周 辉 王黎明 王慧博

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

沥青材料是一种典型的粘弹性材料[1]，在较高温度时表现出单纯的流动变形特性，实际工程应用中正是依赖这种特性实现了沥青混合料的拌和、运输和摊铺。然而在对沥青加热的过程中，不但造成了沥青的老化也消耗了大量的能源，释放的沥青烟对空气环境和人都造成了一定的影响。温拌沥青、乳化沥青等技术通过加入温拌剂、乳化剂的方式降低了沥青在较低温度下的拌和粘度[2]，但是受限于沥青性能和成本，这些技术目前只能在特定用途中应用。探寻其他沥青降粘方式是解决当前问题的新思路。

目前功率超声技术被广泛应用于石油化工行业,主要应用是超重质渣油降粘、超稠油降粘，这项应用解决了渣油和稠油开采和运输不便的难题[3-5]。这项技术具有造价低、操作简单、无污染、降粘效果佳等优点。道路工程中最常用的沥青是石油沥青，是石油经过各种炼制工艺加工得到的产物，因此，这项技术对石油沥青会产生类似的效果。因此本文探究了超声波对70号沥青常规指标的影响规律，为沥青降粘提供了一种新思路。

1 试验概况

1.1 试验原材料

本试验所采用的沥青为广东茂名产70号A级基质沥青，按照JTG E20—2011公路沥青及沥青混合料试验规程进行试验，其基础性能参数如表1所示。

表1 70号道路石油沥青技术性能指标

1.2 试验仪器与设备

超声装置选用国产云奕牌YD0203型商用超声波清洗机，超声频率为40 kHz，超声波功率为120 W，可控时间为0 min～60 min，可控温度为20 ℃～150 ℃。该机器采用优质超声换能器，配合先进粘结工艺，电声转换效率高，超声输出功率可以满足要求，耐腐蚀性强，使用寿命长。

沥青旋转粘度试验仪器选用美国博力飞DV-Ⅱ+PRO Viscometer型粘度计，这是一种相对法测定粘度计，通过几组不同形状的转子，适配于不同粘度范围的流体的测定。

1.3 试验方案

结合现有研究成果，选定超声处置时间为15 min，超声处置温度为110 ℃，对处置前后的沥青进行粘度测定、针入度测定、软化点测定和延度测定，并利用不同温度下的针入度结果计算针入度指数PI，比较超声处置后沥青感温性的变化。

1.4 试验方法

超声处置沥青：首先准备200 mL已经脱水的70号基质沥青，在110 ℃烘箱中放置1.5 h。然后在超声波清洗机中加入一定量的导热油，并开启加热装置，调整温度至110 ℃。待油温达到指定温度时，将装有沥青的烧杯放置在导热油中，设定时间为15 min，开启超声处置，到规定时间后，超声自动停止。

旋转粘度试验：待超声处置后的沥青降至室温，利用旋转粘度计从低到高依次测定90 ℃,110 ℃,135 ℃,150 ℃四个温度下的沥青粘度，计算各个温度下的降粘率。

三大指标试验：待超声处置后的沥青降至室温后，利用烘箱再次将沥青加热至流动状态，完成浇模，具体试验步骤依据JTG E20—2011公路沥青及沥青混合料试验规程中相关要求进行。

2 试验结果与分析

2.1 沥青粘度变化

根据JTG E20—2011公路沥青及沥青混合料试验规程T0625中的要求，分别测定超声处置前后沥青在90 ℃，110 ℃，135 ℃和150 ℃下的沥青粘度，按照式(1)进行计算降粘率，绘制的降粘率随测试温度的变化曲线如图1所示。

(1)

式中：μ0——超声处置前的沥青粘度；

μ——超声处置后的沥青粘度。

从图1中可以看出：超声处置后的沥青降粘效果显著，在90 ℃时降粘率最高，此时降粘率为52.27%，随着测试温度的升高，沥青的降粘率逐渐降低，在测试温度为150 ℃时，沥青的降粘率为26.59%。因此，超声波技术可能对热拌沥青混合料施工中起到降低施工所需温度的作用，进而减少了能源消耗，避免了因沥青老化造成的沥青混合料路用性能降低的问题。

2.2 沥青针入度变化

针入度法是国际上测定粘稠沥青的一种常用方法。测定沥青材料在规定温度下，以规定质量的标准针经过规定时间贯入沥青试样的深度(以0.1 mm计)。通常以25 ℃为试验温度，标准针和砝码质量选用100 g，贯入时间为5 s。此外为确定针入度指数(PI)还常测定15 ℃,30 ℃等温度的针入度。

根据JTG E20—2011公路沥青及沥青混合料试验规程T0604中的要求分别测定超声处置前后沥青在15 ℃，25 ℃，30 ℃的针入度，在三个测定温度下的针入度结果见图2。

从图2中可以看出，超声处置后的沥青针入度发生了不同程度的下降，15 ℃针入度下降了7.3%，25 ℃针入度下降了3.9%，30 ℃针入度下降了10.5%。可见，随着温度的升高，针入度下降的幅度越大，针入度是测定沥青在规定条件下的条件粘度，它是表征沥青稠度的指标。针入度变小说明沥青变硬，稠度变高，所以超声处置后的沥青在常温下的粘度有变大的趋势。

2.3 沥青软化点和延度变化

软化点是道路沥青最基本的性能指标之一，它直接与路面发软变形的程度相关。我国现行试验法是环与球法软化点，该方法规定沥青试样浇筑在内径为18.9 mm的铜环中，环上放置3.5 g的铜球，以5 ℃/min的加热速度进行加热，沥青逐渐软化，直到在钢球荷载的作用下，测定沥青产生25.4 mm变形时的温度，即为软化点。软化点的高低常用于评价沥青的高温稳定性，软化点高代表沥青耐热性好，温度较高时不会迅速软化，但是软化点过高会导致施工困难。

沥青的延度是通过在规定的速度和温度下，拉伸标准试件的两端直到断裂的长度。国际上部分国家对延度指标不重视，因为当地的沥青15 ℃延度都能大于100 cm，所以认为延度指标意义不大。但是我国的沥青普遍含蜡量偏高，延度指标不一定符合要求，而延度可以表征沥青材料所能承受塑性变形的能力，所以坚持使用延度指标有重要意义[6]。

根据JTG E20—2011公路沥青及沥青混合料试验规程T0606和T0605中的要求分别测定超声处置前后的沥青软化点和15 ℃延度，结果如表2所示。

表2 超声处置前后沥青软化点和15 ℃延度

从表2中可以发现，超声处置后的沥青软化点小幅提升，15 ℃延度下降。软化点是沥青达到规定条件粘度时的温度，可以表征一定的沥青高温稳定性，软化点提升即高温稳定性提升；延度是表征沥青材料承受塑性变形的能力，现有研究表明：含蜡量增加、胶体结构发育成熟度的提高、饱和分和芳香分的比例增大等都可能造成沥青的延度值降低。超声处置后的沥青15 ℃延度下降显著，即沥青的低温抗裂性降低，推测原因可能为沥青的胶体结构和组分发生了变化。

2.4 沥青针入度指数PI的变化

针入度指数PI是一种评价沥青感温性的指标。沥青材料的感温性和沥青路面的施工与使用性能都有密切关联，也是评价沥青技术性质的一个重要指标。

在实际工作中，通常采用15 ℃，25 ℃和30 ℃的针入度经过回归计算求得斜率Algpen，然后利用式(2)进行计算针入度指数的数值。

(2)

其中，Algpen为不同温度的针入度回归直线斜率，为了检验数据的准确性，利用此式进行回归时直线相关系数必须满足相关检验的要求，当置信度为95%时，由3个温度的针入度回归的相关系数R应不小于0.997。否则说明试验数据的误差较大，试验需要重新进行。

利用式(2)计算得超声处置前后的针入度指数如图3所示。

从图3中可以发现，经超声处置后的沥青针入度指数PI发生显著上升， 70号沥青的针入度指数升高了29.2%。针入度指数PI越大，表示沥青的感温性越低，JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范中要求70号沥青的针入度指数范围在-1.8～+1.0。因此，经超声处置后沥青的感温性变低，这有利于沥青路用性能的提升。

3 结论

1)超声处置后的沥青在90 ℃，110 ℃，135 ℃和150 ℃四个温度下粘度均出现了不同程度的下降，在90 ℃时降粘率最高为52.27%。

2)超声处置后的沥青在15 ℃，25 ℃和30 ℃的针入度均出现下降，在30 ℃时针入度下降幅度最大，在15 ℃时针入度下降幅度最小。同时，处置后的沥青软化点小幅提升，15 ℃延度下降，说明沥青的高温稳定性变好，低温抗裂性变差。

3)超声处置后的沥青的针入度指数PI提升了29.2%，说明沥青的感温性变低。