石油沥青针入度与温度的关联研究

张小英，徐传杰，张 强

（1.中国石油大学 重质油国家重点实验室,山东 青岛266580；2.山东石大科技集团有限公司,山东 东营257062）

路面行车舒适、噪音低、柔性好、耐久性强一直是路面黏结材料科研工作者不断追求的目标。沥青材料的应用虽然已经有上百年的历史，但是因为沥青材料组成和结构的复杂性、评价手段的有限性，使得科学、正确、全面认识沥青材料和评价沥青材料性能的研究进展缓慢。

国内外先后开发了3个评价体系评价沥青的性能[1-3]，即针入度分级体系、黏度分级体系和PG（Performance Grade）分级体系。黏度分级和PG分级体系的建立对科学理解沥青材料黏弹性能方面具有积极的推动作用，而具有百年历史的针入度分级体系一直被认为是一种简单、传统的分级体系，该体系不仅对评价沥青产品的性能有效，而且在选择和判断生产沥青油源上具有明显的优越性。我国在道路施工中采用针入度分级体系已经积累了丰富的经验，但是在3个分级体系中，因为不同分级技术指标适宜测定的温度范围不同，现实应用中难以实现用一个指标从低温到高温所有应用温度范围评价沥青的流变性质，无法实现不同分级体系之间技术指标的相互关联，造成不能全面、正确地认识和评价沥青产品的性能，也给不同国家之间的技术交流和产品贸易造成困扰。

针入度是沥青分级体系的基础分级技术指标，该指标与温度密切相关。1936年J.P.Pfeiffer等[4]将不同温度下的沥青针入度的对数与摄氏温度进行关联，得出沥青针入度的对数与温度呈很高的线性关系，并用针入度对数-摄氏温度直线关系的斜率，来表征沥青材料的温度敏感性。后来国际上很多研究也都采用这种方式评价沥青产品的温度敏感性[5-12]，并将温度敏感性指标列入产品规范中[8]。

80多年来国内外对针入度与温度的关系都采用针入度的对数与摄氏温度的相关性进行研究，并未涉及到针入度的对数或双对数与其他温度表达方式之间的关联，无法判断其是否为最优的表达方式。

本研究通过针入度对数、针入度双对数与摄氏温度、绝对温度的倒数之间关联的对比分析，为实现3个沥青评价体系的分级指标间有效的关联创造条件，希望通过该研究找到突破,进一步理解石油沥青产品不同分级体系流变性质之间的联系。

1 研究内容及实验方法

采集两种国内不同油源生产的6种不同牌号的10个沥青产品为研究对象，进行15、25、30℃下针入度的测定，对分析得到的针入度结果进行不同形式的运算后与不同温度的表达方式进行关联，评价这些指标之间相关性的优劣，力图找出表征针入度与温度关系的最佳模型。针入度的测定方法采用GB/T 4509ˉ2010[13]。10种沥青产品的性质见表1。由表1可见，10种沥青都满足相应牌号的重交通道路石油沥青GB/T 15180ˉ2010[14]产品技术指标要求。

表1 沥青产品性质Table 1 Properties of asphalt

2 结果与讨论

我国的针入度分级体系中，中温指标通过针入度进行评价，表征沥青产品的软硬程度和抗疲劳性能。一般认为，沥青产品的针入度越低，沥青产品越硬，沥青产品的耐久性越好。

为了对比针入度的不同运算方式与不同温度的表达方式之间关联性的优劣,研究采用针入度的对数lgP、针入度的双对数lg(lgP)分别与摄氏温度t、绝对温度的倒数(1 000/T)进行关联，找出针入度与温度的最优的关联模型。研究结果如图1ˉ4和表2ˉ3所示。

图1 针入度的对数与摄氏温度的关联 Fig.1 The figure correlation between lg P and t

图3 针入度的双对数与摄氏温度的关联 Fig.3 The figure corr elation between lg(lg P)and t

图4 针入度的双对数与绝对温度的倒数的关联Fig.4 The figure corr elation between lg(lg P)and 1 000/T

表2 针入度的对数与摄氏温度、绝对温度的倒数拟合方程及参数Table 2 Equation and parameter of the correlation between lg P and t,1000/T

表3 针入度双对数与摄氏温度和绝对温度倒数之间拟合方程及参数Table 3 Equation and parameter of the correlation between lg(lg P),t and 1 000/T

通过图1ˉ4、表2ˉ3的对比可以看出，10种沥青其针入度的对数、双对数都随着摄氏温度的增加而增加，随着绝对温度的倒数的增加而降低。采用摄氏温度和绝对温度的倒数分别与针入度的对数和针入度的双对数进行线性拟合，10个沥青的相关系数的绝对值均分别高于0.999 10、0.999 29、0.996 26和0.997 25。4种拟合关系都具有非常高的线性相关性。10种沥青4种拟合关系中相关性从低到高的顺序为：针入度的双对数与摄氏温度的相关性＜针入度的双对数与绝对温度的倒数的相关性＜针入度的对数与摄氏温度的相关性＜针入度的对数与绝对温度倒数的相关性。由此可以判断，在4种线性拟合关系中，针入度的对数与绝对温度的倒数的相关性是最高的。

通过对比相关性可以得出针入度的对数与绝对温度的倒数的相关性最高，但是针入度的对数与摄氏温度和绝对温度的倒数相关性非常接近，为了找出表征针入度与温度关系更高的相关性，避免因为数据测定结果影响相关性的高低趋势，将这两个线性拟合方程的斜率和截距进行了线性拟合，结果见图5、6和表4。

通过图5、6和表4的对比可以看出，针入度的对数与摄氏温度拟合方程的斜率和截距基本没有相关性，而与绝对温度的倒数拟合方程的斜率和截距之间具有很高的相关性，相关系数为ˉ0.992 82。

图5 K lg P-t与B lg P-t的关联Fig.5 The figure correlation between K lg P-t and B lg P-t

由针入度的对数与摄氏温度、绝对温度的倒数的相关性以及该拟合方程的斜率和截距之间的相关性，综合判断得出：在4种线性拟合关系中针入度的对数与绝对温度的倒数的相关性更适合表达针入度与温度的相关性。已使用了近80年的用来表征针入度与温度关系的针入度对数与摄氏温度的线性关系并不是最优的线性关系。

根据图2、表2可知，针入度的对数与绝对温度的倒数之间拟合方程的通式为：

图2 针入度的对数与绝对温度倒数的关联Fig.2 The figure correlation between lg P and 1000/T

式中，P（T）为T温度下的针入度，0.1 mm；T为绝对温度，K；KlgP-1000/T和BlgP-1000/T分别为拟合直线关系的斜率和截距，对特定沥青均为常数。

根据图6、表4可知：

图6 K lg P-1000/T与B lg P-1 000/T的关联Fig.6 The figure correlation between K lg P-1 000/T and B lg P-1 000/T

式中，a和b为KlgP-1000/T和BlgP-1000/T之间的拟合直线关系的截距和斜率。

从图6和表4中得出，10种沥青b＝ˉ0.273 38，a＝0.156 85，带入式（2）中得到：

表4 K lg P-t和B lg P-t、K lg P-1 000/T和B lg P-1 000/T之间拟合方程及参数Table 4 Equation and parameter of the correlation between K lg P-t and B lg P-t，K lg P-1000/T and B lg P-1000/T

将式（3）带入式（1）可以得到：

式（4）将10种沥青产品针入度与温度数据用一个表达式进行表达,只要测定一个温度下的针入度,就可以计算得到这个沥青材料在0～35℃的针入度，换句话说，每个沥青材料具有独一无二的BlgP-1000/T，BlgP-1000/T具有“指纹”特性，这个“指纹”决定了该沥青的针入度和温度关系。

本研究中ZH系列沥青材料是环烷基原油生产的沥青产品，KL系列沥青是中间-环烷基原油生产的沥青产品。10种沥青产品的针入度牌号从30号到130号共6个牌号，由此可以看出，式（1）、（2）具有一定的普遍适用性。

沥青是由成千上万的烃类分子和烃类的衍生物组成的复杂混合物。这些混合物虽然具有不同的分子结构和分子质量，但是组成沥青的主要物质为饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质。当由一种原油生产不同针入度的沥青时，针入度高的沥青包含了针入度低的沥青的所有组分，而不同的是，针入度更高的沥青中分子质量较低的饱和分和芳香分含量稍高，进而影响了沥青产品的胶体结构和分子间的缔合作用。

虽然生产沥青的原油分类不同，但是其组成成分中的饱和分、芳香分、胶质、沥青质的差别分别体现在链的长短和分支的丰富度、芳环的个数和芳环的结合方式、杂原子种类和杂原子在分子结构中的位置。这些变化遵循着相似的规律：即整个体系力求宏观胶体结构的稳定、化学性能稳定和分子结构空间构象上的平衡。10种沥青针入度的对数与绝对温度的倒数线性方程不同，反映了化学组成、分子结构和组分含量的变化，而其斜率和截距之间满足相同的线性关系，反映了石油沥青材料的胶体结构和宏观性质的相似性。虽然不同原油生产的沥青宏观性质不同，但其针入度的对数与绝对温度的倒数线性拟合方程的斜率和截距之间却满足相同的线性关系。

本文利用两种原油生产的沥青进行研究得出以上规律，这些规律是否具有完全的普遍适用性，针入度的对数与绝对温度的倒数关系是否是表征针入度与温度的最优关系，还需要用更多原油生产的更多牌号的沥青和更多的针入度和温度的表达式进行回归证明。

3 结 论

（1）针入度的对数、针入度的双对数分别与摄氏温度、绝对温度的倒数都具有很高的线性相关性。在4种关系中，针入度的对数与绝对温度的倒数线性关系的相关性最高。

（2）针入度的对数与摄氏温度线性关系的斜率和截距没有相关性，而针入度的对数与绝对温度的倒数对应的线性关系的斜率和截距具有较高的相关性，相关系数为ˉ0.992 82。

（3）用针入度的对数与绝对温度倒数之间的线性相关性表征针入度与温度的关系比针入度的对数与摄氏温度的线性相关性更优。