試驗(yàn)溫度及針入度誤差對瀝青低溫感溫性指標(biāo)的影響研究

馬艷平

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

瀝青是一種典型的感溫性材料，其稠度隨溫度不斷變化，高溫時(shí)變軟，低溫時(shí)變硬，使瀝青混合料的路用性能也隨之發(fā)生變化[1-3]。我國北方大多數(shù)地區(qū)春冬季節(jié)溫度變化頻繁，由于溫度的交替變化造成的瀝青路面開裂現(xiàn)象極其嚴(yán)重，造成這一現(xiàn)象的原因又與瀝青材料本身低溫時(shí)的溫度敏感性太大有關(guān)[4-7]。因此研究瀝青材料的低溫感溫性，對防止路面開裂具有重要意義。我國“八五”國家科技攻關(guān)專題提出了采用三點(diǎn)或三點(diǎn)以上針入度求得的PI值和脆點(diǎn)T1.2來評價(jià)瀝青的低溫感溫性，而PI值和T1.2對溫度區(qū)間和試驗(yàn)條件有很強(qiáng)的依賴性，針入度試驗(yàn)本身的誤差較大，因此如何合理選用試驗(yàn)溫度，最大限度地減小試驗(yàn)誤差，對準(zhǔn)確評價(jià)瀝青低溫感溫性至關(guān)重要。因此本文選取不同的試驗(yàn)溫度組合，研究了試驗(yàn)溫度及針入度誤差對4種90號基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青低溫感溫性指標(biāo)的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用4種基質(zhì)瀝青：殼牌90、SK90、加德士90和東海90，改性劑選用星型SBS改性劑，其在瀝青中的摻量為5%。

1.2 針入度測試

按現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）T 0604—2011[8]，本文針入度試驗(yàn)的允許誤差規(guī)定如下：同一試樣進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，若針入度最大值和最小值在表1允許范圍內(nèi)時(shí)，以3次平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)針入度測試結(jié)果小于50時(shí)，重復(fù)性試驗(yàn)的允許誤差為2；當(dāng)測試結(jié)果大于或等于50時(shí)，重復(fù)性試驗(yàn)的允許誤差為平均值的4%。當(dāng)測試值不符合此要求時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行。

表1 針入度試驗(yàn)允許誤差

2 試驗(yàn)溫度對瀝青低溫感溫性的影響

瀝青的針入度指數(shù)PI和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2是現(xiàn)行規(guī)范提出的表征瀝青混合料低溫抗裂性能的兩個(gè)指標(biāo)。針入度指數(shù)PI通常是將可行范圍內(nèi)的3個(gè)或以上溫度的針入度與溫度按式（1）、式（2）進(jìn)行直線回歸而得；直線lgP～T與針入度為1.2的水平線相交，交點(diǎn)的溫度即為當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2，當(dāng)量脆點(diǎn)可由式（3）求得。其中PI越小，瀝青的穩(wěn)定性越差；PI越大，瀝青的溫度穩(wěn)定性越好，瀝青的感溫性越低，受溫度變化影響越小，瀝青的品質(zhì)就越優(yōu)。當(dāng)量脆點(diǎn)越低表明瀝青的低溫感溫性越好，對應(yīng)的瀝青混合料低溫抗裂性越好。

選取試驗(yàn)溫度為10℃、15℃、20℃、25℃和30℃，分別測定4種基質(zhì)瀝青在不同溫度時(shí)的針入度，選用其中的3個(gè)、4個(gè)和5個(gè)溫度對應(yīng)的針入度值計(jì)算針入度指數(shù)PI和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2，分析溫度對4種瀝青低溫感溫性的影響，結(jié)果如表2～表4所示。

從表2可以看出，同一種瀝青隨著試驗(yàn)溫度的增大，針入度逐漸增大，且針入度的提升幅度也隨著溫度區(qū)間的增大而增大，例如殼牌90瀝青在溫度區(qū)間10℃～15℃、15℃～20℃、20℃～25℃和25℃～30℃針入度的增長幅度分別為2.6倍、4.3倍、7.2倍和11.6倍。這是因?yàn)闉r青屬于典型的感溫性材料，當(dāng)溫度升高時(shí)瀝青彈性性質(zhì)逐漸減少，黏性性質(zhì)逐漸增大，升高溫度使瀝青黏度下降，試驗(yàn)時(shí)試針深入瀝青中的阻力減小，因此針入度增大。且不同種瀝青針入度之間的差別也隨著溫度的升高而增大，例如溫度為10℃時(shí)，4種瀝青的針入度差值在0.21 mm之內(nèi)，而當(dāng)溫度為15℃、20℃、25℃和30℃時(shí)4種瀝青的針入度差值分別在0.54 mm、0.81 mm、0.95 mm和1.39 mm范圍內(nèi)，這是因?yàn)闉r青種類不同，瀝青化學(xué)組成中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香芬和飽和芬的相對比例不同，因此溫度變化引起的瀝青性質(zhì)變化不同，溫度越高瀝青黏性比例越多，而瀝青化學(xué)組成決定著黏性性質(zhì)的強(qiáng)弱，因此溫度越高，4種瀝青針入度差別越大。

表2 不同試驗(yàn)溫度下針入度測試結(jié)果

表3 3個(gè)試驗(yàn)溫度下PI和T1.2的計(jì)算結(jié)果

從表3可以看出，除SK90序號1和2兩組計(jì)算溫度組合得出的相關(guān)系數(shù)R小于0.997外，其他各試驗(yàn)溫度組合下針入度指數(shù)PI與溫度T之間都具有很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R都大于0.997，有的甚至達(dá)到1，但選用3個(gè)試驗(yàn)溫度時(shí)，計(jì)算得到的針入度指數(shù)PI和脆點(diǎn)T1.2離散性較大，且沒有一定的規(guī)律性。4種瀝青針入度指數(shù)PI的極差在0.109～1.235 之間，脆點(diǎn) T1.2的極差在 4.011～5.091 之間，表明溫度區(qū)間對瀝青低溫感溫性的影響較大，且當(dāng)溫度區(qū)間內(nèi)所取溫度值連續(xù)時(shí)，瀝青具有較大的針入度指數(shù)PI和較低的脆點(diǎn)T1.2，此時(shí)瀝青溫度敏感性較小，因此選用3個(gè)溫度測定針入度時(shí)盡量選取3個(gè)連續(xù)的溫度值。同一種瀝青，針入度指數(shù)PI的極差小于脆點(diǎn)T1.2的極差，表明選用針入度指數(shù)評價(jià)瀝青低溫感溫性時(shí)的離散型較小。4種瀝青中，殼牌90瀝青針入度指數(shù)PI的極差值最小僅為0.109，表明所選試驗(yàn)溫度對殼牌90瀝青針入度的影響最小。

從表4可以看出，當(dāng)選用4個(gè)試驗(yàn)溫度時(shí)，針入度指數(shù)PI和溫度T之間也具有良好的線性相關(guān)性（除SK90序號1和2兩組計(jì)算溫度組合得出的相關(guān)系數(shù)R小于0.997外，其他組合相關(guān)系數(shù)R均大于0.997）。雖然選用4個(gè)試驗(yàn)溫度時(shí)，針入度指數(shù)PI和脆點(diǎn)T1.2隨溫度的不同也呈現(xiàn)較大的離散性，但相比于選用3個(gè)試驗(yàn)溫度，選用4個(gè)試驗(yàn)溫度時(shí)4種瀝青針入度指數(shù)PI和脆點(diǎn)T1.2的極差統(tǒng)一較小，針入度指數(shù)PI的極差在0.049～0.704之間，脆點(diǎn)T1.2的極差在1.762～2.426之間，表明選用4個(gè)試驗(yàn)溫度測量時(shí)，能更好地減小離散性。4種瀝青樣品中，加德士90的針入度指數(shù)PI最大，脆點(diǎn)T1.2最小，表明加德士90瀝青的溫度敏感性最小，性能隨溫度的變化最穩(wěn)定。4種試驗(yàn)溫度組合中，選用溫度10℃、15℃、20℃和25℃時(shí)，瀝青具有較大的針入度指數(shù)PI和較低的脆點(diǎn)T1.2，因此以4個(gè)試驗(yàn)溫度評價(jià)瀝青感溫性時(shí)推薦的溫度組合為10℃、15℃、20℃和25℃。

表4 4個(gè)試驗(yàn)溫度下PI和T1.2的計(jì)算結(jié)果

表5 不同溫度組合時(shí)PI和T1.2的計(jì)算結(jié)果

表5為不同溫度個(gè)數(shù)組合時(shí)，4種瀝青樣品的針入度指數(shù)PI和脆點(diǎn)T1.2計(jì)算結(jié)果，可以看出，與選用3個(gè)溫度相比，選用4個(gè)和5個(gè)溫度時(shí)，瀝青的針入度指數(shù)PI更大，脆點(diǎn)T1.2更低。同一種瀝青在不同溫度區(qū)間下計(jì)算得到的針入度指數(shù)PI和脆點(diǎn)T1.2不同，主要是因?yàn)?，一方面瀝青在不同溫度區(qū)間內(nèi)其性質(zhì)會有很大差別，所以得到的針入度指數(shù)PI和脆點(diǎn)T1.2不同，且其變化規(guī)律不同；另一方面由于試驗(yàn)本身的誤差會造成針入度的差異，從而使針入度指數(shù)PI和脆點(diǎn)T1.2的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)變化。

3 針入度試驗(yàn)允許誤差對瀝青低溫感溫性的影響

為了證明針入度試驗(yàn)允許誤差對瀝青低溫感溫性的影響，分別在10℃、15℃、20℃、25℃和30℃時(shí)測定殼牌90瀝青和SBS改性瀝青的針入度值，將其定義為真值，然后在表1要求的重復(fù)性試驗(yàn)允許誤差范圍內(nèi)變化針入度值，計(jì)算針入度指數(shù)PI，分析針入度指數(shù)的變化，結(jié)果見表5、表6和圖1、圖2。

表6 殼牌90瀝青重復(fù)性試驗(yàn)允許差范圍內(nèi)取值對PI值的影響

表7 SBS改性瀝青重復(fù)性試驗(yàn)允許差范圍內(nèi)取值對PI值的影響

圖1 基質(zhì)瀝青重復(fù)性試驗(yàn)取值對PI值的影響

圖2 SBS改性瀝青重復(fù)性試驗(yàn)取值對PI值的影響

從表5、表6和圖1、圖2可以看出，雖然針入度和溫度之間存在很好的線性相關(guān)性，其相關(guān)性系數(shù)大多接近1，但在針入度精度和誤差允許的范圍內(nèi)，針入度的微小變化會引起針入度指數(shù)PI出現(xiàn)較大的變化。對兩種瀝青而言，第4組和第13組試驗(yàn)引起的針入度指數(shù)PI的偏差最小，此時(shí)僅20℃的針入度發(fā)生變化，表明20℃時(shí)進(jìn)行針入度試驗(yàn)產(chǎn)生誤差引起的瀝青感溫性的變化較小。第7組、第8組、第16組和第17組試驗(yàn)引起的針入度指數(shù)PI的偏差最大，此時(shí)均有兩個(gè)或3個(gè)試驗(yàn)溫度的針入度發(fā)生變化。針入度指數(shù)PI的大小直接由logP～T直線的斜率AlgPen決定，AlgPen需要多個(gè)溫度下的針入度擬合才能得出。針入度測試本身就有一定的誤差，而多個(gè)溫度下的針入度誤差必然引起AlgPen的變化。上文僅僅是在重復(fù)性試驗(yàn)允許誤差范圍內(nèi)就導(dǎo)致了PI的較大差異，不同的儀器、不同的操作者對同一瀝青測定的針入度值會有更大的偏差，如果考慮復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)的允許誤差，則會造成PI更大的差異。

4 結(jié)論

a）當(dāng)選用3個(gè)試驗(yàn)溫度測定的針入度評價(jià)瀝青的低溫感溫性時(shí)，針入度指數(shù)PI和脆點(diǎn)T1.2隨溫度區(qū)間的不同出現(xiàn)較大的離散性，當(dāng)采用3個(gè)連續(xù)的溫度時(shí)，瀝青低溫時(shí)的溫度敏感性最小。

b）相比于選用3個(gè)試驗(yàn)溫度，選用3個(gè)試驗(yàn)溫度時(shí)4種瀝青針入度指數(shù)PI和脆點(diǎn)T1.2的極差更小，表明選用4個(gè)試驗(yàn)溫度測試時(shí)，能更好地減小試驗(yàn)離散性。與選用3個(gè)試驗(yàn)溫度相比，選用4個(gè)和5個(gè)試驗(yàn)溫度時(shí)，瀝青的PI值更大、T1.2更低，表明選用的試驗(yàn)溫度個(gè)數(shù)越多，對瀝青低溫感溫性的評價(jià)越準(zhǔn)確。

c）試驗(yàn)允許誤差范圍內(nèi)單獨(dú)變化20℃時(shí)的針入度引起的PI變化值最小，而同時(shí)改變兩個(gè)或者以上試驗(yàn)溫度對應(yīng)的針入度時(shí)，引起的PI值變化較大，尤其變化最低溫度和最高溫度時(shí)的針入度，引起的PI值改變最多。