試驗溫度及針入度誤差對瀝青低溫感溫性指標的影響研究

馬艷平

（山西省交通科學研究院，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，高溫時變軟，低溫時變硬，使瀝青混合料的路用性能也隨之發生變化[1-3]。我國北方大多數地區春冬季節溫度變化頻繁，由于溫度的交替變化造成的瀝青路面開裂現象極其嚴重，造成這一現象的原因又與瀝青材料本身低溫時的溫度敏感性太大有關[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”國家科技攻關專題提出了采用三點或三點以上針入度求得的PI值和脆點T1.2來評價瀝青的低溫感溫性，而PI值和T1.2對溫度區間和試驗條件有很強的依賴性，針入度試驗本身的誤差較大，因此如何合理選用試驗溫度，最大限度地減小試驗誤差，對準確評價瀝青低溫感溫性至關重要。因此本文選取不同的試驗溫度組合，研究了試驗溫度及針入度誤差對4種90號基質瀝青和SBS改性瀝青低溫感溫性指標的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

采用4種基質瀝青：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

按現行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）T 0604—2011[8]，本文針入度試驗的允許誤差規定如下：同一試樣進行3次平行試驗，若針入度最大值和最小值在表1允許范圍內時，以3次平行試驗結果的平均值作為最終的試驗結果。當針入度測試結果小于50時，重復性試驗的允許誤差為2；當測試結果大于或等于50時，重復性試驗的允許誤差為平均值的4%。當測試值不符合此要求時，應重新進行。

表1 針入度試驗允許誤差

2 試驗溫度對瀝青低溫感溫性的影響

瀝青的針入度指數PI和當量脆點T1.2是現行規范提出的表征瀝青混合料低溫抗裂性能的兩個指標。針入度指數PI通常是將可行范圍內的3個或以上溫度的針入度與溫度按式（1）、式（2）進行直線回歸而得；直線lgP～T與針入度為1.2的水平線相交，交點的溫度即為當量脆點T1.2，當量脆點可由式（3）求得。其中PI越小，瀝青的穩定性越差；PI越大，瀝青的溫度穩定性越好，瀝青的感溫性越低，受溫度變化影響越小，瀝青的品質就越優。當量脆點越低表明瀝青的低溫感溫性越好，對應的瀝青混合料低溫抗裂性越好。

選取試驗溫度為10℃、15℃、20℃、25℃和30℃，分別測定4種基質瀝青在不同溫度時的針入度，選用其中的3個、4個和5個溫度對應的針入度值計算針入度指數PI和當量脆點T1.2，分析溫度對4種瀝青低溫感溫性的影響，結果如表2～表4所示。

從表2可以看出，同一種瀝青隨著試驗溫度的增大，針入度逐漸增大，且針入度的提升幅度也隨著溫度區間的增大而增大，例如殼牌90瀝青在溫度區間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。這是因為瀝青屬于典型的感溫性材料，當溫度升高時瀝青彈性性質逐漸減少，黏性性質逐漸增大，升高溫度使瀝青黏度下降，試驗時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，4種瀝青的針入度差值在0.21 mm之內，而當溫度為15℃、20℃、25℃和30℃時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，這是因為瀝青種類不同，瀝青化學組成中瀝青質、膠質、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變化不同，溫度越高瀝青黏性比例越多，而瀝青化學組成決定著黏性性質的強弱，因此溫度越高，4種瀝青針入度差別越大。

表2 不同試驗溫度下針入度測試結果

表3 3個試驗溫度下PI和T1.2的計算結果

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

從表4可以看出，當選用4個試驗溫度時，針入度指數PI和溫度T之間也具有良好的線性相關性（除SK90序號1和2兩組計算溫度組合得出的相關系數R小于0.997外，其他組合相關系數R均大于0.997）。雖然選用4個試驗溫度時，針入度指數PI和脆點T1.2隨溫度的不同也呈現較大的離散性，但相比于選用3個試驗溫度，選用4個試驗溫度時4種瀝青針入度指數PI和脆點T1.2的極差統一較小，針入度指數PI的極差在0.049～0.704之間，脆點T1.2的極差在1.762～2.426之間，表明選用4個試驗溫度測量時，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PI最大，脆點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定。4種試驗溫度組合中，選用溫度10℃、15℃、20℃和25℃時，瀝青具有較大的針入度指數PI和較低的脆點T1.2，因此以4個試驗溫度評價瀝青感溫性時推薦的溫度組合為10℃、15℃、20℃和25℃。

表4 4個試驗溫度下PI和T1.2的計算結果

表5 不同溫度組合時PI和T1.2的計算結果

表5為不同溫度個數組合時，4種瀝青樣品的針入度指數PI和脆點T1.2計算結果，可以看出，與選用3個溫度相比，選用4個和5個溫度時，瀝青的針入度指數PI更大，脆點T1.2更低。同一種瀝青在不同溫度區間下計算得到的針入度指數PI和脆點T1.2不同，主要是因為，一方面瀝青在不同溫度區間內其性質會有很大差別，所以得到的針入度指數PI和脆點T1.2不同，且其變化規律不同；另一方面由于試驗本身的誤差會造成針入度的差異，從而使針入度指數PI和脆點T1.2的計算結果出現變化。

3 針入度試驗允許誤差對瀝青低溫感溫性的影響

為了證明針入度試驗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要求的重復性試驗允許誤差范圍內變化針入度值，計算針入度指數PI，分析針入度指數的變化，結果見表5、表6和圖1、圖2。

表6 殼牌90瀝青重復性試驗允許差范圍內取值對PI值的影響

表7 SBS改性瀝青重復性試驗允許差范圍內取值對PI值的影響

圖1 基質瀝青重復性試驗取值對PI值的影響

圖2 SBS改性瀝青重復性試驗取值對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性，其相關性系數大多接近1，但在針入度精度和誤差允許的范圍內，針入度的微小變化會引起針入度指數PI出現較大的變化。對兩種瀝青而言，第4組和第13組試驗引起的針入度指數PI的偏差最小，此時僅20℃的針入度發生變化，表明20℃時進行針入度試驗產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組試驗引起的針入度指數PI的偏差最大，此時均有兩個或3個試驗溫度的針入度發生變化。針入度指數PI的大小直接由logP～T直線的斜率AlgPen決定，AlgPen需要多個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。上文僅僅是在重復性試驗允許誤差范圍內就導致了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，如果考慮復現性試驗的允許誤差，則會造成PI更大的差異。

4 結論

a）當選用3個試驗溫度測定的針入度評價瀝青的低溫感溫性時，針入度指數PI和脆點T1.2隨溫度區間的不同出現較大的離散性，當采用3個連續的溫度時，瀝青低溫時的溫度敏感性最小。

b）相比于選用3個試驗溫度，選用3個試驗溫度時4種瀝青針入度指數PI和脆點T1.2的極差更小，表明選用4個試驗溫度測試時，能更好地減小試驗離散性。與選用3個試驗溫度相比，選用4個和5個試驗溫度時，瀝青的PI值更大、T1.2更低，表明選用的試驗溫度個數越多，對瀝青低溫感溫性的評價越準確。

c）試驗允許誤差范圍內單獨變化20℃時的針入度引起的PI變化值最小，而同時改變兩個或者以上試驗溫度對應的針入度時，引起的PI值變化較大，尤其變化最低溫度和最高溫度時的針入度，引起的PI值改變最多。