不同溫度組合對(duì)瀝青針入度指數(shù)的影響

張宜寒

(中海油(青島)重質(zhì)油加工工程技術(shù)研究中心有限公司，山東 青島 266500)

近幾年來(lái),隨著交通、運(yùn)輸事業(yè)的迅猛發(fā)展,對(duì)瀝青材料提出了較高的要求，即高溫不流淌,低溫不脆裂。因此,人們將關(guān)注道路瀝青材料性質(zhì)的熱點(diǎn)由瀝青的蠟含量指標(biāo)轉(zhuǎn)向?yàn)r青的感溫性指標(biāo)。所謂瀝青感溫性是瀝青隨溫度變化而發(fā)生性質(zhì)變化的程度,瀝青性質(zhì)隨溫度變化幅度小,則瀝青的感溫性好,反之則感溫性差。

1 瀝青感溫性

目前，表征瀝青感溫性有多種表達(dá)方式,如針入度指數(shù)(PI)、黏度指數(shù)、黏溫指數(shù)等,國(guó)內(nèi)較多使用的是由PI表征瀝青的感溫性。

PI的計(jì)算有多種方法[1]，國(guó)內(nèi)常用的計(jì)算方法是采用回歸曲線計(jì)算法，方法如下：

將3個(gè)或3個(gè)以上不同溫度條件下測(cè)試的針入度值取對(duì)數(shù)，令y=lgP,x=T,按公式(1)的針入度對(duì)數(shù)與溫度的直線關(guān)系，進(jìn)行y=a+bx一元一次方程的直線回歸，求取針入度溫度指數(shù)AlgPen。

lgP=K+AlgPen×T

(1)

式中：T為實(shí)驗(yàn)溫度(℃)；lgP為不同溫度條件下測(cè)得的針入度值的對(duì)數(shù)；K為回歸方程的常數(shù)項(xiàng)a；AlgPen為回歸方程的系數(shù)b。

按公式(1)回歸時(shí)必須進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，直線歸回相關(guān)系數(shù)R不得小于0.997(置信度95%)，否則，試驗(yàn)無(wú)效。

PI = (20-500AlgPen)/(l+50AlgPen)

(2)

按公式(2)確定瀝青的針入度指數(shù)，并記為PI。

按照交通部JTG E20-2011中T0604要求，在測(cè)定針入度指數(shù)PI時(shí)，按同樣方法在 15 ℃、25 ℃、30 ℃(或 5 ℃)3個(gè)或3個(gè)以上(必要時(shí)增加 10 ℃、20 ℃ 等)溫度條件下分別測(cè)定瀝青的針入度，但用于仲裁試驗(yàn)的溫度條件應(yīng)為5個(gè)。

因此本實(shí)驗(yàn)從溫度的選取入手，按上述要求選取Ⅰ(5，15，25)，Ⅱ(5，10，15，25)，Ⅲ(5，15，20，25)，Ⅳ(5，10，15，20，25)，Ⅴ(15，25，30)，Ⅵ(10，15，25，30)，Ⅶ(15，20，25，30)，Ⅷ(10，15，20，25，30)8個(gè)溫度組合進(jìn)行PI計(jì)算，將所得數(shù)據(jù)比較，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論。

2 試樣與儀器

1)試樣：70#瀝青 110#瀝青。

2)儀器

恒溫水?。航鹦莾x器有限公司生產(chǎn)的DHW-2A型低溫恒溫水浴。

針入度儀：大連遠(yuǎn)東興針入度自動(dòng)測(cè)定儀。

標(biāo)準(zhǔn)針: 標(biāo)準(zhǔn)針應(yīng)由硬化回火的不銹鋼制造，鋼號(hào)為440-C或等同的材料

針入度皿：直徑 55 mm，深度 35 mm。

溫度計(jì)：刻度范圍在0～50 ℃，分度值為 0.1 ℃ 的溫度計(jì)。

3 結(jié)果與討論

將70#瀝青、110#瀝青分別倒入6個(gè)直徑為 55 mm，深度為 35 mm 的針入度皿。在空氣中放置 1.5 h 后，分別放入 5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃ 的水浴中冷卻 1.5 h，然后進(jìn)行針入度測(cè)定。選?、?5，15，25)，Ⅱ(5，10，15，25)，Ⅲ(5，15，20，25)，Ⅳ(5，10，15，20，25)，Ⅴ(15，25，30)，Ⅵ(10，15，25，30)，Ⅶ(15，20，25，30)，Ⅷ(10，15，20，25，30)8個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行PI計(jì)算。

3.1 70#瀝青針入度分析結(jié)果與PI計(jì)算

統(tǒng)計(jì)70#瀝青的針入度結(jié)果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 70#瀝青針入度結(jié)果

對(duì)每組70#瀝青分別選取不同溫度組合進(jìn)行PI計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 70#瀝青不同溫度組合PI結(jié)果

將7組70#瀝青在不同溫度組合下的PI值制成折線圖，見(jiàn)圖1。

3.2 110#瀝青針入度分析結(jié)果與PI計(jì)算

統(tǒng)計(jì)110#瀝青的針入度結(jié)果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 70#瀝青在不同溫度組合下的PI折線圖

表3 110#瀝青針入度結(jié)果

對(duì)每組110#瀝青分別進(jìn)行選取不同溫度組合的PI計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 110#瀝青不同溫度組合的PI 結(jié)果

將七組110#瀝青在不同溫度組合下的PI值制成折線圖，見(jiàn)圖2。

圖2 110#瀝青在不同溫度組合下的PI折線圖

3.3 討論

從圖1可看出，對(duì)于70#瀝青而言，選取的溫度組合中含有 30 ℃ 時(shí)，其PI值基本在-1.7～-1.9之間，較為穩(wěn)定。而選取的溫度組合中含有 5 ℃ 時(shí)，其中有四組PI值在-1.2～-1.5之間，兩組PI值在-1.7～-1.9之間，PI值變化較大，整體呈偏高趨勢(shì)。

從圖2可看出，對(duì)于110#瀝青而言，選取的溫度組合中含有 30 ℃ 時(shí)，其PI值基本在-1.8～-2.1之間，較為穩(wěn)定。而選取的溫度組合中含有 5 ℃ 時(shí)，其中有兩組PI值在-1.1～-1.3之間，兩組PI值在-1.8～-1.9之間，三組PI值在-2.1～-2.3之間， PI值變化較大，較不穩(wěn)定。

通過(guò)兩種瀝青的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，帶有 30 ℃ 的溫度組合PI值較為穩(wěn)定，帶有 5 ℃ 的溫度組合PI值很不穩(wěn)定。

對(duì)其不穩(wěn)定的原因進(jìn)行分析如下：

從公式的角度來(lái)看，5 ℃ 為針入度溫度關(guān)系諾模圖[2]的第一個(gè)點(diǎn)，第一點(diǎn)較大程度的影響回歸直線的整體走向，也就是影響了回歸直線的系數(shù)AlgPen，而系數(shù)的大小也正決定了PI值的大小。

在PI計(jì)算過(guò)程中，5 ℃ 的針入度值極大程度的影響著回歸曲線的感溫系數(shù)以及針入度指數(shù)，即使是一個(gè)單位的誤差也會(huì)對(duì)針入度指數(shù)造成較大影響。比如，在進(jìn)行110#瀝青針入度指數(shù)計(jì)算時(shí)，5 ℃ 的針入度為9.4，取值為9，在(5，10，15，20，25)的PI為-1.81，倘若直接以9.4帶入計(jì)算PI值為-1.72，達(dá)到了合格標(biāo)準(zhǔn)。由此可見(jiàn)，數(shù)值的取舍導(dǎo)致了如此大的誤差，以至影響了樣品的合格與否。所以建議在PI計(jì)算過(guò)程中 5 ℃ 針入度保留小數(shù)點(diǎn)后一位進(jìn)行計(jì)算。另外，5 ℃ 與實(shí)驗(yàn)室溫度差最大，控溫難度較大，誤差相對(duì)其他溫度點(diǎn)較大。

4 結(jié)語(yǔ)

1)帶有 5 ℃ 的溫度組合的PI結(jié)果穩(wěn)定性不好。

2)在PI計(jì)算過(guò)程中第一個(gè)溫度點(diǎn)的的針入度值較大程度地影響著回歸曲線的感溫系數(shù)以及針入度指數(shù)。除非在具有良好的控溫條件下，建議在PI計(jì)算過(guò)程中 5 ℃ 針入度保留小數(shù)點(diǎn)后一位進(jìn)行計(jì)算，或者直接不采用 5 ℃ 溫度點(diǎn)。

3)與常規(guī)試驗(yàn)相比，PI試驗(yàn)過(guò)程所需時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)量較大，需要嚴(yán)格的溫度控制，計(jì)算較復(fù)雜。