淺談瀝青三大指標

王銀龍

一直以來，我國路用瀝青大多采用石油瀝青，極少部分低等級公路采用煤瀝青。近年來基于環(huán)保的要求，煤瀝青也逐漸淡出道路建設領域，石油瀝青幾乎已是路用瀝青的代稱(本文所稱瀝青均為石油瀝青)。在使用中對瀝青的檢測指標中三大指標:針入度、軟化點、延度的檢測也幾乎是必不可少的，一方面是因為瀝青三大指標對瀝青路面的使用性能具有密切的關系，另一方面也便于將國內瀝青檢測數(shù)據(jù)與國外相對應的瀝青技術規(guī)范做比較。本文主要論述瀝青三大指標的檢測意義、指標的應用以及近年來業(yè)內對三大指標的新解讀。

1 針入度

1.1 瀝青針入度的定義

瀝青的針入度是在標準試驗條件下(溫度 25℃，荷重 100 g，貫入時間5 s)，標準針貫入瀝青試樣的深度(以0.1mm計)。針入度試驗是測定瀝青稠度的標準方法，25℃的針入度給出了接近年平均使用溫度下的瀝青稠度，該溫度也較接近路面實際使用的平均溫度。

1.2 針入度的主要應用

1.2.1 道路瀝青的分級

目前，在世界范圍內具有代表性的道路瀝青的評價體系有三種，即針入度級標準、粘度級標準和PG分級體系。我國目前采用針入度級標準評價道路瀝青。針入度級標準就是根據(jù)瀝青針入度的大小確定瀝青所適應的氣候條件和載荷條件，針入度分級體系的主體是我們所熟悉的三大指標，輔以瀝青的安全性指標閃點、瀝青的純度指標溶解度、瀝青的抗老化指標薄膜加熱試驗和對生產瀝青所用原油的約束指標含蠟量等，構成了瀝青的針入度分級體系。

1.2.2 根據(jù)瀝青的氣候分區(qū)選擇合適的道路瀝青

由于道路瀝青及其混合料的路用性能受到氣候環(huán)境的影響較大，如在高速公路上，夏季高溫季節(jié)行車造成的車轍是導致路面損壞最重要的原因;冬季氣溫驟降及反復升溫降溫引起的瀝青路面溫縮裂縫是路面橫向開裂的主要原因;除溫度因素外，水對瀝青混合料的性能也有重要影響。水分滲入瀝青與集料的界面上，使粘附性降低，在荷載的作用下，集料將產生剝離、坑槽。我國已建立的瀝青材料氣候分區(qū)，可以根據(jù)地域氣候的不同選擇適當?shù)臑r青，使路面具有較強的高溫抗車轍能力和低溫抗裂性、水穩(wěn)定性，延長路面的使用壽命。

針入度級標準按照瀝青針入度的不同將瀝青分成不同的標號，針入度越大瀝青的標號也越大。但是根據(jù)氣候條件選擇瀝青路面所用的瀝青標號是個技術性很強的問題，如果根據(jù)夏天炎熱氣候的要求應該盡量選用硬一些的瀝青(低標號瀝青)，而為了滿足冬季寒冷氣候條件的需要又應該選用軟質瀝青(高標號瀝青)。實際上我國大部分地區(qū)不僅夏季炎熱，而且冬季寒冷，無法都滿足要求，只能盡量兼顧。

例如在渠化交通的高等級公路上，夏季高溫車轍相比冬天低溫開裂來說更加重要，必須選用較硬的瀝青，而對于車輛交通沒有渠道化，各種交通工具混合行駛的中低級公路，一般不易形成車轍(可能有推移、壅包)，開裂是主要病害，宜選用針入度大一些的瀝青。

1.2.3 表征瀝青材料的感溫性

瀝青是一種隨溫度變化發(fā)生流變性的典型粘彈性材料，溫度很高時瀝青表現(xiàn)為牛頓流體，而低溫下瀝青又表現(xiàn)為接近虎克彈性體，從高溫到低溫，中間經(jīng)歷了復雜的粘彈性階段。瀝青隨溫度而發(fā)生性質變化幅度的指標叫做感溫性指標，基于此，幾乎所有的瀝青材料的路用性能都是圍繞著瀝青感溫性進行論述。最常用的描述瀝青感溫性的指標是針入度指數(shù) PI值、針入度粘度指數(shù)PVN及粘溫指數(shù)VTS等。下面主要介紹針入度指數(shù)PI值。

早在1936年，Pfeiffer和JPhand VanDoormaal就通過大量實驗得出不同溫度下瀝青的針入度—溫度直線關系:

其中，P為針入度，0.1mm;T為溫度，℃;AlgPen，K均為回歸系數(shù)。瀝青的針入度指數(shù)PI除采用諾模圖法得到外還可采用公式計算法得到。首先根據(jù)不同溫度下瀝青的針入度值由式(1)計算回歸得到針入度溫度指數(shù)AlgPen，再由式(2)確定瀝青的針入度指數(shù)PI:

對于道路瀝青來說，PI太低和太高都是不好的，這是因為當PI＜-2時，瀝青的溫度敏感性強，同溫度下更接近牛頓流體性質，但在低溫時顯示明顯的脆性特征;當PI＞+2時，瀝青具有明顯的凝膠特征，瀝青的耐久性不好，它的低溫脆性雖小，但抗裂性能變差，這對溫縮裂縫很重要，所以普遍規(guī)定PI在-1.0～+1.0間。

1.2.4 評價瀝青老化程度

瀝青的“老化”是指瀝青從煉油廠被煉制出來后，在儲存、運輸、施工及使用過程中，由于長時間暴露在空氣中，在環(huán)境因素如受熱、氧氣、陽光和水的作用下，會發(fā)生一系列的揮發(fā)、氧化、聚合，乃至瀝青內部結構發(fā)生變化，同時發(fā)生性質變化，導致路用性能劣化的過程。瀝青老化后，最直接的結果就是瀝青的針入度變小、粘度變大。所以一般采用老化前后 25℃的殘留針入度比來表征瀝青的抗老化性能，也用來評價老化瀝青的性能。

2 軟化點

2.1 瀝青軟化點的定義

瀝青的軟化點是瀝青在一特定實驗條件下達到一定粘度時的條件溫度，我國采用環(huán)球法測定瀝青的軟化點:把確定質量的鋼球置于填滿瀝青試樣的金屬環(huán)上，在規(guī)定的升溫條件下，鋼球進入試樣，從一定的高度下落，當鋼球觸及底層金屬擋板時的溫度，視為其軟化點，以攝氏溫度表示(℃)。

2.2 軟化點的主要應用與當量軟化點

軟化點與針入度一樣，常常為檢驗產品質量、評定瀝青性質及選擇使用條件所應用。特別是其試驗方法較之針入度、延度試驗更為簡單，能很快得出結果。

對同一種原油及煉制工藝來說，瀝青硬、針入度小的軟化點就高，控制住軟化點則針入度變化也不會太大。特別是對于瀝青的高溫性能，相比于針入度，軟化點與瀝青高溫性能相關性更好，是瀝青高溫穩(wěn)定性的重要指標。

正因為軟化點與瀝青高溫穩(wěn)定性具有良好的相關性，幾乎所有國家的瀝青標準中都列入了軟化點指標。但是我國長期以來的使用實踐證明，我國眾多的普通瀝青“軟化點雖高，但高溫穩(wěn)定性并不好”，究其原因這是由于我國大部分原油為石蠟基原油，所煉制的瀝青含蠟量較高，瀝青中的蠟影響了軟化點的測定，使測定的軟化點出現(xiàn)假象:由于瀝青中的蠟融點在 30℃～100℃之間，軟化點一般在 40℃～55℃之間，測定軟化點時正是大部分的蠟的結晶融化成液體的階段，它將吸收一部分熱量，從而使瀝青試樣的溫度上升速率滯后于水溫上升速率，而軟化點讀數(shù)是從插入水中的溫度計上讀得，導致軟化點比實際偏高。

為解決多蠟瀝青軟化點測定的假象，提出了當量軟化點概念，所謂當量軟化點是真正遵從理論上瀝青軟化點實際上是等粘溫度這個原則提出的，軟化點溫度大體相當于瀝青的針入度為800或粘度為1 300Pa?s(也有認為是1 200 Pa?s)的溫度，反過來我們將針入度為800(0.1mm)的溫度定義為當量軟化點T800。經(jīng)式(1)，式(2)回歸計算后，按式(3)確定:

T800作為一個指標，基礎是 30℃及 30℃以下的三個溫度的針入度，當在此溫度下，瀝青中絕大多數(shù)的蠟處于結晶狀態(tài)不會影響試驗結果，因此T800實際上既能發(fā)揮軟化點的功能，具有軟化點表示瀝青高溫性能的全部優(yōu)點，又克服了含蠟瀝青的影響。但是并不是說提出當量軟化點就將實測軟化點全盤否定。近年來隨著大量進口國外低蠟瀝青和國內瀝青煉制設備脫蠟工藝的改進，高含蠟量的瀝青也應用的越來越少，對重交通道路瀝青，蠟的含量都在 3%以下，對進口瀝青通常要求蠟含量限制在 2%以下，因而蠟的影響也越來越小。所以，實測軟化點的重要性和實用價值也隨之增大。

3 延度

3.1 瀝青延度的定義

瀝青的延度是通過在規(guī)定的速度和溫度下，拉伸標準試件的兩端直到斷裂的長度(cm)。

3.2 瀝青延度的應用

由于延度的再現(xiàn)性不好，不同延度儀、不同試驗人員對同一批次瀝青測試的延度值差異有可能較大，所以延度能否作為控制瀝青質量的手段，延度試驗的意義一直都在討論。有些國家對瀝青的 25℃或 15℃并不重視，瀝青標準中沒有延度指標，那是因為它們的瀝青延度均比較大，一般都能大于 100 cm，所以認為延度意義不大。我國近年來高速公路大量采用進口瀝青和重交瀝青，15℃延度都能大于100 cm，甚至TFOT后的15℃延度也能大于100 cm，也導致部分人員認為延度沒有意義。

總的來說，盡管國內外對延度試驗的意義尚有不同的看法，但大都認為瀝青的延度與路面的使用性能有一定的相關性，尤其是低溫延度與低溫開裂性能關系密切，因此在很多國家瀝青規(guī)范中增加了低溫延度的指標。

4 結語

隨著對瀝青材料研究的進展，發(fā)現(xiàn)已有的基于三大指標的體系與指數(shù)出現(xiàn)一定的局限，使得現(xiàn)行的瀝青標準逐漸不能滿足實習的需要。如針入度和延度指標是經(jīng)驗性的，針入度值和延度值是在一個特定溫度下的，沒考慮到工程現(xiàn)場和地域氣候等因素，不能直接與HMA路面性能關聯(lián);軟化點受到含蠟量的影響并且不同瀝青之間的差別有時比較小等，而當量軟化點受到針入度準確性以及非線性的制約等。

但是目前許多研究者提出的改進的瀝青指標評價體系中仍然包含了三大指標，只不過有的對其進行了部分改進(如針入度、延度的測定條件)，說明三大指標在一定意義上仍能評定瀝青的部分性能。

[1] 沈金安.道路瀝青三項指標的意義和應用[J].石油瀝青，1987(2):21-23.

[2] Asphalt Institute.Performance graded asphalt binder specification and testing Superpave Series No.1(SP-1).Lexingtong，1994.

[3] SHRP-A/IR-90-015.Fred N.Finn.Asphalt Properties and Relationship to Pavement Performance:Literature Review.

[4] David Whiteoak.The SHELL Bitumen handbook.SHELLBITUMEN.London.

[5] 陳曉瑛，尹利華，延西利.瀝青材料感溫性與其混合料高溫穩(wěn)定性關系研究[J].公路交通科技，2008(1):28-30.

[6] 沈金安.瀝青及瀝青混合料的路用性能[M].北京:人民交通出版社，2001.