瀝青針入度試驗(yàn)精度控制分析

王 麗

（江蘇省南京交院土木工程檢測(cè)所，江蘇 南京 210000 ）

0 前言

瀝青路面給行駛車輛帶來(lái)的舒適度是水泥混凝土路面很難達(dá)到的，不僅是平穩(wěn)，而且噪音低。隨著公路在承載運(yùn)輸中的作用提升，以及運(yùn)輸成本的增加，致使運(yùn)輸車輛不斷加載，而且我國(guó)正在醞釀公路的再一次提速，在動(dòng)荷載、靜荷載都在增加的情況下，高速公路建設(shè)者們提出了增加瀝青面層總體設(shè)計(jì)厚度的構(gòu)想，這樣一來(lái)瀝青材料的用量勢(shì)必要激增。而目前路面瀝青最好的來(lái)源是石油粘稠瀝青。其粘結(jié)力、穩(wěn)定性能較好，拌和性能、施工性能都較平衡，使用年限也較長(zhǎng)，目前較好的公路瀝青路面使用年限會(huì)超過(guò)20年。這么長(zhǎng)的使用時(shí)間內(nèi)瀝青經(jīng)風(fēng)吹日曬、老化，雨、雪侵害，高速荷載的反復(fù)揉搓，高溫、低溫等各類復(fù)雜的情況下，保證設(shè)計(jì)的使用性能，其對(duì)材料本身的穩(wěn)定性提出了極高的要求。面層材料中膠結(jié)材料至關(guān)重要，瀝青是重中之重。我們知道瀝青物理性能的測(cè)試指標(biāo)主要是針入度、延度、軟化點(diǎn)，通常稱為瀝青的三大指標(biāo)試驗(yàn)，是評(píng)價(jià)瀝青性能的關(guān)鍵性指標(biāo)。

1 針入度試驗(yàn)過(guò)程中影響精度的因素

瀝青針入度指標(biāo)是瀝青性能的關(guān)鍵性指標(biāo)，也是針入度指數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。它既能表示瀝青軟硬程度和稠度、抵抗剪切破壞的能力，反映在一定條件下瀝青的相對(duì)黏度的指標(biāo)，還能通過(guò)針入度指數(shù)評(píng)價(jià)瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫的抗裂性能。其重要性可見(jiàn)一般。我們就從規(guī)范的角度闡述一下瀝青針入度試驗(yàn)精度控制的關(guān)鍵性因素有哪些。

1.1 檢測(cè)設(shè)備-針入度儀

目前瀝青針入度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)儀器就是針入度儀。其中試驗(yàn)主要構(gòu)件是標(biāo)準(zhǔn)針、針連桿和砝碼，合計(jì)質(zhì)量為100g±0.05g。其中標(biāo)準(zhǔn)針的質(zhì)量為2.5g±0.05g。作為儀具來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)針是影響試驗(yàn)精度中最關(guān)鍵的一個(gè)部分。當(dāng)然質(zhì)量符合規(guī)范要求后，其針的硬度、表面粗糙度、針尖規(guī)格就極其重要了。試驗(yàn)過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)針是直接接觸瀝青試樣的，其貫入深度是評(píng)定的指標(biāo)，以0.01mm 計(jì)。表面粗糙度與針尖規(guī)格夾角和尖部微觀面尺寸都是決定性因素。由于標(biāo)準(zhǔn)針價(jià)格昂貴，每根標(biāo)準(zhǔn)針價(jià)格在300 元，一組價(jià)格近一千元。所以檢測(cè)單位標(biāo)準(zhǔn)針都是要重復(fù)使用的，每次檢測(cè)完后，要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)針上的瀝青進(jìn)行清洗。經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)針可能會(huì)因外力而彎曲變形，尖端變鈍，如使用不合格的清洗劑，還極易造成標(biāo)準(zhǔn)針表面氧化等情形出現(xiàn)，所以試針每年需標(biāo)定一次，取得合格報(bào)告后方可使用。然而即使是標(biāo)定合格時(shí)間內(nèi)，也未必能保證標(biāo)準(zhǔn)針沒(méi)有問(wèn)題。所以正常檢測(cè)時(shí)，除常規(guī)需要的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)針正常試驗(yàn)用以外，還應(yīng)備用一套，不定期對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)精度，這一方法個(gè)人覺(jué)得極為重要。當(dāng)然多備的這一組試針，一定是要標(biāo)定結(jié)果非常好的。習(xí)慣上每周都會(huì)對(duì)現(xiàn)有的試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)，方法當(dāng)然是對(duì)同樣的樣品，多澆幾個(gè)試樣，用備用標(biāo)準(zhǔn)針進(jìn)行檢測(cè)比對(duì)。這樣能發(fā)現(xiàn)當(dāng)前常規(guī)用試針的精度，也可以判斷樣品的測(cè)量結(jié)果，保證試驗(yàn)報(bào)告的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，是一舉兩得的好方法。本人在多年的瀝青檢測(cè)過(guò)程中，一直保持著這一習(xí)慣。

在保證標(biāo)準(zhǔn)針質(zhì)量、規(guī)格符合規(guī)程要求的情況下，稱量針連桿、針和法碼的總質(zhì)量，如合格的情況下，影響試驗(yàn)精度的另一儀具因素，自由下落，就是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)了。很顯然的道理，貫入質(zhì)量100g±0.05g，在有較大摩擦阻力的情況下，其貫入深度一定是偏小的，也就是說(shuō)試驗(yàn)結(jié)果偏小。所以試驗(yàn)過(guò)程中一定要保證針連桿在無(wú)明顯摩擦的情況下垂直運(yùn)動(dòng)，貫入瀝青樣品中。當(dāng)然這里有另一個(gè)因素垂直，只有在垂直的情況下，才能保證向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力最小。針入度儀的調(diào)平也是一個(gè)關(guān)系因素，是保證針連桿垂直的重要?jiǎng)幼鳌?/p>

1.2 樣品-試樣制作

就粘稠瀝青來(lái)說(shuō)，試樣由瀝青加熱脫水后澆入盛樣皿完成的。在這一過(guò)程中影響因素太多。首先，樣品加熱脫水過(guò)程，在溫度要掌握好，高了瀝青易造成老化，低了脫水不徹底。其次，澆注樣品要仔細(xì)，不能過(guò)快，不可將氣泡帶入瀝青試樣中。再次，樣品澆注后，表面要平整，其作用下一段解釋。道路石油70#瀝青加熱過(guò)程易控制，SBS 改性瀝青控制難度較大，其主要是因?yàn)镾BS 改性瀝青粘度大，流動(dòng)性差，不易澆注，對(duì)試驗(yàn)人員水平要求非常高。經(jīng)驗(yàn)豐富的試驗(yàn)人員，對(duì)澆樣前瀝青的狀態(tài)有著自己的評(píng)價(jià)體系，通過(guò)對(duì)瀝青的攪動(dòng)，撥絲，觀察瀝青狀態(tài)，判斷是否達(dá)到最佳狀態(tài)。通達(dá)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠得出不同瀝青澆注樣品的的溫度控制范圍，保證樣品表面平滑，無(wú)氣泡。

瀝青加熱溫度往往是定義在軟化點(diǎn)上80℃，烘箱加熱法加熱。這種方法在道路石油瀝青上比較好用，但是在SBS 改性瀝青面前就有一定的難度了。往往因?yàn)榧訜岵坏轿唬瑸r青流動(dòng)性差，澆樣時(shí)帶入氣泡。如果澆樣后，樣品表面存在小氣泡的話呢，個(gè)人覺(jué)得是可以用火機(jī)快速燒一下的，不過(guò)一定要快，不然易導(dǎo)致瀝青樣品表面老化。這一操作要熟練，新手不建議使用這一方法。

1.3 養(yǎng)護(hù)-樣品恒溫過(guò)程

瀝青試驗(yàn)針入度指標(biāo)樣品制作完成后，應(yīng)加玻璃板室溫恒溫冷卻不少于1.5h（小盛樣皿），而后移入試驗(yàn)溫度±0.1℃的恒溫水槽中，并保持不少于1.5h（小盛樣皿）。恒溫完成后可進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)儀水槽內(nèi)的溫度也就保證是在試驗(yàn)溫度±0.1℃內(nèi)。上述幾個(gè)環(huán)節(jié)中，空氣內(nèi)養(yǎng)護(hù)要求室溫15～30℃，要求試驗(yàn)室內(nèi)安裝空調(diào)，并能保證試驗(yàn)環(huán)境溫度要求。室內(nèi)就配備標(biāo)定合格的溫濕度計(jì)，實(shí)時(shí)關(guān)注環(huán)境溫度。養(yǎng)護(hù)的目的是為了讓試樣內(nèi)外溫度一致，并控制在試驗(yàn)溫度±0.1℃的范圍內(nèi)。在條件好的試驗(yàn)室，只要試驗(yàn)人員有足夠的責(zé)任心，正確養(yǎng)護(hù)是很容易做到的。但實(shí)際上目前各試驗(yàn)室管理水平存在極大差異，尤其是工地臨時(shí)試驗(yàn)室，彩板房那種，室內(nèi)環(huán)境溫度控制難度大。試驗(yàn)檢測(cè)儀器受采購(gòu)成本的限制，往往采購(gòu)低價(jià)的設(shè)備。由于低價(jià)設(shè)備中溫度傳感器及溫控繼電器的靈敏度不足，導(dǎo)致恒溫養(yǎng)護(hù)水溫不夠精確。

試驗(yàn)溫度變化超出0.5℃時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果變化是非常大的。對(duì)于同一樣品來(lái)說(shuō)，就是完全不同的兩個(gè)方向了。如道路石油瀝青70 號(hào)，25℃時(shí)的針入度指標(biāo)合格范圍是60～80（0.1mm），如果試驗(yàn)是溫度高出0.5℃，檢測(cè)結(jié)果很可能會(huì)增加10（0.1mm），如果試驗(yàn)時(shí)水槽溫度低了0.5℃，針入度檢測(cè)結(jié)果很可能比真實(shí)值低8（0.1mm）以上，也就是養(yǎng)護(hù)溫度和試驗(yàn)溫度變化較大是，試驗(yàn)結(jié)果都會(huì)發(fā)生很大偏差，很可能是合格與不合格的區(qū)別，是破壞瀝青結(jié)果的影響性因素。所在在購(gòu)買瀝青針入度試驗(yàn)儀時(shí)，最好是選用帶恒溫水槽的，可以最大程度保障試驗(yàn)精度，較好的消除儀器設(shè)備的系統(tǒng)誤差。

1.4 試驗(yàn)操作-對(duì)準(zhǔn)

儀器設(shè)備自動(dòng)化程度越來(lái)越高的今天，很多材料試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中的人為因素都被自動(dòng)化的設(shè)備給消除了。如本文的針入度試驗(yàn)儀，在二十年前，試驗(yàn)儀盛樣水槽是沒(méi)有溫度循環(huán)系統(tǒng)的，試驗(yàn)時(shí)為了保證水溫，只能不斷用水銀溫度計(jì)測(cè)量溫度，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)更換溫水或冰水來(lái)調(diào)溫，過(guò)程復(fù)雜、精度低。現(xiàn)在有恒溫水循環(huán)系統(tǒng)了，就不存在上述問(wèn)題了。但是對(duì)于這個(gè)試驗(yàn)，影響結(jié)果精度的一個(gè)重要操作目前仍沒(méi)有好的自動(dòng)化的方法去解決，那就是標(biāo)準(zhǔn)試針與瀝青樣品的對(duì)準(zhǔn)，大家知道試針針尖，肉眼是基本上看不清的，試驗(yàn)操作規(guī)程要求，試針接觸試樣時(shí)，開(kāi)如試驗(yàn)。這個(gè)是最難的地方，針尖時(shí)否接觸，看不清啊，是否已經(jīng)錐入了，不清楚啊，是接觸還是未到呢，看不清，試驗(yàn)精度是0.1mm，這一量級(jí)是人的肉眼無(wú)法看到的。目前測(cè)量試驗(yàn)直讀的精度一般是1mm。由此可見(jiàn)，該試驗(yàn)對(duì)準(zhǔn)的難度之大。這就要求試驗(yàn)人員有豐富的操作經(jīng)驗(yàn)，良好的視力，腦手協(xié)同，才能操作完成。并且要經(jīng)過(guò)大量的比對(duì)，才能確定試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。挑選一名瀝青針入度試驗(yàn)檢測(cè)人員是相當(dāng)難的。在三大指標(biāo)試驗(yàn)中，這個(gè)試驗(yàn)完成也是最難的。

目前已有很多瀝青檢測(cè)設(shè)備生產(chǎn)廠家在研究，正在預(yù)研試針自己對(duì)準(zhǔn)的設(shè)備，研發(fā)方向有超聲雷達(dá)和紅外測(cè)量等，希望產(chǎn)品能早些面世，解決試驗(yàn)過(guò)程中人員操作的誤差。因?yàn)榧幢闶窃囼?yàn)自身存在誤差，也是可以通過(guò)校準(zhǔn)、比對(duì)等方法發(fā)現(xiàn)的，而人員操作誤差不確定性較多，誤差分布規(guī)律性差，難以通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的方法消除。

2 現(xiàn)實(shí)意義

瀝青路面工程中，瀝青面層結(jié)構(gòu)類型多樣。就江蘇地區(qū)來(lái)講，處于溫帶、溫帶季風(fēng)和亞熱帶季風(fēng)的地區(qū)，夏季炎熱多雨，冬季嚴(yán)寒。對(duì)瀝青路面來(lái)講，既要防高溫、防雨水，還要防低溫凍害。這對(duì)結(jié)構(gòu)和材料本身要求極高。經(jīng)過(guò)江蘇交通人多年不懈的努力，江蘇地區(qū)瀝青路面的平均使用壽命已接近、達(dá)到，甚至超過(guò)了20年，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)其他省份的平均水平。為了這一目標(biāo)，江蘇交通人一直在努力，作為一名江蘇省交通工程建設(shè)參與者，我也非常自豪。達(dá)成這一目標(biāo)的道路是崎嶇而漫長(zhǎng)的。除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用國(guó)際先進(jìn)的sup 設(shè)計(jì)方法外。在材料選用上更是做到了優(yōu)中選優(yōu)。就本文所寫的瀝青材料，江蘇地區(qū)在瀝青下面層上多選用道路石油70#瀝青，高速公路建設(shè)基本選用進(jìn)口品牌，其瀝青生廠要原油必須是中東石油，才能滿足江蘇交通對(duì)材料的苛刻要求。有人要問(wèn)，為什么不用國(guó)內(nèi)石油生產(chǎn)的瀝青呢，這個(gè)經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)瀝青中有一個(gè)指標(biāo)始終無(wú)法達(dá)到規(guī)范要求，哪就是蠟含量指標(biāo)。該指標(biāo)極易導(dǎo)致瀝青路面在高溫狀態(tài)下軟化，低溫狀態(tài)下開(kāi)裂。而蠟含量試驗(yàn)極其復(fù)雜，使用的化學(xué)試劑如石油醚、乙醚等都有毒，是管制用試劑，購(gòu)置難度大，保存風(fēng)險(xiǎn)高，使用過(guò)程中也極易造成人員傷害。為了保護(hù)試驗(yàn)檢測(cè)人員安全，減少危害排放，保護(hù)環(huán)境，蠟含量指標(biāo)需要減少頻率，往往五個(gè)抽檢批次才做一組蠟含量指標(biāo)。為了防止不合格品流入交通建設(shè)市場(chǎng)，江蘇人巧妙的從瀝青針入度指數(shù)中找尋規(guī)律，擴(kuò)大頻率，每批必檢，以瀝青針入度指數(shù)指標(biāo)的合格情況來(lái)判斷瀝青的路面性能，已收到了顯著成效。當(dāng)然道路石油瀝青往往都是成千噸一次性運(yùn)輸?shù)礁郏商崆皺z測(cè)蠟含量。具體施工企業(yè)在質(zhì)量過(guò)程控制環(huán)節(jié)，是主要的手段還是瀝青針入度試驗(yàn)，因?yàn)椴僮骱?jiǎn)便，環(huán)境污染小，人員傷害小。該指標(biāo)是瀝青材料質(zhì)量控制的重點(diǎn)，SBS 改性瀝青質(zhì)量控制也是同樣的道理，雖不需要做蠟含量指標(biāo)，但瀝青針入度指標(biāo)還是強(qiáng)制性指標(biāo)，是必須要做的。也是最有效的管控辦法。

3 結(jié)束語(yǔ)

瀝青物理性能的分析試驗(yàn)是瀝青路用性能控制的關(guān)鍵點(diǎn)，是公程人員控制的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。尤其在當(dāng)下，瀝青質(zhì)量日趨下滑。原因是原油的質(zhì)量不穩(wěn)定，提煉技術(shù)的更新等。很多國(guó)外的大型煉油廠已不在為公路工程建設(shè)提供瀝青產(chǎn)品了。瀝青產(chǎn)品的價(jià)格對(duì)于石油煉制廠家來(lái)說(shuō)，是非常低的，他們會(huì)不斷研發(fā)新的技術(shù)，提出石油中的各類烴，作為其他工業(yè)用原材料，這樣的新產(chǎn)品價(jià)格更高，利潤(rùn)更大。他們將石油中的有效成份過(guò)多的提煉后，留下的瀝青指標(biāo)已經(jīng)非常差了，根本不能滿足公路工程路用性能要求。研發(fā)取代產(chǎn)品已擺在工程管理科研人員的桌面上了。就目前建設(shè)管理要求高，建設(shè)速度要求快，規(guī)模大，對(duì)路用瀝青的需求不斷增加，而面對(duì)市場(chǎng)形勢(shì)，工程人員不得不感嘆，為防止劣質(zhì)瀝青流入公路工程建設(shè)用材料市場(chǎng)，工程檢測(cè)技術(shù)人員要嚴(yán)陣以待，規(guī)范試驗(yàn)，為工程建設(shè)找尋優(yōu)秀路用瀝青，保證工程建設(shè)質(zhì)量。