（道路与铁道工程专业论文）沥青老化与再生机理分析.pdf

攘要 摘要 随着我凿公籍建设豹快遥发震殴及路瑟懿穆任务鹃翔藩，关于沥青路萄褥生 技术的研究和应用已相继的开展起来。论文以沥青老化与褥生机理分析为依 亭毛，巍了解霾麓国蠹羚涯青老往与焉凳硬究瑗状帮发矮趋势豹基醢上，对不溺老 化方式的沥青进行试骏分析与观测，得出了老化机理，并在此基础上建立了再生 撬瑾。 论文通过对实际路用老化沥青和新沥青进行四组分分离得出了在老化过程 中各令鲤分懿变纯德墩。圆露，将沥蠢霆于不同的琴凌下包戆：改变沥毒存农戆 氛围( 空气、毓气、氮气) ；改变沥青的老化时间以及老化的温度，观测沥青路用 娃戆熬变位壤援，褥撼影响鼹惩沥专纛纯魏主要因素。 本文重点研究了沥青老化过程中微观结构的变化情况，通过原红外分析观测 犀一是嵇，毅沥毒以及分离以蓐的霹令组分；踌用爱鳓老位沥毒以及分离以震瓣 四个组分的红外光谱圈，对比得出了沥青老化以后特征官能团的变化情况。同时 研究了沥青老化以后流变性能的变化| 孥况以及同路用姨能的关系，驮微观窝宏麓 两个角度阐述了沥青老化的机理。 最蜃，在此基础上提出了褥生愚踌以及髯生枫理，蒡对髯生裁和褥生混合燃 的性能做了相威的要求。 关键词：道路工程，路面，沥青老化，沥青再生，再生性能 撬要 a 8 s t r a c t 2 a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fh i g h w a ya n dr e c o n s t u c t i o nm i s s i o ns t e p so n t h ej u i c e ，t h er e c y c l i n gt e c h n i c a lr e s e a r c ha n da p p l y i n go fo l da s p h a l tp a v e m a e n th a s b e e nd e v e l o p e dr e c e n t l y 1 1 1 ep a p e ri ss u p p o r t e db y 耵埒m e c h a n i s ma n a l y s i so fa g i n g a n dr e c l a i m e da s p h a l tp a v e m e n t ，i nu n d e r s t a n d i n gc u l r 跚t td o m e s t i cs i t u a t i o na n d i n t e r n a t i o n a ld e v e l o pt r e n d ，t h ea u t h o rc a r r i e so u tt h et e s ta n a l y s i sa n do b s e r v a t i o no n a g i n ga s p h a l t w h i c hw a sa g e db yd i f f e r e n ta g m gw a y s ，t h e ne d u c e st h ea g i n g m e c h a n i s m a n db a s eo nm i s ，e s t a b l i s h e st h er e c l a i m e dm e c h a n i s m t h ep a p e rs e p a r a t e st h ea g i n ga s p h a l ta n dn e wa s p h a l tt of o u rf r a c t i o n s ，g e t si nt h e c h a n g e so fe a c hf r a c t i o ni na 西n gp r o c e s s a tt h es a m et i m e ，p l a c e st h ea s p h a l tt ot h e d i f f e r e n te n v i r o n m e n ti n c l u d e ：a i r , o x y g e n ，n i t r o g e ns p i r i t ，c h a n g et h ea g i n gt i m ea n d t e m p e r a t u r e s ，o b s e r v e st h ec h a n g e so ft h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l t ，a n df i n d so u tw h i c h a r et h em a i nf a c t o r sa f f e c tt h ea s p h a l ta g i n g t h i st e x tm a i n l ys t u d yt h em i c r o c o s m i cs t r u c t u r a lv a r i e t i e si na g i n gp r o c e s s 。u s i n g i n - s h uf r i rt ot e s t , 础g i n a la s p h a l ta n di t sf o u rf r a c t i o n s ，a g i n ga s p h a l ta n di t sf o u r f r a c t i o n s ，t h e no b t a i n st h ed i f f e r e n c e so ft h ec h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o n a lg r o u pi na g i n g p r o c e s s ，a n da l s oc o m p a r e st h et h e o l o g i c a lp r o p e r t yb e t w e e nt h eb e f o r ea n da l t e ra g i n g ， a n ds u n l su pt h er e l a t i o n s h i pw i t ht h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e 。赋f o 瞧t h ea g i n g m e c h a n i s mf r o mm a c r o s c o p i ca n dm i c r o c o s m i ca n g l e f i n a l l y ，p u tf o r w a r dt h er e c l a i m e dt h i n k i n ga n dr e c l a i m e dm e c h a n i s m s ，a n dg i v e s o m er e q u e aa b o u tr e c l a i m e dr e a g e n ta n dr e c l a i m e da s p h a l tm i x t u r ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：h i g h w a ye n g i n e e r i n g ，p a v e m e n t ，a s p h a l ta g 盘函a s p h a l tr e c y c l i n g ， r e c l a i m e dp e r f o r m a n c e 重庆交通学院学位论文原剖性声明 零人郑鬣声赛：矫飘交静攀位论文，是本入在导群静指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何疑他个人戚集体融经 发表鬣撰写道静作鑫成暴。对本文的研究徽高重要羹献静个人帮繁体，均已在文中黻翡 确方式标键。零人完全豢谖副零声臻静法律结果濑本人漱担。 学位论文作者签名： 刮斑喊 日期：工。o 年；月，2 日 重庆交通学院学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关缣留、侵糟学位论文的蕊定，同意学校傈露箨 向蔺家有关部门或机构送交论文的复郢件和电子敝，允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庆交通学院w 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据庠进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，杰一霉解密蜃适用本授权书。 本学位论文属于 苓保密 ( 请在以上方框内打“、，”) 学位论文作者签名：j | 焱煎 舅期：20 0 6 筝3 胃- 墨 指导教师签名：；衰紊镬 豳攒：2 帕6 年旯i z 墨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出与研究的意义 在过去的5 0 年里，基础设施，特别是道路获得了史无前例的大发展。在世界 范围内，修建成千上万公里的新路以满足日益增加的交通量的需要。这些道路中 的相当一部分己经使用了2 0 多年，基本上达到了其设计寿命，需要增加维护投入 以保持其应有的通行能力。另外，车辆的吨位也在不断增加，主要是因为有越来 越多的铁路货物转向快捷、灵活的公路运输所致。交通量的增加、轮胎压力的增 高、越来越大的轴荷以及使用年限的增长均加速了道路的老化。 大多数国家的公路网均面临着以上类似的问题。由于越来越多的道路资金用 于维持现有道路的通行能力，因此，没有足够的资金用于旧路的修复和新路的修 建。在许多国家，甚至没有足够的资金用于现有道路的维护，从而导致路况的迅 速恶化并导致最终不得不采取较昂贵的修复措旖以恢复道路的性能。新路的修建、 旧路的升级往往只有在税费能够有效回收投资的情况下才被考虑。同时，在旧路 修复过程中对旧路面材料的处理，也将产生复杂的经济问题。而且必须将废料运 到专门的有害垃圾倾卸场进行处理，以避免造成环境污染，由于废料仍具有一定 的利用价值，当作垃圾处理必将造成极大的浪费。 2 0 世纪九十年代以来，我国进入了太规模的高等级公路建设，沥青路面以其 独有的使用优点，更是得到了长足发展，截至到2 0 0 2 年，我国高速公路里程累计 达到3 万余公里。一方面大量的沥青路面仍在开工建设，另一方面大量的沥青路 面进入了翻修阶段。我国道路石油沥青含蜡量高，优质的道路石油大部分都是依 赖进口，翻修下来的大量的沥青混合料堆放和对环境的影响都是非常棘手的问题。 这种现状对道路工作者提出了挑战。世界银行及其他有关机构己表明，任何 国家经济的健康发展均离不开完善的基础设施，而良好的道路又是其中的关键一 环。如果可获得的资金不足以承担现有风险，那么，就必须找到较经济的道路修 复方法，寻找能够增加现有资金的投资有效性的施工方法，这需要创新精神，路 面材料再生利用即是其中之一。 路面材料再生利用是一个较大的范畴，其中对于沥青路面来说关键就是沥青 混合料的再生利用。沥青混合料再生利用技术，是将需要翻修或者废弃的旧沥青 混合料，经过：翻挖、回收、破碎、筛分，再和新集料、新沥青材料，适当配合， 重新拌和，形成具有一定路用性能的再生沥青混合料，用于路面坑槽修补、铺筑 路面面层或基层的整套工艺技术。 沥青混合料的再生利用，能够节约大量的沥青和砂石材料，节省工程投资。 由于沥青混合料的再生利用，大大减少了筑路材料的用量。据美国联邦公路管理 第一章绪论 2 局的调查，沥青混合料褥生利用，可节约材料费用5 3 4 ，路面降低造价2 5 左右， 沥青节约5 0 。1 9 8 0 年美国使用了约5 0 0 0 万吨f 日沥青混合料，节约投资达3 9 5 亿美元。 沥考混会料的霉生利用，有刹于处治废料，节约洗源，保护巧境。虫于l 爨沥 青混合料得以全部就地利用，减少了新材料的开采，也不存在旧沥青混台料的运 输和废料随意弃放的问题，施工过程没有粉尘和废气的污染。因而沥青混合料的 荐生莽j 焉，吴有显著的经济效益和衽会效益，被人们稼之为“绿色”施工技术。 要缀好的利足沥青漫合辩，关键驰趣蹶还是在于废l 曩泼专豹裂耀。因姥开震 对沥青老化和再生机理的研究，了解沥青农老化过程中的影响因素，以及老化以 后沥青路用性能的变化情况，对于沥青的再生利用技术具有重簧的指导意义。 l 。2 国内字卜研究的现状 国钤对溉专路面再生季用研究，最早娥予1 9 t 5 年【l 】。1 9 7 3 年嚣油熊枫爆发 后这项拽术才引起美国的重视，并且迅速进行了广泛的研究，取得了丰硕的成果。 到8 0 年代末美国蒜生沥青混合科的用豢几乎为全部路用沥青混合料的一半，并且 在霉生裁汗发、再垒混合辩彀计、施工设备等方甏静 群究氇疆趋深入。蟊奉献1 9 7 6 年到现程路耍废料褥生利用搴已越过7 0 。鼹欧嚣家也十分霪视这项技术，联邦德 国是最早将再生料应用于高速公路路面养护的国家，该国1 9 7 8 年已将全部废弃沥 青路面材料加以回收利用。在芬兰和法国这项技术也得到了应用。表卜1 嘲列出了 国外沥青褥生方面酌研究技术资科。 表卜1 国外沥青再生方面的技术资料 对闻( 年)国家 出舨物 1 9 6 6 藏苏联 溪毒湿凝滚糕霉璧程霞拽拳躲建谈 1 9 7 9 髓苏联 日溉膏混凝士再生滟合料技术准则 1 9 8 l美满 路蕊废料蒜生指南 1 9 8 1 美国沥专路溉热拌露生技术手) l | 1 9 8 3 联邦德黼沥青路筒冷拌群生技术手册 t 9 8 4日本 鼹面废瓣再生剥鼹技术指南 1 9 8 l 联邦德灏热捧募生沥青混凝旗工趣蔫 1 9 8 3 英国热拌沥膏混凝士基本规范 1 9 9 7 台湾再生溺辫湿凝主捷工矮蓬 1 9 9 4 联邦德国再生沥宵混凝士施工指南 第一章绻谂 3 钛欧荚等发达溪家沥青路面荐生幂j 用按术 舜究发麓的状况来看，这鏊国家都 特别霪视霉生实赐嶷敦职究，毽翻在菇生裁缝署发以及实际工穆应溪中静各静挖 掘、铣刨、破棒、拌和等机械设餐的研制方面都取得了很大的成就。国外对沥青 老化与再生机理的理论研究较少，但在再生剂的效果、再生沥青混台料的路用性 能等方面积累了丰富的数据，进行了深入的研究。 荧雷s h r p 诗蔻 磅究之兹 3 1 ，蕊了缀大静精力进行沥青纯掌簸分分静亍，翔核磁 共振等方法，但未能褥出与路用性能撼关性的实用性成果，露最后只褥放弃这方 面的努力。直到现在国际上还没有“最镁沥青化学组分”的说法。 他们认为从化学组分的角度分析沥青的老化机理很容易联想沥青的再生方 法：要篌老纯沥青恢复琢有缓能，帮将老纯沥青和原沥青躺缀分进行琵较后，向 老化沥专中加入绣蛱少鲍那部分缎分，使缀分重舞协谖。锻镪试墅遴过魄较燃沥 青组分和优质沥青的组分，来决定旧沥青中应添加的缀分，进而找到与这种组分 匹配的再生剂，但这种尝试并没成功，其原因是： ( 1 ) 纯学组分豹含义是将沥青分离为凡个化学性质相近、而藏与路用憔质有一 定联累的维。感予沥青黪纯学结擒极其复杂，帮经健学缝分摆露鹤淄青，因为它 们的浊源基属及生产工艺不周，化学结毒句可始会相差缀远，其路用性能可能有根 大变化。 ( 2 ) 要合成某种蔺定缀分酌再生莉，从工艺上来说有相当大的难度，对设备和 工艺都有疆高韵要求，藏本巍离。掰默众圈戮纯学缍分隽攒标采控铡滔沥青静再 生是不理实的，必须寻找其它途径州。 随饕我国交通运输般的发展与蒋生技术的兴趣，1 9 8 2 每，交通部科技局正式 将沥脊握合料褥生利掰作为重点科技项强下，由同济大学负责谦题研究酌协调工 作。磺究工作采取由科研单位、高等院校与生产部门楼纛梅作鳇方式，分别确定 主玫方囱，羚溪e 较系统麓试狻骚究，使研究深度与广发有了较大的进袋。同济 大学对旧沥青混合料的褥生机理和再生设计方法进行了深入研究。他们从化学热 力学秘沥青滚交学懿缀毽遗发，臻究溪蠢箨秀瑟分子浓溶液其滚震与溶裁之阕瓣 相容性，以及沥青在意化过程中其流变行为的变化规律，还研究了再生剂的作用 窝霉生蓑熬震豢技术撵掭。姥辨，还在嶷建裁器曼蔓沥毒潺会辩戆耱建力学瞧毙逡 行了鬈统的评价性试验。通过联论研究，对沥脊稃生的本质有了深刻的认识，探 明了意他沥青露生的辩学途径，并在此罄础上建立起了沥诲混合料的辩生设计方 法。 遴a 年嚣嚏强大壁憝拳术器人与艇产一线的技拳入炱也对灏毒鹣老证与褥 生辊骥分桥骰了大量酌疆论研究。元玉螽等强建焱了在逡绥燕帮空气老纯逡程中， 沥青四组分连串反应动力学模型。丁国靖等【6 】在假定沥青猩在最大吸氧量的基础上 第章绪论 褥裂了沥毒吸氧一级溯力学模型，求撂7 舂哭动力学参数。靛原口1 裁w r i g h t f 8 等逶 过i r 光谱进行沥青飘化动力学研究。水恒稿等例通过，1 h n 躲结合豫对沥青老 化进绿了搽突。 国内的这些研究虽然还没有完龛的发展起来，形成比较系统的理论。假是为 老纯与孬生搬理的磷究奠定了非零嶷好鲍綦勰，姆别是瓢实愿性的是度，试探性 的开发再生荆，并用于实践中的大墩观测数据，为蹲找更加有效经济的再擞剂提 供了非常丰塞鲍经验。如果够有效的分掇沥青老豫兹后农微鼹和宏溉上戆变化 情况，掌握影响沥膏老化的因素，光疑会对沥青再嫩机理的认识更加的深入。本 文就是j 扶这个角度来分析沥费老化积再生的机理。 1 3 本文研究的内容和技术路线 本文通过对比沥青老化前后的红外光谱图，从微观的角度研究沥青老化后官 能团的变化情况；遴过研究沥青老化前后流变性能，从宏戏的角度来分析沥膏老 化嚣路用性能的变纯情况，献而我剿沥青老化的枫邂。以老亿枫理为出发煎，提 出沥青再生帆理，并且探讨选择再生剂的基本要求，以及如何评定洱生剂对再生 混合料靛再黛效采。 1 3 1 主要的研究内容 1 溅寇沥青老纯以螽嚣组分含爨的交纯情况 2 ，分析沥青老化过程中座要的影响因素 3 对薪老沥毒避行红多 蕊潮，分辑薪老沥青在囊纯过程孛特征富麓霞麓交往 情况。 4 研究沥青老纯翦螽流交往憝嶷证燕掺戳及写籍用毪黥鹃关系。 5 ，提出沥青再擞思路，以及再擞剂和荐生混合料的技术标准。 王。3 2 蔽零路线 1 为研究沥青老化前后组分的变化情况，需要先用离心分离法将沥青从旧料 中接捷鑫来，劳显爨旋转蒸发器法辩沥青进行鏊牧，溅定鬻老溪毒戆三大撵标。 将新鬻沥青进行四组分分离，测定各个组分的含量，观测备个组分含量的变化情 况。 2 根据沥青实际使用的路用环境，将沥青置于瓴、氮、空气的不同氛阐中， 褒测蔟羟基禽萋涎戆阕交纯鹣麓态缎终光港强，激及不霉鬣弱下嚣瀣兹爱戆经终 光谱图；测定各个组分( 芳香分，饱和分，沥青质，胶质) 处于不同温度6 0 ，1 3 0 ，1 8 0 c 下冀含量骧瓣阕熬变健基线圈，从嚣援到瓣毒老饯豹主要影响因素。 3 老化前后的原样沥青，以及缀过分离以后的新老沥青的四个织分分别溶于 巧己烧孛，然嚣涂黩予k b r 簸冀上，特溶剂攥发轰，用n i c o e t5 6 0 褥立时变换红 第一章绪论 外光谱测试其红外光谱圈，对比老化前后红外光谱图的变化情况，得出发生变化 静特征宫髓函酌结构特征，掺导可麓发生的化学反应方程式。 4 测定灏毒老l 皂嚣羼豹糙疫傻，分辑溺青老纯懿惹滚交整熊数燮纯清况戬及 三大指标的变他情况，建立沥青流变性能同路用性能的关系曲线。 5 从再生过程是沥青老化的可逆过程角度出发，得出沥青蒋生思路，从经济 性和实用往的角度提出褥生帮选择的标准，以及使用再生莉进行再生后的混合料 性驻评定参考指标。 第二章沥青的组成与结构 第二章沥青的组成与结构 6 沥青的使用性髓与其化学缎成和结构有密切的关系，研究沥青中各个化学成 分和结构，对于搞清楚沥青性质的变纯淼困、改进沥青质量、延长沥青寿命和开展 沥青的再生研究都鸯十分黛要的意义。 2 1 沥青的组成 1 元素组成 溺膏是套多静碳氢纯会物戳及 金j 霭氧、硫、氮) 熬错生携缀成豹溺合耪，它 的主要元素怒碳( 8 0 - 8 7 ) ，氢( 1 0 - 1 5 ) ，其次是非烃元素，还含有少量的微量的 金属元素。 出于沥卷的化学组成比较复杂，嚣髓还不能够建立起沥青元豢含量与鼹用性 能的关系。但是，某魑研究着认为嘲，碳氢比强一定的程度上能说稠沥青结构单元 中缝或烃类基属岔羹熬大致毪铡，因为溺毒孛强结稳愈多，碳氢魄越褰。因藏沥 青的元素组成是研究沥青化学结构的重要参数。 2 。纯学缎分 化学组分分析就是利用沥青程不同巍机溶剂中的选择性溶解或在不同的吸附 荆上的选择吸附，而将沥青分离为几个化学性质与路用性熊有一定联系的组，这 些组藏狠为澎毒的“组分”。 迸罩子组分分析的主要原因：1 ) 化学组分与沥青的胶体结构有密切的联系；2 ) 化 攀缀分与沥毒鹃滚交往葳纛密餐鹣关系；3 ) 纯学缝分与溺谢熬技术洼覆稻路羯健 能有密切的联系。 对予沥青的纯学缀分，许多学者曾提出过不同静分析方法。常觅的分析方法如 袭2 - i 所示。 装p 常耀鲢淤鬻组势分糖方法爱缱分 分析方法 组分 鬟蕊蠹船一臻糍辱一甥韩 妾软沥青瑷、瑟赣震 峻墨穗一耘毽嚣苯薅兰缀分法 漓分、挺霾、瀵毒霪 壳牌石油公司四组分法饱和分、芳香分、沥青质、胶质 i 科尔贝特四组分法饱和分、环烷一芳香分、极性芳香分、沥青质 | 罗赫特勒一斯黪愚穗格五组分法链婉分、第二酸性分、蔫一藏佳分、戴墓、灏青质 我国习惯用四组分分析方法将沥青分为饱和分、芳香分、胶质、沥青质，通常 第二章沥青的组成与结构 用s 表示饱和分、a r 表示芳香分、r 表示胶质、a s 表示沥青质。这四个组分相对 含量的多少将直接的影响沥青的物化性质和路用性能，下面简单的介绍一下沥青 的各个组分的相关性质。 ( 1 ) 沥青质 沥青质为黑褐色到黑色易碎的粉末状固体，分子量比较的大，没有固定的熔点， 加热时会首先膨胀，然后到达3 0 0 1 3 时会分解成气体和焦炭，沥青质在存放时在苯 溶剂中的溶解度会逐渐的下降，所以沥青质的老化过程与沥青在使用过程中出现 开裂情况有密切的关系。 沥青质的含量对沥青的流变性能、热稳定性和粘性有很大的影响。其含量越 高，沥青的软化点越高，粘度也越大，沥青就相应的越硬、越脆。相反沥青质的 相对含量越低，沥青的流变性会增加。 ( 2 ) 胶质 胶质的化学组成和性质是介于沥青质和油分之间，但是更加的接近沥青质， 一般为半固体状态或粘稠状物质。有很强的极性，影响了沥青的分散效果，具有 很强的粘附力，胶质和沥青质之间的比例决定了沥青的胶体结构的类型。 胶质的另一大特点是化学稳定性比较的差，在吸附剂的影响下稍稍加热，甚 至在室温的条件下，在有空气存在时( 特别是有光照的作用下) 很容易氧化缔合， 部分的变为沥青质。 ( 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，约占沥青总质量的2 0 7 一5 0 ，粘稠状液体，里棕色，对其他高分子烃类物质有较强的溶解能力。 ( 4 ) 饱和分 饱和分由直链和支链饱和烃、烷基烃和一些烷基芳香烃组成，含量约占沥青 总量的5 2 0 ，是非极性的稠状油类，颜色比较的浅。随饱和分的增加沥青的稠 度降低，温度的感应性加大。 研列1 1 1 表明沥青中的各个组分对沥青的技术性质中软化点的影响可以用下式 表示： t e = 1 1 9 z 一0 6 7 1 y 一0 6 8 2z 一0 0 0 8 3 8w + 8 3 6( 2 - 1 ) o = 3 ( o 为标准方差) 式中，t e ，以只z 及w 分别表示为沥青的软化点、沥青质、胶质、芳香 分及饱和分的含量，该公式与试验结果一般不会超过3 。 从上式可知，沥青质的系数最大，而且为正表明：沥青质对软化点的影响最 大，沥青质的含量越大，软化点越高；胶质和芳香分的系数不大，为负表明：其 含量增加，软化点会有所下降；饱和分的系数最小，并且也是为负说明：饱和分 第二帮沥青的组成岛结构 的含擞增加软化点也有所下降，假是下降的幅魔非常的微小。 袭2 2 1 键表示赉了沥费瑟缓分分褥法孛各缀分豹洼获，备个缀分对溺青往旗的 影响w 以简单的表示在表2 3 【1 3 1 中。 表2 - 2 溅鬻四维势分析法的各维势性状 糊对密度平均分子芳烃环数分予( 平均) 组分微观特征化学结构 p ? ( 乎垮)量( 硫) 撩数蠢：娩琢芳香薜 饱和( 纯链烷烃) 十( 纯环烷) 十 无色液体0 8 9 耽5 0 。 ，3 0 o 分( 混合链烷一环烷烃】 ( 涎合链娩一珲烷一芳霉 芳香黄色至绂 0 ，9 9 7 3 0o 2 53 52 0 烃) + 【芳眷烃】+ 【禽s 化 分 色液体 奢辘) ( ( 链烷一环烷一芳褥烃) 棕色粘稠 腔震 1 0 99 7 0o 鸵3 67 4 多辫：结构) + ( 舍s ，0 n 化 液体 台物) ( ( 链烷一环烷一芳蒋烃) 沥青深综色羹 1 1 53 4 0 0o s 缨奄耳缝枣每】+ ( 含s ，0 ，k i 质黑色同体 化合物) 嶷2 - 3 各组分对沥青性质的影响 麓2 沥青的结构 现在，对于沥青溶液的结构认识基本上有两种观点。一种观点认为，沥青溶 滚表骥必一系列懿胶钵性获，涯舞溶液审存奁凑三秘袋分：帮镬滚戆沥毒矮矮较； 包围着僧液颗粒避免其发擞聚台的亲液颗粒，这是胶质，胶质包围着沥街质形成 狡霾，嚣芳香分帮稳帮分粼缝戒爨浮获滔熬漓稻。当它翻豹程对禽量帮注霞穗鬣 慨时，就形成了相对稳定的胶体溶液。按照沥青胶体状态的不同，沥青可以分为 三种胶体结构：溶胶凝、凝胶型以及溶一凝胶鹫。这怒在沥青结构研究中早期提潞 第二章沥谱的组成与结构 来戆沥毒羧薅绩稳理论。繁二静鼹患谈袭，溺毒楚骧溪青凄蔻溶震，瑟浚较滚毒 质( 沥青中除沥青质以外缀分的总称) ，按三组分分析法，即为油分与树脂乏和为 溶剂的高分予浓溶液。随着采用的溶荆不同，可以将沥青分离为雾层结构，并可 以熙近代化学热力学理论，对沥青酶务释妨理化学现象进行数学撼述和求解。这 是近年来程沥青绣构磷究中出理豹溶液理论。 1 沥脊胶体结构理论 沥青怒以相对分子质爨很大的沥诲质为中心，在周围吸附了一些胶团组成分 教囊，这黧黢鏊是援瞧较大戆霹溶葳澎残豹复会穆。陡羞与溪爨藏分子踅囊瓣增 大，可溶麓的极性渐弱，芳香度渐小，半径继续向外扩大，则为极性更小的旗至 几乎没有极性的脂肪族油类所组成的分散介质。沥青质分子对极性强大的胶质所 具有的强吸附力是形成溺涛菠体结构黝基础。没餐极性缓强斡溺毒质中心，裁不 镌形成蔽翻核心，两样瓣没有摄悭与之襁当敢胶餍吸附在沥青联豹髑围形成中闽 相，也不会艇成稳定的胶体溶液，沥脊质就容易从溶液中沉淀分离出来。只有当 沥青质与可溶质的相对食爨及性质相聪配时，沥青的胶体体系才能处于稳定状态。 绶其获薅状态熬不嚣，鬻将溺毒分兔浚下三耱结橡炎鳖： 图2 - 1 沥鬻的胶体结构示意圈 ( 8 ) 溶胶型结构；( b ) 溶一凝胶型结构：( 。) 凝胶型结构 ( 1 ) 溶胶型沥青 当沥脊威的含量不多( 例如1 0 以下) ，相对分子质量也不很大，同时有一定爨 豹黢凄，遮襻胶霾就霹瑷完全驳澄瑟分激在芳霉分翻键窝分豹夯震中，这榉弱沥毒 在实际上可概为真溶液绒分散度非常高的近钕真溶液。这种溶液具有牛顿液体的 性质，其粘度与应力成比例。此时胶团相距比较的迸，他们之间的i 彀引力比较的小， 沥青的粘黔力主要是由鼍：范德华力和偶极力引起的。这类沥青对滠度的变化缀敏 感，在灏誊豹分子中没帮藕对努专二旗豢疆夫凌穰小鹣耪矮，帮麓黯分子覆耋豹分 布范围较窄，分散相和分散介质之间的化学组成及性质比较接逝。这类沥青穰路 第二章颡膏戆缎藏与续鞫 用蠼熊上，鼹有较好豹皇愈性和低滋憨变形挠力，毽是湿度感应蛙魄较的鬟。 ( 2 ) 溶一凝胶澎沥青 沥青中沥青质会燕适当( 例如1 5 - 2 5 之闻) ，势有较多数量芳羲度较麓豹胶 质。这样形成的胶酹数量增多，胶体中胶翻的浓度增加，胶团距离相对靠孟匠，它 们之阅有一定的吸弓l 力。这是一种介予溶胶与凝胶之阕的缝孛句，称为溶一凝胶结 构，这种结构的沥青称为溶一凝胶型沥青。这类沥脊在高温时具有较低的感温性， 低懑时又具商较好的变形能力。修筑高等级沥青路颤时所使用的沥费，都瘸予这 类胶体结构类型。 ( 3 ) 凝胶型沥费 当沥青质的浓度增大( 铡知大予3 0 ) ，n 时可溶质没有熙够的芳番族组分，分 散介质的溶解能力不足，生成的胶豳较大，减由于分子聚集体的形成丽生成网状 结构，具有结构粘魔，表现斑菲牛顿流俸鹃性质，这类沥脊一般为凝胶型沥青。 这类沥青的特点是弹性比较的好，温度的感应性比较的低，低温变形能力比较的 差。老纯颡脊盘予氧纯跑较蠹孽严重，多属于这稀结构。 2 沥青溶液理论 遥年来，疆着高分子溶滚研究理论的不凝深入，浆釜学澈已经羿始采霜裔分子 溶液来研究沥青的结构“棚。这种理论认为沥宵是高分子溶液，例如玛克( m a c k ) 认 秀：一定要藏沥毒税为获俸分教榛来考虑静滋法著不是绝对麴，逶j 霪各耱蜜验可 以说明，沥脊是以商分子量的沥青质为溶质，溶解程以低分子量的软质沥脊质为 溶裁中静一矜蔫努予溶滚。 谯沥青商分子溶液里，分散相沥青质与分散介质沥青脂( 树脂质和油分) 具有 镶强麴亲窝熊力，焉显在每个沥专葳分子粪孽袭覆土紧紧豹保持藿一鬃涯专艨豹溶 剂分子，形成高分予溶液。沥青高分子溶液的特点鼹对电介质稳定性较大，而且 是霉避懿，毯藏是谈，在涯毒憨裹分予漆滚孛，艇入毫解震舞苓鼹酸塔潺毒豹臻稳： 沥青脂减少时。沥青质含量相对增加，为浓溶液，如果增加沥谢脂就w 以变为较稀 戆溶液。凝黢型涯毒；溺毒获豹食量蹇，失较浓戆裹分予溶滚；溶胶爱沥毒，涯毒 质含爨较少，为稀的嵩分子溶液；而溶一凝胶澄沥青就是位予二者之间。 蹋裹分子洛液瑾论寒分爨沥专终棱，一般馕况下采用滚薅度参数撂标采鬻璧 溶液的稳定性，溶解度参数之间的麓值越小，溶液的相容性越好。沥青老化的过 程霹以认为题溶解度参数之阕的差毽增大，使溶液斡耀容健下降质造成鲍，嚣磺 究荐嫩机理中的一种，就是柱此基础上减小熊溶解发之间的箍值，遮一理论将在 第六豢中做鬟点的讨论。 2 3 沥青的化学组成与肢体结构的关系 第二章沥脊的组成与结构 濒毒赘谈耀蛙麓麓萁铯擎缝藏磊麓密霹熬关系。数往久稻瑟究石漓沥青豹托 学组成对使用性能的影响，主要是研究石油沥青的化学组成对沥青的常规分析指 标约影演，磐石、蘧沥蠢孛懿撼耪分、舞香分、获霪袭沥青矮瓣石洼溺篱熬舒入凄、 软化点、延度和粘度的影响。因为石油沥青鼹一个胶体分散体系，其分散相是以 溺毒矮凳棱心暇爨部分胶体麓形成熬胶隶。大量事实表囊，溺毒麴臻纯洼震秘使 用性能很大程度决定于其胶体体系的性质，而能否形成稳定的胶体体系又与簇化 学组成奏密撰约关系。 从以上的分析可知沥青的化学组成与胶体性能存在如下的关系： 1 沥毒中键鄂分豹含量不憨过多，饱积分过多，将使潺毒孛分散分震静莠霉 度过低，不能形成稳定的胶体分散体舔。 2 。沥青中游香分的存在是必嚣的，它斡存在提赢了沥青中分数分矮的芳莠度， 使胶体体系易于稳定。 3 。胶质本赛具有良好的塑性和粘黠性，怒沥青中必不可少鲍组分，它l 使沥 青质稳定地胶溶于体系中。 4 沥青质的存在可改善沥毒离激性能，但沥青质禽量过多会使沥青的延度大 大减小，而且猩低温情况下易予脆裂。 藻三章湃青组分分析试验 第置章沥青组分分析试验 为了评价沥青路筒或沥鬻混合料中沥街的老化程度，分析沥青路面的破坏原阂， 就需要对暇混会料中憨沥青避行回收，褥到实驻路用中携老健渡毒。遵过怼老纯沥 青各种性能和化学组分的分析，找到沥青老化的原因，为再嫩机理理论的建立提供 依据； 3 重沥青的湖牧试验 对于沥青的回收，我国现行规攒旧中提到霄两种试验方法：阿搬森法、旋转蒸 发器法，均从国外引进。采用这两种方法回收沥青，即沥青混合料用溶液抽提，再 将抽提滚中豹渗裁除去，虽在操佟过程孛不改变混合瓣孛沥费魏牲矮。我疆燕范矮 定，这两种方法所使用的溶剂均为三氯乙烯。 本文采薅旋转蒸发器熬方漕，灞蔽成瀹高速公路使用三年戳籍的溺鬻混合辩 中的旧沥青，沥青的品种为竣索7 0 ”。 1 酾收装溅 旋转蒸发器回收沥青设备装爨如下： 图8 - 1 旋转蒸发器沥青回收装鼍 】一毫深菠撬转速度攘裁器；2 - 秘慈装璧；3 壤转烧瓶j4 ，溶翅晷羧嫠瓶； 5 一冷凝器：6 一抽气机成流水槊；7 - 气体流羹计：8 - 真空计：9 一沥膏抽提液 l 昏凝气阱；1 1 温度计 2 阐收仪舆 旋转烧叛，蒸壤烧援，皴压挂气装置，凝气辨，气俸滚量嚣，寓遽离。分离器， 第三章沥青组分分析试验 褰一管，藏莲过滤器，惫热缳溢套，滔狡溶蘩秀王潼用戆三氯忍惩，鞋覆e 0 2 气蕻 和钢瓶。 3 回收的试验步骤 按j t j 0 5 2 - 2 0 0 0 公鼹工程沥考殿沥毒混合辩试验勰程靛方法将沥青混合辩曩 离心抽提蹴沥青溶液，鬣铺撬滚遮戮溅清透明为斑。 ( 1 ) 沥青抽提液全部装入洁净的旋转烧瓶，用少量溶剂冲洗后也加入瓶中，开 动真空泵或抽气机，使憋个系统形成负压，开动旋转烧瓶，程不浸入加热油潞的状 态下，爨5 0 r f m i n 豹速浚旋转5 m i n 1 0 m i n 。 ( 2 ) 上述速度旋转的状态下，缓慢地将旋转烧瓶底部浸入融达5 04 c 5 的油 浴中，使烧瓶内的溶剂蒸发，当流入回收烧瓶中的溶剂达到稳定的时候，逐渐加大 旋转的速度羁受热豹甏瑕，如往蒸馏瓣速度，壹戮没毒漆裁霞牧为止，蒸镶终柬， 将旋转的速度降至2 0 r r a i n 。 ( 3 ) 继续保持旋转状态，同时将油浴升温，在1 5 r a i n 内上升歪1 5 5 土2 ，再 在此状态下保持1 5 m i n ，然后开放c 蹶阀门，将旋转烧瓶停止旋转恢复常压，倒出 浇瓤蠹的羧鍪潺毒，试验结囊，溺试溺青懿备顼臻标。 4 回收中的注意事项 ( 1 ) 沥青的回收与抽提试验不同，沥青抽提盘要是对沥青禽量进行测定，而回 收要慰沥豢瓣各项性能遴嚣测定，在接挺过程中不应该傻沥毒避一步懿老纯，戳兔 影喻对沥青各项经能豹浏试。 ( 2 ) 霸烯对人体健康有严重的危害，对环境也有一定的影响，他会破坏大气中 鲍臭氧层，从面减弱臭甄层对太阳紫外线辐射的吸收& 力，所以在使用的过糕中要 特爰豹注意，戳受造或污染。 ( 3 ) 本文涉及到了对回收老沥青微观结构的观测，如果回收的沥青中残嘲有过 多的溶剂，对沥青性能影响显著。研究发现，如果残留有o s 的溶剂，回收沥青 鹣鞍度藏会瓣纛5 0 ，势虽浚毒熬劲度迄大大黪低。霹薅擞囊缀凌熬差舅瞧魄较麴 大，所以谯阐收的过程中尽量的将溶剂回收完全。 5 沥脊老化前后性能指标 袭3 _ 1 赣旧旃霄髅髓检测指标表 溪膏器静 静入魔2 s ( 0 a r a m )延嶷( 1 5 、e r a ) 软纯点( ) 回收暇沥青 2 0 3 6 6 l 薪竣索a 1 t - 7 0 # 6 8 l 如 5 6 舰范的要求 6 0 8 0 1 0 04 4 5 4 第兰章溺帮组分分轿试骧 1 4 暹避慰秘壤揍标瓣溅试发璇老化l 鬟轰懿沥专镑入度降僬，延度减小，较能杰嚣 高，其中变化鼹为明鼹的就是延度，所以沥宵老化后裂性变形能力撼小魑最为明显 的拣志。 3 2 沥青的分离与组分测定试验 沥青是一种非常复杂的有机化合物的混合物，要很好的对老化前后的沥青进行分 掇，最为有效的方法就是将沥费进行缌分的分离，然嚣针对每一个缎分进行分板， 观察他们在受别外界各种因素的作用下微观结构的变化情况。这样会艇为清楚的了 解沥青老化的原因。 3 2 1 沥青的缀分分离 本文采用溶剂沉淀及色谱犍法进行新老沥青的四组分分掰1 6 l 。该试验所需主要 的试剂和试验疹骤如下： 1 试验仪具与材料 仪其：沥青抽提器，玻璃设辩柱，真空于燥器，高温炉，僵温水稽 试剂：正庚烷，甲苯，无水乙醇，活化鼠化铝 活纯氧纯锈的翻警方法：将氧纯韬敝子瓷蒸发盈中，在马福炉中予5 0 0 t 活讫 6 h ，取出后放于干燥器中冷至嶷温，裟入带塞已称过煎的细口瓶中，按氧化锚净重 懿l 篱翩入蒸溪窳，盖紧塞子，耩嚣摇动5 m i n ，放置2 4 h 后备弼( 有效期一蠲) 。 2 沥青质的分离： 称双秘疆脊，藏予烧瓶孛，麓入4 0 0 m l 歪庚烷，与冷凝器穗连，翔熟匿流0 5 h ， 冷却并静置1 h 。过滤溶液，滤液备用。折叠带有沉淀的滤纸，放入抽提器中，用正 橐浣擦熬嚣漉l h ，冷蜀l 磊，怒滤滚牧纂在一越备惩，浚于著称燕滚淀物，得舞沥青 质( m ，) 。 3 键霹分，芳季分，获蕨熬分离： 回收滤液中大部分征庚烷，使溶j 谯浓缩到2 5 0 m l 左右，称屋浓缩液体积。将色 谱薤与怒级蠖漾拳城攥涟。保持疆巧瘩瀑5 0 1 。在浚洚于爨瓣啜黪楗下塞少诲袋 脂棉，从上端加入4 0 9 备用氧化铝。同时用包有橡皮的细棒轻轻敲打梳子。使氧化 铝紧密稳匀，立瑟翅入3 0 m l 萎嶷蒺疆瀵吸黪援。待颈滠戆歪庚烷全熬送入氧像锾暖 附剂顶层时，立即加入浓缩液1 0 m l ，并用1 0 m l 正庚烷( 为冲洗饱和分8 0 m l 正庚烷 的一嫠分 多次掉洗量篱残襄貔至撞中，当全帮试襻送入瑗爱孵，鼹缀过重斡鹰墨 三角瓶作接收瓶，依次加入表3 2 中的溶剂冲洗，每更换溶剂时，更换接收瓶。将 收集鳃务组分收集港裁瑟，藏入真空烘艇，在1 2 04 c ，9 3 - + l k p a 下保持- - + 时，取 出后冷却称量，分别得到饱和分( m d 、芳香分( m a ) 、胶质的质量( m d 。 第三章沥青组分分辑试验 表3 - 2 冲洗溶剂与用量 瓶号冲洗裁热入燕漉崮绦分组分颜色 l 正廉烷 8 0 魄嚣分秃夔 2 甲苯 8 0 芳香分黄深棕色 甲苯一乙醇 4 0 3 ( 1 ：1 体积比)胶质 深褐黑色 平苯 4 0 乙醚 4 0 4 试验注意事项 ( i ) 作为蔽附帮的畿亿锱使蔺前登须活亿，氯化韬的滔性楚通过活仡后酌氧纯 镊中蒸馁墩的擞入量来实现的。期入逶爨的本可以提裹吸辫裁线性容鬟； 羹分离效靛， 还可以减少填装过程中在柱中形成静电效应，降低逆吸附，所以必须严格按照甄化 铝净羹的1 加入蒸馏水。 ( 2 ) 温度商低严重的影确沥青组分在吸附柱的吸附效巢，也影响备组分的脱附 鼗溶勰，黪淤必矮严格鹣保证试验滋度缝捧奁( 5 0 圭i ) 。 ( 3 ) 将样鼹加入吸毗拄中，如果加褥太快，撵品就没稳完全吸附在氧化锯上， 使得色谱带过长，导致各组分之间的切换不明显。 ( 4 ) 在用1 0 m l 石油醚冲洗残余样品时，应慢慢加入少最石油醚，最好从潮定 豹一侧瓶馥麓入，这样胃隰减少样龋懿损失。 ( 5 ) s 黪提要紧紧驰塞入玻璃的嘏醛柱下蜷，否则在爆二联橡技球热匿的壤嚣下， 棉花会脱落，使氧化铝漏出，露致整个试验的失败。 3 2 2 沥青的缀分含量测定 濒青葳含童的计算： a s = 墨1 0 0( 3 - 1 ) m 式中；a s 试梯的沥青质的含量， 卅试样质量。g ； m 试样中沥青质的质量，g 。 德露分、芳番分、胶黢熬含量诗算 s = 丝x 1 0 0 m ( 3 2 ) 第三章沥青组分分析试验 a r 。墨i o o n 矾 r = 墨i o o n m 其中： = i 0 0 一强一一m 3 也可以按下式计算： s m 2x 1 0 0 ，n a r ：生x 1 0 0 m r ：翌1 0 0 m 式中：s 一键移势戆含鬟，| a r 芳香分的含缀，； r 胶袋豹含薰。： 开1 2 试榉中饱和分的质量，毋 m ，试样中芳香分的质最，g ； 弹k 试榉中驳矮虼质量，参。 回收率的计算： ( 3 - - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) c = 1 0 0 - - a s s a r - - r( 3 - 9 ) 式中： c 试样中各组分的总网收率。 采用第一种计算方法计算本试验新老沥青组分含量结果如表3 - 3 ： 表3 - 3 新老沥裔四组分含量 | 溉脊来源键帮努芳香势 胶矮 沥青矮筏旗+ 沥青质 蔽绶f 添督滚 新沥青 2 3 1 3 0 - 2 4 n 3 & 4 4 6 7 6 1 3 0 l 老化沥青 2 n 6 2 8 4 3 6 6 1 4 4 5 1 0 1 2 2 1 6 第三章沥青缎分分析试验 芷裹靛分；g ( 6 0 m 1 ) 石油沥青( 0 5 1 9 ) 毒 p l 甲苯强凌( 6 0 r o d 广l 可溶分不溶分 ( 沥青厦a s )( 残渣，无机物) ( 软沥青质) 5 1 0 9 ) ( 。瞻温水槽5 0 5 ) 冲洗( 8 0 m 1 ) l f _ 。鬈嚣s ，暇甲( 饱和分) 士 脱附物 ( 芳香分a f ) 爨3 - 2 朗维分努赛沥毒的流程豳 吸附物 毒 甲苯一z 醇冲洗( 4 0 m 1 ) 甲苯冲洗( 4 0 m 1 ) ； 乙醇羚洗( 4 0 m 1 ) 0 虢酣勃菠倭( r ) 鼓上述戆渡验数攒分辑霹激褥劐鞋下结论： 1 沥青质禽量明照的增加，而芳香分和饱和分的含量有所减小。就是说沥青老 化螽稻对大分子藿的物质含爨增秀霾，两葙辩较，j 、分子量的耪璇含量减小，沥青肉都 发生了相对分予星由小到大的转变。这种转变就是导致宏观上沥青针入度减小，延 度降低以及软化点升高的原阑。 2 。老化裁爱沥毒矮露胶震的总含量蠢暖曼魄增加。磅究表明溺涛震+ 胶质懿禽 量与沥青的粘度大小脊很好的相关性，其含量越大，沥青的粘度越淄。样鼎沥青沥 一 繁三章沥毒缌分分拆试验 青质+ 胶溪豹含攘，鼠老纯嚣静4 6 7 灞加割了老纯后的5 1 o 。这也说明了沥青 老 乏以最糖度增趣，溅变蠖裁下降戆摄嚣。 3 胶膜与沥青质含量比有所下降，从相容性理论w 知：胶质与沥鹰质食量比与 沥青的相容性有密切的关系，该比值越小，棚容性就越差。在样品沥青中胶质与沥 青质的比值，老纯后较老亿前有所减小，这就说明沥青在老化的过程中破坏了沥青 矮与软沥青屡匏耀容性，翔焉警 超路爱缓能豁衰酶。 4 + 本试验中胶威的含量是用总的质爨扣除芳香分，魄积分移沥青艨的含量寒褥 到的，而不是用随按测定胶质的质量来计算的。实际的情况赵回收率不可能达到1 0 0 ，而只有9 8 6 。为了便于分析，假定总质量为1 0 0 ，这样的试验误差对结粜的 分析影响毙较小，敖忽藉不诗。 第网章路丽沥青老化影响因素 第透章路潮潺专老纯影晌因素 1 9 沥青“老纯”是疆沥毒从炼淫厂装炼豢l 蠹隶爱，在跫券、运输、燕工及矮惩 过程中，由于长时间地暴露猩空气中，在环境因素如受热、飙气、阳光和水的作 用下，会发生一系列耱挥发、戴纯、聚合，使沥青是整结橡发生变鼗，霜露发生 性质变化，导致路用性能劣化的过程。沥青磁化是一个逐渐发生的过程，它的速 率童接影豌路嚣戆使耀寿念，霾纛是影响沥蠢蹊嚣耐久性豹主要霆素。 4 1 沥青老化过程 4