試驗結果

29瀝青的化學組成是影響瀝青性質的重要因素，長期以來，許多學者致力于研究石油瀝青的化學組成，但是，由于瀝青組成與結構的復雜性和不確定性，至今沒有明確的可指導實踐的結論，特別是化學組成與其性質的相關性更有待于研究。根據瀝青在不同有機溶劑中的選擇性溶解或在不同吸附劑上的選擇性吸附，而將瀝青別離為幾個化學性質比較接近而又與其膠體結構性質、流變學性質和路用性質有一定聯系的幾個組，稱為組分。隨著別離條件的改變，所得組分的性質和數量都會有所不同，例如，按目前的試驗方法及ISO標準的定義，用正庚烷〔C7〕沉淀瀝青質，C/H原子比明顯地要比正戊烷〔C5〕C/H原子比大，此外，正庚烷瀝青質還含有較多的雜原子如氮、硫、氧等。所以，瀝青中各組分的名稱和定義多數是條件性的。瀝青組分概述

30三組分法，即溶解－吸附分析法〔RL哈巴爾德、K.E.斯坦菲爾德法〕。該法將瀝青分解成瀝青質〔A〕、油分〔O〕和樹脂〔R〕三種組分。這種組分試驗方法的特點是各組分界限明確，但分析時間長。四組分法，即色譜分析法。該法將瀝青分解成瀝青質〔As〕、飽和分〔S〕、芳香分〔Ar〕和膠質〔R〕四種組分。這種組分試驗方法的特點是試驗速度快，組分與瀝青結構關系密切，但試驗操作的要求較高。五組分法，即化學沉淀法，也稱羅斯特勒法。該法將瀝青分解成瀝青質〔A〕、氨基〔N〕、第一酸性分〔A1〕、第二酸性分〔A2〕和鏈烷分〔P〕五種組分。瀝青組分分析方法分類

31瀝青質是深褐色至黑色的無定形物質。它是復雜的芳香分物質，有很強的極性。瀝青質的存在對瀝青的溫敏性有好的影響，它可使瀝青在高溫時仍有較大的粘度。膠質是半固體或液體狀的黃色至褐色的粘稠狀物質。它的化學組成和性質介于瀝青質和油分之間，但更接近瀝青質。膠質最大的特點之一就是化學穩定性很差，在吸附劑的影響下，稍稍加熱，甚至在室溫下，在有空氣存在時〔特別是在陽光的作用下〕很容易氧化縮合，局部地變為瀝青質。膠質在瀝青中屬于強極性的組分。芳香分是深棕色的粘稠液體，由瀝青中最低分子量的環烷芳香化合物組成的，它是膠溶瀝青質的分散介質。飽和分是由直鏈烴和支鏈烴所組成的，是一種非極性稠狀油類，對溫度較為敏感。瀝青中四組分的不同特征

32現代膠體理論認為，大多數的瀝青是由相對分子質量相當大、芳香性很高的瀝青質分散在較低相對分子質量的可溶質中組成的膠體溶液。瀝青質分子對極性強大的膠質所具有的強吸附力是形成瀝青膠體結構的根底。沒有極性很強的瀝青質中心，就不能形成膠團核心，同樣假設沒有極性與之相當的膠質被吸附在瀝青質的周圍形成中間相，也不會形成穩定的膠體溶液，只有當瀝青質和可溶質的相對含量及性質相匹配時，瀝青的膠體體系才處于穩定狀態。按其膠體狀態的不同，可將瀝青分為三類：溶膠型瀝青、凝膠型瀝青、溶凝膠型瀝青。瀝青的膠體結構

33瀝青四組分別離流程圖34瀝青質測定器

玻璃吸附柱示意圖

35嚴格按照試驗規程所說，按氧化鋁凈重參加1％的蒸餾水。必須嚴格保證試驗溫度維持在50℃±1℃。溶劑的用量及各組分間的切換要盡量統一，按標準要求去做，以保證結果有好的重復性。回收溶劑時溶劑的流出不宜太快，也不宜把溶劑蒸的太干，以免組分受熱分解而損失。殘留的溶劑可待真空枯燥時除去。所用沖洗溶劑要盡量來自同一廠家以保證化學試劑成分的一致性，減少試驗誤差。瀝青四組分測定本卷須知36瀝青的化學組分試驗結果

37從表5－1和表5－2瀝青的四組分組成可以看出：不同品種的瀝青其四組分的組成比例差異很大；同一品種不同標號的瀝青四組分組成較相似，一般高標號瀝青比低標號瀝青瀝青質含量多，膠質含量少。有資料顯示：瀝青的粘度隨瀝青質和膠質含量的增多而增大，作者將五種瀝青的瀝青質＋膠質含量和其80℃的旋轉粘度繪制成散點圖，如圖5－6所示，數據見表5－5。從圖中可以看出，瀝青的粘度隨瀝青質和膠質含量的增多大體上是增大的。比照表5－1和表5－3可知，瀝青發生老化時，瀝青質含量明顯增多，膠質含量減少。引起瀝青由溶－凝膠結構向凝膠結構轉化。由此可見，瀝青質和膠質的含量對瀝青性能的影響較大。瀝青質和膠質是瀝青中的重質組分，而且，瀝青中最具化學活性的成分也存在于其中，因此，作者嘗試用膠質和瀝青質來評價瀝青的性能，這一點在第六章中詳細論述。試驗結果分析

38瀝青的粘度隨瀝青質和膠質含量的增多而增大。瀝青發生老化時，瀝青質含量明顯增多，膠質含量減少。瀝青由溶－凝膠結構向凝膠結構轉化。

瀝青質和膠質的含量對瀝青性能的影響較大。

結論

39第六章

試驗結果分析

§6-1瀝青的粘度與粘附性試驗結果分析

§6-2瀝青的化學組分與粘附性試驗結果分析§6-3對瀝青粘附性的認識

40瀝青的粘度與粘附性試驗結果分析

41從表中數據可以看出：①克拉瑪依90與石灰巖的粘附性最好，但它的粘度是排在倒數第二位的；中海70、中海90、遼河110三種瀝青與石灰巖的粘附性等級相同，但中海70的粘度卻是最大，遼河110的粘度最小，而中海90的粘度居中。因此，可以說瀝青粘度的大小和與石料粘附性等級的上下沒有明顯的相關性。②中海90、日本90和遼河110的粘附率幾乎相等，作者認為稱重水煮法不能將粘附性的差異區分出來，這種方法思路很好，但具體操作還有待進一步深入研究。③不同瀝青與花崗巖的粘附率都是一級，說明集料的性質是決定瀝青與集料之間粘附性的關鍵因素。④由表6-2可以看出，瀝青經室內老化試驗后，瀝青的粘度隨老化時間的延長而增大，但與集料的粘附性降低，這與路用實際是相符的。瀝青的粘度與粘附性試驗結果分析42國家“八五〞科技攻關專題粘附試驗結果43圖6－160℃粘度與三種石料吸附量的關系

圖6－260℃粘度與三種石料凈吸附量的關系

國家“八五〞科技攻關專題粘附試驗結果分析44國家“八五〞科技攻關專題粘附試驗結果分析圖6－360℃粘度與三種石料剝落率的關系

45國家“八五〞科技攻關專題粘附試驗結果分析從圖6－1、6－2、6－3中可以看出：瀝青的粘度和其粘附性之間沒有明顯的相關關系，粘度大的瀝青粘附性好，但粘度小的瀝青粘附性不一定不好。粘附的好壞很大程度取決于集料的性質。由圖6－1可得，片麻巖的初始吸附量最大，其次為石灰巖、花崗巖。從圖6－2和6－3可知，粘附性最好的是石灰巖，其次為片麻巖、花崗巖。片麻巖的初始吸附量較大與它多孔的外表特征有關，而經水剝離后的吸附量小于石灰巖，說明化學吸附在粘附過程中起主要的作用。從圖6－3中數據的分散情況可以說明瀝青的性質對粘附性的影響程度：花崗巖>片麻巖>石灰巖。46試驗結果的綜合分析及研究瀝青粘度是影響瀝青－集料粘附性的重要因素，但沒有明顯的相關性。通常所謂粘附性隨瀝青粘度的增大而提高的論斷是有前提條件的：同種瀝青對于同種集料，而且集料的界面特性如形狀、粗糙度、酸堿性根本相同時，粘附性隨瀝青粘度的增大而提高。尤其對于酸性集料來說，粘度對粘附性的影響更明顯。瀝青與酸性集料在接觸界面上發生的化學反響較與堿性集料的少，因此，粘度對試驗結果的影響相對較大。由所有試驗結果可得，無論何種瀝青，與堿性集料的粘附性都好于酸性集料，一般高2個粘附等級，說明集料的性質是粘附性好壞的關鍵因素。同時也可以說明：粘附作用的本質是吸附作用，而且化學吸附較物理吸附穩定。瀝青發生老化后，粘度增大，但與同粘度的未老化瀝青相比，路用性能差了很多。因此，“同一品種不同標號瀝青的粘度越大，粘附性越好〞這一論斷還應加一限制條件，即原瀝青。對于老化瀝青這一論斷不成立，其原因將在第五章中論述。47小結一般來說，瀝青粘度與瀝青－集料的粘附性沒有明顯的相關性。同種原瀝青對于同種集料，低標號的瀝青粘度較大，與集料的粘附性較高標號的要好，但差異不是很大。集料性質是影響瀝青－集料粘附性的重要因素。堿性集料比酸性集料與瀝青的粘附性好。瀝青的性質對酸性集料的粘附性影響比堿性集料粘附性影響程度大。48瀝青的化學組分與粘附性試驗結果49瀝青的化學組分與粘附性試驗結果50瀝青的化學組分與粘附性試驗結果分析圖6－4五種瀝青膠質/瀝青質比照圖圖6－5五種瀝青老化前后膠質/瀝青質比照圖51瀝青的化學組分與粘附性試驗結果分析對照表6－4、6－5、6－6、6－7中膠質＋瀝青質和與石灰巖的粘附性等級可發現這兩者之間不存在相關性，由此也可證實，瀝青的粘度和粘附性之間不存在明顯的相關性。由表6－4和圖6－4可知，膠質/瀝青質的值越大，瀝青－集料的粘附性越好。由表6－5可知，對于同一種瀝青，瀝青標號越低，瀝青質＋膠質的含量和膠質/瀝青質的比值也越大，其粘附性越好。從表6－4、6－6和圖6－5可以看出，瀝青發生老化后，膠質/瀝青質減小，瀝青的性能下降，粘附性也變差。瀝青發生老化時破壞了瀝青的膠體體系，使其性能下降。瀝青再生中的組分調節，主要是增加膠質含量，改變老化瀝青的組分比例，使再生瀝青的技術性質根本恢復到原始瀝青的狀態。由以上分析可推斷，膠質對瀝青粘附性的影響可能更大。表6－7說明：被SBS吸附過的基質瀝青的粘附性有一定提高，瀝青質含量增加，但增加不多，膠質增加，且增加量較大。這與瀝青老化瀝青質增加，膠質減少，導致粘附性下降完全不同。由此，更說明膠質/瀝青質衡量粘附性的合理性。52矩形坐標系下瀝青的四組分構成試驗證實：瀝青的性能優劣很大程度上取決于四組分的組成比例，即瀝青的膠體體系的構成。為了研究組分構成對瀝青粘附性的影響，作者依照導師的思路并借鑒大慶道路瀝青組成的三角形坐標把表6－4中瀝青的四組分試驗結果繪制到一個矩形坐標系中，其中矩形的每一個邊代表一種組分，表6－4中每一組分都沒有超過50％，所以每個坐標的長度定為50％，以50cm計。每一種瀝青的四組分都會在這個矩形坐標系中形成一個四邊形，比照每一個四邊形的面積以及四邊形形心相對于矩形坐標系的形心位置來分析瀝青的化學組成。克拉瑪依90、中海70、中海90、日本90和遼河110在矩形坐標系下的組分構成以及形心位置比較如圖6－7所示，每一種瀝青的組分四邊形面積、組分四邊形形心與坐標系形心的相對位置見表6－8。53圖6－7矩形坐標系下瀝青的四組分組成及形心位置比較54矩形坐標系下瀝青的化學組成要素55矩形坐標系下瀝青組分分析由表6－8可以看出，克拉瑪依90的組分四邊形面積最小，粘附性最好；日本90的組分四邊形面積最大，粘附性最差；而中海70、中海90、和遼河110的組分四邊形面積居中，其粘附性也居中。因此，作者認為組分四邊形的面積與瀝青的粘附性相關性較好，面積越大，粘附性越差。由圖6－7中的瀝青形心位置比較可以看出，克拉瑪依瀝青位于矩形坐標系形心右下方較近的位置，粘附性優；日本90位于矩形坐標系形心左下方較遠的位置，粘附性差；中海70、中海90和遼河110的形心位置相距很近，集中于矩形坐標系左下方較近的位置，粘附性良。并且，克拉瑪依90和中海70、中海90、遼河110的形心與矩形坐標系形心距離幾乎相等。由此，作者推斷粘附性較好的瀝青的四組分形心會落在矩形坐標系形心下方3cm左右一個較小的圓弧范圍內。然而，形心落入該區域的四邊形很多，因此，瀝青的四組分構成也復雜多變。粘附性良好的位置在矩形坐標系形心的下部，說明膠質對粘附性的奉獻較大。56小結瀝青組分中，膠質對瀝青粘附性的影響可能更大；膠質和瀝青質相對含量的變化是影響瀝青膠體結構的重要因素，同時也是粘附性降低的關鍵原因。從瀝青組分的角度來說，用膠質/瀝青質比值來評價瀝青粘附性更合理。隨著膠質/瀝青質比值的增大，粘附性變好。但這個比值并非越大越好，它存在一個上限，但本論文沒有對這個上限值進行研