基质沥青四组分与常规指标相关性研究

王泽华，武新成，李宏亮，斯毅

（1.新疆农业大学 交通与物流工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆交通建设集团股份有限公司，乌鲁木齐 830011）

目前施工企业以及石油化工行业通常采用沥青常规指标来评价沥青的路用性能。沥青路用性能包括高温性能、低温性能、老化性能和其他性能指标等。利用沥青软化点、60 ℃动力黏度、135 ℃动力黏度、动态剪切实验等指标评价沥青的高温性能。利用沥青针入度、沥青延度、脆点、低温收缩、直接拉伸等指标评价沥青的低温性能。还要对沥青的密度、溶解度、闪点、燃点、蜡含量、沥青与集料的粘附性、沥青的老化性能进行评价[1]。

长安大学刘斌清等人将胶粉加入到基质沥青中制备橡胶沥青，利用灰色关联度方法对橡胶沥青四组分与各指标进行相关性研究，在橡胶沥青制备中沥青四组分比例影响着沥青性能[2]。山东建筑大学韩志超等人基于组学技术研究沥青老化基因鉴定及老化规律预测，对比沥青老化前后四组分含量及常规指标性能的变化[3]。南宁高速公路运营有限公司韩志勇以沥青的针入度、软化点、延度、黏度、PG 分级等作为参考数列，以沥青质、饱和分、芳香分、胶质作为比较数列，计算四组分对沥青性能的关联系数[4]。

本文选取新疆地区常用的6 种品牌沥青进行沥青四组分提取与常规指标检测试验。选择新疆宝利沥青、天之泽沥青、韩国SK 沥青3 种品牌进行沥青四组分与常规指标相关性分析，建立各组分与常规指标间的多元线性回归方程，对各品牌沥青组分含量与性能指标进行较深入的研究。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

选取6种新疆地区常用的A级90#基质沥青，分别为中石油（克拉玛依）、韩国SK、新疆宝利、新疆天之泽、壳牌、春风塔河沥青。

1.2 试验仪器

试验仪器包括比重瓶、针入度仪、延度仪、软化点试验仪、毛细管黏度计、沥青质抽提器、四组分玻璃吸附柱、克利夫兰开口杯式闪点仪、蒸馏烧瓶、蜡冷却过滤装置等试验仪器和设备。

1.3 试验方法

1.3.1 采用SARA 分析法

对6 种品牌沥青进行四组分分析，利用溶剂沉淀和色谱柱吸附法将沥青试样分为沥青质、胶质、芳香分、饱和分。

1.3.2 采用多变量回归分析方法

对新疆地区常用的3 种沥青进行多元线性回归分析。建立基质沥青常规指标与四组分含量的关联性方程，利用基质沥青四组分含量的最优组合来预测基质沥青的常规指标，绘制偏残差图和拟合图。

多元线性回归模型一般表现为

其中k 为变量数目，（T=1,2,3,…,n）为回归系数。

1.3.3 采用残差分析方法

将多元线性回归分析的3 种沥青结果进行残差分析。绘制置信区间，置信上限和置信下限所构成的区间即为残差范围。

将参与残差分析的3 种沥青样本指标进行统计分析，求解平均值为μ，标准偏差为σ。

整体数据的平均值：100（1-α）%

其中α为正态分布内的覆盖面积，即为对应的标准分数。

2 试验数据结果

按照沥青化学组分试验规范（T0618—1993）使用正庚烷、甲苯、甲苯- 乙醇等冲洗溶剂分离6 种不同品牌的石油沥青，试验结果见表1。

分析6 种不同品牌石油沥青轻重组分、胶体指数CI、轻重比等指标，计算结果见表2。

对6 种品牌90 号基质沥青进行常规指标检测，结果见表3。

表1 不同品牌基质沥青四组分实验结果 %

表2 不同品牌沥青轻重组分含量

表3 不同品牌90 号基质沥青常规指标检测

3 数据分析

对常用的基质沥青（SK 沥青、新疆宝利沥青、新疆天之泽沥青）建立针入度、延度、软化点、60 ℃动力黏度等常规指标与沥青四组分的相关关系，将每种品牌沥青重复试验七次，利用溶剂沉淀和色谱柱吸附法将每种品牌沥青式样分为沥青质、胶质、芳香分、饱和分。

利用多元线性回归分析法建立沥青常规指标与四组分之间的回归方程，并利用偏最小二乘法确定沥青指标与四组分之间的相关系数R、F 值、概率P 值以及误差方差值等。

利用MATLAB 软件绘制SK 沥青、宝利沥青、天之泽沥青的四大指标与各自沥青四组分含量的残差——置信区间图和拟合图。

3.1 沥青组分与针入度相关性分析

基质沥青四组分与针入度的相关性见表4。

表4 基质沥青四组分与针入度的相关性

通过表4可以看出，韩国SK 沥青、新疆宝利沥青、天之泽沥青的回归关系式中沥青质对应的回归方程系数远大于其他组分，表明沥青质含量对针入度影响最大，沥青质含量越大，针入度指标越小。相关系数R 由大到小依次为韩国SK沥青、新疆宝利沥青和天之泽沥青，相关系数越大四组分含量与针入度影响越密切。F 值中韩国SK 沥青最大，回归性显著。概率P 值韩国SK 沥青最小，回归性显著。不同品牌沥青针入度偏残差见图1，不同品牌沥青针入度拟合图见图2。

图1 不同品牌沥青针入度偏残差图

图2 不同品牌沥青针入度拟合图

通过图1可以看出不同品牌沥青重复试验7 次，均存在残差值较大的样本。三种沥青均有不在置信区间范围内的样本，韩国SK 沥青和新疆宝利沥青分别有一个样本残差值接近于零。韩国SK 沥青针入度样本点（4、5、6、7），新疆宝利沥青针入度样本点（3、5），天之泽沥青针入度样本点（1、2、4、5），置信区间较宽，置信水平较高，回归性较显著。

通过图2可以看出各品牌沥青重复试验7次，基质沥青四组分含量随针入度指标动态变化。“+”代表中间5 个样本点四组分含量值，经过多元线性回归拟合，可以看出韩国SK 沥青四组分与针入度指标拟合度较好，回归曲线基本穿越样本点，回归性显著。

3.2 沥青组分与延度相关性分析

基质沥青四组分与延度的相关性见表5。

表5 基质沥青四组分与延度的相关性

通过表5可以看出，韩国SK 沥青、新疆宝利沥青、天之泽沥青的回归关系式中胶质对应的系数远大于其他组分，表明胶质含量对延度影响最大，胶质含量越大，沥青延度性能越好。相关系数R 中三种品牌沥青的四组分与延度指标均有很好的相关性。F 值中宝利沥青＞天之泽沥青＞SK 沥青，F 值均较大，回归性显著。概率P 值均在0.000 1～0.05 之间，回归性显著。不同品牌沥青延度偏残差见图3，不同品牌沥青延度拟合图见图4。

图3 不同品牌沥青延度偏残差图

图4 不同品牌沥青延度拟合图

通过图3可以看出每种沥青重复试验7 次，沥青延度残差值分布合理。韩国SK 沥青只有一个样本点不在置信区间范围内，韩国SK 沥青和新疆宝利沥青分别有一个样本残差值接近于零。韩国SK 沥青延度样本点（3、4、5、6、7），新疆宝利沥青延度样本点（1、2、3、6），天之泽沥青延度样本点（1、2、4、5、6、7），置信区间较宽，置信水平较高，回归性较显著。

通过图4可以看出每种沥青重复试验7 次，基质沥青四组分含量随着延度指标动态变化。“+”代表中间5 个样本点四组分含量值，经过多元线性回归拟合，可以看出新疆宝利沥青、天之泽沥青四组分与针入度指标拟合度较好，回归曲线基本穿越样本点，回归性显著。

3.3 沥青组分与软化点相关性分析

基质沥青四组分与软化点的相关性见表6。

通过表6可以看出，韩国SK 沥青、天之泽沥青的回归关系式中沥青质对应的系数远大于其他组分，表明沥青质含量对软化点影响最大，沥青质含量越多，沥青软化点越接近标准值，芳香分含量越少，软化点越接近标准值，胶质含量与软化点性能相关性不明显。相关系数R 由高到低排列依次为：韩国SK 沥青、新疆宝利沥青、新疆天之泽沥青。F 值中SK 沥青远大于新疆宝利沥青和天之泽沥青，表明SK 沥青回归性显著。概率P 值均在0.001～0.05 之间，回归性显著。

不同品牌沥青软化点偏残差见图5，不同品牌沥青软化点拟合图见图6。

表6 基质沥青四组分与软化点的相关性

图5 不同品牌沥青软化点偏残差图

图6 不同品牌沥青软化点拟合图

通过图5可以看出三种沥青重复试验7 次，沥青软化点残差值分布合理。韩国SK 沥青、新疆宝利沥青均有一个样本点不在置信区间范围内，而且均有一个样本残差值接近于零。韩国SK 沥青软化点样本点（1、3、4、5、6），新疆宝利沥青软化点样本点（3、5、7），天之泽沥青软化点样本点（1、2、4、5、7），置信区间较宽，置信水平较高，回归性越显著。

通过图6可以看出三种沥青重复试验7 次，基质沥青四组分含量随着软化点指标动态变化。“+”代表中间5 个样本点四组分含量值，经过多元线性回归拟合，可以看出韩国SK 沥青四组分含量与软化点指标拟合度较好，回归曲线基本穿越样本点，回归性显著。新疆宝利沥青和天之泽沥青少数样本点穿越回归曲线，回归性较弱。

3.4 沥青组分与60 ℃动力黏度相关性分析

基质沥青四组分与60 ℃动力黏度的相关性见表7。

表7 基质沥青四组分与60 ℃动力黏度的相关性

通过表7可以看出，韩国SK 沥青、新疆宝利沥青、天之泽沥青的回归关系式中轻组分（饱和分和芳香分）对应的系数远大于重组分（沥青质和胶质）对应的系数，表明芳香分和饱和分的含量决定沥青60 ℃动力黏度的指标，饱和分和芳香分与60 ℃动力黏度成负相关，胶质和沥青质与60 ℃动力黏度成正相关。相关系数R 中三种沥青四组分与60 ℃动力黏度均有较高相关性。F 值中新疆宝利沥青远大于SK 沥青和天之泽沥青，说明回归方程显著性为新疆宝利沥青＞天之泽沥青＞SK 沥青。概率P 值均在0.001～0.05之间，回归性显著。不同品牌沥青60 ℃动力黏度偏残差见图7，不同品牌沥青60 ℃动力黏度拟合图见图8。

通过图7可以看出三种沥青重复试验7 次，沥青60 ℃动力黏度残差值分布合理。韩国SK沥青和新疆宝利沥青分别有一个样本残差值接近于零。韩国SK 沥青60 ℃动力黏度样本点1、3、5，新疆宝利沥青60 ℃动力黏度样本点1、2、3、5、6、7，天之泽沥青60 ℃动力黏度样本点1、4、5、6、7，置信区间较宽，置信水平较高，回归性越显著。

通过图8可以看出三种沥青重复试验7 次，沥青四组分含量随着60 ℃动力黏度指标动态变化。“+”代表中间5 个样本点四组分含量值，经过多元线性回归拟合，可以看出三种沥青四组分与针入度指标拟合度较好，回归曲线基本穿越样本点，回归性显著。

4 结论

a）沥青质含量对针入度影响最大，沥青质含量越多，饱和分含量越多，芳香分含量越少，针入度指标越小。胶质含量的多少对沥青针入度基本没有影响。

b）沥青胶质含量与延度成正相关。即随着胶质含量增加，沥青的延展性能越好。饱和分、芳香分和沥青质对沥青延度影响较小。

c）沥青质的含量对软化点的影响最大，沥青质和饱和分含量越多，软化点越高，芳香分含量越少，软化点越高。胶质对沥青软化点基本没有影响。

d）沥青轻组分对60 ℃动力黏度影响较大，饱和分和芳香分与60 ℃动力黏度成负相关，胶质和沥青质与60 ℃动力黏度成正相关。轻质组分使沥青动力黏度降低，重质组分使沥青动力黏度升高。

e）根据四组分含量与常规指标关系，建立沥青常规指标之间的相关性，即随着沥青针入度指标增大，软化点指标减小，延度指标增加，60 ℃动力黏度减小。

f）沥青四组分含量对不同品牌基质沥青常规指标均有显著的相关性。因此，在沥青生产与应用中应重视基质沥青性能与四组分比例。

图7 不同品牌沥青60 ℃动力黏度偏残差图

图8 不同品牌沥青60 ℃动力黏度拟合图