瀝青感溫性的試驗(yàn)研究

1、瀝青感溫性的試驗(yàn)研究 王 勤 游國(guó)蘭 林繡賢 （同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室） 摘要： 該文對(duì)針入度指數(shù)（PI）法的瀝青感溫性表達(dá)式作了深入研究，以大量試驗(yàn)結(jié)果證明：應(yīng)當(dāng)保留以25針入度和環(huán)球法的軟化點(diǎn)定瀝青感溫性系數(shù)A，進(jìn)而計(jì)算PI值。并對(duì)有關(guān)規(guī)范中的重交瀝青和改性瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出修訂建議，可供修訂規(guī)范參用。 關(guān)鍵詞：瀝青感溫性 針入度 軟化點(diǎn) 針入度指數(shù) 1 前言   瀝青材料的感溫性是瀝青性能的重要指標(biāo)，評(píng)價(jià)瀝青感溫性的方法，通常都采用粘度（稠度）隨溫度而變化的行為來(lái)表達(dá)。常用的方法有：針入度溫度指數(shù)法，它根據(jù)不同溫度條件下的針入度比值來(lái)表達(dá)。粘度溫度指數(shù)法，則根據(jù)不同溫

2、度條件下粘度變化比率表達(dá)。針入度粘度法，是應(yīng)用針入度與粘度兩個(gè)值與溫度的關(guān)系來(lái)表達(dá)。而最常用的是針入度指數(shù)法，即PI法。針入度指數(shù)（PI）法，是根據(jù)瀝青在25時(shí)的針入度值P（dmm）與軟化點(diǎn)T（）求得感溫性系數(shù)A而計(jì)算PI值來(lái)表達(dá)。   由于瀝青化學(xué)組成和膠體結(jié)構(gòu)的不同，瀝青粘度（稠度）與溫度間的關(guān)系是很復(fù)雜的，當(dāng)采用的試驗(yàn)溫度區(qū)間不同及采用指標(biāo)的表達(dá)方式不同，所得結(jié)果亦不同。因此，不管采用什么指標(biāo)表達(dá)，都應(yīng)根據(jù)它的原始規(guī)定或假定，不可任意更改，否則將會(huì)得出混亂的結(jié)果。2         針入度指數(shù)（PI

3、）法的原始假定及應(yīng)用 此法為普費(fèi)和范·杜馬爾所首創(chuàng)，他們的研究認(rèn)為針入度（P）與溫度（T）間有如式（1）關(guān)系。LgP = AT+K （1）式中，斜率A稱(chēng)為針入度溫度感應(yīng)性系數(shù)，并明確規(guī)定可由25時(shí)針入度（P）與軟化點(diǎn)（TR&B）確定，并設(shè)瀝青在軟化點(diǎn)時(shí)的針入度為800，則斜率A如式（2）                         &#

4、160;                （2）   普費(fèi)等在制定針入度指數(shù)（PI）法時(shí)，以一種針入度為200的瀝青，令其PI值為零，并假定感溫性最大的瀝青PI值為-10，感溫性最小的瀝青PI值為20，為使針入度指數(shù)值簡(jiǎn)化，乘以0.02(1/50)。按此假定，A與PI關(guān)系為（3）式。               

5、;                                                  

6、;        （3） (2)=(3)整理得： （4）此即PI法的原始來(lái)源。    從上可知，原研究者并不是不知道P與T間可成（1）式關(guān)系，他們用一種特制的針直接測(cè)定軟化點(diǎn)時(shí)的針入度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，許多瀝青軟化點(diǎn)時(shí)的針入度約為800，但不是所有的瀝青都是這樣，而是波動(dòng)于某一范圍，但他們卻取其平均值800，明確以之作為建立公式（2）求得A值的前提。當(dāng)然用25針入度與軟化點(diǎn)溫度確定A值計(jì)算的PI值與用不同溫度時(shí)針入度確定A值計(jì)算的PI值可能不同，但25針入度與軟化點(diǎn)本來(lái)就是瀝青生產(chǎn)時(shí)查核瀝青性能的主要

7、依據(jù)，因此按25針入度與軟化點(diǎn)法所得的PI值為工程部門(mén)所通用，長(zhǎng)期來(lái)的研究結(jié)論，           均以此法為依據(jù)。例如許多學(xué)者的研究結(jié)論，認(rèn)為按此法得的PI值可將瀝青的不同膠體型作分類(lèi)， 即PI<-2者為溶膠型瀝青，PI>+2者為凝膠型瀝青，PI在-2+2間為溶凝型瀝青。工程部門(mén)也認(rèn)為PI值在-2+2間可適用于瀝青路面，而對(duì)高速公路PI值希望>-1.0等。 3 我國(guó)有關(guān)“規(guī)范”的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及改正建議 3.1 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTJ09294） 以針、軟、延三大指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，以（

8、2）、（4）式定PI值，但PI值不作為標(biāo)準(zhǔn)。以重交道路瀝青為例，針入度與軟化點(diǎn)規(guī)定如表1。計(jì)算的PI值附于表的下半部。     重交道路瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)     表1 瀝青等級(jí) AH-130 AH-110 AH-90 AH-70 AH-50 針入度（25，100g，5s） (0.1mm) 121-140 101-120 81-100 61-80 41-60 軟化點(diǎn)（環(huán)球法）（） 40-50 41-51 42-52 44-54 45-55 按（2）、（4）式 計(jì)算的PI值 范圍 1.99 1.93 2.15 1.60 2.39 1

9、.23 2.42 1.01 2.94 0.44 中值 0.091 0.169 0.496 0.637 1.198 從計(jì)算的PI值可知，按針入度與軟化點(diǎn)的平均值計(jì)算的PI中值，基本可控制PI>-1.2，但按針入度與軟化點(diǎn)變化范圍計(jì)算的PI范圍值，變化太大，甚至出現(xiàn)PI值<-2的情況。究其原因，主要是軟化點(diǎn)范圍值的規(guī)定不合理，容易被瀝青廠家鉆了空子。例如某高速公路向國(guó)外定購(gòu)AH-70瀝青時(shí)，中方要求軟化點(diǎn)為48，外方的瀝青軟化點(diǎn)僅46，認(rèn)為已在規(guī)范范圍內(nèi)，雙方為此進(jìn)行了多次談判，才取得認(rèn)可。因軟化點(diǎn)的提高，與煉制工藝有關(guān)，對(duì)瀝青供應(yīng)商是個(gè)大事。但如對(duì)表1進(jìn)行以下簡(jiǎn)單的修訂，把軟化點(diǎn)范圍

10、值改為最低值，即可使PI中值控制在>-1.0，最低值基本可控制在>-1.2，以適應(yīng)高速公路的瀝青質(zhì)量要求，如表2。（如控制中值PI>-1.2，則表中最低軟化點(diǎn)值可各降低1。） 對(duì)表1中軟化點(diǎn)的修訂值 表2 瀝青等級(jí) AH-130 AH-110 AH-90 AH-70 AH-50 25針入度（0. 1mm） 121-140 101-120 81-100 61-80 41-60 軟化點(diǎn)（環(huán)球法）（） >42 >44 >46 >48 >52 PI 中值 > -0.97 -0.82 -0.80 -0.91 -0.71 最低值 > -1.21

11、-1.09 -1.09 -1.25 -1.13.2 “八五”攻關(guān)重交道路瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) “八五”攻關(guān)“道路瀝青及瀝青混合料路面性能的研究”專(zhuān)題的成果，明確提出以三個(gè)或三個(gè)以上針入度測(cè)定值按（1）式統(tǒng)計(jì)得A值以計(jì)算PI值，并提出高溫性能和低溫性能的PI值最低要求和當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2為控制指標(biāo)。而放棄了環(huán)球法測(cè)定的軟化點(diǎn)。主要內(nèi)容如表3?！鞍宋濉惫リP(guān)重交瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)          表3 瀝青性能的 氣候分區(qū) AH1 AH2 AH3 1 2 3 4 1 2 3 4 2 針入度(25,100g

12、 5s 0.1mm） 120 100 100 80 100 60 80 40 140 100 120 80 100 60 80 40 120 100 高溫要求PI> -1.0 -1.2 -1.4 高溫指標(biāo) T800（） 公式 50（lg800-lgP25）(PI+10) T800 = +25 20-PI   結(jié)果 4344 4446 44 49 4653 41 44 42 46 4448 4652 4243 低溫要求PI> -1.0 -1.2 -1.4 -1.6 -1.0 -1.2 -1.4 -1.6 -1.2 低溫指標(biāo) T1.2 公式 50（lgP25-lg1.2）(P

13、I+10) T1.2 = 25- 20-PI   結(jié)果 -18-16 -15-13 -14-9 -11-5 -19-16 -1713 -14-9 -11-5 -17-11 用三個(gè)或三個(gè)以上溫度的針入度按公式（1）定A值，在原則上是對(duì)的，關(guān)于它與以25針入度與軟化點(diǎn)定A值的異同問(wèn)題，在下節(jié)專(zhuān)門(mén)討論。今先從表中看，該標(biāo)準(zhǔn)主要的特色是以PI值控制高溫和低溫的性能指標(biāo)，這是合理的。但一種瀝青只有一個(gè)PI值，為了所選用的瀝青既能適應(yīng)高溫要求，又能適應(yīng)低溫要求，只要提一個(gè)PI值即可。從表3看，對(duì)于AH1各區(qū)和AH-2-1區(qū)只要提PI>-1.0，而其他各區(qū)提PI>-1.2即可。至于T8

14、00和T1.2在PI確定后，A值已定，只要一有了25針入度P25，T800與T1.2，即可計(jì)算而得，這是該瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)與當(dāng)量脆點(diǎn)，不是另一個(gè)高溫或低溫的控制指標(biāo)，不必另列。    因此如要放棄環(huán)球法的軟化點(diǎn)，只要在原以針入度分瀝青等級(jí)基礎(chǔ)上，提出氣候在AH-1各區(qū)及AH-2-1區(qū)時(shí)要求PI>-1.0，其他各區(qū)PI>-1.2即可，不必另提其他指標(biāo)。至于表中針入度120-100相當(dāng)原分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)AH-110；100-80相當(dāng)AH-90；而100-60則相當(dāng)AH-90和AH-70；80-40則相當(dāng)AH-70和AH-50。這只說(shuō)明不同氣候區(qū)可以采用的不同瀝青等

15、級(jí)，而不是瀝青等級(jí)的劃分，為免引起混淆，建議對(duì)表3作如下修訂，如表4。 按氣候區(qū)選用瀝青及要求PH值   表4 瀝青性能的 氣候分區(qū) AH1 AH2 AH3 1 2 3 4 1 2 3 4 2 適用瀝青等級(jí) (按表1針入度 劃分) AH-110 AH-90 AH-90或AH-70 AH-70或AH-50 AH-130 AH-110或AH-90 AH-90或AH-70 AH-70或AH-50 110 要求的PI值應(yīng)大于 -1.0 -1.2 4 瀝青針入度溫度感應(yīng)系數(shù)A不同確定方法的討論 從以上知，A值原是按式（2）以25針入度與軟化點(diǎn)確定，今提出以三個(gè)或三個(gè)以上不同溫度針入度

16、按（1）式統(tǒng)計(jì)確定。但A值對(duì)PI值的結(jié)果非常敏感，大約是A值相差0.001，PI值相差0.2。為此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真對(duì)待。我室在工作中積累了大量這方面資料，發(fā)現(xiàn)兩種方法所得PI值，有的是一致的，有的有所差別，有的出入頗大。茲把一些結(jié)果示例如下，供討論。 重交道路瀝青的一些試驗(yàn)結(jié)果，如表5。 聚合物改性瀝青的技術(shù)要求          表5 技術(shù)指標(biāo) SBS (I) SBR () EVA、PE () I-A I-B I-C I-D -A -B -C -A -B -C -D 25針入度 （0.1mm） 100 80

17、60 40 100 80 60 80 60 40 30 PI > -1.0 -0.6 -0.2 +0.2 -1.0 -0.8 -0.6 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 軟化點(diǎn)（）> 45 50 55 60 45 48 50（51） 48 52 56 60 與PI值相應(yīng)的 A值 0.0467 0.0438 0.0412 0.0388 0.0467 0.0452 0.0438 0.0466 0.0452 0.0438 0.0425 當(dāng)量軟化點(diǎn)T800 444 478 523 585 444 471 507 464 499 547 586 以式（2）定A值 0.045 0.040

18、 0.0375 0.0372 0.0452 0.0435 0.045 (0.043) 0.0435 0.0417 0.042 0.0407 相應(yīng)的PI -0.77 0 0.44 0.50 -0.80 -0.55 -0.77 (-0.52) -0.55 -0.27 -0.32 -0.12 從表知，樣品(1)和(3)兩法所得結(jié)果完全一致。樣品（2）和（6）也相差甚微。但因該路處于氣候AH-1區(qū)，要求PI>-1.0，因此兩法所得結(jié)果，結(jié)論截然不同，按軟化點(diǎn)法PI-1.0，符合要求，按不同溫度針入度法（簡(jiǎn)稱(chēng)三點(diǎn)法），卻不符合要求。查該兩樣品，均曾按SHRP方法作過(guò)PG分級(jí)試驗(yàn)，結(jié)果都達(dá)到PG64

19、-22，應(yīng)當(dāng)是符合要求的。樣品（4）、（5）差別略大一些，樣品（4）因已進(jìn)入AH-90，軟化點(diǎn)>46，故軟化點(diǎn)法PI>-1.0，按表2是符合要求的，但三點(diǎn)法卻為-1.59。當(dāng)然也可能是試驗(yàn)中的誤差，因只要某溫度時(shí)的針入度值相差1或溫度控制相差0.5，就可能有較大的出入。 我室還做過(guò)改性瀝青的一些試驗(yàn)，得出相同的結(jié)論，限于篇幅，不贅。 從示例比較知，兩法的結(jié)果大多數(shù)是一致的，根據(jù)表6中樣品（2）和（6）按SHRP、PG分級(jí)試驗(yàn)比較，似乎軟化點(diǎn)法所得結(jié)果更合理些。何況，三點(diǎn)法在15時(shí)針入度值往往小于30，而根據(jù)針入度標(biāo)準(zhǔn)針形狀的分析，在針入度<54時(shí)，處于針端斜坡內(nèi)，不同針入度值受針端的影響不同，當(dāng)>54時(shí)，針端的影響可以忽略，所以15的針入度值比較難以掌握。而且三點(diǎn)法總的來(lái)說(shuō)比軟化點(diǎn)法麻煩得多，稍一不慎，A值就有出入而影響了PI值。   綜合以上，筆者認(rèn)為還是保留以25針入度與軟化點(diǎn)按式（2）計(jì)算A值，進(jìn)而計(jì)算PI值為好，這也符合針入度指數(shù)PI法首創(chuàng)者的原意。5