春风塔河优质道路沥青性能评价

高 冰 梅

(中国石化炼油销售有限公司，上海 200050)

作为沥青混合料的黏结剂，石油沥青性能的好坏是影响沥青路面路用性能的重要因素之一。目前，国内道路沥青出厂执行交通部《公路沥青路面施工技术规范》[1](JTG F40—2004)中的“道路石油沥青技术要求”。该技术要求是经验性标准，缺少明确的物理意义[2]，难以全面、直接地反映沥青的路用性能。不同原油生产的沥青化学组成不同，而化学组成与沥青的使用性能密切相关，出厂质量合格的沥青产品有时候会出现因化学组成不合理而导致使用性能不佳，沥青路面出现松散、车辙、裂纹等问题，即 “合格不好用”现象。因此，沥青尤其是新油种生产的沥青在铺路应用前，对其进行系统、全面的性能分析和评价就显得十分重要和必要。

新疆地区幅员辽阔，气候差别大，依据气候分区影响因子将全疆分为4个不同的公路使用性能区域：水稳性和冰冻性区、低温抗裂区、高低温过渡区和高温抗车辙区，不同气候区对沥青及沥青混合料使用性能的要求各不相同[3]，这就要求用于新疆地区路面铺筑的沥青应同时具有较好的抗高温变形、低温抗裂及抗疲劳等性能。中国石油化工股份有限公司为解决西部地区优质沥青资源不足的问题，通过产-销-研联合攻关，研究春风减压渣油和塔河减压渣油的不同组成和性质，利用两者在性能方面的互补性，采用调合工艺工业试生产出春风塔河优质道路沥青[4]。以下对首次工业化批量生产的春风塔河优质道路沥青进行性质和化学组成分析、性能等级(PG分级)和混合料性能评价，为今后大批量连续生产和市场应用提供技术依据和技术支撑。

1 样品来源

经过在新疆库车生产厂工业试生产验证春风减压渣油和塔河减压渣油调合生产方案的可行性，随后在新疆乌苏生产厂工业化批量生产春风塔河优质道路沥青70A和90A(简称春风塔河70A沥青、春风塔河90A沥青)约10 kt。按照《沥青取样法》(GB/T 11147—2010)要求，在生产厂储罐分别采集典型春风塔河70A和90A沥青样品，作为试验用样品。

2 春风塔河70A和90A沥青性能评价

2.1 质量检测

委托国家道路及桥梁质量监督检验中心(简称国检中心)和苏交科集团股份有限公司(简称苏交科)，按《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)“道路石油沥青技术要求”中的项目，对春风塔河70 A和90 A沥青进行质量检测，并分别与国内某品牌同规格沥青质量进行比较，结果见表1。

表1 春风塔河70A和90A沥青检测结果

1)薄膜烘箱试验。

从表1可以看出：国检中心和苏交科两个机构的检测结果均表明春风塔河70A和90A沥青产品质量均能满足JTG F40—2004的技术要求，尤其是动力黏度、TFOF试验前后的低温延度和残留针入度比，高出技术要求较多；与国内某品牌同规格沥青相比，春风塔河70A和90A沥青针入度指数适中、软化点和动力黏度(60 ℃)高、低温延度大、蜡含量低、残留针入度比和残留低温延度大，充分表明春风塔河70A和90A沥青均具有感温性好、高温性能好、低温下的松弛性能[1]和耐热老化性能[5]优良的优点。

2.2 化学组成分析

石油沥青的使用性能与化学组成密切相关，沥青是由各种极性、非极性分子通过复杂分子间作用而形成的材料。从分子极性看，沥青由饱和分、芳香分、胶质和沥青质四组分组成，芳香分和饱和分一起构成连续相，使胶质-沥青质形成胶胞而稳定分散，沥青质的存在对沥青的感温性能和高温性能有正面的影响，胶质的存在可使沥青具有良好的塑性和黏附性，并能改善沥青的抗脆裂性，提高沥青的延伸度。沥青中四组分存在一个较好的构成比例，当饱和分质量分数为8%～15%、芳香分质量分数为30%～55%、胶质质量分数为25%～45%、沥青质质量分数为1%～10%时，沥青的各项性能较优[4，6]。

分别对春风塔河70A和90A沥青、国内某品牌同规格沥青进行了族组成对比分析，结果见表2。从表2可以看出：春风塔河70A和90A沥青的沥青质质量分数均在1%～10%范围，胶质质量分数均接近45%；而国内某品牌70A和90A沥青四组分中的沥青质质量分数均小于1%，胶质质量分数均高于45%较多。说明从组成来看，春风塔河70A和90A沥青四组分构成比例均较好，合理的沥青质和胶质含量对其感温性能、高温性能和抗脆裂性均有正面的影响。

表2 春风塔河70A和90A沥青与国内某品牌沥青的族组成对比 w，%

2.3 PG分级

PG分级是20世纪90年代美国战略性公路研究计划(SHRP)提出的一种沥青分级体系，对于道路沥青具有很好的适用性，目前在全世界得到普遍认同和广泛采用[7]。与沥青常规质量分析不同的是，沥青PG分级能真实地反映其实际使用环境，与其使用性能有直接相关性。因此，正确选择适宜PG分级的沥青，能最大限度地减少沥青路面永久变形、疲劳开裂和低温开裂[2，8]。

采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[9](JTG E20—2011)中的动态剪切流变性质试验、弯曲蠕变劲度试验、断裂性能试验及压力老化(PAV)试验等PG分级的试验方法对春风塔河70 A和90 A沥青、国内某品牌同规格沥青进行PG分级，结果见表3。

表3 春风塔河70A和90A 沥青PG分级结果

1)旋转薄膜烘箱试验。

2.3.1 高温稳定性能SHRP沥青路用性能规范(简称SHRP规范)中，沥青的高温稳定性用平均最高路面设计温度时的原样沥青及RTFOT试验后残留沥青的车辙因子(G*sinδ)作为评价指标，G*sinδ越大，流动变形越小，抗高温变形的能力就越强，它要求原样沥青和RTFOT残留沥青在最高路面设计温度下的G*sinδ分别不得小于1.0 kPa 和2.2 kPa[2，10-11]。

从表3可以看出：春风塔河70 A和90 A原样沥青在高温64 ℃时的G*sinδ均符合SHRP规范的技术要求，且富余度较大，表明这两种沥青抗高温变形的能力较强；两种沥青经RTFOT试验老化处理后，其在高温64 ℃时的G*sinδ均比原样沥青大，表明老化后的沥青抗车辙能力均有明显提高；高温64 ℃时，春风塔河70A和90A无论是原样沥青还是短期老化沥青，与国内某品牌同规格沥青相比，相同条件下G*sinδ更大，说明其抗高温变形能力更强。

2.3.2 抗疲劳性能SHRP规范采用(RTFOT+PAV)试验后沥青的疲劳因子G*sinδ作为评价沥青疲劳性能的指标，G*sinδ越大则重负荷载作用下的能量损失越多。研究表明，沥青混合料的疲劳损伤或疲劳寿命与循环加载下的能量损失具有比例关系。因此，较小的G*sinδ代表较好的抗疲劳性能[2，11]。

从表3可以看出，经过(RTFOT+PAV)试验后，春风塔河70 A和90 A沥青在中温22 ℃时(最高设计温度和最低设计温度的平均值以上4 ℃左右) 的G*sinδ均比SHRP规范要求的5 000 kPa小很多，表明使用这两种类型沥青的混合料抵抗疲劳损伤的效果较好；国内某品牌同规格沥青在中温25 ℃时的G*sinδ才符合SHRP规范要求；春风塔河70 A和90 A沥青在中温22 ℃时，G*sinδ比国内某品牌同规格沥青分别小64百分点和67百分点，充分表明其具有更好的抗疲劳性能。

2.3.3 低温抗裂性能SHRP规范中，采用对(RTFOT+PAV)试验后的沥青进行小梁低温弯曲流变试验测定沥青的低温性能，主要包括弯曲蠕变劲度模量(S)和蠕变曲线斜率(m)两个指标。S过高，沥青会呈现出脆性，低温抗裂性能差；m值越高，应力松弛性能越好，低温抗裂性能越强[2，11]。

从表3可以看出，经过(RTFOT+PAV)试验后，春风塔河70 A和90 A沥青在-18 ℃下的S和m均符合SHRP规范要求，低温等级为-28 ℃，而国内某品牌同规格沥青的S和m在-12 ℃下才符合SHRP规范要求，低温等级均为-22 ℃，充分表明春风塔河70 A和90 A沥青适合铺筑更低温度下的路面，低温抗裂性能更佳。

综合来看，春风塔河70 A和90 A沥青的PG分级均为PG64-28，即表明其具有能适应路面温度高达64 ℃、低至-28 ℃的物理特性，而国内某品牌同规格沥青PG分级均为PG64-22，显然春风塔河70 A和90 A沥青除了抗高温变形能力、低温抗裂和抗疲劳性能良好外，低温抗裂性能尤其突出，适合在气候变化大的新疆地区应用。

2.4 混合料性能评价

根据新疆地区公路工程路面常用石料、结构层混合料类型，选择常用混合料级配类型AC-20和AC-16对70A和90A沥青分别进行混合料抗水损害、高温、低温等性能评价，并与国内某品牌同规格沥青的混合料性能进行比较。

2.4.1 不同混合料类型的级配组成通过配合比设计，根据沥青混合料的孔隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等体积指标和马歇尔稳定度等要求，分别针对春风塔河70A和90A沥青，最终确定AC-20和AC-16级配组成，分别见表4～表6。春风塔河70A沥青的AC-20级配的最佳油石质量比为4.3%，AC-16级配的最佳油石质量比为4.6%；春风塔河90A沥青的AC-20级配的最佳油石质量比为4.0%，AC-16级配的最佳油石质量比为4.3%。

表4 春风塔河70A沥青的不同混合料类型的级配组成 w，%

表5 春风塔河90A沥青的AC-20的级配组成 w，%

表6 春风塔河90A沥青的AC-16的级配组成 w，%

2.4.2 最佳油石比下的马歇尔试验按照确定的集料级配和最佳油石比，分别采用春风塔河70A和90A沥青制备马歇尔试件，拌合温度为165 ℃，击实温度为150 ℃，双面各击实次数为75次，试验结果分别见表7和表8。

由表7和表8可以看出，最佳油石比下的春风塔河70A和90A沥青混合料马歇尔试验的各项结果均满足JTG F40—2004的技术要求。

表7 春风塔河70A沥青的混合料马歇尔试验结果

表8 春风塔河90A沥青的混合料马歇尔试验结果

2.4.3 混合料性能试验按照确定的春风塔河70A和90A沥青的集料级配和最佳油石比，采用JTG E20—2011[9]中水稳定试验、车辙试验、低温小梁弯曲破坏应变试验方法，分别对其与国内某品牌同规格沥青进行混合料性能试验，结果见表9和表10。

从表9可以看出：春风塔河70A沥青和国内某品牌同规格沥青的混合料各项指标均满足JTG F40—2004的技术要求，春风塔河70A沥青的两种类型的混合料动稳定度比技术要求的下限值分别高出542%和419%，表明其具有优良的抗车辙能力；破坏应变比技术要求的下限值分别高出89%和87%，表明其具有优良的低温抗裂性能。春风塔河70A沥青与国内某品牌同规格沥青的混合料残留稳定度、冻融劈裂强度分别相当，表明它们的抗水损害性相当；春风塔河70A沥青的混合料动稳定度和破坏应变均高于国内某品牌70A沥青，表明其具有更优的混合料抗车辙能力和低温抗裂性能。

表9 春风塔河70A沥青混合料性能试验结果

表10 春风塔河90A沥青混合料性能试验结果

从表10可以看出：春风塔河90A沥青和国内某品牌同规格沥青的混合料各项指标均满足JTG F40—2004的技术要求，春风塔河90A沥青的两种类型的混合料动稳定度比技术要求的下限值分别高出236%和589%，表明其具有优良的抗车辙能力；破坏应变比技术要求的下限值分别高出80%和21%，表明其具有优良的低温抗裂性能。春风塔河90A沥青和国内某品牌同规格沥青的混合料残留稳定度、冻融劈裂强度分别相当，表明它们的抗水损害性相当；春风塔河90A沥青的混合料动稳定度略高于国内某品牌90A沥青，破坏应变高于国内某品牌90A沥青，表明其抗车辙能力略好于国内某品牌90A沥青，但低温抗裂性能更优。

综上，春风塔河70A和90A沥青混合料具有高温性能好、低温性能优良的优点，路用性能良好。

3 结 论

(1)春风塔河70A和90A沥青的质量及四组分组成分析结果表明，其质量达到JTG F40-2004技术要求，具有针入度指数适中、软化点和动力黏度(60 ℃)高、低温延度大、蜡含量低、残留针入度比和残留低温延度大、四组分构成比例较好、感温性好、高温性能好、低温性能和耐热老化性能优良的优点，与国内某品牌沥青相比表现出更好的路用性能。

(2)春风塔河70 A和90 A沥青PG分级均为PG64-28，具有良好的抗高温变形能力、低温抗裂和抗疲劳性能，低温抗裂性能尤其突出，适合在气候变化大的新疆地区应用。