瀝青針入度試驗精度控制分析

王 麗

（江蘇省南京交院土木工程檢測所，江蘇 南京 210000 ）

0 前言

瀝青路面給行駛車輛帶來的舒適度是水泥混凝土路面很難達到的，不僅是平穩(wěn)，而且噪音低。隨著公路在承載運輸中的作用提升，以及運輸成本的增加，致使運輸車輛不斷加載，而且我國正在醞釀公路的再一次提速，在動荷載、靜荷載都在增加的情況下，高速公路建設(shè)者們提出了增加瀝青面層總體設(shè)計厚度的構(gòu)想，這樣一來瀝青材料的用量勢必要激增。而目前路面瀝青最好的來源是石油粘稠瀝青。其粘結(jié)力、穩(wěn)定性能較好，拌和性能、施工性能都較平衡，使用年限也較長，目前較好的公路瀝青路面使用年限會超過20年。這么長的使用時間內(nèi)瀝青經(jīng)風吹日曬、老化，雨、雪侵害，高速荷載的反復揉搓，高溫、低溫等各類復雜的情況下，保證設(shè)計的使用性能，其對材料本身的穩(wěn)定性提出了極高的要求。面層材料中膠結(jié)材料至關(guān)重要，瀝青是重中之重。我們知道瀝青物理性能的測試指標主要是針入度、延度、軟化點，通常稱為瀝青的三大指標試驗，是評價瀝青性能的關(guān)鍵性指標。

1 針入度試驗過程中影響精度的因素

瀝青針入度指標是瀝青性能的關(guān)鍵性指標，也是針入度指數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。它既能表示瀝青軟硬程度和稠度、抵抗剪切破壞的能力，反映在一定條件下瀝青的相對黏度的指標，還能通過針入度指數(shù)評價瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫的抗裂性能。其重要性可見一般。我們就從規(guī)范的角度闡述一下瀝青針入度試驗精度控制的關(guān)鍵性因素有哪些。

1.1 檢測設(shè)備-針入度儀

目前瀝青針入度試驗標準儀器就是針入度儀。其中試驗主要構(gòu)件是標準針、針連桿和砝碼，合計質(zhì)量為100g±0.05g。其中標準針的質(zhì)量為2.5g±0.05g。作為儀具來說，標準針是影響試驗精度中最關(guān)鍵的一個部分。當然質(zhì)量符合規(guī)范要求后，其針的硬度、表面粗糙度、針尖規(guī)格就極其重要了。試驗過程中標準針是直接接觸瀝青試樣的，其貫入深度是評定的指標，以0.01mm 計。表面粗糙度與針尖規(guī)格夾角和尖部微觀面尺寸都是決定性因素。由于標準針價格昂貴，每根標準針價格在300 元，一組價格近一千元。所以檢測單位標準針都是要重復使用的，每次檢測完后，要對標準針上的瀝青進行清洗。經(jīng)常使用的標準針可能會因外力而彎曲變形，尖端變鈍，如使用不合格的清洗劑，還極易造成標準針表面氧化等情形出現(xiàn)，所以試針每年需標定一次，取得合格報告后方可使用。然而即使是標定合格時間內(nèi)，也未必能保證標準針沒有問題。所以正常檢測時，除常規(guī)需要的三個標準針正常試驗用以外，還應備用一套，不定期對試驗樣品進行比對試驗，以確保試驗精度，這一方法個人覺得極為重要。當然多備的這一組試針，一定是要標定結(jié)果非常好的。習慣上每周都會對現(xiàn)有的試驗進行比對，方法當然是對同樣的樣品，多澆幾個試樣，用備用標準針進行檢測比對。這樣能發(fā)現(xiàn)當前常規(guī)用試針的精度，也可以判斷樣品的測量結(jié)果，保證試驗報告的科學性和準確性，是一舉兩得的好方法。本人在多年的瀝青檢測過程中，一直保持著這一習慣。

在保證標準針質(zhì)量、規(guī)格符合規(guī)程要求的情況下，稱量針連桿、針和法碼的總質(zhì)量，如合格的情況下，影響試驗精度的另一儀具因素，自由下落，就是重要的評價指標了。很顯然的道理，貫入質(zhì)量100g±0.05g，在有較大摩擦阻力的情況下，其貫入深度一定是偏小的，也就是說試驗結(jié)果偏小。所以試驗過程中一定要保證針連桿在無明顯摩擦的情況下垂直運動，貫入瀝青樣品中。當然這里有另一個因素垂直，只有在垂直的情況下，才能保證向下運動時的摩擦阻力最小。針入度儀的調(diào)平也是一個關(guān)系因素，是保證針連桿垂直的重要動作。

1.2 樣品-試樣制作

就粘稠瀝青來說，試樣由瀝青加熱脫水后澆入盛樣皿完成的。在這一過程中影響因素太多。首先，樣品加熱脫水過程，在溫度要掌握好，高了瀝青易造成老化，低了脫水不徹底。其次，澆注樣品要仔細，不能過快，不可將氣泡帶入瀝青試樣中。再次，樣品澆注后，表面要平整，其作用下一段解釋。道路石油70#瀝青加熱過程易控制，SBS 改性瀝青控制難度較大，其主要是因為SBS 改性瀝青粘度大，流動性差，不易澆注，對試驗人員水平要求非常高。經(jīng)驗豐富的試驗人員，對澆樣前瀝青的狀態(tài)有著自己的評價體系，通過對瀝青的攪動，撥絲，觀察瀝青狀態(tài)，判斷是否達到最佳狀態(tài)。通達大量試驗數(shù)據(jù)，能夠得出不同瀝青澆注樣品的的溫度控制范圍，保證樣品表面平滑，無氣泡。

瀝青加熱溫度往往是定義在軟化點上80℃，烘箱加熱法加熱。這種方法在道路石油瀝青上比較好用，但是在SBS 改性瀝青面前就有一定的難度了。往往因為加熱不到位，瀝青流動性差，澆樣時帶入氣泡。如果澆樣后，樣品表面存在小氣泡的話呢，個人覺得是可以用火機快速燒一下的，不過一定要快，不然易導致瀝青樣品表面老化。這一操作要熟練，新手不建議使用這一方法。

1.3 養(yǎng)護-樣品恒溫過程

瀝青試驗針入度指標樣品制作完成后，應加玻璃板室溫恒溫冷卻不少于1.5h（小盛樣皿），而后移入試驗溫度±0.1℃的恒溫水槽中，并保持不少于1.5h（小盛樣皿）。恒溫完成后可進行試驗，試驗儀水槽內(nèi)的溫度也就保證是在試驗溫度±0.1℃內(nèi)。上述幾個環(huán)節(jié)中，空氣內(nèi)養(yǎng)護要求室溫15～30℃，要求試驗室內(nèi)安裝空調(diào)，并能保證試驗環(huán)境溫度要求。室內(nèi)就配備標定合格的溫濕度計，實時關(guān)注環(huán)境溫度。養(yǎng)護的目的是為了讓試樣內(nèi)外溫度一致，并控制在試驗溫度±0.1℃的范圍內(nèi)。在條件好的試驗室，只要試驗人員有足夠的責任心，正確養(yǎng)護是很容易做到的。但實際上目前各試驗室管理水平存在極大差異，尤其是工地臨時試驗室，彩板房那種，室內(nèi)環(huán)境溫度控制難度大。試驗檢測儀器受采購成本的限制，往往采購低價的設(shè)備。由于低價設(shè)備中溫度傳感器及溫控繼電器的靈敏度不足，導致恒溫養(yǎng)護水溫不夠精確。

試驗溫度變化超出0.5℃時，試驗結(jié)果變化是非常大的。對于同一樣品來說，就是完全不同的兩個方向了。如道路石油瀝青70 號，25℃時的針入度指標合格范圍是60～80（0.1mm），如果試驗是溫度高出0.5℃，檢測結(jié)果很可能會增加10（0.1mm），如果試驗時水槽溫度低了0.5℃，針入度檢測結(jié)果很可能比真實值低8（0.1mm）以上，也就是養(yǎng)護溫度和試驗溫度變化較大是，試驗結(jié)果都會發(fā)生很大偏差，很可能是合格與不合格的區(qū)別，是破壞瀝青結(jié)果的影響性因素。所在在購買瀝青針入度試驗儀時，最好是選用帶恒溫水槽的，可以最大程度保障試驗精度，較好的消除儀器設(shè)備的系統(tǒng)誤差。

1.4 試驗操作-對準

儀器設(shè)備自動化程度越來越高的今天，很多材料試驗檢測過程中的人為因素都被自動化的設(shè)備給消除了。如本文的針入度試驗儀，在二十年前，試驗儀盛樣水槽是沒有溫度循環(huán)系統(tǒng)的，試驗時為了保證水溫，只能不斷用水銀溫度計測量溫度，當溫度發(fā)生變化時，通過更換溫水或冰水來調(diào)溫，過程復雜、精度低?，F(xiàn)在有恒溫水循環(huán)系統(tǒng)了，就不存在上述問題了。但是對于這個試驗，影響結(jié)果精度的一個重要操作目前仍沒有好的自動化的方法去解決，那就是標準試針與瀝青樣品的對準，大家知道試針針尖，肉眼是基本上看不清的，試驗操作規(guī)程要求，試針接觸試樣時，開如試驗。這個是最難的地方，針尖時否接觸，看不清啊，是否已經(jīng)錐入了，不清楚啊，是接觸還是未到呢，看不清，試驗精度是0.1mm，這一量級是人的肉眼無法看到的。目前測量試驗直讀的精度一般是1mm。由此可見，該試驗對準的難度之大。這就要求試驗人員有豐富的操作經(jīng)驗，良好的視力，腦手協(xié)同，才能操作完成。并且要經(jīng)過大量的比對，才能確定試驗的準確性。挑選一名瀝青針入度試驗檢測人員是相當難的。在三大指標試驗中，這個試驗完成也是最難的。

目前已有很多瀝青檢測設(shè)備生產(chǎn)廠家在研究，正在預研試針自己對準的設(shè)備，研發(fā)方向有超聲雷達和紅外測量等，希望產(chǎn)品能早些面世，解決試驗過程中人員操作的誤差。因為即便是試驗自身存在誤差，也是可以通過校準、比對等方法發(fā)現(xiàn)的，而人員操作誤差不確定性較多，誤差分布規(guī)律性差，難以通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的方法消除。

2 現(xiàn)實意義

瀝青路面工程中，瀝青面層結(jié)構(gòu)類型多樣。就江蘇地區(qū)來講，處于溫帶、溫帶季風和亞熱帶季風的地區(qū)，夏季炎熱多雨，冬季嚴寒。對瀝青路面來講，既要防高溫、防雨水，還要防低溫凍害。這對結(jié)構(gòu)和材料本身要求極高。經(jīng)過江蘇交通人多年不懈的努力，江蘇地區(qū)瀝青路面的平均使用壽命已接近、達到，甚至超過了20年，這遠遠領(lǐng)先于國內(nèi)其他省份的平均水平。為了這一目標，江蘇交通人一直在努力，作為一名江蘇省交通工程建設(shè)參與者，我也非常自豪。達成這一目標的道路是崎嶇而漫長的。除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用國際先進的sup 設(shè)計方法外。在材料選用上更是做到了優(yōu)中選優(yōu)。就本文所寫的瀝青材料，江蘇地區(qū)在瀝青下面層上多選用道路石油70#瀝青，高速公路建設(shè)基本選用進口品牌，其瀝青生廠要原油必須是中東石油，才能滿足江蘇交通對材料的苛刻要求。有人要問，為什么不用國內(nèi)石油生產(chǎn)的瀝青呢，這個經(jīng)過大量的試驗，國內(nèi)瀝青中有一個指標始終無法達到規(guī)范要求，哪就是蠟含量指標。該指標極易導致瀝青路面在高溫狀態(tài)下軟化，低溫狀態(tài)下開裂。而蠟含量試驗極其復雜，使用的化學試劑如石油醚、乙醚等都有毒，是管制用試劑，購置難度大，保存風險高，使用過程中也極易造成人員傷害。為了保護試驗檢測人員安全，減少危害排放，保護環(huán)境，蠟含量指標需要減少頻率，往往五個抽檢批次才做一組蠟含量指標。為了防止不合格品流入交通建設(shè)市場，江蘇人巧妙的從瀝青針入度指數(shù)中找尋規(guī)律，擴大頻率，每批必檢，以瀝青針入度指數(shù)指標的合格情況來判斷瀝青的路面性能，已收到了顯著成效。當然道路石油瀝青往往都是成千噸一次性運輸?shù)礁郏商崆皺z測蠟含量。具體施工企業(yè)在質(zhì)量過程控制環(huán)節(jié)，是主要的手段還是瀝青針入度試驗，因為操作簡便，環(huán)境污染小，人員傷害小。該指標是瀝青材料質(zhì)量控制的重點，SBS 改性瀝青質(zhì)量控制也是同樣的道理，雖不需要做蠟含量指標，但瀝青針入度指標還是強制性指標，是必須要做的。也是最有效的管控辦法。

3 結(jié)束語

瀝青物理性能的分析試驗是瀝青路用性能控制的關(guān)鍵點，是公程人員控制的重點，也是難點。尤其在當下，瀝青質(zhì)量日趨下滑。原因是原油的質(zhì)量不穩(wěn)定，提煉技術(shù)的更新等。很多國外的大型煉油廠已不在為公路工程建設(shè)提供瀝青產(chǎn)品了。瀝青產(chǎn)品的價格對于石油煉制廠家來說，是非常低的，他們會不斷研發(fā)新的技術(shù)，提出石油中的各類烴，作為其他工業(yè)用原材料，這樣的新產(chǎn)品價格更高，利潤更大。他們將石油中的有效成份過多的提煉后，留下的瀝青指標已經(jīng)非常差了，根本不能滿足公路工程路用性能要求。研發(fā)取代產(chǎn)品已擺在工程管理科研人員的桌面上了。就目前建設(shè)管理要求高，建設(shè)速度要求快，規(guī)模大，對路用瀝青的需求不斷增加，而面對市場形勢，工程人員不得不感嘆，為防止劣質(zhì)瀝青流入公路工程建設(shè)用材料市場，工程檢測技術(shù)人員要嚴陣以待，規(guī)范試驗，為工程建設(shè)找尋優(yōu)秀路用瀝青，保證工程建設(shè)質(zhì)量。