春風(fēng)塔河優(yōu)質(zhì)道路瀝青性能評價

高 冰 梅

(中國石化煉油銷售有限公司，上海 200050)

作為瀝青混合料的黏結(jié)劑，石油瀝青性能的好壞是影響瀝青路面路用性能的重要因素之一。目前，國內(nèi)道路瀝青出廠執(zhí)行交通部《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[1](JTG F40—2004)中的“道路石油瀝青技術(shù)要求”。該技術(shù)要求是經(jīng)驗性標(biāo)準(zhǔn)，缺少明確的物理意義[2]，難以全面、直接地反映瀝青的路用性能。不同原油生產(chǎn)的瀝青化學(xué)組成不同，而化學(xué)組成與瀝青的使用性能密切相關(guān)，出廠質(zhì)量合格的瀝青產(chǎn)品有時候會出現(xiàn)因化學(xué)組成不合理而導(dǎo)致使用性能不佳，瀝青路面出現(xiàn)松散、車轍、裂紋等問題，即 “合格不好用”現(xiàn)象。因此，瀝青尤其是新油種生產(chǎn)的瀝青在鋪路應(yīng)用前，對其進(jìn)行系統(tǒng)、全面的性能分析和評價就顯得十分重要和必要。

新疆地區(qū)幅員遼闊，氣候差別大，依據(jù)氣候分區(qū)影響因子將全疆分為4個不同的公路使用性能區(qū)域：水穩(wěn)性和冰凍性區(qū)、低溫抗裂區(qū)、高低溫過渡區(qū)和高溫抗車轍區(qū)，不同氣候區(qū)對瀝青及瀝青混合料使用性能的要求各不相同[3]，這就要求用于新疆地區(qū)路面鋪筑的瀝青應(yīng)同時具有較好的抗高溫變形、低溫抗裂及抗疲勞等性能。中國石油化工股份有限公司為解決西部地區(qū)優(yōu)質(zhì)瀝青資源不足的問題，通過產(chǎn)-銷-研聯(lián)合攻關(guān)，研究春風(fēng)減壓渣油和塔河減壓渣油的不同組成和性質(zhì)，利用兩者在性能方面的互補性，采用調(diào)合工藝工業(yè)試生產(chǎn)出春風(fēng)塔河優(yōu)質(zhì)道路瀝青[4]。以下對首次工業(yè)化批量生產(chǎn)的春風(fēng)塔河優(yōu)質(zhì)道路瀝青進(jìn)行性質(zhì)和化學(xué)組成分析、性能等級(PG分級)和混合料性能評價，為今后大批量連續(xù)生產(chǎn)和市場應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 樣品來源

經(jīng)過在新疆庫車生產(chǎn)廠工業(yè)試生產(chǎn)驗證春風(fēng)減壓渣油和塔河減壓渣油調(diào)合生產(chǎn)方案的可行性，隨后在新疆烏蘇生產(chǎn)廠工業(yè)化批量生產(chǎn)春風(fēng)塔河優(yōu)質(zhì)道路瀝青70A和90A(簡稱春風(fēng)塔河70A瀝青、春風(fēng)塔河90A瀝青)約10 kt。按照《瀝青取樣法》(GB/T 11147—2010)要求，在生產(chǎn)廠儲罐分別采集典型春風(fēng)塔河70A和90A瀝青樣品，作為試驗用樣品。

2 春風(fēng)塔河70A和90A瀝青性能評價

2.1 質(zhì)量檢測

委托國家道路及橋梁質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(簡稱國檢中心)和蘇交科集團股份有限公司(簡稱蘇交科)，按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)“道路石油瀝青技術(shù)要求”中的項目，對春風(fēng)塔河70 A和90 A瀝青進(jìn)行質(zhì)量檢測，并分別與國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青質(zhì)量進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

表1 春風(fēng)塔河70A和90A瀝青檢測結(jié)果

1)薄膜烘箱試驗。

從表1可以看出：國檢中心和蘇交科兩個機構(gòu)的檢測結(jié)果均表明春風(fēng)塔河70A和90A瀝青產(chǎn)品質(zhì)量均能滿足JTG F40—2004的技術(shù)要求，尤其是動力黏度、TFOF試驗前后的低溫延度和殘留針入度比，高出技術(shù)要求較多；與國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青相比，春風(fēng)塔河70A和90A瀝青針入度指數(shù)適中、軟化點和動力黏度(60 ℃)高、低溫延度大、蠟含量低、殘留針入度比和殘留低溫延度大，充分表明春風(fēng)塔河70A和90A瀝青均具有感溫性好、高溫性能好、低溫下的松弛性能[1]和耐熱老化性能[5]優(yōu)良的優(yōu)點。

2.2 化學(xué)組成分析

石油瀝青的使用性能與化學(xué)組成密切相關(guān)，瀝青是由各種極性、非極性分子通過復(fù)雜分子間作用而形成的材料。從分子極性看，瀝青由飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)四組分組成，芳香分和飽和分一起構(gòu)成連續(xù)相，使膠質(zhì)-瀝青質(zhì)形成膠胞而穩(wěn)定分散，瀝青質(zhì)的存在對瀝青的感溫性能和高溫性能有正面的影響，膠質(zhì)的存在可使瀝青具有良好的塑性和黏附性，并能改善瀝青的抗脆裂性，提高瀝青的延伸度。瀝青中四組分存在一個較好的構(gòu)成比例，當(dāng)飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～15%、芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～55%、膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～45%、瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～10%時，瀝青的各項性能較優(yōu)[4，6]。

分別對春風(fēng)塔河70A和90A瀝青、國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青進(jìn)行了族組成對比分析，結(jié)果見表2。從表2可以看出：春風(fēng)塔河70A和90A瀝青的瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在1%～10%范圍，膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均接近45%；而國內(nèi)某品牌70A和90A瀝青四組分中的瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1%，膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于45%較多。說明從組成來看，春風(fēng)塔河70A和90A瀝青四組分構(gòu)成比例均較好，合理的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量對其感溫性能、高溫性能和抗脆裂性均有正面的影響。

表2 春風(fēng)塔河70A和90A瀝青與國內(nèi)某品牌瀝青的族組成對比 w，%

2.3 PG分級

PG分級是20世紀(jì)90年代美國戰(zhàn)略性公路研究計劃(SHRP)提出的一種瀝青分級體系，對于道路瀝青具有很好的適用性，目前在全世界得到普遍認(rèn)同和廣泛采用[7]。與瀝青常規(guī)質(zhì)量分析不同的是，瀝青PG分級能真實地反映其實際使用環(huán)境，與其使用性能有直接相關(guān)性。因此，正確選擇適宜PG分級的瀝青，能最大限度地減少瀝青路面永久變形、疲勞開裂和低溫開裂[2，8]。

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[9](JTG E20—2011)中的動態(tài)剪切流變性質(zhì)試驗、彎曲蠕變勁度試驗、斷裂性能試驗及壓力老化(PAV)試驗等PG分級的試驗方法對春風(fēng)塔河70 A和90 A瀝青、國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青進(jìn)行PG分級，結(jié)果見表3。

表3 春風(fēng)塔河70A和90A 瀝青PG分級結(jié)果

1)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗。

2.3.1 高溫穩(wěn)定性能SHRP瀝青路用性能規(guī)范(簡稱SHRP規(guī)范)中，瀝青的高溫穩(wěn)定性用平均最高路面設(shè)計溫度時的原樣瀝青及RTFOT試驗后殘留瀝青的車轍因子(G*sinδ)作為評價指標(biāo)，G*sinδ越大，流動變形越小，抗高溫變形的能力就越強，它要求原樣瀝青和RTFOT殘留瀝青在最高路面設(shè)計溫度下的G*sinδ分別不得小于1.0 kPa 和2.2 kPa[2，10-11]。

從表3可以看出：春風(fēng)塔河70 A和90 A原樣瀝青在高溫64 ℃時的G*sinδ均符合SHRP規(guī)范的技術(shù)要求，且富余度較大，表明這兩種瀝青抗高溫變形的能力較強；兩種瀝青經(jīng)RTFOT試驗老化處理后，其在高溫64 ℃時的G*sinδ均比原樣瀝青大，表明老化后的瀝青抗車轍能力均有明顯提高；高溫64 ℃時，春風(fēng)塔河70A和90A無論是原樣瀝青還是短期老化瀝青，與國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青相比，相同條件下G*sinδ更大，說明其抗高溫變形能力更強。

2.3.2 抗疲勞性能SHRP規(guī)范采用(RTFOT+PAV)試驗后瀝青的疲勞因子G*sinδ作為評價瀝青疲勞性能的指標(biāo)，G*sinδ越大則重負(fù)荷載作用下的能量損失越多。研究表明，瀝青混合料的疲勞損傷或疲勞壽命與循環(huán)加載下的能量損失具有比例關(guān)系。因此，較小的G*sinδ代表較好的抗疲勞性能[2，11]。

從表3可以看出，經(jīng)過(RTFOT+PAV)試驗后，春風(fēng)塔河70 A和90 A瀝青在中溫22 ℃時(最高設(shè)計溫度和最低設(shè)計溫度的平均值以上4 ℃左右) 的G*sinδ均比SHRP規(guī)范要求的5 000 kPa小很多，表明使用這兩種類型瀝青的混合料抵抗疲勞損傷的效果較好；國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青在中溫25 ℃時的G*sinδ才符合SHRP規(guī)范要求；春風(fēng)塔河70 A和90 A瀝青在中溫22 ℃時，G*sinδ比國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青分別小64百分點和67百分點，充分表明其具有更好的抗疲勞性能。

2.3.3 低溫抗裂性能SHRP規(guī)范中，采用對(RTFOT+PAV)試驗后的瀝青進(jìn)行小梁低溫彎曲流變試驗測定瀝青的低溫性能，主要包括彎曲蠕變勁度模量(S)和蠕變曲線斜率(m)兩個指標(biāo)。S過高，瀝青會呈現(xiàn)出脆性，低溫抗裂性能差；m值越高，應(yīng)力松弛性能越好，低溫抗裂性能越強[2，11]。

從表3可以看出，經(jīng)過(RTFOT+PAV)試驗后，春風(fēng)塔河70 A和90 A瀝青在-18 ℃下的S和m均符合SHRP規(guī)范要求，低溫等級為-28 ℃，而國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青的S和m在-12 ℃下才符合SHRP規(guī)范要求，低溫等級均為-22 ℃，充分表明春風(fēng)塔河70 A和90 A瀝青適合鋪筑更低溫度下的路面，低溫抗裂性能更佳。

綜合來看，春風(fēng)塔河70 A和90 A瀝青的PG分級均為PG64-28，即表明其具有能適應(yīng)路面溫度高達(dá)64 ℃、低至-28 ℃的物理特性，而國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青PG分級均為PG64-22，顯然春風(fēng)塔河70 A和90 A瀝青除了抗高溫變形能力、低溫抗裂和抗疲勞性能良好外，低溫抗裂性能尤其突出，適合在氣候變化大的新疆地區(qū)應(yīng)用。

2.4 混合料性能評價

根據(jù)新疆地區(qū)公路工程路面常用石料、結(jié)構(gòu)層混合料類型，選擇常用混合料級配類型AC-20和AC-16對70A和90A瀝青分別進(jìn)行混合料抗水損害、高溫、低溫等性能評價，并與國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青的混合料性能進(jìn)行比較。

2.4.1 不同混合料類型的級配組成通過配合比設(shè)計，根據(jù)瀝青混合料的孔隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等體積指標(biāo)和馬歇爾穩(wěn)定度等要求，分別針對春風(fēng)塔河70A和90A瀝青，最終確定AC-20和AC-16級配組成，分別見表4～表6。春風(fēng)塔河70A瀝青的AC-20級配的最佳油石質(zhì)量比為4.3%，AC-16級配的最佳油石質(zhì)量比為4.6%；春風(fēng)塔河90A瀝青的AC-20級配的最佳油石質(zhì)量比為4.0%，AC-16級配的最佳油石質(zhì)量比為4.3%。

表4 春風(fēng)塔河70A瀝青的不同混合料類型的級配組成 w，%

表5 春風(fēng)塔河90A瀝青的AC-20的級配組成 w，%

表6 春風(fēng)塔河90A瀝青的AC-16的級配組成 w，%

2.4.2 最佳油石比下的馬歇爾試驗按照確定的集料級配和最佳油石比，分別采用春風(fēng)塔河70A和90A瀝青制備馬歇爾試件，拌合溫度為165 ℃，擊實溫度為150 ℃，雙面各擊實次數(shù)為75次，試驗結(jié)果分別見表7和表8。

由表7和表8可以看出，最佳油石比下的春風(fēng)塔河70A和90A瀝青混合料馬歇爾試驗的各項結(jié)果均滿足JTG F40—2004的技術(shù)要求。

表7 春風(fēng)塔河70A瀝青的混合料馬歇爾試驗結(jié)果

表8 春風(fēng)塔河90A瀝青的混合料馬歇爾試驗結(jié)果

2.4.3 混合料性能試驗按照確定的春風(fēng)塔河70A和90A瀝青的集料級配和最佳油石比，采用JTG E20—2011[9]中水穩(wěn)定試驗、車轍試驗、低溫小梁彎曲破壞應(yīng)變試驗方法，分別對其與國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青進(jìn)行混合料性能試驗，結(jié)果見表9和表10。

從表9可以看出：春風(fēng)塔河70A瀝青和國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青的混合料各項指標(biāo)均滿足JTG F40—2004的技術(shù)要求，春風(fēng)塔河70A瀝青的兩種類型的混合料動穩(wěn)定度比技術(shù)要求的下限值分別高出542%和419%，表明其具有優(yōu)良的抗車轍能力；破壞應(yīng)變比技術(shù)要求的下限值分別高出89%和87%，表明其具有優(yōu)良的低溫抗裂性能。春風(fēng)塔河70A瀝青與國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青的混合料殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度分別相當(dāng)，表明它們的抗水損害性相當(dāng)；春風(fēng)塔河70A瀝青的混合料動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變均高于國內(nèi)某品牌70A瀝青，表明其具有更優(yōu)的混合料抗車轍能力和低溫抗裂性能。

表9 春風(fēng)塔河70A瀝青混合料性能試驗結(jié)果

表10 春風(fēng)塔河90A瀝青混合料性能試驗結(jié)果

從表10可以看出：春風(fēng)塔河90A瀝青和國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青的混合料各項指標(biāo)均滿足JTG F40—2004的技術(shù)要求，春風(fēng)塔河90A瀝青的兩種類型的混合料動穩(wěn)定度比技術(shù)要求的下限值分別高出236%和589%，表明其具有優(yōu)良的抗車轍能力；破壞應(yīng)變比技術(shù)要求的下限值分別高出80%和21%，表明其具有優(yōu)良的低溫抗裂性能。春風(fēng)塔河90A瀝青和國內(nèi)某品牌同規(guī)格瀝青的混合料殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度分別相當(dāng)，表明它們的抗水損害性相當(dāng)；春風(fēng)塔河90A瀝青的混合料動穩(wěn)定度略高于國內(nèi)某品牌90A瀝青，破壞應(yīng)變高于國內(nèi)某品牌90A瀝青，表明其抗車轍能力略好于國內(nèi)某品牌90A瀝青，但低溫抗裂性能更優(yōu)。

綜上，春風(fēng)塔河70A和90A瀝青混合料具有高溫性能好、低溫性能優(yōu)良的優(yōu)點，路用性能良好。

3 結(jié) 論

(1)春風(fēng)塔河70A和90A瀝青的質(zhì)量及四組分組成分析結(jié)果表明，其質(zhì)量達(dá)到JTG F40-2004技術(shù)要求，具有針入度指數(shù)適中、軟化點和動力黏度(60 ℃)高、低溫延度大、蠟含量低、殘留針入度比和殘留低溫延度大、四組分構(gòu)成比例較好、感溫性好、高溫性能好、低溫性能和耐熱老化性能優(yōu)良的優(yōu)點，與國內(nèi)某品牌瀝青相比表現(xiàn)出更好的路用性能。

(2)春風(fēng)塔河70 A和90 A瀝青PG分級均為PG64-28，具有良好的抗高溫變形能力、低溫抗裂和抗疲勞性能，低溫抗裂性能尤其突出，適合在氣候變化大的新疆地區(qū)應(yīng)用。