针入度指数PI值的研究与探讨

针入度指数PI的研究与探讨 黄卫东，孙立军，陈佩茹 （同济大学  道路与交通教育部重点试验室，上海　 200092 ） 摘要：本文回顾了PI的历史，探讨了PI的应用基础和适用范围，辨析了含蜡沥青的软化点与针入度的关系，并通过实验与分析发现，PI受是否预冷、温度及温度个数等因素的影响，针入度在允许误差范围内的变化会引起PI更大的波动，回归时很高的相关系数并不能说明由试验数据回归的PI是可信的，由于改性沥青的针入度的对数与相应的温度之间不再是线性关系，PI用于评价改性沥青的感温性能有一定的局限性。 关键词：沥青，感温性，针入度指数，针入度，改性沥青 Study on Penetration index HUANG Wei-dong, SUN Li-jun, Chen Pei-ru (Key Lab. Of Road and Traffic Engineering, Ministry of Education at Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract: Firstly, a brief review about Penetration index (PI) is given. It is generally believed that PI is based on the hypothesis that there is linear relationship between the temperature and the LogP and PI is only affected by asphalt itself. According to Chinese specification, PI value is regressed based on the penetration results with five different temperatures, which is different from European’s specification. According to test result and data analysis in the paper, it is found that PI value predicted by Chinese specification is affected by many factors other than bitumen itself. Besides, the vale of PI is sensitive to the penetration error. So in the regression process of PI value, the high estimation accuracy does not indicate the PI value can be really predicted by this method. For Polymer-modified asphalt (PMA), there is no linear relationship between the temperature and the LogP, so it is more unreliable to evaluate the performance of PMA by PI. Keywords: asphalt, temperature susceptibility, Penetration index, penetration, Polymer-modified asphalt 1. 针入度指数的历史溯源 1889年，Browen设计了针入度试验，由于其简便快捷，应用至今；1936年，Pfeiffer提出针入度的对数与相应的温度之间存在线性关系[1]，即： lgP=AT+K A一般称为针入度温度指数，A可以通过测定两个不同温度下的针入度来获得， A＝(lgP1-lgP2)/(T1-T2) A值在0.015－0.06范围内变化，Pfeiffer和Van doormaal假定路用沥青的温度敏感性的数值约为0，而制定了针入度指数PI为： PI值的范围从－3（高感温性）到7（低感温性）。毫无疑问PI由A唯一确定，PI与A的用途相同，不同的仅仅是达的不同。 Pfeiffer和Van doormaal又发现在环球软化点温度时，大多数沥青的针入度约为800，因此Pfeiffer和Van doormaal用软化点温度代替T2[1]，可以得出如下： A＝(lgP1-lg800/(T1-TR&B) 由于25C针入度是常规指标，一般用25C代替T1，因此实际上通过25C针入度和软化点就可以直接求出PI[2]。目前国际上通常采用这一方法来求取PI。 到了二十世纪60年代，壳牌公司的研究者Heukelom等发现[3]：对于高软化点的沥青（T800＞65C）、高PI值及高含蜡量的沥青，采用公式lgP=AT+K回归得到的软化点温度时的针入度值并不在800附近，由此推出：把软化点温度时的沥青针入度作为800这个假设并不适用于所有沥青，因此计算PI时用两个不同温度下实测的针入度求得的PI优于用软化点求得的PI。 由于在高软化点的沥青（T800＞65C）、高PI值及高含蜡量三种情形中只有高含蜡量的沥青常用于道路中，因此在道路界的观点就是：含蜡量高的沥青在软化点温度时的针入度不是800。 在我国，由于早期的沥青含蜡量比较高，因此引入了T800并称为当量软化点，通过实验与推算也发现两者之间有很大的不同，建议用当量软化点来代替实测的环球软化点，同时在求PI时采用的多个温度下的针入度进行回归计算[4]。 根据八五攻关的研究成果，提出了以温度敏感性作为沥青性质之本，提出用3个（15、25、30C）或3个以上不同温度的针入度作为最主要的指标，同时还可以回归出T800和T1.2来分别评价沥青的高温和低温性能，并以相关系数检验试验数据是否可信，当相关系数小于0.995，说明试验误差过大，此试验数据不能使用[5]。后来在制定公路工程沥青及沥青混合料试验规程时，又将相关系数提高到0.997[6]。 随着改性沥青在我国使用的迅速扩大，我国又制定了《公路改性沥青路面施工技术》，在这一规范中，PI同样被作为一个重要指标加以引入，其回归方法与普通沥青的相同，相关系数同样要求大于0.997，同时强调在进行仲裁试验时，三个温度进行回归不够，要用五个温度进行回归[7]。 在最新的《公路改性沥青路面施工技术规范》（JTJ　F40－2003）[12]送审稿中，对非改性沥青也提出了PI要求，并且指出5个温度的PI作为仲裁试验，即意味对普通沥青，也是5个温度得出的PI优于3个温度的得出的PI。 由于感温性指标可以同时评价沥青在高温和低温时的性能，因此如果以一个指标来判断沥青的性能，则感温性能指标要优于单个的高温或低温指标，但PI体系的缺点就是它只用相当窄的温度范围内的沥青性质变化来表示它的性能，过高或者过低温度外推的情况有时会引起误导，PI值虽可以相当近似的反映沥青性能，但是还应该测度其硬度或粘度以作进一步鉴定[2]。 从历史溯源可以看出，PI应用基础是沥青的针入度的对数与相应的温度之间存在线性关系这一规律，而这一规律是在对大量普通石油沥青试验中发现的经验规律，并不是一个理论上广泛成立的规律，因此这一规律的适用范围仅适用于普通石油沥青，如果要将这一规律推广到其它结合料如改性沥青上，需要进行大量的试验进行深入的研究以确认这一规律是否可以推广，如果线性关系不成立，则用PI来推测高温或低温时的性能将引起更大的误导。 2. T800的探究 目前我国采用当量软化点代替软化点、用两个或多个针入度推算PI来代替原来的用25C和软化点来计算PI方，主要是基于如下的看法：某些沥青尤其是含蜡量比较高的沥青在软化点附近的针入度并不是800。那么这一说法是否充分呢？ 仔细研究Heukelom数据及结论会发现[3]，Heukelom在他的研究中犯了逻辑上的错误：他并没有真正测量过软化点时的针入度，就现有的文献来看，只有Pfeiffer和Van doormaal实际测量过软化点时的针入度[1]，Heukelom大多数针入度只到200[3，fig. 3]，只有少量的达到300[3，fig. 2]，他通过这些低针入度值进行回归，发现普通沥青在软化点时的针入度确实在800附近，而含蜡量高的沥青在软化点时的回归针入度值不在800，他因此断定含蜡量高的沥青软化点时的针入度不是800[3]，但他实际并没有实测含蜡量高的沥青在软化点附近的针入度，他的高含蜡量沥青在软化点附近的针入度也是回归的，它回归的基础仍旧是假定沥青的针入度的对数与温度成线性关系。 Heukelom就在这同一文章中指出[3]：作为含蜡量高的W级沥青，由于蜡的作用，在较高温度时，针入度对数与温度的线性关系不再成立，对含蜡沥青的这一结论在《壳牌沥青手册》也明确指出[2]：普通的含蜡沥青在软化点附近的针入度随温度的变化关系是波动的。这表明对高含蜡沥青，针入度的对数与温度在软化点附近不再成线性关系，因此用较低温度时测量的针入度值来回归软化点附近的针入度显然是不可行的，由此得出的关于含蜡沥青在软化点时的针入度不在800附近的结论也是站不住脚的，因此软化点附近的针入度到底是不是在800附近，应该通过实测来确定，同样对改性沥青在软化点附近的针入度到底是不是在800附近也不能通过针入度的回归，而必须由实测来确定，因为改性沥青的针入度对数与温度的线性关系是否成立也不能确定。 3. PI的精密度研究 对A、B、C、D四种重交沥青进行了研究，这四种沥青的常规数据如下： 表1　四种沥青典型常规指标 试样编号 A B C D 针入度@25℃ 64.3 74.9 81.2 95.4 软化点(℃) 48 47 46.5 44 粘度@60℃ 220 243 181.2 176.5           沥青在放置过程中会发生结晶现象，导致沥青的针入度发生变化，而沥青在不同温度下放置会发生不同形式的结晶，因此沥青试样在目标温度水浴前的温度对试验结果有明显影响，为了消除这种影响，最好的作法是对针入度试验的处理均为在室温下恒温后再置于较低温度的水浴中预冷，这种处理可以使沥青在目标温度前的温度均为同一温度，系统消除不同温度下结晶造成的误差； 测量了5个温度(10,15,20,25和30 ℃)的针入度。首先将四种沥青在室温下恒温后再置于7 ℃水浴中预冷，然后放入目标温度的水浴中恒温，在计算针入度指数等感温性参数时，对10～30 ℃中5个温度进行了3种组合分析：第一组是规范要求的3个温度，即15,25和30 ℃ ；第二组是10,15和20 ℃；第三组是10,15,20,25和30 ℃测量的5个温度。试验结果及相应的PI列于下表： 表2　预冷条件下感温性参数计算结果 试样编号 A B C D 试样状态 预冷 预冷 预冷 预冷 10 ℃ 10.0000 11.6667 12.0000 15.8000 15 ℃ 17.6000 20.4000 20.0333 26.3333 20 ℃ 32.0000 36.0000 38.4333 45.4667 25 ℃ 57.9333 66.5000 68.3667 84.0333 30 ℃ 105.0000 116.733 124.833 143.900 PI15,25,30 -1.6318 -1.5014 -1.7808 -1.3420 R215,25,30 1.000 1.000 1.000 1.000 PI10,15,20 -1.4894 -1.2917 -1.5014 -0.8953 R210,15,20 1.000 1.000 0.995 1.000 PI10,15,20,25,30 -1.6148 -1.4647 -1.6475 -1.2775 R210,15,20,25,30 1.000 1.000 0.999 1.000