马艳平

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

沥青是一种典型的感温性材料，其稠度随温度不断变化，高温时变软，低温时变硬，使沥青混合料的路用性能也随之发生变化[1-3]。我国北方大多数地区春冬季节温度变化频繁，由于温度的交替变化造成的沥青路面开裂现象极其严重，造成这一现象的原因又与沥青材料本身低温时的温度敏感性太大有关[4-7]。因此研究沥青材料的低温感温性，对防止路面开裂具有重要意义。我国“八五”国家科技攻关专题提出了采用三点或三点以上针入度求得的PI值和脆点T1.2来评价沥青的低温感温性，而PI值和T1.2对温度区间和试验条件有很强的依赖性，针入度试验本身的误差较大，因此如何合理选用试验温度，最大限度地减小试验误差，对准确评价沥青低温感温性至关重要。因此本文选取不同的试验温度组合，研究了试验温度及针入度误差对4种90号基质沥青和SBS改性沥青低温感温性指标的影响。

1 试验

1.1 试验材料

采用4种基质沥青：壳牌90、SK90、加德士90和东海90，改性剂选用星型SBS改性剂，其在沥青中的掺量为5%。

1.2 针入度测试

按现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）T 0604—2011[8]，本文针入度试验的允许误差规定如下：同一试样进行3次平行试验，若针入度最大值和最小值在表1允许范围内时，以3次平行试验结果的平均值作为最终的试验结果。当针入度测试结果小于50时，重复性试验的允许误差为2；当测试结果大于或等于50时，重复性试验的允许误差为平均值的4%。当测试值不符合此要求时，应重新进行。

表1 针入度试验允许误差

2 试验温度对沥青低温感温性的影响

沥青的针入度指数PI和当量脆点T1.2是现行规范提出的表征沥青混合料低温抗裂性能的两个指标。针入度指数PI通常是将可行范围内的3个或以上温度的针入度与温度按式（1）、式（2）进行直线回归而得；直线lgP～T与针入度为1.2的水平线相交，交点的温度即为当量脆点T1.2，当量脆点可由式（3）求得。其中PI越小，沥青的稳定性越差；PI越大，沥青的温度稳定性越好，沥青的感温性越低，受温度变化影响越小，沥青的品质就越优。当量脆点越低表明沥青的低温感温性越好，对应的沥青混合料低温抗裂性越好。

选取试验温度为10℃、15℃、20℃、25℃和30℃，分别测定4种基质沥青在不同温度时的针入度，选用其中的3个、4个和5个温度对应的针入度值计算针入度指数PI和当量脆点T1.2，分析温度对4种沥青低温感温性的影响，结果如表2～表4所示。

从表2可以看出，同一种沥青随着试验温度的增大，针入度逐渐增大，且针入度的提升幅度也随着温度区间的增大而增大，例如壳牌90沥青在温度区间10℃～15℃、15℃～20℃、20℃～25℃和25℃～30℃针入度的增长幅度分别为2.6倍、4.3倍、7.2倍和11.6倍。这是因为沥青属于典型的感温性材料，当温度升高时沥青弹性性质逐渐减少，黏性性质逐渐增大，升高温度使沥青黏度下降，试验时试针深入沥青中的阻力减小，因此针入度增大。且不同种沥青针入度之间的差别也随着温度的升高而增大，例如温度为10℃时，4种沥青的针入度差值在0.21 mm之内，而当温度为15℃、20℃、25℃和30℃时4种沥青的针入度差值分别在0.54 mm、0.81 mm、0.95 mm和1.39 mm范围内，这是因为沥青种类不同，沥青化学组成中沥青质、胶质、芳香芬和饱和芬的相对比例不同，因此温度变化引起的沥青性质变化不同，温度越高沥青黏性比例越多，而沥青化学组成决定着黏性性质的强弱，因此温度越高，4种沥青针入度差别越大。

表2 不同试验温度下针入度测试结果

表3 3个试验温度下PI和T1.2的计算结果

从表3可以看出，除SK90序号1和2两组计算温度组合得出的相关系数R小于0.997外，其他各试验温度组合下针入度指数PI与温度T之间都具有很好的线性相关性，相关系数R都大于0.997，有的甚至达到1，但选用3个试验温度时，计算得到的针入度指数PI和脆点T1.2离散性较大，且没有一定的规律性。4种沥青针入度指数PI的极差在0.109～1.235 之间，脆点 T1.2的极差在 4.011～5.091 之间，表明温度区间对沥青低温感温性的影响较大，且当温度区间内所取温度值连续时，沥青具有较大的针入度指数PI和较低的脆点T1.2，此时沥青温度敏感性较小，因此选用3个温度测定针入度时尽量选取3个连续的温度值。同一种沥青，针入度指数PI的极差小于脆点T1.2的极差，表明选用针入度指数评价沥青低温感温性时的离散型较小。4种沥青中，壳牌90沥青针入度指数PI的极差值最小仅为0.109，表明所选试验温度对壳牌90沥青针入度的影响最小。

从表4可以看出，当选用4个试验温度时，针入度指数PI和温度T之间也具有良好的线性相关性（除SK90序号1和2两组计算温度组合得出的相关系数R小于0.997外，其他组合相关系数R均大于0.997）。虽然选用4个试验温度时，针入度指数PI和脆点T1.2随温度的不同也呈现较大的离散性，但相比于选用3个试验温度，选用4个试验温度时4种沥青针入度指数PI和脆点T1.2的极差统一较小，针入度指数PI的极差在0.049～0.704之间，脆点T1.2的极差在1.762～2.426之间，表明选用4个试验温度测量时，能更好地减小离散性。4种沥青样品中，加德士90的针入度指数PI最大，脆点T1.2最小，表明加德士90沥青的温度敏感性最小，性能随温度的变化最稳定。4种试验温度组合中，选用温度10℃、15℃、20℃和25℃时，沥青具有较大的针入度指数PI和较低的脆点T1.2，因此以4个试验温度评价沥青感温性时推荐的温度组合为10℃、15℃、20℃和25℃。

表4 4个试验温度下PI和T1.2的计算结果

表5 不同温度组合时PI和T1.2的计算结果

表5为不同温度个数组合时，4种沥青样品的针入度指数PI和脆点T1.2计算结果，可以看出，与选用3个温度相比，选用4个和5个温度时，沥青的针入度指数PI更大，脆点T1.2更低。同一种沥青在不同温度区间下计算得到的针入度指数PI和脆点T1.2不同，主要是因为，一方面沥青在不同温度区间内其性质会有很大差别，所以得到的针入度指数PI和脆点T1.2不同，且其变化规律不同；另一方面由于试验本身的误差会造成针入度的差异，从而使针入度指数PI和脆点T1.2的计算结果出现变化。

3 针入度试验允许误差对沥青低温感温性的影响

为了证明针入度试验允许误差对沥青低温感温性的影响，分别在10℃、15℃、20℃、25℃和30℃时测定壳牌90沥青和SBS改性沥青的针入度值，将其定义为真值，然后在表1要求的重复性试验允许误差范围内变化针入度值，计算针入度指数PI，分析针入度指数的变化，结果见表5、表6和图1、图2。

表6 壳牌90沥青重复性试验允许差范围内取值对PI值的影响

表7 SBS改性沥青重复性试验允许差范围内取值对PI值的影响

图1 基质沥青重复性试验取值对PI值的影响

图2 SBS改性沥青重复性试验取值对PI值的影响

从表5、表6和图1、图2可以看出，虽然针入度和温度之间存在很好的线性相关性，其相关性系数大多接近1，但在针入度精度和误差允许的范围内，针入度的微小变化会引起针入度指数PI出现较大的变化。对两种沥青而言，第4组和第13组试验引起的针入度指数PI的偏差最小，此时仅20℃的针入度发生变化，表明20℃时进行针入度试验产生误差引起的沥青感温性的变化较小。第7组、第8组、第16组和第17组试验引起的针入度指数PI的偏差最大，此时均有两个或3个试验温度的针入度发生变化。针入度指数PI的大小直接由logP～T直线的斜率AlgPen决定，AlgPen需要多个温度下的针入度拟合才能得出。针入度测试本身就有一定的误差，而多个温度下的针入度误差必然引起AlgPen的变化。上文仅仅是在重复性试验允许误差范围内就导致了PI的较大差异，不同的仪器、不同的操作者对同一沥青测定的针入度值会有更大的偏差，如果考虑复现性试验的允许误差，则会造成PI更大的差异。

4 结论

a）当选用3个试验温度测定的针入度评价沥青的低温感温性时，针入度指数PI和脆点T1.2随温度区间的不同出现较大的离散性，当采用3个连续的温度时，沥青低温时的温度敏感性最小。

b）相比于选用3个试验温度，选用3个试验温度时4种沥青针入度指数PI和脆点T1.2的极差更小，表明选用4个试验温度测试时，能更好地减小试验离散性。与选用3个试验温度相比，选用4个和5个试验温度时，沥青的PI值更大、T1.2更低，表明选用的试验温度个数越多，对沥青低温感温性的评价越准确。

c）试验允许误差范围内单独变化20℃时的针入度引起的PI变化值最小，而同时改变两个或者以上试验温度对应的针入度时，引起的PI值变化较大，尤其变化最低温度和最高温度时的针入度，引起的PI值改变最多。