沥青：化学组分与黏滞性及测定方法

1．沥青分类

（1）按产源不同划分为经地质开采加工后得到的地沥青和通过工业加工获得的焦油沥青。其中地沥青分为地质直接开采的天然沥青和开采石油加工后的石油沥青；而焦油沥青又根据工业加工原材料的不同，分为煤沥青、木沥青和页岩沥青等。石油沥青的产量大，可加工改性的程度高，并能够较好地满足现代道路交通运输特点，是目前公路工程中应用最多的沥青品种。

（2）按原油成分中所含石蜡数量的多少划分为石蜡基沥青（含蜡量大于5%）、沥青基沥青（含蜡量小于2%）、混合基沥青（含蜡量2%～5%）等。

（3）按加工方法分类，经过不同的加工工艺，得到性能有明显差别的不同类型沥青。

①直馏沥青：原油通过常压或减压蒸馏方法得到沥青产品，符合沥青标准的就是直馏沥青，不符合沥青标准的是渣油沥青。实践表明，通常直馏沥青的温度稳定性和大气稳定性相对较差。

②溶剂脱沥青：通过不同溶剂对减压渣油中不同成分有选择性地溶解，实现不同组分的分离，从而加工生产出所谓的溶剂脱沥青。这类沥青在常温下是半固体或固体状态。

③氧化沥青：以减压渣油（或加入其他组分）为原料，在高温（230 ℃～280 ℃）下吹入空气，经氧化处理得到氧化沥青。这种沥青在常温下呈固体状态，与直馏沥青相比有较高的热稳定性和较高的高温抗变形能力，但低温变形性较差，易产生低温开裂现象。所以通过采用不同氧化程度生产半氧化沥青，以改善氧化沥青的温度敏感性。

④裂化沥青：对蒸馏后的重油在高温下进行裂化，得到裂化残渣成为裂化沥青。裂化沥青具有更大的硬度和延度，软化点也较高。但与直馏沥青和氧化沥青相比，其黏度、气候稳定性等相对较差。

⑤调和沥青：针对采用不同加工方式生产的不同类型沥青进行调和，并通过调整沥青组分之间的比例，加工生产出所谓的调和沥青。由于调和沥青可通过不同沥青之间比例或组分上有针对性地变动和调整，能够加工生产出性能不同的调和沥青。

（4）按常温下的稠度划分为固体沥青、黏稠沥青和液体沥青。

（5）按用途的不同划分为道路石油沥青和建筑沥青。

通常，道路工程所用沥青是常温下呈黏稠状或固体状的石油沥青，并可经过氧化、溶剂脱沥青、调和等工艺，使该沥青在蜡含量、黏稠程度、温度敏感性等一系列关键指标上能够更好地满足道路工程的需要。

2．沥青的化学组分

通过一定的分离方法，将沥青分离成化学性质相近并且和路用性质有一定联系的几个组，这些组就称为“组分”。沥青中各组分的多少与沥青的技术性质有直接关系。

（1）沥青质：沥青质是不溶于正庚烷而溶于苯的黑褐色无定形固体物，占沥青质量的5%～25%。沥青质和沥青的热稳定性、流变性和黏滞性有很大关系。其含量越高，沥青软化点就越高，黏度也越大，沥青表现得就越硬、越脆。

（2）胶质：胶质能够溶于正庚烷，是深棕色固体或半固体，有很强的极性，影响沥青中沥青质的分散效果，突出特征是具有很强的黏附力。胶质和沥青质之间的比例决定了沥青的胶体结构类型。

（3）芳香分：芳香分是由沥青中分子量最低的环烷芳香化合物组成的黏稠状液体，占沥青总量的20%～50%，呈深棕色，对其他高分子烃类物质有较强的溶解能力。

（4）饱和分：饱和分是由直链和支链饱和烃、烷基烃和一些烷基芳香烃组成的，含量占沥青的5%～20%，是非极性稠状油类，颜色较浅。随饱和分含量增加，沥青的稠度降低，温度感应性加大。

除了上述四种组分之外，在芳香分和饱和分中还存在另一个需要引起重视的成分——蜡。一方面是因为蜡在低温下结晶析出后分散在沥青中，减少沥青分子之间的紧密程度，使沥青的低温延展能力明显降低；另一方面，蜡随着温度升高极易熔化，使沥青的黏度降低，加大沥青的温度敏感性。蜡还能使沥青与石料表面的黏附性降低，在水的作用下易导致沥青膜从石料表面脱落，造成沥青路面的水损害。同时沥青中蜡的存在易引起沥青路面抗滑性能的衰减，所以沥青中的蜡成分是对沥青路用性能极为不利的物质，目前对于路用沥青中蜡的含量有严格限制。

3．沥青的胶体结构

根据沥青组分分布特点，沥青属于胶体材料。其中沥青质作为胶核，在其表面吸附胶质，形成胶体体系的胶团，成为分散相。在芳香分和饱和分构成的分散介质作用下，胶团弥漫分散于其中，形成所谓的沥青胶体。根据胶团粒子的大小、数量以及分散程度，沥青的胶体结构分为溶胶型、溶凝胶型、凝胶型三种类型。由于不同胶体类型沥青对温度变化的适应性有较大差别，因而对沥青路用效果的影响也不同，实际工程中往往选择能够兼顾高温时变形量较小，但低温时又有一定变形能力的溶凝胶型沥青。

4．石油沥青主要技术性质

（1）黏滞性。

黏滞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剪切变形的能力。黏滞性的高低随沥青的组分和温度而定，沥青质含量高的沥青，其黏滞性大；环境温度升高时沥青的黏滞性降低。沥青的黏滞性与沥青路面的力学行为密切相关，例如高温时沥青路面产生车辙程度的高低，与沥青的黏滞性有着直接关系。

表示沥青黏滞性大小的指标为黏度。黏度的表达和测定有多种方式方法，如采用毛细管法测得沥青的动力黏度来表示沥青的绝对黏度，采用旋转黏度计测得沥青的表观黏度，该黏度可用来确定沥青施工应用时的拌和和碾压温度，或采用相对简单的针入度方法测得沥青的条件黏度来表示沥青的稠度，同时作为等黏温度的软化点，也可作为表示沥青黏滞性的一项技术指标。

①沥青动力黏度。

当沥青黏度的大小等于剪应力与剪变率之比时，该黏度就是沥青的动力黏度，也称为沥青的绝对黏度，以帕·秒(Pa·s)作为计量单位。动力黏度很好地反映了沥青在一定温度条件下的黏滞性，所以一些国家利用温度在60 ℃时测得的动力黏度作为沥青分级划分依据，该测定通常采用真空毛细管法。

②沥青表观黏度。

表观黏度是表示沥青绝对黏度的另一种方式，该黏度采用布氏旋转黏度计进行测定。通过对道路沥青在45 ℃以上温度条件下的布氏黏度(Pa·s)的测定，来确定沥青混合料在施工过程中适宜的拌和和碾压温度。

③针入度。(www.xing528.com)

针入度是表示沥青条件黏度的一项指标，同时也是我国沥青标号划分的依据。针入度是在一定的温度条件下，以规定质量的标准针经过规定的贯入时间后，标准针沉入到沥青试样中的深度值，以0．1 mm计。通常我国将测定针入度的标准条件设定为温度25 ℃、针总质量100 g、贯入时间5 s。此外，针入度还可在其他条件下测得，例如常用的非标准试验温度有5 ℃、15 ℃、30 ℃等。

通过针入度试验测得的针入度值越大，表示沥青越软。实际上，针入度测得的是沥青的稠度而非黏度，但二者关系密切，也就是说稠度越高的沥青，其黏度也就越高。

④软化点。

沥青是一种非晶质有机高分子材料，它由液态凝结为固态，或由固态熔化为液态，没有明确的固化点或液化点，通常采用规定试验条件下的硬化点或滴落点来表示其状态的转变。沥青材料在硬化点到滴落点之间的温度区间里，呈现出一种黏滞流动状态，在工程中为保证沥青不致因温度升高而发生流动，取滴落点和硬化点之间温度间隔的87．21%当作软化点。

目前软化点的测定大多采用环球法。该方法的主要内容是将沥青浇注在规定的金属中，其上放置规定质量的钢球，在规定的加热升温速度(通常为5 ℃/min)条件下进行加热。随着温度不断升高，沥青试样逐渐软化，直至在钢球荷重作用下，沥青产生规定的下垂距离，此时对应温度就是软化点( ℃)。由于软化点的高低反映了沥青在一定温度条件下所呈现的物理状态，所以软化点高的沥青，说明该沥青在温度较高的条件下，软化变形的程度低；而对于软化点低的沥青，表明这种沥青在温度升高时，易发生软化变形。所以可将软化点当作沥青热稳定性的指标。

另一方面，试验研究认为，沥青在软化点时的针入度值往往为800（0．1 mm）单位，所以认为软化点是沥青呈现相同黏度时所要达到的温度，即等黏温度，这样一来表示沥青热定性的软化点指标就与沥青的黏度指标产生了联系。因此，软化点既是反映沥青材料热稳定性的指标，也是表示沥青条件黏度的指标。

（2）沥青延性。

沥青的延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，是表示沥青内部凝聚力、内聚力的一种量度。通常采用延度作为沥青的条件延性指标，并通过延度试验测得相应的延度值。

延度试验是将沥青试样制成8字形标准试件，在规定的拉伸速度和温度条件下试件被拉断的操作过程。将该过程拉伸距离定义为延度，试验结果以cm计。目前试验温度常定为15 ℃或10 ℃，拉伸速度一般为5 cm/min。

研究发现，温度相对较低时测得的延度值大小，与沥青在低温时的抗裂性有一定关系。如果低温延度值较大，则在低温环境下沥青的抗裂性相对较小。

上述的针入度、软化点和延度等，传统意义上称为沥青的“三大指标”，是目前我国针对沥青性能评价的核心指标。

（3）沥青感温性。

在不同温度条件下，沥青黏度随温度的改变而改变，其他性能也呈现出明显的随温度变化而变化的规律，这种沥青黏度随温度的改变而改变的特点称为沥青的感温性。对于路用沥青，温度和黏度的关系是沥青的一项极其重要的性能。表示沥青的感温性常用的指标是针入度指数（PI）。

针入度指数越大，表明沥青对温度变化的敏感性越低，也就是说针入度指数大的沥青在环境温度改变时，沥青性状改变的程度较小。这种低感温性的沥青在夏季高温季节不易变软，具有一定的抗车辙变形的能力。同时低感温性的沥青在冬季低温环境下，不会因降温变得过硬，从而有利于低温抗裂的需要。根据现行规范的要求，通常路用沥青的针入度指数宜在-1．5～+1．0之间。

（4）黏附性。

沥青克服外界不利影响因素（如环境对沥青的老化、水对沥青膜的剥离等）在集料表面的附着能力称为沥青的黏附性。黏附性直接影响沥青路面的使用质量和耐久性，是评价沥青技术性能的一项重要指标。

沥青黏附性的好坏首先与沥青自身特点密切相关，随着沥青稠度的增加或沥青中一些类似沥青酸的活性物质的增加，其黏附性加大。同时，集料的亲水性程度也直接决定了沥青和集料之间黏附性的优劣。憎水的碱性集料，黏附性优于亲水的酸性集料，所以采用碱性石灰岩集料拌制的沥青混合料，其黏附性明显好于酸性的花岗岩沥青混合料。

目前沥青与集料之间黏附性好坏的常规评价方法是水煮法或水浸法，通过一定条件下考察集料表面沥青膜抵御水剥离的能力，来界定沥青黏附性的好坏。

（5）沥青耐久性。

路用沥青在储运、加热、拌和、摊铺、碾压、交通荷载和自然因素的作用下，会产生一系列的物理化学变化，使沥青逐渐改变其原有组成成分，引起路用性能的劣化，这种现象称为沥青的老化。当今修筑的高等级公路沥青路面，其设计寿命长达十年以上，因此要求沥青材料具有较好的抗老化性，即良好的耐久性。

引起沥青老化的直接因素如下。

①热的影响：升温加热将加速沥青内部轻组分的挥发，加速沥青内部化学反应，最终导致沥青性能的劣化。所以无论是在室内沥青的加热试验，还是施工过程中沥青的加热拌和，都将引起沥青的热老化。

②氧的影响：空气中的氧被沥青吸收后产生氧化反应，从而改变沥青的组成比例，引起老化。

③光的影响：日光（特别是紫外光）照射沥青后，使沥青产生光化学反应，促使沥青的氧化过程加速而引起沥青的老化。

④水的影响：水在与光、热和氧共同作用下，会起到加速沥青老化的催化作用。

⑤渗流硬化：沥青中轻组分渗入到矿料的孔隙中，导致沥青的硬化而造成老化。

从以上因素可以看出，沥青的老化过程是诸多因素综合作用的结果，这一结果最终导致沥青发硬变脆，引起沥青路面开裂，由此造成多种道路病害。

目前，沥青老化试验大多是模拟沥青在施工拌和时的加热过程来评价沥青抗老化能力，现行规范的检测方法是薄膜烘箱加热试验和旋转薄膜烘箱加热试验。