沥青温度敏感性的分析与评价

摘要：对比分析了多种国际品牌沥青与国产品牌沥青的感温性能之间的差异，结果表明，中国针入度指数PIpen评价沥青温度敏感性存在明显的缺陷，国际针入度指数PIpen R＆B与PIpen之间无明显的相关性，PIpen R＆B变化趋势更接近于针入度粘度指数PVN，进而印证了采用PIpen R＆B作为评价沥青的温度敏感性更为科学合理；试验沥青蜡含量与实测软化点之间无明显的线性相关性，说明PIpen R＆B与PIpen之间差异并不是由于蜡含量对软化点的影响造成，两种方法计算PI值的不同并非充分来源于软化点差异；采用指数函数评价沥青在不同温度下表现不同流变特性具有较好的适应性。

关键词：沥青温度敏感性；针入度指数；针入度粘度指数；指数回归与幂函数回归；评价

中图分类号：TU57+1 文献标识码：A

沥青路面高温抗车辙问题在我国道路使用过程中依然存在[1～3]。研究表明，沥青性能对提高路面高温抗车辙和低温抗变形的影响较为显著[4]。各国学者提出了各种评价沥青感温性的技术指标[5]。其中，1889年从Browen提出针入度试验方法，1936年Pfeiffer和J Phand Van Doormaal发现针入度对数与温度呈线性关系，假定软化点时的针入度为800，取其对数，通过25℃针入度对数与25℃和软化点之间呈线性关系获取直线斜率A值，据此定义了以25℃针入度与软化点计算沥青的针入度指数（PIpenR＆B），这也是欧洲新标准中普遍用于评价沥青感温性能的技术指标；加拿大提出沥青针入度粘度指数（PVN）。[1]

1 沥青感温性评价指标回顾

1936年，Pfeiffer和J Phand Van Doormaal通过沥青试验研究，发现针入度（P25℃,100g,5s）对数与温度（T）之间存在如（1-1）线性关系，并按（1-2）和（1-3）求取针入度温度敏感性系数A值和针入度指数PIpenR＆B：

（1-1）

A=（lg800-lg P25℃,100g,5s）/（TR＆B-25） （1-2）

（1-3）

此式是国际上最常用的PI计算公式，各国分别作了严格规定，西班牙和瑞士要求-1.0≤PI≤+1.0；前苏联要求-1.5≤PI≤+1.0；荷兰要求-1.2≤PI≤+1.0；欧洲标准化国际组织（Committee European de Normalization，简称CEN）要求-1.5≤PI≤+1.0。

中国20世纪90年代研究认为，国际针入度指数PIpenR＆B计算方法不适用评价国产道路石油沥青的感温性能，我国针入度指数PIpen计算应通过不同试验温度组合下的针入度对数求取针入度温度系数A值，进而计算PIpen值，以绝对相关系数不低于0.997作为可接受标准。针对当时大部分国产沥青蜡含量偏高，担心沥青在软化点下针入度不一定是800，因而我国不采用国际针入度指数PIpenR＆B作为评价沥青感温性能指标。事实上，二维随机变量（针入度对数与试验温度）之间线性关系的相关系数小于1时的概率无法准确确定，说明通过不同温度下的针入度获得经验回归系数A值（称为针入度温度系数A值）存在试验误差和随机误差问题。我国提出PI值应随沥青的气候分区不同而不同[5]，7月份平均最高气温分别＞30℃、20～30℃、＜20℃，对应PI值要求值为＞-1.0、＞-1.2、＞-1.4。PI值越小，沥青温度敏感性越强，其性能就越差。

加拿大Mcleod提出了用25℃针入度与60℃粘度或135℃粘度的两个不同温度决定针入度-粘度指数PVN（Penetration Viscosity Number）来评价沥青的感温性。结合P.S.Kandlhel在研究宾夕法尼亚洲的219号公路六段试验路，1990年沥青新标准中将沥青质量分为A、B、C三级[11]，这是国际上首次将沥青温度敏感性分为A 、B、C三级的国家，如表1。

表1 PVN允许最小值及感温性评价

沥青针入度（25℃）/0.1mm 60 65 70 75

最小粘度（135℃）/(mPa.s) 390 330 290 250

PVN允许最小值 -0.80 -0.95 -1.10 -1.25

组别 PVN 温度敏感性等级 适用场合

A 0～-0.5 低 重交通道路

B -0.5～-1.0 中 中等交通道路

C -1.0～-1.5 高 轻交通道路

PVN计算公式为：

PVN25-60=(6.489-1.5lgP25-lgη60)/(1.050-0.2234lgP25)×(-1.5)(1-4)

PVN25-135=(4.258-0.79674lgP25-lgη135)/(0.79511-0.18576lgP25)×(-1.5)(1-5)

式中：P25―针入度(25℃,100g,5s)；η60―实测的60℃粘度/0.1Pa.s；η135―实测的135℃粘度/mPa.s。[2]

2 沥青试验与结果分析

以基质沥青为分析对象，按规程[12]进行试验，分别按式（1-1）～（1-5）进行计算，结果如表2和图1～图4。为进一步分析不同回归方法对沥青粘度的适用性，选择不同国产沥青品种，分别进行沥青Brookfield粘度试验，结果如表2。从而，采用指数函数与幂函数方法[13]对沥青粘度试验结果（见表3）进行分析，结果如表3和表2。

若按指数形式回归，即粘温关系式为：

式中：η――粘度，Pa・s；A表示粘温曲线的位置关系，A越大代表同温度条件下沥青的粘度越大，B代表沥青的粘温变化率，其绝对值越大说明沥青的感温性越差；T―温度，℃。

若采用幂函数形式回归，即粘温关系式为：

式中：η、T、A、B意义同上。

注：图1中两种方法计算PI值之差与实测软化点和当量软化点之差来源于表2。

图1不同软化点测定方法与PI值计算结果的关系

图2 不同沥青种类的两种测定方法PI值的关系

图3PI、PVN25-135与沥青品种的比较

图4PI、PVN25-60与沥青品种的比较

从图1和图2试验结果可看出，两种不同方法计算的PI值差异与不同测定方法测定的软化点差异之间存在良好的线性关系（绝对相关系数为0.9423），但结合表2试验结果，沥青品种的蜡含量与软化点之间无明显的线性相关性。表明PI值差异并不是由于蜡含量对软化点的影响造成，两种方法计算PI值的不同并非充分来源于软化点差异。分析认为，造成两种PI值差异的主因是针入度温度系数A值获取的方法不同，PIpen R＆B计算依据来自于温度范围为25°C～软化点，而PIpen值温度范围一般为15°C～30°C，不同温度组合与某一温度下多针的针入度试验误差、控温精度，以及软化点试验中的升温速率控制[14]等使得PI值存在一定的差异，甚至可能会出现相同的沥青试样得到不同的沥青等级；有5种沥青的国际针入度指数PIpen R＆B均大于相应沥青品种的我国针入度指数PIpen，其余4种沥青则相反，说明采用单一的针入度指数难以判定沥青的温度敏感性。[3][4]

表2沥青Brookfield粘度试验结果（Pa・s）

温度

沥青 80℃ 85℃ 90℃ 95℃ 100℃

KLM 12.7 8 5.3 3.525 2.717

ZHH70 18.45 11.3 7.2 4.5 3.037

ZHH90 15.5 9.675 6.225 4.125 2.737

JPN 15.1 9.413 6.125 4.1 2.813

LHE 10.3 6.425 4.1 2.688 1.825

注：KLM-克拉玛依沥青；ZH-中海沥青；JPN-日本；LHE-辽河沥青。

表3沥青感温性能技术指标

试验项目 KLM ZHH70 ZHH90 JPN LHE

针入度

（5s，100g,

（0.1mm） 15℃ 34 23 23 24 27.8

25℃ 84 75 81 80 102.3

30℃ 136.7 123.7 129 130 160.7

软化点（环球法）（℃） 48.8 48.5 44.3 47.8 47.1

A 0.0401 0.0491 0.0506 0.0494 0.0516

中国PI1 -0.0166 -1.3169 -1.5014 -1.3545 -1.6201

综上所述，通过多种道路石油沥青的试验对比分析，采用中国针入度指数PIpen评价沥青的温度敏感性存在明显的缺陷，单一的针入度指数不能全面反映其温度敏感性。同时，国际针入度指数PIpen R＆B与中国针入度指数PIpen之间无明显的相关性，但PIpen R＆B变化趋势更接近针入度粘度指数PVN；通过高温下不同沥青的不同回归形式分析表明，指数形式回归更加符合沥青感温性的内在规律，进而印证了评价沥青温度敏感性的国际PIpen R＆B要优于中国PIpen。事实上，沥青软化点本身是个等粘温度，钢球在恒定荷载作用下，沥青试样产生的剪应力使钢球能穿透沥青试样下坠，沥青粘度达到了所能承受的极限，采用国际通用的PIpen R＆B值更符合沥青面层实际温度状况，且式（1-2）将两个关键性技术指标联系起来，物理意义清晰。[5][6]

3 结语

（1） 通过不同道路石油沥青的感温性能评价指标对比分析表明，不同温度区域内的沥青感温性评价指标差异较大，仅采用我国针入度指数PIpen评价沥青温度敏感性存在明显的缺陷；试验沥青品种的蜡含量与实测软化点之间无明显的线性相关性，说明国际针入度指数PIpen R＆B与中国针入度指数PIpen之间差异并不是由于蜡含量对软化点的影响造成，两种方法计算PI值的不同并非充分来源于软化点差异，采用国际针入度指数PIpen R＆B评价沥青的温度敏感性较为科学合理，更符合沥青面层实际温度状况，且与针入度粘度指数PVN和指数回归形式评价沥青的感温性变化趋势较接近。

（2）国际针入度指数PIpen R＆B与中国针入度指数PIpen之间无明显的相关性，但通过高温下不同沥青的不同回归形式（指数形式、针入度粘度指数形式）分析表明，指数形式回归更加符合沥青感温性的内在规律，进而印证了国际PIpen R＆B优于中国PIpen评价沥青的温度敏感性。

（3）某些国产沥青在高温区域内，指数函数具有较好的适应性。由于沥青在不同温度下表现不同流变特性，采用单一评价方法均不能全面反映其温度敏感性能，宜采用多指标在不同温度域内对其进行综合评价。据此建议，选择环烷基、中间基原油与改善沥青生产工艺等措施，提高感温性能。[7]

参考文献

[1]徐伟，张肖宁等.高速公路早期车辙病害调查及处治试验分析[J].公路，2004，3：113-116.

[2]彭亚荣，张虎.石安高速公路沥青混凝土路面车辙病害分析[J]. 公路，2004，7：120-123.

[3]黄晓明等.高速公路沥青路面高温车辙的调查与试验分析[J].公路交通科技，2007，5：16-20.

[4]沈金安. 沥青及沥青混合料路用性能[M]. 北京：人民交通出版社，2001，5：300-346.

[5]张肖宁著.沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用[M].北京：人民交通出版社，2006,4：6-9.

[6]JTG F40-2004.公路沥青路面施工技术规范[S].

[7]黄卫东，孙立军等.沥青针入度指数的研究[J].同济大学学报（自然科学版），2005,３（３３）：306-310.