超聲波處置對基質瀝青常規指標的影響

周 輝 王黎明 王慧博

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

瀝青材料是一種典型的粘彈性材料[1]，在較高溫度時表現出單純的流動變形特性，實際工程應用中正是依賴這種特性實現了瀝青混合料的拌和、運輸和攤鋪。然而在對瀝青加熱的過程中，不但造成了瀝青的老化也消耗了大量的能源，釋放的瀝青煙對空氣環境和人都造成了一定的影響。溫拌瀝青、乳化瀝青等技術通過加入溫拌劑、乳化劑的方式降低了瀝青在較低溫度下的拌和粘度[2]，但是受限于瀝青性能和成本，這些技術目前只能在特定用途中應用。探尋其他瀝青降粘方式是解決當前問題的新思路。

目前功率超聲技術被廣泛應用于石油化工行業,主要應用是超重質渣油降粘、超稠油降粘，這項應用解決了渣油和稠油開采和運輸不便的難題[3-5]。這項技術具有造價低、操作簡單、無污染、降粘效果佳等優點。道路工程中最常用的瀝青是石油瀝青，是石油經過各種煉制工藝加工得到的產物，因此，這項技術對石油瀝青會產生類似的效果。因此本文探究了超聲波對70號瀝青常規指標的影響規律，為瀝青降粘提供了一種新思路。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

本試驗所采用的瀝青為廣東茂名產70號A級基質瀝青，按照JTG E20—2011公路瀝青及瀝青混合料試驗規程進行試驗，其基礎性能參數如表1所示。

表1 70號道路石油瀝青技術性能指標

1.2 試驗儀器與設備

超聲裝置選用國產云奕牌YD0203型商用超聲波清洗機，超聲頻率為40 kHz，超聲波功率為120 W，可控時間為0 min～60 min，可控溫度為20 ℃～150 ℃。該機器采用優質超聲換能器，配合先進粘結工藝，電聲轉換效率高，超聲輸出功率可以滿足要求，耐腐蝕性強，使用壽命長。

瀝青旋轉粘度試驗儀器選用美國博力飛DV-Ⅱ+PRO Viscometer型粘度計，這是一種相對法測定粘度計，通過幾組不同形狀的轉子，適配于不同粘度范圍的流體的測定。

1.3 試驗方案

結合現有研究成果，選定超聲處置時間為15 min，超聲處置溫度為110 ℃，對處置前后的瀝青進行粘度測定、針入度測定、軟化點測定和延度測定，并利用不同溫度下的針入度結果計算針入度指數PI，比較超聲處置后瀝青感溫性的變化。

1.4 試驗方法

超聲處置瀝青：首先準備200 mL已經脫水的70號基質瀝青，在110 ℃烘箱中放置1.5 h。然后在超聲波清洗機中加入一定量的導熱油，并開啟加熱裝置，調整溫度至110 ℃。待油溫達到指定溫度時，將裝有瀝青的燒杯放置在導熱油中，設定時間為15 min，開啟超聲處置，到規定時間后，超聲自動停止。

旋轉粘度試驗：待超聲處置后的瀝青降至室溫，利用旋轉粘度計從低到高依次測定90 ℃,110 ℃,135 ℃,150 ℃四個溫度下的瀝青粘度，計算各個溫度下的降粘率。

三大指標試驗：待超聲處置后的瀝青降至室溫后，利用烘箱再次將瀝青加熱至流動狀態，完成澆模，具體試驗步驟依據JTG E20—2011公路瀝青及瀝青混合料試驗規程中相關要求進行。

2 試驗結果與分析

2.1 瀝青粘度變化

根據JTG E20—2011公路瀝青及瀝青混合料試驗規程T0625中的要求，分別測定超聲處置前后瀝青在90 ℃，110 ℃，135 ℃和150 ℃下的瀝青粘度，按照式(1)進行計算降粘率，繪制的降粘率隨測試溫度的變化曲線如圖1所示。

(1)

式中：μ0——超聲處置前的瀝青粘度；

μ——超聲處置后的瀝青粘度。

從圖1中可以看出：超聲處置后的瀝青降粘效果顯著，在90 ℃時降粘率最高，此時降粘率為52.27%，隨著測試溫度的升高，瀝青的降粘率逐漸降低，在測試溫度為150 ℃時，瀝青的降粘率為26.59%。因此，超聲波技術可能對熱拌瀝青混合料施工中起到降低施工所需溫度的作用，進而減少了能源消耗，避免了因瀝青老化造成的瀝青混合料路用性能降低的問題。

2.2 瀝青針入度變化

針入度法是國際上測定粘稠瀝青的一種常用方法。測定瀝青材料在規定溫度下，以規定質量的標準針經過規定時間貫入瀝青試樣的深度(以0.1 mm計)。通常以25 ℃為試驗溫度，標準針和砝碼質量選用100 g，貫入時間為5 s。此外為確定針入度指數(PI)還常測定15 ℃,30 ℃等溫度的針入度。

根據JTG E20—2011公路瀝青及瀝青混合料試驗規程T0604中的要求分別測定超聲處置前后瀝青在15 ℃，25 ℃，30 ℃的針入度，在三個測定溫度下的針入度結果見圖2。

從圖2中可以看出，超聲處置后的瀝青針入度發生了不同程度的下降，15 ℃針入度下降了7.3%，25 ℃針入度下降了3.9%，30 ℃針入度下降了10.5%。可見，隨著溫度的升高，針入度下降的幅度越大，針入度是測定瀝青在規定條件下的條件粘度，它是表征瀝青稠度的指標。針入度變小說明瀝青變硬，稠度變高，所以超聲處置后的瀝青在常溫下的粘度有變大的趨勢。

2.3 瀝青軟化點和延度變化

軟化點是道路瀝青最基本的性能指標之一，它直接與路面發軟變形的程度相關。我國現行試驗法是環與球法軟化點，該方法規定瀝青試樣澆筑在內徑為18.9 mm的銅環中，環上放置3.5 g的銅球，以5 ℃/min的加熱速度進行加熱，瀝青逐漸軟化，直到在鋼球荷載的作用下，測定瀝青產生25.4 mm變形時的溫度，即為軟化點。軟化點的高低常用于評價瀝青的高溫穩定性，軟化點高代表瀝青耐熱性好，溫度較高時不會迅速軟化，但是軟化點過高會導致施工困難。

瀝青的延度是通過在規定的速度和溫度下，拉伸標準試件的兩端直到斷裂的長度。國際上部分國家對延度指標不重視，因為當地的瀝青15 ℃延度都能大于100 cm，所以認為延度指標意義不大。但是我國的瀝青普遍含蠟量偏高，延度指標不一定符合要求，而延度可以表征瀝青材料所能承受塑性變形的能力，所以堅持使用延度指標有重要意義[6]。

根據JTG E20—2011公路瀝青及瀝青混合料試驗規程T0606和T0605中的要求分別測定超聲處置前后的瀝青軟化點和15 ℃延度，結果如表2所示。

表2 超聲處置前后瀝青軟化點和15 ℃延度

從表2中可以發現，超聲處置后的瀝青軟化點小幅提升，15 ℃延度下降。軟化點是瀝青達到規定條件粘度時的溫度，可以表征一定的瀝青高溫穩定性，軟化點提升即高溫穩定性提升；延度是表征瀝青材料承受塑性變形的能力，現有研究表明：含蠟量增加、膠體結構發育成熟度的提高、飽和分和芳香分的比例增大等都可能造成瀝青的延度值降低。超聲處置后的瀝青15 ℃延度下降顯著，即瀝青的低溫抗裂性降低，推測原因可能為瀝青的膠體結構和組分發生了變化。

2.4 瀝青針入度指數PI的變化

針入度指數PI是一種評價瀝青感溫性的指標。瀝青材料的感溫性和瀝青路面的施工與使用性能都有密切關聯，也是評價瀝青技術性質的一個重要指標。

在實際工作中，通常采用15 ℃，25 ℃和30 ℃的針入度經過回歸計算求得斜率Algpen，然后利用式(2)進行計算針入度指數的數值。

(2)

其中，Algpen為不同溫度的針入度回歸直線斜率，為了檢驗數據的準確性，利用此式進行回歸時直線相關系數必須滿足相關檢驗的要求，當置信度為95%時，由3個溫度的針入度回歸的相關系數R應不小于0.997。否則說明試驗數據的誤差較大，試驗需要重新進行。

利用式(2)計算得超聲處置前后的針入度指數如圖3所示。

從圖3中可以發現，經超聲處置后的瀝青針入度指數PI發生顯著上升， 70號瀝青的針入度指數升高了29.2%。針入度指數PI越大，表示瀝青的感溫性越低，JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規范中要求70號瀝青的針入度指數范圍在-1.8～+1.0。因此，經超聲處置后瀝青的感溫性變低，這有利于瀝青路用性能的提升。

3 結論

1)超聲處置后的瀝青在90 ℃，110 ℃，135 ℃和150 ℃四個溫度下粘度均出現了不同程度的下降，在90 ℃時降粘率最高為52.27%。

2)超聲處置后的瀝青在15 ℃，25 ℃和30 ℃的針入度均出現下降，在30 ℃時針入度下降幅度最大，在15 ℃時針入度下降幅度最小。同時，處置后的瀝青軟化點小幅提升，15 ℃延度下降，說明瀝青的高溫穩定性變好，低溫抗裂性變差。

3)超聲處置后的瀝青的針入度指數PI提升了29.2%，說明瀝青的感溫性變低。