張小英，徐傳杰，張 強

（1.中國石油大學 重質(zhì)油國家重點實驗室,山東 青島266580；2.山東石大科技集團有限公司,山東 東營257062）

路面行車舒適、噪音低、柔性好、耐久性強一直是路面黏結材料科研工作者不斷追求的目標。瀝青材料的應用雖然已經(jīng)有上百年的歷史，但是因為瀝青材料組成和結構的復雜性、評價手段的有限性，使得科學、正確、全面認識瀝青材料和評價瀝青材料性能的研究進展緩慢。

國內(nèi)外先后開發(fā)了3個評價體系評價瀝青的性能[1-3]，即針入度分級體系、黏度分級體系和PG（Performance Grade）分級體系。黏度分級和PG分級體系的建立對科學理解瀝青材料黏彈性能方面具有積極的推動作用，而具有百年歷史的針入度分級體系一直被認為是一種簡單、傳統(tǒng)的分級體系，該體系不僅對評價瀝青產(chǎn)品的性能有效，而且在選擇和判斷生產(chǎn)瀝青油源上具有明顯的優(yōu)越性。我國在道路施工中采用針入度分級體系已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，但是在3個分級體系中，因為不同分級技術指標適宜測定的溫度范圍不同，現(xiàn)實應用中難以實現(xiàn)用一個指標從低溫到高溫所有應用溫度范圍評價瀝青的流變性質(zhì)，無法實現(xiàn)不同分級體系之間技術指標的相互關聯(lián)，造成不能全面、正確地認識和評價瀝青產(chǎn)品的性能，也給不同國家之間的技術交流和產(chǎn)品貿(mào)易造成困擾。

針入度是瀝青分級體系的基礎分級技術指標，該指標與溫度密切相關。1936年J.P.Pfeiffer等[4]將不同溫度下的瀝青針入度的對數(shù)與攝氏溫度進行關聯(lián)，得出瀝青針入度的對數(shù)與溫度呈很高的線性關系，并用針入度對數(shù)-攝氏溫度直線關系的斜率，來表征瀝青材料的溫度敏感性。后來國際上很多研究也都采用這種方式評價瀝青產(chǎn)品的溫度敏感性[5-12]，并將溫度敏感性指標列入產(chǎn)品規(guī)范中[8]。

80多年來國內(nèi)外對針入度與溫度的關系都采用針入度的對數(shù)與攝氏溫度的相關性進行研究，并未涉及到針入度的對數(shù)或雙對數(shù)與其他溫度表達方式之間的關聯(lián)，無法判斷其是否為最優(yōu)的表達方式。

本研究通過針入度對數(shù)、針入度雙對數(shù)與攝氏溫度、絕對溫度的倒數(shù)之間關聯(lián)的對比分析，為實現(xiàn)3個瀝青評價體系的分級指標間有效的關聯(lián)創(chuàng)造條件，希望通過該研究找到突破,進一步理解石油瀝青產(chǎn)品不同分級體系流變性質(zhì)之間的聯(lián)系。

1 研究內(nèi)容及實驗方法

采集兩種國內(nèi)不同油源生產(chǎn)的6種不同牌號的10個瀝青產(chǎn)品為研究對象，進行15、25、30℃下針入度的測定，對分析得到的針入度結果進行不同形式的運算后與不同溫度的表達方式進行關聯(lián)，評價這些指標之間相關性的優(yōu)劣，力圖找出表征針入度與溫度關系的最佳模型。針入度的測定方法采用GB/T 4509ˉ2010[13]。10種瀝青產(chǎn)品的性質(zhì)見表1。由表1可見，10種瀝青都滿足相應牌號的重交通道路石油瀝青GB/T 15180ˉ2010[14]產(chǎn)品技術指標要求。

表1 瀝青產(chǎn)品性質(zhì)Table 1 Properties of asphalt

2 結果與討論

我國的針入度分級體系中，中溫指標通過針入度進行評價，表征瀝青產(chǎn)品的軟硬程度和抗疲勞性能。一般認為，瀝青產(chǎn)品的針入度越低，瀝青產(chǎn)品越硬，瀝青產(chǎn)品的耐久性越好。

為了對比針入度的不同運算方式與不同溫度的表達方式之間關聯(lián)性的優(yōu)劣,研究采用針入度的對數(shù)lgP、針入度的雙對數(shù)lg(lgP)分別與攝氏溫度t、絕對溫度的倒數(shù)(1 000/T)進行關聯(lián)，找出針入度與溫度的最優(yōu)的關聯(lián)模型。研究結果如圖1ˉ4和表2ˉ3所示。

圖1 針入度的對數(shù)與攝氏溫度的關聯(lián) Fig.1 The figure correlation between lg P and t

圖3 針入度的雙對數(shù)與攝氏溫度的關聯(lián) Fig.3 The figure corr elation between lg(lg P)and t

圖4 針入度的雙對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)的關聯(lián)Fig.4 The figure corr elation between lg(lg P)and 1 000/T

表2 針入度的對數(shù)與攝氏溫度、絕對溫度的倒數(shù)擬合方程及參數(shù)Table 2 Equation and parameter of the correlation between lg P and t,1000/T

表3 針入度雙對數(shù)與攝氏溫度和絕對溫度倒數(shù)之間擬合方程及參數(shù)Table 3 Equation and parameter of the correlation between lg(lg P),t and 1 000/T

通過圖1ˉ4、表2ˉ3的對比可以看出，10種瀝青其針入度的對數(shù)、雙對數(shù)都隨著攝氏溫度的增加而增加，隨著絕對溫度的倒數(shù)的增加而降低。采用攝氏溫度和絕對溫度的倒數(shù)分別與針入度的對數(shù)和針入度的雙對數(shù)進行線性擬合，10個瀝青的相關系數(shù)的絕對值均分別高于0.999 10、0.999 29、0.996 26和0.997 25。4種擬合關系都具有非常高的線性相關性。10種瀝青4種擬合關系中相關性從低到高的順序為：針入度的雙對數(shù)與攝氏溫度的相關性＜針入度的雙對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)的相關性＜針入度的對數(shù)與攝氏溫度的相關性＜針入度的對數(shù)與絕對溫度倒數(shù)的相關性。由此可以判斷，在4種線性擬合關系中，針入度的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)的相關性是最高的。

通過對比相關性可以得出針入度的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)的相關性最高，但是針入度的對數(shù)與攝氏溫度和絕對溫度的倒數(shù)相關性非常接近，為了找出表征針入度與溫度關系更高的相關性，避免因為數(shù)據(jù)測定結果影響相關性的高低趨勢，將這兩個線性擬合方程的斜率和截距進行了線性擬合，結果見圖5、6和表4。

通過圖5、6和表4的對比可以看出，針入度的對數(shù)與攝氏溫度擬合方程的斜率和截距基本沒有相關性，而與絕對溫度的倒數(shù)擬合方程的斜率和截距之間具有很高的相關性，相關系數(shù)為ˉ0.992 82。

圖5 K lg P-t與B lg P-t的關聯(lián)Fig.5 The figure correlation between K lg P-t and B lg P-t

由針入度的對數(shù)與攝氏溫度、絕對溫度的倒數(shù)的相關性以及該擬合方程的斜率和截距之間的相關性，綜合判斷得出：在4種線性擬合關系中針入度的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)的相關性更適合表達針入度與溫度的相關性。已使用了近80年的用來表征針入度與溫度關系的針入度對數(shù)與攝氏溫度的線性關系并不是最優(yōu)的線性關系。

根據(jù)圖2、表2可知，針入度的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)之間擬合方程的通式為：

圖2 針入度的對數(shù)與絕對溫度倒數(shù)的關聯(lián)Fig.2 The figure correlation between lg P and 1000/T

式中，P（T）為T溫度下的針入度，0.1 mm；T為絕對溫度，K；KlgP-1000/T和BlgP-1000/T分別為擬合直線關系的斜率和截距，對特定瀝青均為常數(shù)。

根據(jù)圖6、表4可知：

圖6 K lg P-1000/T與B lg P-1 000/T的關聯(lián)Fig.6 The figure correlation between K lg P-1 000/T and B lg P-1 000/T

式中，a和b為KlgP-1000/T和BlgP-1000/T之間的擬合直線關系的截距和斜率。

從圖6和表4中得出，10種瀝青b＝ˉ0.273 38，a＝0.156 85，帶入式（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之間擬合方程及參數(shù)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

將式（3）帶入式（1）可以得到：

式（4）將10種瀝青產(chǎn)品針入度與溫度數(shù)據(jù)用一個表達式進行表達,只要測定一個溫度下的針入度,就可以計算得到這個瀝青材料在0～35℃的針入度，換句話說，每個瀝青材料具有獨一無二的BlgP-1000/T，BlgP-1000/T具有“指紋”特性，這個“指紋”決定了該瀝青的針入度和溫度關系。

本研究中ZH系列瀝青材料是環(huán)烷基原油生產(chǎn)的瀝青產(chǎn)品，KL系列瀝青是中間-環(huán)烷基原油生產(chǎn)的瀝青產(chǎn)品。10種瀝青產(chǎn)品的針入度牌號從30號到130號共6個牌號，由此可以看出，式（1）、（2）具有一定的普遍適用性。

瀝青是由成千上萬的烴類分子和烴類的衍生物組成的復雜混合物。這些混合物雖然具有不同的分子結構和分子質(zhì)量，但是組成瀝青的主要物質(zhì)為飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。當由一種原油生產(chǎn)不同針入度的瀝青時，針入度高的瀝青包含了針入度低的瀝青的所有組分，而不同的是，針入度更高的瀝青中分子質(zhì)量較低的飽和分和芳香分含量稍高，進而影響了瀝青產(chǎn)品的膠體結構和分子間的締合作用。

雖然生產(chǎn)瀝青的原油分類不同，但是其組成成分中的飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的差別分別體現(xiàn)在鏈的長短和分支的豐富度、芳環(huán)的個數(shù)和芳環(huán)的結合方式、雜原子種類和雜原子在分子結構中的位置。這些變化遵循著相似的規(guī)律：即整個體系力求宏觀膠體結構的穩(wěn)定、化學性能穩(wěn)定和分子結構空間構象上的平衡。10種瀝青針入度的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)線性方程不同，反映了化學組成、分子結構和組分含量的變化，而其斜率和截距之間滿足相同的線性關系，反映了石油瀝青材料的膠體結構和宏觀性質(zhì)的相似性。雖然不同原油生產(chǎn)的瀝青宏觀性質(zhì)不同，但其針入度的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)線性擬合方程的斜率和截距之間卻滿足相同的線性關系。

本文利用兩種原油生產(chǎn)的瀝青進行研究得出以上規(guī)律，這些規(guī)律是否具有完全的普遍適用性，針入度的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)關系是否是表征針入度與溫度的最優(yōu)關系，還需要用更多原油生產(chǎn)的更多牌號的瀝青和更多的針入度和溫度的表達式進行回歸證明。

3 結 論

（1）針入度的對數(shù)、針入度的雙對數(shù)分別與攝氏溫度、絕對溫度的倒數(shù)都具有很高的線性相關性。在4種關系中，針入度的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)線性關系的相關性最高。

（2）針入度的對數(shù)與攝氏溫度線性關系的斜率和截距沒有相關性，而針入度的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)對應的線性關系的斜率和截距具有較高的相關性，相關系數(shù)為ˉ0.992 82。

（3）用針入度的對數(shù)與絕對溫度倒數(shù)之間的線性相關性表征針入度與溫度的關系比針入度的對數(shù)與攝氏溫度的線性相關性更優(yōu)。