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摘要：针入度指标是评价沥青性质的关键指标之一，在沥青路面施工过程中，沥青要经过运输、储存、拌和成沥青混合料等各施工环节，不可避免的要进行加热。沥青在加热过程中必然伴随着老化的发生，使沥青的性质逐渐降低。通过室内试验的方法寻求沥青热老化的规律，对科学指导施工具有重大意义。
关键词：道路工程 沥青 针入度指标 温度
中图分类号：U41文献标识码：A 文章编号：
0 引言
石油沥青是用石油经各种炼制工艺和加工而得到的产品。石油沥青在常温下是黑色或黑褐色的粘稠液体、半固体或固体。粘结性和防水性是沥青被广泛用作道路材料的主要原因。道路沥青是一种典型的温度敏感性材料，其稠度、劲度以及粘度性质随温度变化的而变化。关于沥青感温性能评价方法的研究，世界各国科研工作者已经作了大量的工作，并提出了许多表示沥青感温性能的评价指标，例如针入度指数指标、沥青针入度-粘度指数指标、粘温指数指标和等级指数指标，但是这些方法主要以针入度、软化点等经验性指标为基础。
在热、氧、光辐射、雨水等的作用下，沥青的性质会发生质量衰减，把这种沥青的质量发生的不可逆的变化叫做沥青的老化。在老化过程中，沥青的轻组分在逐渐减少，重组分在增加，导致沥青稠度增加，针入度下降，其胶体结构也在变差。老化后沥青的粘性、柔性等性质会出现劣化，导致沥青混合料耐久性、水稳定性和低温抗裂性逐渐降低。
1 沥青老化的原因
引起沥青老化的原因很多，1963年Traxler曾列出了沥青老化的15条原因。根据Vallerga和Finn等人的长期研究，沥青在沥青混合料拌和、摊铺、压实及使用过程中的老化被认为主要与以下原因有关：
1) 氧化
氧化是沥青与空气中的氧发生反应，反应速度取决于沥青的化学组成特性与受热温度，温度越高，发生氧化反应的可能性和程度越大，反应结果使沥青中的轻组分向重组分转化；
2) 挥发
挥发是沥青中的轻质组分在高温情况下从沥青中蒸发出来，沥青的组分构成和胶体结构发生变化，结果使沥青中轻组分减少，重组分虽然数量并没有减少，但比例却在升高，挥发现象多出现在施工阶段；
3) 聚合
聚合为同类分子组合形成较大分子，引起不断老化，结果使轻组分减少，重组分增加；
4) 触变性
触变性是由于在一定时间后沥青胶结料内形成结构而发上的硬化，一般发生在路面使用过程中；
5) 沥青组分离析
由于某些多孔性集料会选择性地吸收沥青中的某些成分，使沥青的油分、树脂或沥青质的组分迁移。
影响沥青老化的因素有：大气、日照、温度、雨雪、环境以及交通等因素。沥青路面施工过程中的沥青老化主要是热老化。热能加速沥青分子的运动，除了引起沥青的蒸发外，并能促进沥青化学反应的加速，最終导致沥青技术性能降低。尤其在施工加热时，由于有空气中的氧参与共同作用，可使沥青性质产生严重恶化。
2 针入度试验
2.1 沥青单质试验
在进行关于沥青纸入度指标的老化试验之前，首先取大连西太平洋公司生产的90号沥青根据《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中规定的试验方法进行沥青单质材料试验，此试验数据作为沥青性质的分析和老化评价的基本指标，沥青性质试验结果见表1.1。
2.2 沥青热老化试验
为了验证沥青在一定温度下的老化特性，试验采用大连西太平洋公司生产的90号沥青盛放在敞口的容器中，分别在130℃和170℃的烘箱中进行加热保存，并在不同时间取出经加热的部分试样进行沥青老化后针入度指标试验，验证沥青在高温情况下的老化情况，并建立老化温度、时间和老化程度的相关关系。试验结果见表2和图1。
图1储存时间与针入度的关系
为得到沥青在一定温度下储存过程中，针入度指标随加热时间的变化趋势，对试验数据进行分析，并绘制其相关关系图，得到储存时间和针入度之间的关系。
………..1
………..2
式中：P130—在130℃加热条件下的针入度，0.1mm；
P170—在170℃加热条件下的针入度，0.1mm；
—在相应温度条件下储存的时间，h。
2.3 试验结果分析
基质沥青针入度为93时，在130℃温度条件下经过68h，针入度降到59，此时针入度比为63.4%，在170℃温度条件下经过68h，针入度降到32，此时针入度比为34.4%，根据上述公式，130℃温度条件下经过33h，针入度可下降到53，此时针入度比降到《规范》要求的A等级沥青的57%；在130℃温度条件下，在试验历时范围内，针入度仍未下降到53，若针入度降到53，根据针入度下降的趋势还需几十个小时，证明在低于130℃温度条件下，90号沥青可适当延长的储存时间。
1) AH-90沥青在高温状态下储存时，随着储存时间的延长，沥青老化越来越严重，开始阶段老化较快，随着储存时间的延长，老化趋于缓慢。
2) AH-90沥青在高温状态下储存时，随着储存温度的升高，沥青老化越来越严重。
3) AH-90沥青在130℃高温状态下储存时，针入度在储存11h时出现拐点，老化趋于缓慢。
4) AH-90沥青在130℃高温状态储存时，可储存较长时间沥青仍可使用。
5) AH-90沥青在170℃高温状态下储存时，针入度在储存10h时出现拐点，老化趋于缓慢。
6) AH-90沥青在170℃高温状态下储存时，不应超过15h。
3 结论
沥青老化的原因主要有三条：沥青中轻组分(油分)的挥发；与空气中的氧反应，使沥青的组分发生变化；沥青分子结构产生触变为组导致沥青硬化。虽然施工过程中沥青一般在较密闭的容器中高温储存，与氧气接触有限，但是沥青中轻组分的挥发和沥青分子结构产生触变导致沥青硬化仍不可避免，因此应尽量缩短高温储存时间并减少重复加热的次数。沥青的高温储存温度宜不超过150℃，时间宜不超过15h。
参考文献
[1] 张登良.沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1998.
[2] Pfeiffer J P, Van Doormaal PM. The rheological p roperties of asphaltic bitumens. Journal of the Institute of Petroleum, 1936; 22:414—440.
[3] McLeod N W. A 4-year survey of low temperature transverse pavement cracking on the three Ontario roads. AAPT, 1972; 41:424—493.
[4] Puzinauskas V P. Properties of asphalt cements. AAPT, 1979; 48:646—710.
[5] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.
[6] 赵羽利,姜凡,董丽.城市道路改性沥青混凝土路面施工中的温度控制[J].黑龙江交通科技.2002,1:4~5.
[7] TRAXLER R N. Durability of asphalt cements[J]. Proc Assn Asphalt Paving Technol, 1963, 32: 44−58.
[8]艾海清.沥青混合料配合比设计与施工工艺总结[J].西部探矿工程.2005,31(15):83~185.
[9] C.B.Dawley. Mitigation of Instability Rutting of Asphalt Concrete Pavement in Canada.AAPT.1990:93~102.
[10] JTJ052-2000.公路工程沥青及沥青混合料试验规程(S).北京:人民交通出版社.2000.
[11] JTG F40-2004.公路沥青路面施工技术规范(S).北京: 人民交通出版社.2004.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：道路工程 沥青 针入度指标 温度
中图分类号：U41文献标识码：A 文章编号：
0 引言
石油沥青是用石油经各种炼制工艺和加工而得到的产品。石油沥青在常温下是黑色或黑褐色的粘稠液体、半固体或固体。粘结性和防水性是沥青被广泛用作道路材料的主要原因。道路沥青是一种典型的温度敏感性材料，其稠度、劲度以及粘度性质随温度变化的而变化。关于沥青感温性能评价方法的研究，世界各国科研工作者已经作了大量的工作，并提出了许多表示沥青感温性能的评价指标，例如针入度指数指标、沥青针入度-粘度指数指标、粘温指数指标和等级指数指标，但是这些方法主要以针入度、软化点等经验性指标为基础。
在热、氧、光辐射、雨水等的作用下，沥青的性质会发生质量衰减，把这种沥青的质量发生的不可逆的变化叫做沥青的老化。在老化过程中，沥青的轻组分在逐渐减少，重组分在增加，导致沥青稠度增加，针入度下降，其胶体结构也在变差。老化后沥青的粘性、柔性等性质会出现劣化，导致沥青混合料耐久性、水稳定性和低温抗裂性逐渐降低。
1 沥青老化的原因
引起沥青老化的原因很多，1963年Traxler曾列出了沥青老化的15条原因。根据Vallerga和Finn等人的长期研究，沥青在沥青混合料拌和、摊铺、压实及使用过程中的老化被认为主要与以下原因有关：
1) 氧化
氧化是沥青与空气中的氧发生反应，反应速度取决于沥青的化学组成特性与受热温度，温度越高，发生氧化反应的可能性和程度越大，反应结果使沥青中的轻组分向重组分转化；
2) 挥发
挥发是沥青中的轻质组分在高温情况下从沥青中蒸发出来，沥青的组分构成和胶体结构发生变化，结果使沥青中轻组分减少，重组分虽然数量并没有减少，但比例却在升高，挥发现象多出现在施工阶段；
3) 聚合
聚合为同类分子组合形成较大分子，引起不断老化，结果使轻组分减少，重组分增加；
4) 触变性
触变性是由于在一定时间后沥青胶结料内形成结构而发上的硬化，一般发生在路面使用过程中；
5) 沥青组分离析
由于某些多孔性集料会选择性地吸收沥青中的某些成分，使沥青的油分、树脂或沥青质的组分迁移。
影响沥青老化的因素有：大气、日照、温度、雨雪、环境以及交通等因素。沥青路面施工过程中的沥青老化主要是热老化。热能加速沥青分子的运动，除了引起沥青的蒸发外，并能促进沥青化学反应的加速，最終导致沥青技术性能降低。尤其在施工加热时，由于有空气中的氧参与共同作用，可使沥青性质产生严重恶化。
2 针入度试验
2.1 沥青单质试验
在进行关于沥青纸入度指标的老化试验之前，首先取大连西太平洋公司生产的90号沥青根据《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中规定的试验方法进行沥青单质材料试验，此试验数据作为沥青性质的分析和老化评价的基本指标，沥青性质试验结果见表1.1。
2.2 沥青热老化试验
为了验证沥青在一定温度下的老化特性，试验采用大连西太平洋公司生产的90号沥青盛放在敞口的容器中，分别在130℃和170℃的烘箱中进行加热保存，并在不同时间取出经加热的部分试样进行沥青老化后针入度指标试验，验证沥青在高温情况下的老化情况，并建立老化温度、时间和老化程度的相关关系。试验结果见表2和图1。
图1储存时间与针入度的关系
为得到沥青在一定温度下储存过程中，针入度指标随加热时间的变化趋势，对试验数据进行分析，并绘制其相关关系图，得到储存时间和针入度之间的关系。
………..1
………..2
式中：P130—在130℃加热条件下的针入度，0.1mm；
P170—在170℃加热条件下的针入度，0.1mm；
—在相应温度条件下储存的时间，h。
2.3 试验结果分析
基质沥青针入度为93时，在130℃温度条件下经过68h，针入度降到59，此时针入度比为63.4%，在170℃温度条件下经过68h，针入度降到32，此时针入度比为34.4%，根据上述公式，130℃温度条件下经过33h，针入度可下降到53，此时针入度比降到《规范》要求的A等级沥青的57%；在130℃温度条件下，在试验历时范围内，针入度仍未下降到53，若针入度降到53，根据针入度下降的趋势还需几十个小时，证明在低于130℃温度条件下，90号沥青可适当延长的储存时间。
1) AH-90沥青在高温状态下储存时，随着储存时间的延长，沥青老化越来越严重，开始阶段老化较快，随着储存时间的延长，老化趋于缓慢。
2) AH-90沥青在高温状态下储存时，随着储存温度的升高，沥青老化越来越严重。
3) AH-90沥青在130℃高温状态下储存时，针入度在储存11h时出现拐点，老化趋于缓慢。
4) AH-90沥青在130℃高温状态储存时，可储存较长时间沥青仍可使用。
5) AH-90沥青在170℃高温状态下储存时，针入度在储存10h时出现拐点，老化趋于缓慢。
6) AH-90沥青在170℃高温状态下储存时，不应超过15h。
3 结论
沥青老化的原因主要有三条：沥青中轻组分(油分)的挥发；与空气中的氧反应，使沥青的组分发生变化；沥青分子结构产生触变为组导致沥青硬化。虽然施工过程中沥青一般在较密闭的容器中高温储存，与氧气接触有限，但是沥青中轻组分的挥发和沥青分子结构产生触变导致沥青硬化仍不可避免，因此应尽量缩短高温储存时间并减少重复加热的次数。沥青的高温储存温度宜不超过150℃，时间宜不超过15h。
参考文献
[1] 张登良.沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1998.
[2] Pfeiffer J P, Van Doormaal PM. The rheological p roperties of asphaltic bitumens. Journal of the Institute of Petroleum, 1936; 22:414—440.
[3] McLeod N W. A 4-year survey of low temperature transverse pavement cracking on the three Ontario roads. AAPT, 1972; 41:424—493.
[4] Puzinauskas V P. Properties of asphalt cements. AAPT, 1979; 48:646—710.
[5] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.
[6] 赵羽利,姜凡,董丽.城市道路改性沥青混凝土路面施工中的温度控制[J].黑龙江交通科技.2002,1:4~5.
[7] TRAXLER R N. Durability of asphalt cements[J]. Proc Assn Asphalt Paving Technol, 1963, 32: 44−58.
[8]艾海清.沥青混合料配合比设计与施工工艺总结[J].西部探矿工程.2005,31(15):83~185.
[9] C.B.Dawley. Mitigation of Instability Rutting of Asphalt Concrete Pavement in Canada.AAPT.1990:93~102.
[10] JTJ052-2000.公路工程沥青及沥青混合料试验规程(S).北京:人民交通出版社.2000.
[11] JTG F40-2004.公路沥青路面施工技术规范(S).北京: 人民交通出版社.2004.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。