沥青针入度指数影响因素研究

才洪美 刘洋 梅顺平 金长泰

（泰州出入境检验检疫局 江苏泰州 225300）

沥青针入度指数影响因素研究

才洪美 刘洋 梅顺平 金长泰

（泰州出入境检验检疫局 江苏泰州 225300）

主要考察了温度及温度点的数量对针入度指数的影响，并通过绘制Log（p）和T的关系曲线给出测试针入度指数时应选择的温度区间及温度点数量。

沥青；针入度指数；影响因素

1 前言

所有沥青都具有热塑性能，加热时变软，遇冷时变硬，且不同类型的沥青对温度的敏感性不同。沥青感温性是沥青的粘度或稠度随温度改变而变化的程度，它是决定沥青使用时的工作性以及应用于路面中服务性的重要指标。更确切地说，沥青路面的抗车辙能力、抗低温开裂能力和耐久性等主要技术性质都与沥青的感温性有内在联系［1］。表示和评价沥青感温性的指标主要有3种：针入度指数（PI）、针入度粘度指数（PVN）和复数模量指数（GTS）。在我国比较常用且形成行业标准的是PI，用于检测沥青PI值的标准主要有GB/T 4509-2010、JTG E20 T0604-2011和ASTM D5/D5M-13，3个标准在测试过程中对温度点的选择和所需数量有不同的要求，进而导致PI值有所差别。为了PI检测结果的准确性和可靠性，本项目针对温度点选取和所需温度点数量对PI值的影响进行研究。

2 PI值

我国“八五”攻关课题进一步验证得出结论［2］，认为PI值应该由针入度温度曲线的直线斜率得到。为了求取针入度温度曲线的直线斜率，应该采用3个或3个以上温度的针入度值（通常采用15℃、25℃和30℃的针入度值），经过式（1）回归计算求得斜率A，再由式（2）计算求得PI。

“八五”攻关研究中还提出，为了检验试验数据的准确性，利用式1回归时的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个温度针入度回归的相关系数R应在0.997以上；由4个温度针入度回归的R值应不小于0.995，后来在制定公路工程沥青及沥青混合料试验规程时，又将R值提高到0.997。否则说明试验误差过大，此试验数据不能使用。由此可以看出，PI值只用相当窄的温度范围内的logP和T的线性关系来表示，因此温度点的选择和温度点的数量是直接影响PI值的主要因素。

3 温度点对PI值的影响研究

基于上述对PI值的分析，本研究针对目前江苏常用的一些道路石油沥青，做了不同温度针入度试验，按照相应公式计算各种不同温度区间下的PI值，以考察该指标作为道路石油沥青性能指标的适用性，结果见表1。

表1　不同品种沥青材料在不同温度区间内的PI值（3个温度）

表1显示，尽管针入度对数值和温度的线性方程的相关系数都较好（相关系数＞0.997），但对于绝大部分沥青无论是连续温度区间或是较大跨度温度区间下的PI值都相当发散，表明在不同温度区间下的PI值各不相同，因此PI值与所取的温度区间范围有密切关系。换句话说，不同温度区间下的A值各不相同，即在logP和T的关系中不同温度区间下的斜率不是定值。

由于交通部规范［3］中对A等级沥青PI值的要求是介于（-1.5）-（+1.0）之间，从上述结果来看，不同温度点的选取导致PI值的误差较大，也就是不同温度点的测试可以导致同一种沥青的PI值一个符合规范要求，一个不符合要求。例如SK70号沥青，由5℃、15℃、20℃计算得到的PI值为-1.66，该PI值超出规范要求；而由15℃、25℃、30℃计算得到的PI值为-0.87，该PI值则符合规范要求。由此可以看出，由不同温度点测试得到的沥青PI值会有所不同，因此建议在报告PI值的同时，应注明测试所用温度。

为了考察温度点数量对PI值的影响，接下来扩大温度区间，选取4个温度点进行测试，结果见表2。

表2　扩大温度区间后不同品种沥青的PI值（4个温度）

续表2

表2显示，当测试温度范围扩大一个温度点后，PI值的偏差有增加的趋势。从检测方法方面考虑，首先从计算公式2可以看出，A值的系数是50，也就是说，A值的微小变化会导致PI值的偏差放大50倍。其次，由于PI是由一系列不同温度下的针入度值计算得出，本身针入度的测试也存在误差，如对于针入度在60到80之间的沥青，针入度试验方法标准［5-7］规定重复性不超过平均值的4%，再现性不超过平均值的8%，针入度数值的变动也会导致PI值偏差的增加。例如陈惠敏在《关于沥青针入度指数》［4］中曾给出解释，欢喜岭沥青25℃的针入度为75（0.1 mm），允许波动范围是60-81；40℃的针入度为312（0.1 mm），允许波动范围为287-337，经计算得出在25℃-40℃区间下对应的PI值为（+0.20）-（-0.55），PI偏差绝对值达0.75。

同一种沥青在不同温度区间下PI值发散可能有多方面原因，值得进一步探讨。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，有些沥青在较低温区域可能趋向于凝胶结构，对温度的敏感性变小，而在中温区域趋向于溶-凝胶结构，对温度的敏感性略大；而氧化（或半氧化）沥青在中温区域已显示出典型的凝胶结构特性。所以lgP和T只在较窄温度区间下有线性关系，并不适用于P和T的关系。最具线性的温度区间的选择对于不同沥青可能不同，这就增加了求解PI值的工作量和复杂度。

在最新的交通部沥青针入度测试标准［5］中，当进行仲裁试验时，应选择5个温度条件进行测试，这就意味对沥青而言，5个温度得出的PI优于3个温度得出的结果。PI值用来评价沥青的感温性能，是基于沥青针入度的对数和相应的温度之间存在线性关系这一规律。从曲线回归来看，温度点越多、相关系数越接近1，回归的线性越趋于准确，即PI值越准确。由此也可以看出，采用测试温度点越多，所得到的PI值越能表征沥青的感温性能。

为了进一步发现不同温度区间内PI值的变化，本研究选取6个温度点进行测试，并绘制出lgP-T关系图，见图1。

图1　不同品种沥青的lg P-T图

从各个曲线的R值来看，尽管这些沥青的lgPT线性关系相当好，但仍可见不同温度区间下的直线有不同斜率；因而各连续温度区间下的A值和PI4 结果与讨论

值相差很大。从曲线斜率的变化可以看出，在15℃-30℃温度区间内，lgP和温度相对具有好的线性关系，在5℃-10℃和30℃-40℃两个区间内的曲线斜率相对其他温度点变化较大，可能是在较低温度和较高温度下沥青的感性性能有所变化所致，由此建议在测试沥青的PI值时，尽量选取该温度区间的温度点。

（1）对于同一种沥青而言，在不同温度区间下表征沥青感温性的A值和针入度指数PI值是不同的，即该沥青在lgP和T的关系中不同温度区间下的斜率不是定值。

（2）PI值是基于针入度条件性指标计算得出的参数，求解针入度指数的偏差受试验方法的精密度制约。此外，PI值是经过lgP和T的曲线回归得到的，因此所选择的温度及温度点的数量对曲线的回归都会产生影响，因此在报告PI值结果的同时，建议标注选择的所有温度点。

（3）在15℃-30℃温度区间内，lgP和T相对具有好的线性关系，对过高或过低温度区域外的推断都会产生偏差。从lgP和T呈现先行关系来分析，测试所需温度点越多、回归系数越接近1，所得到的PI值越准确。

［1］陈佩茹，刘炤宇.关于沥青感温性指标的讨论［J］.交通运输工程学报，2006，6（2）：23-26.

［2］交通部公路科学研究所.“八五”国家科技公关专题“道路沥青及沥青混合料路用性能的研究”总报告［R］.北京，1995.

［3］JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范［S］.

［4］陈慧敏.关于沥青针入度指数［J］.石油沥青，2003，17（5）：1-9.

［5］JTG E20-2011 T0604-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程沥青针入度实验［S］.

［6］GB/T 4509-2010沥青针入度测定法［S］.

［7］ASTM D5/D5M-13沥青材料针入度标准测试方法［S］.

Study on the Influencing Factors of Asphalt Penetration Index

Cai Hongmei，Liu Yang，Mei Shunping，Jin Changtai
（Taizhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Taizhou，Jiangsu，225300）

The temperature selection and the number of temperature points on the influence of PI were researched in this study，and through mapping the Log（p）and temperature T gave the temperature range and the number of temperature points in the testing of PI.

Asphalt；Penetration Index；Influencing Factors

TU57+1

E-mail：caihm123@163.com

2015-04-23