石油沥青的技术性质解析

（一）石油沥青的三大技术指标

目前世界各国多以针入度、软化点及延度作为评价沥青性质和进行沥青分类的主要技术指标，通常称为三大指标。

1.针入度

针入度是用一定质量（200g、100g或50g）的标准针，在一定的温度（0℃、25℃或46．1℃）条件下，经一定时间（5s或60s）插入沥青试样的深度，以1/10mm为单位表示。通常采用的试验条件是标准针质量为100g，温度为25℃，贯入时间为5s。图2-1为针入度检测示意图。针入度表征沥青的粘性，针入度小，则粘度大，沥青质硬；针入度大，则粘度小，沥青质软。

2.软化点

软化点通常采用环球法测定，见图2-2。在沥青试样上安好钢球（直径9．53mm，质量3．5±0．05g）后，置于水或甘油中，以5±0．5℃/min的速度升温，沥青试件逐渐软化流动，当下垂到25．4mm（1英寸）时，水或甘油的瞬间温度即为软化点，以℃表示。

图2-1　针入度测定示意图

图2-2　软化点测定示意图（单位：℃）

图2-3　延度测定示意图

由于沥青在加热过程中没有明显的熔点，也没有状态的急剧变化，故软化点只是沥青达到某一特定稠度时所表现的水温或甘油温度，并不是沥青本身达到的温度，通常试验过程的水温比沥青温度要高出2℃左右。因此，试验必须在严格固定的条件下开展才能取得具有可比性的试验结果。如果加热速度大于5℃/min，则水与沥青的温差增大，试验结果将会偏高；反之则偏低。故试验时应注意控制好升温速度。

3.延度

将沥青试件置于一定温度的水中，以一定的拉伸速度将其拉断时所延伸的长度即为延度，以cm表示，通常简称为延度，其测定方法见图2-3。如无特别说明，试验温度为25℃，拉伸速度为5±0．25cm/min。

沥青的延度与沥青中的油分和沥青质含量有关，沥青中油分过多或过少，沥青质过多，都不会使延度增大，只有保持各组分适当的组成比例才能得到高延度的沥青。由于石油沥青是由复杂的碳氢化合物与其非金属衍生物组成的混合物，各组分在高温与低温时的性质存在一定差异，因此，沥青的高温延度和低温延度的变化规律是不一致的，即25℃时延度大的沥青，其低温延度未必也大。道路部门开展的延度与耐久性的研究应用成果表明，使用延度大的沥青铺筑的沥青混凝土路面的耐久性高，尤其是低温延度与耐久性的关系更为密切。因此，从我国沥青生产的具体情况考虑，确定延度是沥青的一个重要质量指标。

（二）感温性

图2-4　针入度与检测温度的关系

沥青A——针入度90、软化点41℃、针入度指数PI=-2．5；沥青B——针入度800、软化点48．5℃、针入度指数PI=0

沥青粘度随温度变化而变化的敏感程度称为沥青的温度感应性，简称感温性。从工程应用方面考虑，沥青粘度受温度变化的影响愈小愈好，即感温性应较低。因此，必须有一个评定沥青感温性的技术指标，目前工程上应用较多的是针入度指数。

在各种不同温度下测定同一种沥青的针入度，将试验结果绘制成图2-4。由图2-4可以看出，针入度的对数值与检测温度成直线关系，即

式中 PT——T温度条件下的针入度，1/10mm；

T——检测温度，℃；

A、C——与材料有关的常数。

图2-4中直线的斜率A，可表示为

式中 P1、P2——T1、T2温度下的针入度，1/10mm。

A值愈大，直线愈陡，沥青粘度随温度变化而变化的程度愈大，即感温性高，温度稳定性差。如将T2规定为25℃，则P2为常规试验的针入度值P25，再将T1规定为软化点温度TR，试验研究的结果表明，大多数沥青在软化点时的针入度约为800，代入式（2-2）可得

根据常规试验的三大指标，按式（2-3）即可求得A值，A值虽然可以表征沥青的感温性，但其绝对值常为小数点后第二位数，应用起来不太方便。为了统一标准以便相互比较，并使这一指标值在规定的范围内变化，引入了针入度指数的概念，其计算公式为

分析式（2-4）可以看出，沥青感温性愈低，温度稳定性愈好，A值将愈小，PI值将愈大，PI值的变化范围为-10～+20，常用道路石油沥青的PI值一般变化在-2．6～+8范围内。

沥青的感温性与其胶体结构有关，因此针入度指数又可作为判断沥青胶体类型的指标，当PI值在-2以下时称为溶胶型沥青，PI值在-2～+2时称为溶胶—凝胶型沥青，PI值在+2以上时称为凝胶型沥青。

（三）粘度

粘度是评定沥青在液体状态下产生流动性大小的技术指标，是进行沥青混凝土工艺计算时必不可少的重要参数，因而具有重要的工程实际意义。粘度通常分为动力粘度（绝对粘度）、运动粘度（动粘度）和条件粘度等。

粘度的概念起源于牛顿内摩擦方程式F=ηAdυ/dy，即面积为1m2并相距1m的两层流体，在1m/s的相对速度运动时所产生的内摩擦力称为动力粘度，用符号η表示，在温度t℃时的动力粘度以ηt表示，其法定计量单位为帕秒（Pa·s）。

运动粘度是流体的动力粘度η与同温度的流体密度ρ的比值，以υ表示，运动粘度的法定计量单位为m2/s或mm2/s，即

由于动力粘度的检测较为困难，在实际应用中多采用条件粘度。条件粘度是用特定的粘度计在特定的试验条件下测定其条件单位值以表示粘度。对于沥青材料而言，国外常用的条件粘度有恩氏粘度（Englerviscosimeter）和赛氏粘度（Saybeltviscosimeter），赛氏粘度又有赛氏通用粘度和赛氏重油粘度之分，我国常用的条件粘度为标准粘度。

对于粘度较小的流体，常用恩氏粘度计来测定。恩氏粘度EV是在一定温度下，使200mL试样流出标准尺寸的短管（内径0．285cm、长2cm）所需的时间（tT）与200mL水在20℃下流出所需时间（K20）的比值。

恩氏粘度与运动粘度之间的关系，可表示为

赛氏重油粘度计是在特定条件下，使60mL试样通过标准尺寸短管（内径0．315cm、长1．225cm）流出所需的时间，以秒（s）表示。测定温度通常保持121．1℃（250℉）、149℃（300℉）、176．7℃（350℉）、204．4℃（400℉）和232．2℃（450℉）。赛氏重油粘度υs与恩氏粘度的关系为

标准粘度是使50mL试样在规定的温度下，从规定直径的孔口（3mm、4mm、5mm或10mm）流出所需的时间，以秒（s）表示，记为CT，d，其中T为试验的温度，d为流孔的直径，用10mm孔径标准粘度计测出的标准粘度CT，10可近似地按式（2-9）换算为运动粘度。

式中 K——系数，按不同CT，10取值如下：(www.xing528.com)

运动粘度、标准粘度、恩氏粘度与赛氏重油粘度之间的关系，按式（2-5）、式（2-7）、式（2-8）计算的结果，示于图2-5。

在沥青混凝土施工规范和试验规程中，对沥青在不同工艺过程的粘度均有相应的规定。如日本沥青路面规范中提出：沥青运动粘度为180±20mm2/s（赛氏重油粘度为85±10s）为合适的拌和温度；300±30mm2/s（赛氏重油粘度为140±15s）为合适的捣实温度；沥青浸布的适宜粘度为50～200mm2/s（赛氏重油粘度为25～100s）。由于运动粘度的检测很复杂，工程上应用不便，而国内又缺乏赛氏重油粘度计，以致长期以来不能按粘度要求来合理地确定施工温度。但国内恩氏粘度计应用较多，测试也比较简便，如能测出各不同温度下沥青的恩氏粘度，即可按上述公式或图表换算为运动粘度或赛氏重油粘度，沥青在试验和施工作业过程中，适宜的粘度约为0．2Pa·s左右，据此就可以对施工温度进行初步估算。

沥青加热温度的估算经验公式为

图2-5　各种粘度换算图

式中 Tk——沥青加热温度；

TR——沥青软化点；

PI——沥青针入度指数。

为方便起见，在沥青混凝土施工中，沥青的加热温度一般可控制为

Tk=TR+100

沥青加热的温度过高，不仅蒸发损失增大，而且氧化速度加快，进而会加速沥青的老化。因此，已加热的沥青如不立即使用，应尽量减少搅动以减少氧化作用的影响。沥青与矿料拌和后在矿料表面粘附成薄膜状，如矿料加热温度过高，沥青老化将大大加速，已有试验资料指出，拌和工序对沥青造成的影响相当于道路在正常使用条件下约19年的老化程度，故应引起重视。

（四）耐久性

沥青的耐久性是指在各种自然因素作用下沥青材料保持其性能稳定的能力，在工程上通常称为大气稳定性。沥青在贮运、加工、施工及应用过程中，由于长期遭受温度、空气、阳光、风雨等因素的作用，沥青将发生蒸发、脱氢、缩合、氧化等复杂的物理化学变化，逐渐硬化变脆，沥青物理化学性质以及力学性质出现的这种不可逆的变化称为老化。

沥青中的轻质组分在温度作用下会出现蒸发损失，导致其原有的化学组成发生改变，柔性降低、性质变硬，出现老化现象。此外，沥青裸露在空气当中，空气中的氧气与沥青在接触界面（有时也会扩展到沥青内部）发生氧化反应，导致沥青中的部分油分转变为胶质，胶质又部分转变为沥青质，其结果是油分显著减少而沥青质增加。这种氧化作用必然引起沥青的塑性和粘附性降低、脆性增大，进而导致沥青性能的劣化。沥青在正常使用条件下，温度一般不会超过80℃，但当受到阳光的辐射时，沥青所受光量子能量的作用远大于热能的影响，以致氧化速度显著增大，成为老化的重要原因。通常光氧化作用只限于沥青表面4～10μm的薄层内，沥青内部的老化主要是无光照下的氧化所引起，但老化速度要缓慢得多。沥青在浸水条件下，对老化没有明显的影响，对沥青光氧化反应的催化作用也不大。但有些微量金属元素的存在，会大大加速沥青的氧化速度。如沥青中加入l%的硬脂酸铜，可使吸氧量提高4倍，铁盐对氧化则有抑制的作用。工程上为了提高沥青的粘附性而掺入各种金属皂类掺料，但应注意它对耐久性可能造成的影响，要避免带来不利的后果。

沥青的耐久性可以用各种专门的老化试验加以研究确定，在常规试验方法中，下列指标亦可作为判断耐久性的依据。

1.蒸发减量、蒸发后针入度比

蒸发减量是指沥青经160℃连续加热5h后的质量损失；蒸发后针入度比是指沥青加热蒸发前的针入度与蒸发后的针入度的比值。

蒸发减量和针入度比可以说明沥青在加热过程中被蒸发和氧化的程度。但蒸发减量试验是将沥青放在容器内进行加热的，试样只有较少的表面裸露在空气中，所以该试验指标只能与沥青在加热贮存时的条件相类似。

一般来说，沥青加热后，其组成和性质都会发生或多或少的变化，加热温度愈高、加热次数愈多，变化就愈大，沥青的试样代表性就愈差。

2.薄膜烘箱试验

薄膜烘箱试验是将50g沥青试样，放在规定的容器内使其成为厚度约3mm的薄膜，并在163℃温度下保持5h，测定其蒸发减量和针入度比。

由于沥青混凝土混合料中的沥青膜厚度仅有数十微米，为了更好地模拟拌和工艺的影响，在薄膜烘箱试验中将圆盘改为旋转式，即将平底的玻璃圆筒容器嵌固在一竖直的圆盘上，当试样放入容器后，竖直的圆盘就沿水平轴转动，玻璃容器在圆盘上作圆周运动，沥青在容器内壁呈薄膜状流动，蒸发和氧化作用更为均匀快速，所以旋转式薄膜烘箱试验与沥青混凝土加热拌和的实际工艺条件更为相近，能更好地反映拌和工艺对沥青性能的影响。目前我国已将这一指标正式列为沥青的质量指标。

3.抗硬化性指标

由于蒸发减量和针入度比只反映了沥青在某种特定热条件下的老化程度，却难以说明整个加热过程沥青的老化速度。工程技术人员在研究沥青加热时间对沥青针入度的影响时发现针入度的对数值与时间的关系为线性关系，因此提出了抗硬化性指标，并建议采用如下公式进行计算：

式中 P1——沥青加热5h后的针入度；

P2——沥青加热10h后的针入度。

式（2-11）表示沥青经加热5h和10h后，其针入度的变化情况。由于针入度的对数值与时间的线性关系是根据两个不同的加热条件确定的，所以能更好地表征沥青在加热过程的老化程度。

（五）其他常规试验指标

1.溶解度

沥青在生产过程中要经过多次氧化和热处理，如果工艺不当就会生成碳青质甚至油焦质，或混入粘土等无机杂质，均能使沥青产品质量劣化，由于这些物质在三氯甲烷、四氯化碳或苯中均不溶解，故可用溶解度试验加以检验。

溶解度=（溶解前质量-溶解后质量）/溶解前质量×100%溶解度作为生产工艺的控制指标，工程上较少检测。

2.闪点、燃点

沥青中的轻质组分在加热时因蒸发而产生气体，当气体达到某一临界温度时，与火源接触就会发生瞬间引火现象，这一温度称为闪点。温度继续升高，气体将发生燃烧，其火焰能持续燃烧5s以上的最初温度称为燃点。通常条件下，沥青的闪点在240～330℃范围内，燃点比闪点约高3～6℃。施工加热温度必须严格控制在闪点以下，以防酿成火灾。

3.脆点

随着温度的降低，沥青将由粘弹性体逐渐转变为弹脆性体，在特定试验条件下，当沥青薄膜弯曲发生脆性断裂时的试验温度称为沥青的脆点。在一定程度上反映了沥青的低温柔性。一般情况下，沥青的脆点愈低其耐久性愈好。但沥青的耐久性不仅取决于起始的脆点，而且还取决于沥青在使用过程中的脆点变化。如有些沥青的脆点经过一定时间后反而会有所下降，这就能使沥青的耐久性得到改善，因此根据脆点尚难对沥青的耐久性作出准确的判断。

脆点试验的误差较大，因此试验条件必须严加控制。

（六）体膨胀系数、相对密度

体膨胀系数和相对密度是沥青试验和工艺计算常用的基本数据。温度升高则沥青的体积膨胀，其关系式为

式中 VT2、VT1——温度为T2、T1时沥青的体积；

α——体膨胀系数。

由于沥青为粘弹性体，容易发生变形，所以按式（2-12）测定α值是较为复杂和困难的。由于温度变化引起体积变化，密度也必然会随之变化，这就使利用密度的变化推断体膨胀系数成为可能。现设有质量为G的沥青，温度T2及T1时的密度分别为ρT2及ρT1，因为体积VT2=G/ρT2，VT1=G/ρT1，代入式（2-12），化简后得

根据密度计算体膨胀系数是一种较为简便的检测方法。沥青体膨胀系数α约为5．5×10-4～6．3×10-4K-1（20～200℃），实际计算时，一般取值为6×10-4K-1。

沥青的相对密度是试样在规定温度下的质量与同温度下同体积的蒸馏水的质量之比。通常规定温度为25℃，相对密度用γ25/25表示。沥青的相对密度随针入度减小而增大，一般为1．01～1．07，参见表2-1。

表2-1　沥青在25℃时的相对密度