沥青感温性的试验研究

沥青感温性的试验研究王勤游国兰林绣贤（同济大学道路与交通工程重点实验室）摘要：该文对针入度指数（PI）法的沥青感温性表达式作了深入研究，以大量试验结果证明：应当保留以25℃针入度和环球法的软化点定沥青感温性系数A，进而计算PI值。并对有关规范中的重交沥青和改性沥青的技术标准提出修订建议，可供修订规范参用。关键词：沥青感温性针入度软化点针入度指数1前言沥青材料的感温性是沥青性能的重要指标，评价沥青感温性的方法，通常都采用粘度（稠度）随温度而变化的行为来表达。常用的方法有：针入度—温度指数法，它根据不同温度条件下的针入度比值来表达。粘度—温度指数法，则根据不同温度条件下粘度变化比率表达。针入度—粘度法，是应用针入度与粘度两个值与温度的关系来表达。而最常用的是针入度指数法，即PI法。针入度指数（PI）法，是根据沥青在25℃时的针入度值P（dmm）与软化点T（℃）求得感温性系数A而计算PI值来表达。由于沥青化学组成和胶体结构的不同，沥青粘度（稠度）与温度间的关系是很复杂的，当采用的试验温度区间不同及采用指标的表达方式不同，所得结果亦不同。因此，不管采用什么指标表达，都应根据它的原始规定或假定，不可任意更改，否则将会得出混乱的结果。2针入度指数（PI）法的原始假定及应用此法为普费和范·杜马尔所首创，他们的研究认为针入度（P）与温度（T）间有如式（1）关系。LgP=AT+K（1）式中，斜率A称为针入度—温度感应性系数，并明确规定可由25℃时针入度（P）与软化点（TR&B）确定，并设沥青在软化点时的针入度为800，则斜率A如式（2）（2）普费等在制定针入度指数（PI）法时，以一种针入度为200的沥青，令其PI值为零，并假定感温性最大的沥青PI值为-10，感温性最小的沥青PI值为20，为使针入度指数值简化，乘以0.02(1/50)。按此假定，A与PI关系为（3）式。（3）(2)=(3)整理得：（4）此即PI法的原始来源。从上可知，原研究者并不是不知道P与T间可成（1）式关系，他们用一种特制的针直接测定软化点时的针入度，结果发现，许多沥青软化点时的针入度约为800，但不是所有的沥青都是这样，而是波动于某一范围，但他们却取其平均值800，明确以之作为建立公式（2）求得A值的前提。当然用25℃针入度与软化点温度确定A值计算的PI值与用不同温度时针入度确定A值计算的PI值可能不同，但25℃针入度与软化点本来就是沥青生产时查核沥青性能的主要依据，因此按25℃针入度与软化点法所得的PI值为工程部门所通用，长期来的研究结论，均以此法为依据。例如许多学者的研究结论，认为按此法得的PI值可将沥青的不同胶体型作分类，即PI-2者为溶胶型沥青，PI+2者为凝胶型沥青，PI在-2～+2间为溶凝型沥青。工程部门也认为PI值在-2～+2间可适用于沥青路面，而对高速公路PI值希望-1.0等。3我国有关“规范”的技术标准及改正建议3.1《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ092—94）①以针、软、延三大指标为标准，以（2）、（4）式定PI值，但PI值不作为标准。以重交道路沥青为例，针入度与软化点规定如表1。计算的PI值附于表的下半部。重交道路沥青技术标准表1沥青等级AH-130AH-110AH-90AH-70AH-50针入度（25℃，100g，5s）(0.1mm)121-140101-12081-10061-8041-60软化点（环球法）（℃）40-5041-5142-5244-5445-55按（2）、（4）式计算的PI值范围1.99～1.932.15～1.602.39～1.232.42～1.012.94～0.44中值0.0910.169-0.4960.6371.198从计算的PI值可知，按针入度与软化点的平均值计算的PI中值，基本可控制PI-1.2，但按针入度与软化点变化范围计算的PI范围值，变化太大，甚至出现PI值-2的情况。究其原因，主要是软化点范围值的规定不合理，容易被沥青厂家钻了空子。例如某高速公路向国外定购AH-70沥青时，中方要求软化点为48℃，外方的沥青软化点仅46℃，认为已在规范范围内，双方为此进行了多次谈判，才取得认可。因软化点的提高，与炼制工艺有关，对沥青供应商是个大事。但如对表1进行以下简单的修订，把软化点范围值改为最低值，即可使PI中值控制在-1.0，最低值基本可控制在-1.2，以适应高速公路的沥青质量要求，如表2。（如控制中值PI-1.2，则表中最低软化点值可各降低1℃。）对表1中软化点的修订值表2沥青等级AH-130AH-110AH-90AH-70AH-5025℃针入度（0.1mm）121-140101-12081-10061-8041-60软化点（环球法）（℃）4244464852PI中值-0.97-0.82-0.80-0.91-0.71最低值-1.21-1.09-1.09-1.25-1.13.2“八五”攻关重交道路沥青技术标准②“八五”攻关“道路沥青及沥青混合料路面性能的研究”专题的成果，明确提出以三个或三个以上针入度测定值按（1）式统计得A值以计算PI值，并提出高温性能和低温性能的PI值最低要求和当量软化点T800和当量脆点T1.2为控制指标。而放弃了环球法测定的软化点。主要内容如表3。“八五”攻关重交沥青技术标准表3沥青性能的气候分区AH—1AH—2AH—3123412342针入度(25℃,100g5s0.1mm）120∫100100∫80100∫6080∫40140∫100120∫80100∫6080∫40120∫100高温要求PI-1.0-1.2-1.4高温指标T800（℃）公式50（lg800-lgP25℃）(PI+10)T800=————————————————+2520-PI结果43～4444～4644～4946～5341～4442～4644～4846～5242～43低温要求PI-1.0-1.2-1.4-1.6-1.0-1.2-1.4-1.6-1.2低温指标T1.2公式50（lgP25℃-lg1.2）(PI+10)T1.2=25-——————————————————20-PI结果-18～-16-15～-13-14～-9-11～-5-19～-16-17～13-14～-9-11～-5-17～-11用三个或三个以上温度的针入度按公式（1）定A值，在原则上是对的，关于它与以25℃针入度与软化点定A值的异同问题，在下节专门讨论。今先从表中看，该标准主要的特色是以PI值控制高温和低温的性能指标，这是合理的。但一种沥青只有一个PI值，为了所选用的沥青既能适应高温要求，又能适应低温要求，只要提一个PI值即可。从表3看，对于AH－1各区和AH-2-1区只要提PI-1.0，而其他各区提PI-1.2即可。至于T800和T1.2在PI确定后，A值已定，只要一有了25℃针入度P25℃，T800与T1.2，即可计算而得，这是该沥青的当量软化点与当量脆点，不是另一个高温或低温的控制指标，不必另列。因此如要放弃环球法的软化点，只要在原以针入度分沥青等级基础上，提出气候在AH-1各区及AH-2-1区时要求PI-1.0，其他各区PI-1.2即可，不必另提其他指标。至于表中针入度120-100相当原分级标准AH-110；100-80相当AH-90；而100-60则相当AH-90和AH-70；80-40则相当AH-70和AH-50。这只说明不同气候区可以采用的不同沥青等级，而不是沥青等级的划分，为免引起混淆，建议对表3作如下修订，如表4。按气候区选用沥青及要求PH值表4沥青性能的气候分区AH—1AH—2AH—3123412342适用沥青等级(按表1针入度划分)AH-110AH-90AH-90或AH-70AH-70或AH-50AH-130AH-110或AH-90AH-90或AH-70AH-70或AH-50110要求的PI值应大于-1.0-1.24沥青针入度—温度感应系数A不同确定方法的讨论从以上知，A值原是按式（2）以25℃针入度与软化点确定，今提出以三个或三个以上不同温度针入度按（1）式统计确定。但A值对PI值的结果非常敏感，大约是A值相差0.001，PI值相差0.2。为此，应当认真对待。我室在工作中积累了大量这方面资料，发现两种方法所得PI值，有的是一致的，有的有所差别，有的出入颇大。兹把一些结果示例如下，供讨论。重交道路沥青的一些试验结果，如表5。聚合物改性沥青的技术要求表5技术指标SBS(I)SBR(Ⅱ)EVA、PE(Ⅲ)I-AI-BI-CI-DⅡ-AⅡ-BⅡ-CⅢ-AⅢ-BⅢ-CⅢ-D25℃针入度（0.1mm）100806040100806080604030PI-1.0-0.6-0.2+0.2-1.0-0.8-0.6-1.0-0.8-0.6-0.4软化点（℃）45505560454850（51）48525660与PI值相应的A值0.04670.04380.04120.03880.04670.04520.04380.04660.04520.04380.0425当量软化点T80044．447．852．358．544．447．150．746．449．954．758．6以式（2）定A值0.0450.0400.03750.03720.04520.04350.045(0.043)0.04350.04170.0420.0407相应的PI-0.7700.440.50-0.80-0.55-0.77(-0.52)-0.55-0.27-0.32-0.12从表知，样品(1)和(3)两法所得结果完全一致。样品（2）和（6）也相差甚微。但因该路处于气候AH-1区，要求PI-1.0，因此两法所得结果，结论截然不同，按软化点法PI≧-1.0，符合要求，按不同温度针入度法（简称三点法），却不符合要求。查该两样品，均曾按SHRP方法作过PG分级试验，结果都达到PG64-22，应当是符合要求的。样品（4）、（5）差别略大一些，样品（4）因已进入AH-90，软化点46，故软化点法PI-1.0，按表2是符合要求的，但三点法却为-1.59。当然也可能是试验中的误差，因只要某温度时的针入度值相差1或温度控制相差0.5℃，就可能有较大的出入。我室还做过改性沥青的一些试验，得出相同的结论，限于篇幅，不赘。从示例比较知，两法的结果大多数是一致的，根据表6中样品（2）和（6）按SHRP、PG分级试验比较，似乎软化点法所得结果更合理些。何况，三点法在15℃时针入度值往往小于30，而根据针入度标准针形状的分析，在针入度54时，处于针端斜坡内，不同针入度值受针端的影响不同，当54时，针端的影响可以忽略，所以15℃的针入度值比较难以掌握。而且三点法总的来说比软化点法麻烦得多，稍一不慎，A值就有出入而影响了PI值。综合以上，笔者认为还是保留以25℃针入度与软化点按式（2）计算A值，进而计算PI值为好，这也符合针入度指数PI法首创者的原意。5结语5.1建议保留以25℃针入度与环球法软点按式（2）定A值，并进而按式（4）计算PI值。5.2为了达到不同气候区对PI最低值的要求，建议对重交道路沥青技术标准中有关内容作如下修订,如表6。5.3今后沥青分类的发展方向，以PG级分类为好，以适应不同地区高温防车辙、低温防开裂和中温防疲劳的要求。重交沥青技术标准有关修订建议表6沥青等级AH-130AH-110AH-90AH-70AH-5025℃针入度121-1101-181-1061-8041-60（0.1mm）40200环球法软化点（℃）4244464852注：(1)对气候区在AH-1各区和AH-2-1区要求PI-1.0，其他各区要求PI-1.2，(2)当软化点达不到最低值要求时，而PI达到注（1）的控制值也算合格。