石油沥青的技术性质
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第290页（6928字）
用于现代沥青路面的沥青材料，对石油沥青的技术性质有严格的要求，主要包括物理特征常数、黏滞性、脆性和延性、流变特性等。
(一)物理特征常数
现代沥青路面的研究，对沥青材料的密度、热胀系数和介电常数等物理特征常数极为重视。
1．沥青材料的密度
沥青材料的密度是指在规定温度条件下，单位体积的质量，其单位为kg／m3或g／cm3。我国现行试验法《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(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的温度下，沥青质量与同体积水质量之比。
沥青材料的密度与其化学组成有密切的关系，通过对沥青材料的密度测定，可以大概了解沥青的化学组成。通常黏稠沥青的密度波动在0．96～1．04g／cm3范围。我国富产石蜡基沥青，其特征为含硫量较低、含蜡量高、地沥青质含量少，所以密度一般在1．00g／cm3以下。
2．沥青的热胀系数
沥青材料在温度上升1℃时，其长度或体积的变化，分别称为线胀系数或体胀系数，统称为热胀系数。
沥青路面的开裂，与沥青混合料的温缩系数有关。沥青混合料的温缩系数，主要取决于沥青的热学性质。特别是含蜡量较高的沥青，当温度降低时，蜡由液态转变为固态，比容突然增大，沥青的温缩系数发生突变，因而易导致路面产生开裂。
3．沥青的介电常数
沥青的介电常数与沥青使用的耐久性有关，这是以前的认识。但是，现代高速公路的发展，要求沥青路面具有较高的抗滑性。根据英国道路研究所研究的结果证明，沥青的介电常数与沥青路面抗滑性有很好的相关性。
(二)沥青材料的黏滞性
沥青材料的黏滞性(简称黏性)在其技术性质中，是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，沥青黏滞性的选择是首要考虑的参数。沥青的黏滞性通常用黏度来表示，所以黏度是现代沥青等级(标号)划分的主要依据。
1．沥青黏度的表达方式
(1)牛顿流型沥青的黏度
即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，按牛顿内摩擦定律可推算出牛顿流型沥青黏度。
(2)非牛顿流型沥青的黏度
沥青是一种复杂的胶体物系，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，沥青均表现为黏弹性体，表现为不同的黏度。因此，沥青的剪应力与剪变率并非线性关系，通常以表观黏度表示。
2．沥青黏度的测定方法
沥青黏度的测定方法可分为两类，一类为“绝度黏度”法，另一类为“相对黏度”法。前者是由基本单位导出而得，通常采用的仪器为“绝对单位黏度计”，如毛细管黏度计等；后者是由一些经验方法确定，常用仪器为“经验单位黏度计”，如道路标准黏度计、赛氏黏度计和恩氏黏度计等。此外，针入度法也属于相对黏度法。软化点，通常作为测定温度稳定性的一种方法，实质上也属于条件黏度范畴。
(1)绝对黏度的测定方法
沥青绝对黏度的测定方法，我国现行试验规程《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052－2000)规定，沥青运动黏度采用毛细管法，沥青动力黏度采用真空减压毛细管法。
1)毛细管法。毛细管法是测定沥青运动黏度的一种方法。这种方法是：沥青试件在严密控温条件下，于规定温度(通常为135℃)，通过选定型号的毛细黏度计，流经规定体积，所需的时间(以s计)。
2)真空减压毛细管法。真空减压毛细管法是测定沥青运动黏度的一种方法。这种方法是：沥青试件在严密的真空装置内，保持一定的温度(通常为60℃)，通过选定型号的毛细黏度计，流经规定体积，所需的时间(以s计)。
(2)相对黏度的测定方法
沥青相对黏度测定方法，主要包括：标准黏度计法、针入度法和软化点。
1)标准黏度计法。我国现行试验法《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052－2000)规定，测定液体石油沥青、煤沥青和乳化沥青等的黏度，采用道路标准黏度计法，该方法是：液体状态的沥青材料，在标准黏度计中，于规定的温度条件下，通过规定的流孔直径，流出50mL体积，所需的时间(s)。
2)针入度法。针入度试验是国际上经常用来测定黏稠(固体、半固体)沥青稠度的一种方法。该方法是：沥青材料在规定温度条件下，以规定质量的标准针经过规定时间贯入沥青试件的深度(以1／10mm为单位计)。测定的针入度值愈大，表示沥青愈软(稠度愈小)。
3)软化点。沥青材料是一种非晶质高分子材料，它由液态凝结为固态，或由固态熔化为液态时，没有敏锐的固化点或液化点，通常采用条件的硬化点和滴落点来表示。沥青材料在硬化点和滴落点之间的温度阶段，是一种黏滞流动状态，在工程实用中为保证不致由于温度升高而产生流动的状态，因此取液化点与固化点之间温度间隔的87．21%作为沥青的软化点。
软化点的数值随采用仪器不同而异，我国现行试验法《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052－2000)是采用环与球法测软化点。该法是沥青试样注于内径18．9mm的铜环中，环上置一个重3．5g的钢球，在规定的加热速度(5℃／min)下进行加热，沥青试样逐渐软化，直至在钢球荷重作用下，使沥青产生25．4mm挠度时的温度，称为沥青的软化点。
由以上可知，针入度是在规定温度下测定沥青的条件黏度，而软化点则是沥青达到规定条件黏度时的温度。所以，软化点既是反映沥青材料热稳定性的一个重要指标，也是沥青黏度的一种量度。
(三)沥青的延性和脆性
1．沥青的延性
沥青的延性是指沥青受到外力的拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力，通常是用延度作为条件延性指标来表示。延度试验的方法是：将沥青试样制成8字形的标准试件(最小断面1cm2)，在规定拉伸速度和规定温度下拉断时的长度(以cm计)称为延度。沥青的延度是采用延度仪来测定。
我国现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052－2000)规定，对中轻交通量道路石油沥青的延性，应在试验温度T=25℃、拉伸速度v=5±0．25cm／min条件下的延度。
沥青的延度与沥青的流变特性、胶体结构和化学组分等有密切的关系。研究结果表明，随着沥青的复合流动系数值的减小，胶体结构发育成熟度的提高，含蜡量的增加等，都会使沥青的延度值相对降低。
沥青的延度、针入度和软化点，是评价黏稠石油沥青路用性能最常用的经验指标，被称为沥青的“三大技术指标”。
2．沥青的脆性
沥青的脆性是指沥青材料在低温情况下，受到瞬时荷载时，易发生脆性破坏的性质。沥青脆性的测定极为复杂，通常采用A．弗拉斯脆点作为条件脆性指标。
按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052－2000)规定，脆点试验的方法是：将0．4g沥青试样在一个标准的金属薄片上摊成薄层，涂有沥青薄膜的金属片置于有冷却设备的脆点仪内，摇动脆点仪的曲柄，能使涂有沥青薄膜的金属片产生弯曲。随着冷却设备中致冷剂温度以1℃／min的速度降低，沥青薄膜的温度也随之逐渐降低，当降低至某一温度时，沥青薄膜在规定弯曲条件下产生断裂时的温度，称为沥青的脆点。
(四)沥青的温度敏感性
沥青的温度敏感性是指石油沥青的黏滞性和塑性随温度升降而变化的性能。沥青是一种高分子非晶态物质，没有一定的熔点，而随着温度升降发生状态(固体→半固体→液体，或液体→半固体→固体)的变化。温度变化相同，黏滞性和塑性变化小的沥青，则其温度敏感性较小；反之，温度敏感性较大。
沥青材料的温度敏感性与沥青路面的施工(如拌合、摊铺、碾压)和使用性能(如高温稳定性和低温抗裂性)有密切关系，所以沥青材料的温度敏感性是评价沥青技术性质的一个重要指标。沥青的温度敏感性可用针入度指数法和修正的针入度指数法评定。
沥青材料的温度敏感性，与其组分及含蜡量有关。沥青中地沥青质含量较多，其温度敏感性较小；沥青中含蜡量较多，其温度敏感性较大。
(五)沥青的大气稳定性
沥青的大气稳定性是沥青在热、阳光、氧气等大气因素的长期综合作用下，抗抵老化的性能，也称为沥青的耐久性。采用现代技术修筑的高等级沥青路面，都要求具有很长的耐用周期，因此对沥青材料的耐久性提出更高的要求。
1．影响沥青耐久性的因素
沥青在路面施工时，需要在空气介质中进行加热；路面建成后，长期裸露于现代工业环境中，经受日照、降水、气温变化等自然因素的作用。因此，影响沥青耐久性的主要因素有：大气(氧)、日照(光)、雨雪(水)、环境(氧化剂)以及交通(应力)等因素。
(1)热的影响
热能加速沥青分子的运动，除了能引起沥青的快速蒸发外，还能促使沥青化学反应的加速，最终导致沥青技术性质的降低。尤其是在路面施工加热(160～180℃)时，由于有空气中氧的共同参与作用，可使石油沥青的性质产生严重的恶化。
(2)氧的影响
空气中的氧，在加热施工的条件下，能促使沥青组分对其吸收，并产生脱氧作用，使沥青的组分发生移行(如芳香组分转变为胶质，胶质转变为地沥青质)。
(3)光的影响
日光(特别是紫外线)对沥青照射后，能产生光化学反应，促使氧化速率加快，使沥青中的羟基、羧基和碳氧基等基团增加。
(4)水的影响
水在与光、氧和热的共同作用时，能起到催化剂的作用，使沥青的性能产生严重的恶化。
此外，工业环境中的臭氧以及交通因素等，对沥青的耐久性也有影响，这些都是近代工业与交通发展中，新产生的一些影响因素，也应当引起足够的重视。
2．对沥青耐久性的评价方法
(1)沥青老化的评价方法
沥青在上述因素的综合作用下，若产生“不可逆”的化学变化，导致沥青路用性能的逐渐恶化，这种变化过程称为沥青的老化。评价沥青老化的方法有：沥青蒸发损失试验、沥青薄膜加热试验和蒸馏试验。
1)沥青蒸发损失试验
此试验根据现行行业标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052－2000)的规定，适用于中轻交通量道路用石油沥青。该试验方法是：将沥青试样50g盛于直径为55mm、深为35mm的器皿中，在163℃的烘箱中加热5h，然后测定其质量损失以及残留物的针入度占原试样针入度的百分率。这种方法由于沥青试样与空气接触面积太小，试样厚度较厚，所以试验效果较差。
2)沥青薄膜加热试验
此试验根据现行行业标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052－2000)的规定，适用于重交通量道路用石油沥青。该试验方法是：将沥青试样50g盛于直径为139．7mm、深为9．5mm的铝器皿中，使沥青成为厚度约3mm的薄膜，沥青薄膜在163±1℃的标准烘箱中加热5h。以加热前后的质量损失、针入度比和25℃及15℃的延度值作为评价指标。
3)蒸馏试验
对于液体沥青则用蒸馏试验来代替蒸发损失试验。液体沥青的黏度较低，在施工中可以冷态(或稍加热)使用。液体沥青中轻质馏分挥发后，沥青黏度将明显提高，从而使路面黏聚力得到提高。蒸馏试验是确定液体沥青含有此种轻质挥发性油的数量，以及挥发后沥青的性质。
蒸馏试验是在标准蒸馏器内进行加热，将沸点范围接近，同时具有相近特性和物理化学性质的油划分为几个馏程。为使馏分范围标准化，道路液体沥青划分成为225℃、315℃和360℃3个馏程。为了确定360℃挥发性油排出后沥青的性质，残留沥青应进行25℃延度和浮漂度试验，用以说明残留沥青在道路路面中的性质。
(2)沥青的耐候性评价
沥青的耐候性是耐久性的重要组成部分，是指沥青材料在气候因素(光、氧、热和水等)的综合作用下，路用性能衰降的程度。对沥青的耐候性评价，可以采用“自然老化”和“人工加速老化”试验进行评价。人工加速老化试验，是在由计算机程序控制有氙灯光源和自动调温、鼓风、喷水设备的耐候仪中进行的，一般在实际工程中无法进行，只有在科研时才进行此类试验。
(六)沥青的安全性
沥青材料在施工过程中必须进行加热，当加热至一定温度时，沥青材料中挥发的油分蒸气与周围空气组成混合气体，这种气体遇火焰则易发生闪火。如果继续加热，油分蒸气的饱和度增加，由于此蒸气与空气组成的混合气体遇火焰极易燃烧，而引起溶油车间发生火灾或使沥青烧坏的损失。为此，在正式施工之前，必须测定沥青加热闪火和燃烧的温度，即所谓沥青的闪点和燃点。
沥青的闪点和燃点是保证沥青加热质量和施工安全的一项重要指标。我国现行行业标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052－2000)规定，对于黏稠石油沥青采用克利夫兰开口杯法，简称COC法，测定其闪点和燃点。对于液体石油沥青则采用泰格式开口杯法，简称TOC法，测定其闪点和燃点。
沥青的闪点是指沥青加热至挥发出的可燃气体和空气的混合物，在规定条件下与火焰接触，初次闪光(有蓝色光)时的沥青温度；沥青的燃点是指沥青加热至挥发出的可燃气体和空气的混合物，与火焰接触能持续燃烧5s以上时的沥青温度。