才洪美1

关键词 石油沥青；感温性；适用性

A Study on the Applicability of Temperature Sensitivity

Index to Asphalt Binder

CAI Hong-Mei1

Abstract In this paper, we mainly studied the applicability of penetration index (PI), penetration viscosity index (PVN), and the complex modulus index (GTS) to characterize asphalt temperature sensitivity. The results showed that the PI could only be used in a narrow temperature range because of the affection by the empirical indexes and the test precision, and would have a large deviation when the temperatures were extended. PVN was not quite accurate in characterizing temperature sensitivity of asphalt mainly due to the use of only two parameters. GTS was used to investigate the mechanical properties of asphalt materials and the results showed that GTS could scientifically and accurately evaluate the temperature sensitivity of asphalt in the middle and high temperature range, overcoming the shortcomings of the low PI precision and the test errors in extended temperature ranges.

Keywords asphalt; temperature sensitivity; applicability

石油沥青作为一种道路建设用材料，应具备较好的黏滞性、感温性、延展性等技术性质。根据沥青材料的特性，对于温度的变化，其性能表现是高温变软、低温变硬，但对不同的沥青产品而言，其感温性受温度的影响变化程度不同^[1]。所谓的感温性（温度敏感性）就是指沥青的黏度或稠度随温度变化而变化的程度，是决定沥青使用性能的一个非常重要的指标^[2]。从技术性能指标来说，沥青路面的抗车辙性能、抗低温开裂性能和耐久性等技术性能都与沥青的感温性密切相关^[3]。经过多年的研究，国内外用于表征沥青感温性的指标较多，其中针入度指数（PI）、针入度黏度指数（PVN）和复数模量指数（GTS）这3个指标使用较多。本文研究这3个技术指标在评价沥青感温性时的优缺点，并对其适用性进行说明。

1 感温性指标的研究

1.1 针入度指数PI

我国“八五”科技攻关课题^[4]得出结论认为，PI值应该由针入度数值与测试温度曲线的直线斜率得到。在计算针入度温度关系图的直线斜率时，应采用3个或3个以上温度的针入度值，再由公式1回归计算求得相应直线的斜率A。针入度指数一般情况下选用15℃、25℃和30℃的针入度值，再由公式1和公式2计算求得。

(1)

(2)

从PI的计算过程可以看出，其选取的温度范围较窄，评价的是较窄温度内的感温性能。在评价较高或者较低温度的感温性时，其结果外延使用时会发生偏差，因此PI并不能完整表征沥青材料的感温性，使得人们对PI值评价沥青感温性的准确性产生了质疑^[5-8]。

基于此，针对目前国内常用的7种道路石油沥青，做不同温度点的针入度试验，按公式1和公式2计算，得出不同温度区间的针入度指数PI值，以考察该指标作为道路石油沥青性能指标的适用性。结果如表1所示。

表1实验结果可以看出，7种石油沥青的针入度指数计算回归的线性方程，其相关系数都大于0.997，都满足标准的要求。但从各个沥青不同温度区间的PI值来看，都存在一定的偏差，且有的相差较大，如SK 70号的绝对偏差可以达到1.309。这说明试验选取的温度区间，对试验结果影响较大，即PI值与所取的温度范围密切相关，也就是说在logP-T关系曲线中，各回归曲线的斜率不是定值。

为进一步验证温度区间对PI值的影响，试验把温度范围进一步扩大，即对表1中的所有样品都增加了40℃的针入度测试，PI值也有3个温度点改为4个温度点进行计算，详见表2。同时，试验进一步增加温度点，从5～40℃范围内测试6个温度点的针入度，回归得出lgP-T关系图，如图1所示。

图1 不同沥青的lgP-T图

Fig.1 The lgP-T diagram of different types of asphalt

从图1可以看出，尽管lgP-T线性关系较好，但仍可以看出，不同温度区间下斜率有所差别；再结合表2数据可知，各连续温度区间下的A值和PI值相差很大。

同一种沥青在不同温度区间下的PI值变化的原因是多方面的，值得进一步探讨 ^[9]。如果从胶体结构和化学组成的角度出发，可以认为沥青的胶体类型随着温度区域的变化而转变，有的沥青材料在低温区域趋向于凝胶结构，受温度的影响程度变小，而在中温区域则趋向于溶胶-凝胶结构，受温度的影响程度变大；但是对于氧化或半氧化沥青材料而言，在中温区域则显示出典型的凝胶结构特性，由此可知lgP和T只能在较窄温度区间下呈现线性关系。

在不考虑沥青化学组成和胶体结构与感温性相关联的前提下，可以说针入度值对求解PI值的影响最大^[10]。由计算公式2可以看出，A值的系数为50，在计算过程中A值会被放大50倍，由此可知，A值的微小变化会导致PI值较大的偏差。在GB/T 4509-2010《沥青针入度测定法》中规定，针入度值在60～80之间时，重复性不超过平均值的4%，再现性不超过平均值的8%。如以25℃的针入度为75来算，按照再现性要求，允许波动范围为72～78、 40℃的针入度为312时，允许波动范围为287～337。根据针入度值的波动范围计算PI值的变化范围为-0.55～0.20，PI偏差的绝对值可以达0.75，这导致PI值表征沥青材料感温性时的不准确性。

通过上述研究可以看出，PI值的大小与所选用的温度点密切相关，建议当用针入度值评价沥青的感温性时，应标明所用的温度区间。

1.2 针入度黏度指数PVN

麦克劳德根据安大略试验路的调查结果得出，路面出现的贯穿式横向收缩裂缝与沥青的PI值有关，随着PI值的增加，裂缝数量增加，这一结论说明用PI值表征沥青的感温性存在分歧。他提出了用25℃针入度与135℃黏度评价沥青感温性的方法，得出了针入度黏度指数，简称PVN^[11]。它是以25℃针入度和135℃运动黏度进行评价，并得出计算公式3：

(3)

式中，lgL＝4.25800－0.79674lgP₂₅；lgM ＝3.46289－0.61094lgP₂₅；B为沥青135℃运动黏度。

当采用25℃针入度和60℃黏度时起计算公式如下式：

(4)

式中，X＝6.489－1.590lgP₂₅－lgη60；Y＝1.050－0.2234lgP₂₅

计算PVN的方法与前面计算PI的不同之处在于是否考虑蜡对黏度值测定的影响。PI值表征的是沥青在正常温度下的针入度温度关系，没有考虑在较高温度下，沥青中的蜡会使针入度及黏度发生变化的因素。PVN值计算时使用了60℃黏度，在这个温度下，沥青中的部分蜡已经融化，该方法考虑了部分黏度降低所导致的影响，但对于部分微晶蜡的融点在70℃以上的，只有用135℃黏度时，才算考虑了全部蜡的影响。不过对路面使用温度来说，60℃黏度已基本上能反映大部分地区，夏季高温时蜡对沥青软化的影响。

对于PI及PVN两个指标哪个更能反映沥青的感温性，不同的研究者有不同的看法，加拿大等北美地区一些研究人员认为，PI更能反映低温时的感温性。PVN指数是否能适用于我国沥青的感温性评价还需要进一步研究，因此本章就PVN指数评价感温性的适用性展开研究。

从理论上分析公式3，该式综合考虑了经验指标针入度P和一个黏度指标V，采用的温度范围由针入度和黏度的测量温度确定，这比针入度指数所确定的温度范围较宽，减少了指标对温度的外延性。但是在如此宽的温度区间（＞100℃）内，仅采用两个温度点下的指标确定材料的感温性，沥青的实际服务温度大多在70℃以下， PVN_25-135采用的黏度温度高达135℃，从模拟材料的实际服务环境来看，135℃温度有点过高。

为了研究不同温度黏度所得PVN值的差别，试验对6种沥青样品进行25℃针入度和135℃的黏度测试，并依据公式3进行计算，结果见表3。

表3 6种沥青的PVN_25-135

Table 3 The PVN_25-135 of different types of asphalt

同样，试验对6种沥青样品同时进行25℃针入度和60℃的黏度测试，根据公式4 计算,结果见表4。

表4 6种沥青的PVN_25-60

Table 4 The PVN_25-60 of different types of asphalt

从表3和表4的不同温度区间内的PVN值可以看出，同一种沥青的PVN_25-135与PVN_25-60数值相差较大，这将会导致沥青温度敏感性等级的不同。从理论上来讲，PVN_25-135指数在计算过程中，跨越的温度区间为25～135℃，在如此大的温度区间内只采用两个温度点黏度，得到的感温性指标应该是不准确的，因为沥青是一种弹塑性材料，其性能随温度的变化呈现多样性特征。对于PVN_25-60来说，其温度区间25～60℃，范围变小，且覆盖了沥青材料使用的主要温度范围，因此认为在表征感温性时，PVN_25-60 要比PVN_25-135更合理些。也有研究者认为，PVN不能很好地表征改性沥青的感温性，而且该指标的评价结果与PI值可能会相互矛盾。

1.3 复数模量指数GTS

SHRP试验方法^[9]为评价沥青的感温性提供了一种新的手段，其从不同温度下沥青力学性质的变化，来表征沥青材料对温度的敏感性。对于中高温度区间内，可以采用动态剪切流变仪（DSR）进行测定。研究表明^[9]由沥青动态剪切试验得到的复数模量G*的双对数和温度的对数具有线性关系，即

lg lgG*＝GTS·lgT＋C (5)

式中：G* —— 复数模量，Pa

T —— 测试温度，K（以绝对温度表示）

C —— 常数

公式5中的GTS就是复数模量指数，表示沥青在高、中温区的感温性能。试验采用动态剪切流变仪对6种沥青进行GTS复数模量指数进行测试，试验过程中保持应力为120 Pa，以6℃作为温度跨度，在28～76℃范围内，由低温到高温依次进行测试，得到所有温度点的G*值，再由公式5进行线性回归计算，结果见表5。

表5 6种沥青的GTS值

Table 5 The GTS of six types of asphalt

在SHRP的研究中指出，复数模量 G*是一个具备物理意义的指标，表示的是损失弹性模量和动力弹性模量的矢量和，这是对沥青材料本身固有的物理性能的一种定量描述，它可以忽略对沥青材料的改性等加工过程，仅仅表示沥青本身所具有的性质，由此可以看出，这个指标可以做到对所有的沥青材料进行统一的评价。

2 3种指标的对比

本章针对3种感温性指标展开了详细的讨论，并将3种指标做了详细的对比分析，见表6。

3 结论

通过本章的研究，主要有以下结论：

(1) PI值受针入度精密度的影响较大，且所采用的温度区间相对于路面的服务温度区间过于狭窄，因此PI在沥青感温性评价上有一定的局限性。

(2) 针入度黏度指数PVN仅用两个指标进行计算得到，且不同的温度点测试结果相差较大。结合沥青的使用温度范围，在一定程度上，PVN_25-60 要比PVN_25-135更合理。

(3)利用材料物理力学指标G*构造的感温性指标GTS，直接反映了材料力学性能随温度的变化。GTS适合评价沥青中、高温的感温性。

参考文献

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第一作者：才洪美（1980—），女，汉，山东德州人，博士，高级工程师，主要从事沥青及相关产品检测技术的研究和开发，E-mail: caihongmei@customs.gov.cn

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