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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) 法的沥青感温性表示式作了深入研究, 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, 一般都采用粘度( 稠度) 随温度而变化的行为来表示。常见的方法有: 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示。粘度—温度指数法, 则根据不同温度条件下粘度变化比率表示。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示。而最常见的是针入度指数法, 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值来表示。
  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示方式不同, 所得结果亦不同。因此, 不论采用什么指标表示, 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, 她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, 她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, 但她们却取其平均值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℃针入度与软化点原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 中国有关”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-130
AH-110
AH-90
AH-70
AH-50
针入度( 25℃, 100g, 5s)
(0.1mm)
121-140
101-120
81-100
61-80
41-60
软化点( 环球法) ( ℃)
40-50
41-51
42-52
44-54
45-55
按( 2) 、 ( 4) 式
计算的PI值
范围
1.99
～1.93
2.15
～1.60
2.39
～1.23
2.42
～1.01
2.94
～0.44
中值
0.091
0.169
0.496
0.637
1.198
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-130
AH-110
AH-90
AH-70
AH-50
25℃针入度( 0. 1mm)
121-140
101-120
81-100
61-80
41-60
软化点( 环球法) ( ℃)
>42
>44
>46
>48
>52
PI
中值 >
-0.97
-0.82
-0.80
-0.91
-0.71
最低值 >
-1.21
-1.09
-1.09
-1.25
-1.1

3.2 ”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—1
AH—2
AH—3
1
2
3
4
1
2
3
4
2
针入度(25℃,100g 5s
0.1mm)
120
∫
100
100
∫
80
100
∫
60
80
∫
40
140
∫
100
120
∫
80
100
∫
60
80
∫
40
120
∫
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 = ———————————————— +25
20-PI

结果
43
～
44
44
～
46
44
～
49
46
～
53
41
～
44
42
～
46
44
～
48
46
～
52
42
～
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, 在原则上是正确, 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, 而其它各区提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, 其它各区PI>-1.2即可, 不必另提其它指标。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能够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—1
AH—2
AH—3
1
2
3
4
1
2
3
4
2
适用沥青等级
(按表1针入度
划分)
AH-110
AH-90
AH-90或AH-70
AH-70或AH-50
AH-130
AH-110或AH-90
AH-90或AH-70
AH-70或AH-50
110
要求的PI值应大于
-1.0
-1.2
4 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-A
I-B
I-C
I-D
Ⅱ-A
Ⅱ-B
Ⅱ-C
Ⅲ-A
Ⅲ-B
Ⅲ-C
Ⅲ-D
25℃针入度
( 0.1mm)
100
80
60
40
100
80
60
80
60
40
30
PI >
-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( ℃) >
45
50
55
60
45
48
50( 51)
48
52
56
60
与PI值相应的
A值
0.0467
0.0438
0.0412
0.0388
0.0467
0.0452
0.0438
0.0466
0.0452
0.0438
0.0425
当量软化点T800
44．4
47．8
52．3
58．5
44．4
47．1
50．7
46．4
49．9
54．7
58．6
以式( 2) 定A值
0.045
0.040
0.0375
0.0372
0.0452
0.0435
0.045
(0.043)
0.0435
0.0417
0.042
0.0407
相应的PI
-0.77
0
0.44
0.50
-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, 针端的影响能够忽略, 因此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-130
AH -110
AH -90
AH -70
AH -50
25℃针入度( 0.1mm)
121-140
101-120
81-100
61-80
41-60
环球法软化点( ℃) >
42
44
46
48
52
                                            注: (1) 对气候区在AH-1各区和AH-2-1区要求PI>-1.0, 其它各区要求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。