密度与沥青低温性能关系研究

徐传杰， 张小英

（1.山东石大科技石化有限公司，山东日照276806；2.中国石油大学（华东）重质油国家重点实验室，山东青岛266580）

沥青是重要的石油化工产品，广泛应用于交通、建筑和防水工业中，特别是在公路中的应用约占沥青产品的85%。用沥青铺筑的沥青路面与用水泥修筑的沥青路面具有行车舒适，噪音低、具有较好的柔性，所以目前路面铺筑中的黏结材料主要采用沥青材料。

沥青是一种黏弹材料。在低温下沥青材料变硬变脆，随着温度的降低，当沥青混合料内部的热应力超过沥青材料本身冻裂需要的应力时，路面就会出现裂缝。裂缝的出现给雨、雪、砂浸入沥青内部提供了条件，从而降低了沥青材料内部的黏聚力和沥青材料与混合料界面之间的黏附力，打开了水进入路面结构的开口，加速了路面的水损坏，缩短路面的寿命。SHRP研究表明，在沥青路面的低温裂缝病害中，沥青路面的低温裂缝主要受沥青材料的低温性能控制，沥青材料的贡献约占80%。因此正确有效评价沥青材料的低温性能至关重要［1－2］。

为了正确评价沥青材料的低温性能，SHRP 研究开发了弯曲梁流变仪用于测定沥青材料在低温时的弯曲蠕变劲度（S）以及弯曲蠕变劲度斜率（m）［3－4］。在寒冷的气候条件下，路面的低温开裂主要是由快速温降引起的。随着路面温度的降低，蠕变劲度增加。当沥青材料的低温柔性较好时，蠕变劲度可以通过黏弹流动进行释放。因此较低的蠕变劲度和较高的蠕变劲度斜率可以表征沥青的性能［5］。在沥青蠕变性质与温度的关系对比研究中，王立志等［2，5］进行了12种沥青的温度与S、m 之间的关系研究，研究得出得到如下关系：

式 中：SS为lgS 与T 的斜率，Sm为m 与T 的斜率，C1和C2为常数［2，5］。由此可以看出，沥青材料的低温蠕变性能与温度密切相关。

密度是石油运输和生产过程的重要参数，石油产品的密度与化学组成和结构密切相关。在分子式相同的脂肪烃中直链烃的密度高于含有支链的脂肪烃的密度。这是因为分子结构越紧凑，密度越高［6］。因此具有相同分子式不同结构的烃类具有不同的密度。同时相同碳数的石油烃类中芳香烃的密度最高、环烷烃次之，脂肪烃密度最小。

密度作为石油产品的基础性质主要用于炼油装置和设备、设计、石油产品的计量以及质量与体积之间的换算外。密度可以用于石油产品的其他性质如°API和 特性参数（Kw）的计算，用于粗略判断石油产品的化学组成［7－9］。

一些研究人员曾通过石油产品的密度预测产品黏度、分子质量等的性质［10－11］。国内和国际通过沥青产品的密度预测沥青产品性能的文献也比较少。徐传杰等［12］将同一种原油生产的不同牌号沥青的密度与温度、针入度等进行关联得到了很好的线性相关性。并用沥青密度随温度的变化趋势来预测沥青的低温抗裂性。还用密度与温度的关系、温度与蠕变性质之间的关联成功预测了相同原油生产的不同牌号沥青的蠕变性质［13－14］，这些研究为沥青的密度在沥青性能的评价方面提出了很好的思路。

本项研究的主要目的就是研究沥青材料的密度、蠕变性质与温度之间的关系，为评价沥青材料的低温性能提供新的思路。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验原料为国内一种环烷基原油生产的AH－70－1 沥 青 和 一 种 中 间－环 烷 基 原 油 生 产 的AH－70－2沥青。两个原油生产的AH－70沥青基础数据见表1。从表1中可以看出，两个沥青针入度在误差范围内相等，均符合重交通道路石油沥青产品指标的要求。

表1 两种重交沥青性质分析数据Table 1 The data of properties of two heavy asphalts

1.2 实验仪器和测试方法

沥青密度的测定温度范围为10～180 ℃，其中10～60℃的密度按照GB／T 8928—2008采用比重瓶法进行测定，加热介质为水［15］。130～180 ℃的密度根据GB／T1884—2000 采用密度计进行测量得到［16］，加热介质为二甲基硅油，密度单位为g／cm3。

S（弯曲蠕变劲度）和m（弯曲蠕变劲度斜率）是沥青材料用美国Normalab Analis公司生产的P877型旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）［17］老化后再用美国Alloy Fabricators公 司 生 产 的Model 9300 压 力 容器老化试验（PAV）［18］老化后得到的残留物进行弯曲蠕变劲度试验（BBR）［19］进行测定得到。S 单位为MPa。

2 结果与分析

2.1 密度与温度之间的关系

两个沥青产品密度与温度关系数据以及将数据进行作图并回归得到的回归方程见图1。

图1 温度与密度关系Fig.1 The graph of the relationship between temperature and density

从图1中可以看出，沥青的密度随着温度的增加而降低，并且与温度呈线性关系，相关系数均大于0.997。由此判断，沥青的密度与相应温度具有很好的线性相关性。从图1中还可以看出，两个原油生产的沥青虽然针入度基本相同，但是密度与温度关系斜率差别较大，AH－70－1号沥青密度与温度关系斜率的绝对值大于AH－70－2号沥青的斜率，斜率为负值。两个沥青密度与温度关系的截矩为正值，AH－70－1号 的 截 矩 大 于AH－70－2 号 沥 青 的 截 矩。密度与温度关系方程的通式可表示为：

式中：t—温度，℃；

ρ（t）—对应温度t时的密度，g／cm3；

K—直线斜率；

C—截距。

温度和密度回归方程的斜率对沥青性质的影响主要是借助于温度的变化通过分子运动速率的变化、分子间的作用力和分子活动范围的变化而体现。随着外界温度的增加，沥青分子的热运动加剧，分子有挣脱其他分子束缚的趋势，分子之间的相互作用力减弱，分子的活动空间增加，材料的密实程度降低，致使密度降低，单位质量沥青的体积增加。相反当温度降低时，上述性质均朝着反方向发展。这解释了沥青的密度与温度关系斜率为负值的原因。

从两个沥青的密度随温度的变化关系回归方程的斜率可以看出，AH－70－1沥青密度与温度关系的斜 率 约 为－0.0 0 0 6 8 6，而AH－7 0－2的 斜 率 为－0.000 5，这说明当温度变化值相同时，AH－70－1沥青的密度变化较大，沥青的体积变化较多，对温度敏感。

沥青密度的变化对沥青材料的低温路用性能的影响主要体现在路面抗低温收缩裂缝性能中。

对于一种沥青，当温度从t1变化到t2时，它对应的密度分别为ρ1 和ρ2，而每克沥青的体积则变为1／ρ1和1／ρ2，根据公式（3），1g沥青从t1变化到t2时产生的体积变化公式变为：

将公式（4）中的分子和分母同时除以K2得到：

因为对本项研究的两种沥青，K 的数量级为10－4，C 的数值大约为1，所以C／K 的数值大约为104左右，远远高于路面温度t1或t2，所以上式可以简化为：

假设路面的碾压温度一般为135℃。不同地域冬季最低温度有显著的不同，例如哈尔滨最低温度达到－30 ℃，而广州的最低温度一般为10 ℃左右。两个AH－70号沥青的K 值分别约为－0.000 589和－0.000 510，C 为1.021 5和0.988 6，当采用哈尔滨最低温度为－30 ℃，将K 和C 值代入公式（6）则AH－70－1 号 沥 青 的 体 积 减 少0.095 14cm3。AH－70－2号沥青的体积减少0.085 12cm3。而对于广 州，则AH－70－1 号 沥 青 的 体 积 减 少0.072 08 cm3，AH－70－2号沥青的体积减少0.064 48cm3。所以相同的沥青在不同的地域变化产生的体积变化不同。从上面的数值也可以看出，当变化温度相同的时候，沥青密度与温度关系的斜率的绝对值越高，单位质量沥青的体积变化越大。一般认为当沥青的体积受到外界约束时，体积变化越大，材料产生的内部应力越大。

通常用于铺路沥青路面的集料密度一般为2.5～3.3g／cm3，石头的热膨胀系数比沥青小得多。例如对于花岗岩的线性热膨胀系数为4.61×10－6℃－1。如果将集料想象为一个立方体，那么温度每增加1 ℃，1cm3的花岗岩的体积增加为线性膨胀系数的3倍即为13.81×10－6cm3，如果按照集料的密度为3g／cm3，那么1g集料的体积变化为4.61×10－6cm3。而对于1g的AH－70－1号沥青利用密度与温度的关系方程（见方程（4））体积则增加5.746 3×10－4cm3，所以相同质量的沥青随着温度的增加体积增加为相同质量石料体积增加的125倍。由此可以看出，石料的体积膨胀系数远小于沥青的膨胀系数。如果也按照线性膨胀系数的理论，则70 号沥青的线性膨胀系数约为1.891 8×10－4℃－1，约为花岗岩的41.04倍。

如果路面的压实温度为135 ℃，在135 ℃1 mm 厚的90号沥青膜在0 ℃的厚度则为0.974 5 mm，在－20℃的厚度则为0.970 7mm，因此从135℃到－20 ℃厚度变化了0.029 3 mm，厚度变化率为2.9%。同时集料的体积变化虽然比较小，但实际在减小，实际上在集料与集料之间的沥青膜厚度的变化比0.029 3mm 还要大。如果沥青与集料之间没有黏附作用，收缩应力的产生可以通过厚度的自由变化得到释放。但是黏附力的作用阻止了沥青内部收缩应力的释放，同时集料的收缩也增加了体积收缩的过程中会产生的收缩应力，当收缩应力大于集料与沥青之间的黏附力时，沥青就会在集料界面处产生断裂，这种断裂会严重降低沥青路面的抗水损坏能力。如果沥青本身的收缩应力小于黏附力，但是大于沥青本身可以承受的黏结力，断裂就会发生在沥青膜的内部。这种断裂虽然在高温下在无外界干扰的情况下有一定自愈能力，但是在自然界，沥青膜内部的断裂会受冰、雪、水、沙尘的影响，无法实现完全性能的完全恢复，因此路面的裂缝无法消失，路面的破坏也就产生了。一旦沥青膜或界面产生破坏点，破坏点处的黏附力和黏结力就会显著下降，在破坏点处就形成一个薄弱点，其最低可应用温度就会升高。因此，沥青路面收缩裂缝与沥青的密度随温度的变化关系密切相关。如果沥青的密度随着温度变化不敏感，体积收缩就会减少，产生的收缩应力也就会小得多，这种材料的抗低温收缩裂缝性能自然会改善。这是在没有负载作用的条件下沥青本身因为温度变化对路面性能的影响。

2.2 温度与蠕变性质之间的关系

在SHRP研究中，沥青的蠕变性质常用来评价沥青的低温性能。沥青的蠕变性质包含两个参数S和m。S 为在一定温度下在固定载荷作用下沥青内部产生的蠕变劲度。而m 则是指劲度的释放速率。一般认为在相同的温度下S 越低，m 越高，沥青的低温性能越好。

AH－70－1和AH－70－2的S 对温度的变化数据以及回归方程见图2。

图2 温度与蠕变劲度关系Fig.2 The graph of the relationship between temperature and creep stiffness

从图2中可以看出，S 的对数与温度呈线性关系，线性关系的斜率小于零，这说明S 随着温度的增加而降低。从图2的回归关系可以看出，AH－70－1 沥青的S 的对数与温度关系的斜率的绝对值大于AH－70－2的斜率。这说明当变化相同温度时AH－70－1沥青的S 变化量更多，对温度更敏感。在相同温度下的AH－70－1沥青的S 均大于AH－70－2的S，这说明当同样温度下，在施加相同的荷载的情况下，AH－70－1 沥青产生的蠕变劲度大于的AH－70－2的蠕变劲度，说明从蠕变劲度角度考虑，AH－70－1 沥青的低温抗收缩裂缝能力较AH－70－2 沥青差。

m 值随温度的变化关系以及回归方程见图3。

图3 m 值与温度关系Fig.3 The graph of the relationship between temperature and mvalue

从图3 中可以看出，随着温度的增加m 值增加。m 值与温度呈线性关系，相关系数大于0.99。从图3中可以看出，m 值与温度关系的回归方程斜率大于零，为正值，这说明温度越高，沥青在施加荷载的作用下产生的劲度越容易释放并释放越快。从两个沥青材料的m 值随温度的变化关系可以看出，在相同温度下AH－70－1 沥青的m 值小于AH－70－2的m 值，这说明在相同温度下，AH－70－1 沥青的蠕变劲度释放速率较慢，更容易积聚蠕变劲度，抗低温收缩裂缝的能力较弱。从m 值随温度的变化率也就是m 值与温度回归关系的斜率可以看出，AH－70－1 沥青m－t的斜率大于AH－70－2相应的值，这说明AH－70－1沥青m 值随温度的变化更显著，温度敏感性更强。由此可以判断，AH－70－2沥青抵抗低温收缩裂缝能力更强。

2.3 密度与蠕变性质之间的关系

从图1 中可以看出，密度与温度呈线性关系。从图2中和图3中可以看出，蠕变劲度S 的对数和m 值与温度也呈线性关系，由此可以推断，蠕变性质与密度之间必然也有很好的相关性。为了验证这些关系的正确性。本研究用密度与温度关系得到的方程计算蠕变性质对应温度下的密度，并将密度与蠕变性质进行作图和回归得到图4和图5。

图4 密度与蠕变劲度关系Fig.4 The graph of the relationship between density and creep stiffness

图5 密度与m 值关系Fig.5 The graph of the relationship between density and mvalue

从图4中可以看出，两种70号沥青的蠕变劲度的对数与沥青的密度呈线性关系，回归系数大于0.97。根据回归方程可以看出回归方程的斜率大于0，这说明沥青的蠕变劲度的对数随着密度的增加而增加。

从图5中可以看出，m 值与密度也呈线性关系，回归系数大于0.97。通过回归方程可以看出回归方程的斜率小于0，这说明沥青材料的劲度释放速率随着密度的增加而降低。

通过上述研究发现，沥青的蠕变性质与沥青的密度密切相关。通过两种沥青性质的对比可以看出，当采用温度与密度的关系的方程判断得出AH－70－1沥青的抗低温收缩裂缝能力要劣于AH－70－2沥青。而通过沥青材料的低温蠕变性质随着温度的变化关系也可以得出相同的优劣顺序。这说明通过沥青材料的密度与温度关系的斜率可以判断沥青材料的低温性能的优劣。

本项研究采用了两种相同牌号不同原油来源的沥青材料进行分析得到上述规律，不同牌号的沥青低温性能的优劣是否可以通过密度与温度关系进行判断还需要进一步的研究。

3 结论

通过对AH－70－1和AH－70－2进行研究得到结论如下：

（1）随着温度增加，沥青材料的密度降低，蠕变劲度的对数降低，m 值增加。沥青材料的密度、蠕变劲度对数、m 值与温度均呈线性关系，相关系数均大于0.97。

（2）随着沥青材料密度的增加，蠕变劲度增加和m 值降低。密度与同温度下的蠕变劲度对数和m 值呈线性关系，相关系数大于0.97。

（3）AH－70－1密度与温度关系的斜率小于AH－70－2的斜率。AH－70－2的低温性能均优于AH－70－1的低温性能。

（4）密度与温度关系可用于判断沥青材料低温性能的优劣顺序，判断得到的优劣顺序与从蠕变性质判断得到的顺序相同。

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