瀝青針入度指數(shù)影響因素研究

才洪美 劉洋 梅順平 金長泰

（泰州出入境檢驗檢疫局 江蘇泰州 225300）

瀝青針入度指數(shù)影響因素研究

才洪美 劉洋 梅順平 金長泰

（泰州出入境檢驗檢疫局 江蘇泰州 225300）

主要考察了溫度及溫度點的數(shù)量對針入度指數(shù)的影響，并通過繪制Log（p）和T的關(guān)系曲線給出測試針入度指數(shù)時應(yīng)選擇的溫度區(qū)間及溫度點數(shù)量。

瀝青；針入度指數(shù)；影響因素

1 前言

所有瀝青都具有熱塑性能，加熱時變軟，遇冷時變硬，且不同類型的瀝青對溫度的敏感性不同。瀝青感溫性是瀝青的粘度或稠度隨溫度改變而變化的程度，它是決定瀝青使用時的工作性以及應(yīng)用于路面中服務(wù)性的重要指標。更確切地說，瀝青路面的抗車轍能力、抗低溫開裂能力和耐久性等主要技術(shù)性質(zhì)都與瀝青的感溫性有內(nèi)在聯(lián)系［1］。表示和評價瀝青感溫性的指標主要有3種：針入度指數(shù)（PI）、針入度粘度指數(shù)（PVN）和復(fù)數(shù)模量指數(shù)（GTS）。在我國比較常用且形成行業(yè)標準的是PI，用于檢測瀝青PI值的標準主要有GB/T 4509-2010、JTG E20 T0604-2011和ASTM D5/D5M-13，3個標準在測試過程中對溫度點的選擇和所需數(shù)量有不同的要求，進而導(dǎo)致PI值有所差別。為了PI檢測結(jié)果的準確性和可靠性，本項目針對溫度點選取和所需溫度點數(shù)量對PI值的影響進行研究。

2 PI值

我國“八五”攻關(guān)課題進一步驗證得出結(jié)論［2］，認為PI值應(yīng)該由針入度溫度曲線的直線斜率得到。為了求取針入度溫度曲線的直線斜率，應(yīng)該采用3個或3個以上溫度的針入度值（通常采用15℃、25℃和30℃的針入度值），經(jīng)過式（1）回歸計算求得斜率A，再由式（2）計算求得PI。

“八五”攻關(guān)研究中還提出，為了檢驗試驗數(shù)據(jù)的準確性，利用式1回歸時的直線相關(guān)系數(shù)必須滿足相關(guān)檢驗的要求。當置信度為95%時，由3個溫度針入度回歸的相關(guān)系數(shù)R應(yīng)在0.997以上；由4個溫度針入度回歸的R值應(yīng)不小于0.995，后來在制定公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程時，又將R值提高到0.997。否則說明試驗誤差過大，此試驗數(shù)據(jù)不能使用。由此可以看出，PI值只用相當窄的溫度范圍內(nèi)的logP和T的線性關(guān)系來表示，因此溫度點的選擇和溫度點的數(shù)量是直接影響PI值的主要因素。

3 溫度點對PI值的影響研究

基于上述對PI值的分析，本研究針對目前江蘇常用的一些道路石油瀝青，做了不同溫度針入度試驗，按照相應(yīng)公式計算各種不同溫度區(qū)間下的PI值，以考察該指標作為道路石油瀝青性能指標的適用性，結(jié)果見表1。

表1　不同品種瀝青材料在不同溫度區(qū)間內(nèi)的PI值（3個溫度）

表1顯示，盡管針入度對數(shù)值和溫度的線性方程的相關(guān)系數(shù)都較好（相關(guān)系數(shù)＞0.997），但對于絕大部分瀝青無論是連續(xù)溫度區(qū)間或是較大跨度溫度區(qū)間下的PI值都相當發(fā)散，表明在不同溫度區(qū)間下的PI值各不相同，因此PI值與所取的溫度區(qū)間范圍有密切關(guān)系。換句話說，不同溫度區(qū)間下的A值各不相同，即在logP和T的關(guān)系中不同溫度區(qū)間下的斜率不是定值。

由于交通部規(guī)范［3］中對A等級瀝青PI值的要求是介于（-1.5）-（+1.0）之間，從上述結(jié)果來看，不同溫度點的選取導(dǎo)致PI值的誤差較大，也就是不同溫度點的測試可以導(dǎo)致同一種瀝青的PI值一個符合規(guī)范要求，一個不符合要求。例如SK70號瀝青，由5℃、15℃、20℃計算得到的PI值為-1.66，該PI值超出規(guī)范要求；而由15℃、25℃、30℃計算得到的PI值為-0.87，該PI值則符合規(guī)范要求。由此可以看出，由不同溫度點測試得到的瀝青PI值會有所不同，因此建議在報告PI值的同時，應(yīng)注明測試所用溫度。

為了考察溫度點數(shù)量對PI值的影響，接下來擴大溫度區(qū)間，選取4個溫度點進行測試，結(jié)果見表2。

表2　擴大溫度區(qū)間后不同品種瀝青的PI值（4個溫度）

續(xù)表2

表2顯示，當測試溫度范圍擴大一個溫度點后，PI值的偏差有增加的趨勢。從檢測方法方面考慮，首先從計算公式2可以看出，A值的系數(shù)是50，也就是說，A值的微小變化會導(dǎo)致PI值的偏差放大50倍。其次，由于PI是由一系列不同溫度下的針入度值計算得出，本身針入度的測試也存在誤差，如對于針入度在60到80之間的瀝青，針入度試驗方法標準［5-7］規(guī)定重復(fù)性不超過平均值的4%，再現(xiàn)性不超過平均值的8%，針入度數(shù)值的變動也會導(dǎo)致PI值偏差的增加。例如陳惠敏在《關(guān)于瀝青針入度指數(shù)》［4］中曾給出解釋，歡喜嶺瀝青25℃的針入度為75（0.1 mm），允許波動范圍是60-81；40℃的針入度為312（0.1 mm），允許波動范圍為287-337，經(jīng)計算得出在25℃-40℃區(qū)間下對應(yīng)的PI值為（+0.20）-（-0.55），PI偏差絕對值達0.75。

同一種瀝青在不同溫度區(qū)間下PI值發(fā)散可能有多方面原因，值得進一步探討。如果從膠體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的角度出發(fā)，可以認為瀝青的膠體類型隨著溫度區(qū)域的變化而轉(zhuǎn)變，有些瀝青在較低溫區(qū)域可能趨向于凝膠結(jié)構(gòu)，對溫度的敏感性變小，而在中溫區(qū)域趨向于溶-凝膠結(jié)構(gòu)，對溫度的敏感性略大；而氧化（或半氧化）瀝青在中溫區(qū)域已顯示出典型的凝膠結(jié)構(gòu)特性。所以lgP和T只在較窄溫度區(qū)間下有線性關(guān)系，并不適用于P和T的關(guān)系。最具線性的溫度區(qū)間的選擇對于不同瀝青可能不同，這就增加了求解PI值的工作量和復(fù)雜度。

在最新的交通部瀝青針入度測試標準［5］中，當進行仲裁試驗時，應(yīng)選擇5個溫度條件進行測試，這就意味對瀝青而言，5個溫度得出的PI優(yōu)于3個溫度得出的結(jié)果。PI值用來評價瀝青的感溫性能，是基于瀝青針入度的對數(shù)和相應(yīng)的溫度之間存在線性關(guān)系這一規(guī)律。從曲線回歸來看，溫度點越多、相關(guān)系數(shù)越接近1，回歸的線性越趨于準確，即PI值越準確。由此也可以看出，采用測試溫度點越多，所得到的PI值越能表征瀝青的感溫性能。

為了進一步發(fā)現(xiàn)不同溫度區(qū)間內(nèi)PI值的變化，本研究選取6個溫度點進行測試，并繪制出lgP-T關(guān)系圖，見圖1。

圖1　不同品種瀝青的lg P-T圖

從各個曲線的R值來看，盡管這些瀝青的lgPT線性關(guān)系相當好，但仍可見不同溫度區(qū)間下的直線有不同斜率；因而各連續(xù)溫度區(qū)間下的A值和PI4 結(jié)果與討論

值相差很大。從曲線斜率的變化可以看出，在15℃-30℃溫度區(qū)間內(nèi)，lgP和溫度相對具有好的線性關(guān)系，在5℃-10℃和30℃-40℃兩個區(qū)間內(nèi)的曲線斜率相對其他溫度點變化較大，可能是在較低溫度和較高溫度下瀝青的感性性能有所變化所致，由此建議在測試瀝青的PI值時，盡量選取該溫度區(qū)間的溫度點。

（1）對于同一種瀝青而言，在不同溫度區(qū)間下表征瀝青感溫性的A值和針入度指數(shù)PI值是不同的，即該瀝青在lgP和T的關(guān)系中不同溫度區(qū)間下的斜率不是定值。

（2）PI值是基于針入度條件性指標計算得出的參數(shù)，求解針入度指數(shù)的偏差受試驗方法的精密度制約。此外，PI值是經(jīng)過lgP和T的曲線回歸得到的，因此所選擇的溫度及溫度點的數(shù)量對曲線的回歸都會產(chǎn)生影響，因此在報告PI值結(jié)果的同時，建議標注選擇的所有溫度點。

（3）在15℃-30℃溫度區(qū)間內(nèi)，lgP和T相對具有好的線性關(guān)系，對過高或過低溫度區(qū)域外的推斷都會產(chǎn)生偏差。從lgP和T呈現(xiàn)先行關(guān)系來分析，測試所需溫度點越多、回歸系數(shù)越接近1，所得到的PI值越準確。

［1］陳佩茹，劉炤宇.關(guān)于瀝青感溫性指標的討論［J］.交通運輸工程學(xué)報，2006，6（2）：23-26.

［2］交通部公路科學(xué)研究所.“八五”國家科技公關(guān)專題“道路瀝青及瀝青混合料路用性能的研究”總報告［R］.北京，1995.

［3］JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］陳慧敏.關(guān)于瀝青針入度指數(shù)［J］.石油瀝青，2003，17（5）：1-9.

［5］JTG E20-2011 T0604-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程瀝青針入度實驗［S］.

［6］GB/T 4509-2010瀝青針入度測定法［S］.

［7］ASTM D5/D5M-13瀝青材料針入度標準測試方法［S］.

Study on the Influencing Factors of Asphalt Penetration Index

Cai Hongmei，Liu Yang，Mei Shunping，Jin Changtai
（Taizhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Taizhou，Jiangsu，225300）

The temperature selection and the number of temperature points on the influence of PI were researched in this study，and through mapping the Log（p）and temperature T gave the temperature range and the number of temperature points in the testing of PI.

Asphalt；Penetration Index；Influencing Factors

TU57+1

E-mail：caihm123@163.com

2015-04-23