春風塔河優質道路瀝青性能評價

高 冰 梅

(中國石化煉油銷售有限公司，上海 200050)

作為瀝青混合料的黏結劑，石油瀝青性能的好壞是影響瀝青路面路用性能的重要因素之一。目前，國內道路瀝青出廠執行交通部《公路瀝青路面施工技術規范》[1](JTG F40—2004)中的“道路石油瀝青技術要求”。該技術要求是經驗性標準，缺少明確的物理意義[2]，難以全面、直接地反映瀝青的路用性能。不同原油生產的瀝青化學組成不同，而化學組成與瀝青的使用性能密切相關，出廠質量合格的瀝青產品有時候會出現因化學組成不合理而導致使用性能不佳，瀝青路面出現松散、車轍、裂紋等問題，即 “合格不好用”現象。因此，瀝青尤其是新油種生產的瀝青在鋪路應用前，對其進行系統、全面的性能分析和評價就顯得十分重要和必要。

新疆地區幅員遼闊，氣候差別大，依據氣候分區影響因子將全疆分為4個不同的公路使用性能區域：水穩性和冰凍性區、低溫抗裂區、高低溫過渡區和高溫抗車轍區，不同氣候區對瀝青及瀝青混合料使用性能的要求各不相同[3]，這就要求用于新疆地區路面鋪筑的瀝青應同時具有較好的抗高溫變形、低溫抗裂及抗疲勞等性能。中國石油化工股份有限公司為解決西部地區優質瀝青資源不足的問題，通過產-銷-研聯合攻關，研究春風減壓渣油和塔河減壓渣油的不同組成和性質，利用兩者在性能方面的互補性，采用調合工藝工業試生產出春風塔河優質道路瀝青[4]。以下對首次工業化批量生產的春風塔河優質道路瀝青進行性質和化學組成分析、性能等級(PG分級)和混合料性能評價，為今后大批量連續生產和市場應用提供技術依據和技術支撐。

1 樣品來源

經過在新疆庫車生產廠工業試生產驗證春風減壓渣油和塔河減壓渣油調合生產方案的可行性，隨后在新疆烏蘇生產廠工業化批量生產春風塔河優質道路瀝青70A和90A(簡稱春風塔河70A瀝青、春風塔河90A瀝青)約10 kt。按照《瀝青取樣法》(GB/T 11147—2010)要求，在生產廠儲罐分別采集典型春風塔河70A和90A瀝青樣品，作為試驗用樣品。

2 春風塔河70A和90A瀝青性能評價

2.1 質量檢測

委托國家道路及橋梁質量監督檢驗中心(簡稱國檢中心)和蘇交科集團股份有限公司(簡稱蘇交科)，按《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)“道路石油瀝青技術要求”中的項目，對春風塔河70 A和90 A瀝青進行質量檢測，并分別與國內某品牌同規格瀝青質量進行比較，結果見表1。

表1 春風塔河70A和90A瀝青檢測結果

1)薄膜烘箱試驗。

從表1可以看出：國檢中心和蘇交科兩個機構的檢測結果均表明春風塔河70A和90A瀝青產品質量均能滿足JTG F40—2004的技術要求，尤其是動力黏度、TFOF試驗前后的低溫延度和殘留針入度比，高出技術要求較多；與國內某品牌同規格瀝青相比，春風塔河70A和90A瀝青針入度指數適中、軟化點和動力黏度(60 ℃)高、低溫延度大、蠟含量低、殘留針入度比和殘留低溫延度大，充分表明春風塔河70A和90A瀝青均具有感溫性好、高溫性能好、低溫下的松弛性能[1]和耐熱老化性能[5]優良的優點。

2.2 化學組成分析

石油瀝青的使用性能與化學組成密切相關，瀝青是由各種極性、非極性分子通過復雜分子間作用而形成的材料。從分子極性看，瀝青由飽和分、芳香分、膠質和瀝青質四組分組成，芳香分和飽和分一起構成連續相，使膠質-瀝青質形成膠胞而穩定分散，瀝青質的存在對瀝青的感溫性能和高溫性能有正面的影響，膠質的存在可使瀝青具有良好的塑性和黏附性，并能改善瀝青的抗脆裂性，提高瀝青的延伸度。瀝青中四組分存在一個較好的構成比例，當飽和分質量分數為8%～15%、芳香分質量分數為30%～55%、膠質質量分數為25%～45%、瀝青質質量分數為1%～10%時，瀝青的各項性能較優[4，6]。

分別對春風塔河70A和90A瀝青、國內某品牌同規格瀝青進行了族組成對比分析，結果見表2。從表2可以看出：春風塔河70A和90A瀝青的瀝青質質量分數均在1%～10%范圍，膠質質量分數均接近45%；而國內某品牌70A和90A瀝青四組分中的瀝青質質量分數均小于1%，膠質質量分數均高于45%較多。說明從組成來看，春風塔河70A和90A瀝青四組分構成比例均較好，合理的瀝青質和膠質含量對其感溫性能、高溫性能和抗脆裂性均有正面的影響。

表2 春風塔河70A和90A瀝青與國內某品牌瀝青的族組成對比 w，%

2.3 PG分級

PG分級是20世紀90年代美國戰略性公路研究計劃(SHRP)提出的一種瀝青分級體系，對于道路瀝青具有很好的適用性，目前在全世界得到普遍認同和廣泛采用[7]。與瀝青常規質量分析不同的是，瀝青PG分級能真實地反映其實際使用環境，與其使用性能有直接相關性。因此，正確選擇適宜PG分級的瀝青，能最大限度地減少瀝青路面永久變形、疲勞開裂和低溫開裂[2，8]。

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[9](JTG E20—2011)中的動態剪切流變性質試驗、彎曲蠕變勁度試驗、斷裂性能試驗及壓力老化(PAV)試驗等PG分級的試驗方法對春風塔河70 A和90 A瀝青、國內某品牌同規格瀝青進行PG分級，結果見表3。

表3 春風塔河70A和90A 瀝青PG分級結果

1)旋轉薄膜烘箱試驗。

2.3.1 高溫穩定性能SHRP瀝青路用性能規范(簡稱SHRP規范)中，瀝青的高溫穩定性用平均最高路面設計溫度時的原樣瀝青及RTFOT試驗后殘留瀝青的車轍因子(G*sinδ)作為評價指標，G*sinδ越大，流動變形越小，抗高溫變形的能力就越強，它要求原樣瀝青和RTFOT殘留瀝青在最高路面設計溫度下的G*sinδ分別不得小于1.0 kPa 和2.2 kPa[2，10-11]。

從表3可以看出：春風塔河70 A和90 A原樣瀝青在高溫64 ℃時的G*sinδ均符合SHRP規范的技術要求，且富余度較大，表明這兩種瀝青抗高溫變形的能力較強；兩種瀝青經RTFOT試驗老化處理后，其在高溫64 ℃時的G*sinδ均比原樣瀝青大，表明老化后的瀝青抗車轍能力均有明顯提高；高溫64 ℃時，春風塔河70A和90A無論是原樣瀝青還是短期老化瀝青，與國內某品牌同規格瀝青相比，相同條件下G*sinδ更大，說明其抗高溫變形能力更強。

2.3.2 抗疲勞性能SHRP規范采用(RTFOT+PAV)試驗后瀝青的疲勞因子G*sinδ作為評價瀝青疲勞性能的指標，G*sinδ越大則重負荷載作用下的能量損失越多。研究表明，瀝青混合料的疲勞損傷或疲勞壽命與循環加載下的能量損失具有比例關系。因此，較小的G*sinδ代表較好的抗疲勞性能[2，11]。

從表3可以看出，經過(RTFOT+PAV)試驗后，春風塔河70 A和90 A瀝青在中溫22 ℃時(最高設計溫度和最低設計溫度的平均值以上4 ℃左右) 的G*sinδ均比SHRP規范要求的5 000 kPa小很多，表明使用這兩種類型瀝青的混合料抵抗疲勞損傷的效果較好；國內某品牌同規格瀝青在中溫25 ℃時的G*sinδ才符合SHRP規范要求；春風塔河70 A和90 A瀝青在中溫22 ℃時，G*sinδ比國內某品牌同規格瀝青分別小64百分點和67百分點，充分表明其具有更好的抗疲勞性能。

2.3.3 低溫抗裂性能SHRP規范中，采用對(RTFOT+PAV)試驗后的瀝青進行小梁低溫彎曲流變試驗測定瀝青的低溫性能，主要包括彎曲蠕變勁度模量(S)和蠕變曲線斜率(m)兩個指標。S過高，瀝青會呈現出脆性，低溫抗裂性能差；m值越高，應力松弛性能越好，低溫抗裂性能越強[2，11]。

從表3可以看出，經過(RTFOT+PAV)試驗后，春風塔河70 A和90 A瀝青在-18 ℃下的S和m均符合SHRP規范要求，低溫等級為-28 ℃，而國內某品牌同規格瀝青的S和m在-12 ℃下才符合SHRP規范要求，低溫等級均為-22 ℃，充分表明春風塔河70 A和90 A瀝青適合鋪筑更低溫度下的路面，低溫抗裂性能更佳。

綜合來看，春風塔河70 A和90 A瀝青的PG分級均為PG64-28，即表明其具有能適應路面溫度高達64 ℃、低至-28 ℃的物理特性，而國內某品牌同規格瀝青PG分級均為PG64-22，顯然春風塔河70 A和90 A瀝青除了抗高溫變形能力、低溫抗裂和抗疲勞性能良好外，低溫抗裂性能尤其突出，適合在氣候變化大的新疆地區應用。

2.4 混合料性能評價

根據新疆地區公路工程路面常用石料、結構層混合料類型，選擇常用混合料級配類型AC-20和AC-16對70A和90A瀝青分別進行混合料抗水損害、高溫、低溫等性能評價，并與國內某品牌同規格瀝青的混合料性能進行比較。

2.4.1 不同混合料類型的級配組成通過配合比設計，根據瀝青混合料的孔隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等體積指標和馬歇爾穩定度等要求，分別針對春風塔河70A和90A瀝青，最終確定AC-20和AC-16級配組成，分別見表4～表6。春風塔河70A瀝青的AC-20級配的最佳油石質量比為4.3%，AC-16級配的最佳油石質量比為4.6%；春風塔河90A瀝青的AC-20級配的最佳油石質量比為4.0%，AC-16級配的最佳油石質量比為4.3%。

表4 春風塔河70A瀝青的不同混合料類型的級配組成 w，%

表5 春風塔河90A瀝青的AC-20的級配組成 w，%

表6 春風塔河90A瀝青的AC-16的級配組成 w，%

2.4.2 最佳油石比下的馬歇爾試驗按照確定的集料級配和最佳油石比，分別采用春風塔河70A和90A瀝青制備馬歇爾試件，拌合溫度為165 ℃，擊實溫度為150 ℃，雙面各擊實次數為75次，試驗結果分別見表7和表8。

由表7和表8可以看出，最佳油石比下的春風塔河70A和90A瀝青混合料馬歇爾試驗的各項結果均滿足JTG F40—2004的技術要求。

表7 春風塔河70A瀝青的混合料馬歇爾試驗結果

表8 春風塔河90A瀝青的混合料馬歇爾試驗結果

2.4.3 混合料性能試驗按照確定的春風塔河70A和90A瀝青的集料級配和最佳油石比，采用JTG E20—2011[9]中水穩定試驗、車轍試驗、低溫小梁彎曲破壞應變試驗方法，分別對其與國內某品牌同規格瀝青進行混合料性能試驗，結果見表9和表10。

從表9可以看出：春風塔河70A瀝青和國內某品牌同規格瀝青的混合料各項指標均滿足JTG F40—2004的技術要求，春風塔河70A瀝青的兩種類型的混合料動穩定度比技術要求的下限值分別高出542%和419%，表明其具有優良的抗車轍能力；破壞應變比技術要求的下限值分別高出89%和87%，表明其具有優良的低溫抗裂性能。春風塔河70A瀝青與國內某品牌同規格瀝青的混合料殘留穩定度、凍融劈裂強度分別相當，表明它們的抗水損害性相當；春風塔河70A瀝青的混合料動穩定度和破壞應變均高于國內某品牌70A瀝青，表明其具有更優的混合料抗車轍能力和低溫抗裂性能。

表9 春風塔河70A瀝青混合料性能試驗結果

表10 春風塔河90A瀝青混合料性能試驗結果

從表10可以看出：春風塔河90A瀝青和國內某品牌同規格瀝青的混合料各項指標均滿足JTG F40—2004的技術要求，春風塔河90A瀝青的兩種類型的混合料動穩定度比技術要求的下限值分別高出236%和589%，表明其具有優良的抗車轍能力；破壞應變比技術要求的下限值分別高出80%和21%，表明其具有優良的低溫抗裂性能。春風塔河90A瀝青和國內某品牌同規格瀝青的混合料殘留穩定度、凍融劈裂強度分別相當，表明它們的抗水損害性相當；春風塔河90A瀝青的混合料動穩定度略高于國內某品牌90A瀝青，破壞應變高于國內某品牌90A瀝青，表明其抗車轍能力略好于國內某品牌90A瀝青，但低溫抗裂性能更優。

綜上，春風塔河70A和90A瀝青混合料具有高溫性能好、低溫性能優良的優點，路用性能良好。

3 結 論

(1)春風塔河70A和90A瀝青的質量及四組分組成分析結果表明，其質量達到JTG F40-2004技術要求，具有針入度指數適中、軟化點和動力黏度(60 ℃)高、低溫延度大、蠟含量低、殘留針入度比和殘留低溫延度大、四組分構成比例較好、感溫性好、高溫性能好、低溫性能和耐熱老化性能優良的優點，與國內某品牌瀝青相比表現出更好的路用性能。

(2)春風塔河70 A和90 A瀝青PG分級均為PG64-28，具有良好的抗高溫變形能力、低溫抗裂和抗疲勞性能，低溫抗裂性能尤其突出，適合在氣候變化大的新疆地區應用。