针入度和软化点试验影响因素研究

针入度和软化点试验影响因素研究

王新朋 1、高巍 2 、史飞杭 1 、刘鑫 1 、张毅博 1

西安星光能源有限公司 西安 710608）

1. 长安大学 西安 710061）

摘要 针入度和软化点是评价沥青性能的主要指标，通过在不同温度、不同贯入时间的条件下进行真如试验，分析针入度针垂直度对针入度的影响；在不同浇模温度和不同加热介质下进行软化点试验，对实验结果进行对比分析，实验结果表明，试验温度、贯入时间和针入度针的垂直度是影响针入度实验结果的主要因素，浇模温度是影响软化点结果的重要因素，甘油作为加热介质的软化点高于水介质的软化点结果，这是由于甘油的密度高于水的密度造成的。

关键词 道路工程 针入度 软化点 改性沥青

Abstract Penetration and softening point are the main indexes to evaluate the performance of asphalt.Analysis the influence factor of penetration in different temperature and time, the influence of perpendicularity of needle.Do softening point test in different asphalt temperature and different heating medium.The test results show that the test temperature、penetration time and perpendicularity of needle are the main factors affecting of the penetration test results. and the Pouring temperature of asphalt is an important factor affecting of the softening point results. the softening point result of glycerol as heating medium is higher than that of water medium, which is due to the fact that the density of glycerol is higher than water.

Key words: Road engineering, Penetration，Softening Point，Modified asphalt

沥青是一种感温性材料 ,在不同的温度区间内 , 沥青呈现的性质各异 。沥青的软化点来表征沥青由固态向液态转变的温度 ,也就是沥青在运动作用下失去抗变形能力的温度，针入度试验作为一种剪切蠕变试验, 其物理意义为表观粘度, 它反映了沥青在荷载作用下的变形能力^{【3】【4】}。交通部《公路工程沥青路面施工技术规范》将针入度和软化点作为评价沥青性能的主要指标。本文通过不同条件下针入度和软化点的试验，分析和讨论不同试验条件对针入度和软化点检测结果的影响因素。

1. 试验过程

针入度试验选用韩国GS-Caltex90号和中石油大连西太的西太90号沥青，因90号道路石油沥青的软化点普遍在45-48℃，比较低，而改性沥青的软化点较高， 所以软化点试验选择两种沥青制成的改性沥青，其SBS含量均为4.5%。

1. 1. 针入度试验

按照交通部《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011中T0602的方法准备沥青试样，按照T0604的针入度试验方法，分别对水浴温度和贯入时间进行调整，做针入度试验，实验结果如表1和表2

表1 不同试验温度的针入度结果

表2 不同贯入时间的针入度结果

从表1可以看出，随着温度逐渐升高，两种沥青的针入度均增大。计算两种沥青温度每升高0.1℃针入度增大的平均值，发现镇海90号沥青温度每变化0.1℃，沥青针入度平均增大0.77，西太90号沥青针入度增大0.96。两种沥青针入度变化幅度不同，这可能是西太90号沥青本身的25℃针入度高于镇海90号沥青和不同的温度敏感性造成的。

表2为不同贯入时间时两种沥青的针入度结果，使用每秒钟针入度值除以总的针入度值来分析针入度试验过程中针贯入沥青中的特性，结果如图1。从图1可以看出，两种沥青第一秒钟的针入度比例均在52%左右，后续几秒钟的针入度比例均呈相同趋势，第5秒钟的贯入针入度比例为10%左右。这反映出针入度试验过程中，因为针尖呈锥状，所以初始贯入深度较大，随着针尖逐渐没入沥青中后，贯入深度迅速减小，从第一秒的52%降低为第二秒的15%左右，之后几秒的的贯入深度呈缓慢降低趋势。

图1 每秒贯入深度/5秒总贯入深度的比例

1. 2. 软化点试验

对两种SBS改性沥青，分别做不同温度下浇模和不同加热介质的两组软化点试验，不同浇模温度和不同加热介质的软化点试验结果如表3和表4。

表3 不同浇模温度的软化点结果

表4 不同加热介质的软化点结果

从表3可以看出，1#改性沥青和2#改性沥青的结果类似，当浇模温度较低时，软化点试验结果比较低，随着浇模温度的升高，软化点数据随之升高。分析原因，是因为当浇模温度较低时，改性沥青的粘度较大，而此时软化点环和底板是常温，改性沥青浇模时接触底板和软化点环，迅速降温导致粘度进一步升高，低温状态下高粘度的改性沥青在软化点环内无法完全与软化点环的侧壁接触和粘连，造成最终软化点结果低。在试验过程中发现低温浇模时，软化点试验完成后，查看软化点环内侧壁的沥青粘连状态，发现有部分内侧壁无粘连沥青或沥青粘连较少，进一步说明了温度影响改性沥青粘度，粘度影响改性沥青与软化点环内侧壁完全粘连的观点。

从表4可以看出，不同加热介质的软化点结果差异比较接近，均为4℃左右，甘油的软化点试验结果都高于水的结果，这是因为两种加热介质的密度不同造成的。

2. 结果分析

   1. 针入度试验的影响因素分析

从表1可以看出，温度是影响针入度结果的重要因素之一，当温度变化0.1℃，针入度

结果随之变化0.7~0.9，当试验温度控制不精确，温度差异较大时，针入度结果可能会出现很大的差别，导致检测结果的准确性大大降低。

从表2和图1可以看出，针入度试验过程中，第一秒针入度针贯入沥青的深度超过5S贯入总深度的50%以上，而最后一秒的贯入深度为总深度的10%左右。这说明针入度试验中，贯入时间也是影响针入度试验结果的重要因素之一。造成贯入时间差异的因素除了计时器外，还有针入度试验的针连杆的润滑效果，如果针连杆润滑不足导致下坠过程有阻力，也会减少贯入时间，造成针入度结果偏差。

还有一个容易忽略的影响因素，就是针入度针的垂直程度，当针入度针布氏垂直贯入沥青中时，也会影响针入度试验结果的准确性。如图2所示，根据实验规范T0604的要求，针入度针的负载总计为100g，此时加载在针上的重力为0.98N，当针入度针与垂直线的夹角为θ且大于0°时，针入度针贯入沥青样品的重力将被分为垂直力F1和横向力F2，根据物理学定律，F1一定小于0.98N。垂直力F1与夹角θ的关系见图3。

图2 当针入度针不垂直时力的分布 图3 F1与F2和夹角θ的关系

从图3可以看出，当针入度针不垂直时，随着其与垂直线的夹角越来越大，针入度针所加载的垂直力越小，针入度试验结果也就越低。影响针入度实验结果的准确性。

1. 2. 软化点试验的影响因素分析

从表3可以看出，浇模温度是影响软化点实验结果的重要因素之一，这是由于当温度较低时，改性沥青本身的粘度较大，而软化点环和底板处于常温状态，当低温的改性沥青浇入软化点环时与底板和软化点环接触后温度迅速降低，导致其粘度再次变大。温度越低，沥青得粘附性越小，温度越高，沥青的粘附性越大^【5】。所以低温时，改性沥青与软化点环的粘附性较差，在试验结束后观察软化点环内侧壁的状态，当浇模温度较低时，发现有部分内侧壁无粘连沥青或沥青粘连较少，而高温浇模时沥青与软化点环内侧壁粘连均匀充分。表明低温浇模造成软化点偏低的原因是低温下沥青大，不能充分与软化点环内侧壁粘连造成的。

从表4可以看出，当分别使用水和甘油做加热介质，得出的软化点结果差别在4℃左右，甘油作为介质高于水的软化点。刘晓冰^【6】等在不同加热介质对软化点的影响研究中指出，不同介质因为导热系数和密度不同，造成软化点结果差异，但未对不同介质的密度差异造成的沥青受力情况差异进行深入分析。

水和甘油的密度不同，水在20℃的密度是0.998g/cm³，甘油20℃的密度为1.261g/cm³，沥青在20℃时的密度为1.032g/cm³。软化点试验过程是当加热介质温度逐渐升高，沥青在钢珠的重力作用下逐渐下坠至底板的过程，此过程中钢珠的重力为G_钢珠，沥青的重力为G_沥青，钢珠受到介质的浮力为F_钢珠浮，沥青受到介质的浮力为F_沥青浮，沥青受到的总力为F_总，那么在软化点试验过程中，沥青受到的总力方程为：

甘油和水作为介质，沥青受力的结果分析如表5。

表5 不同加热介质的沥青受力分析

当使用甘油为介质时，因甘油的密度大于水的密度，造成钢珠受到介质的浮力F_钢珠浮和沥青受到介质的浮力F_沥青浮变大，而钢珠的重力G_钢珠和沥青的重力G_沥青不变，所以软化点试验过程中沥青受到的总力F_总变小，导致甘油为介质的软化点高于水为介质的软化点。从表5可以看出，当使用甘油为介质时，沥青受到的总力F_总比水作为介质的小5*10^-3N，沥青受到钢珠重力、沥青本身重力和浮力的总和减小15.7%，所以甘油为介质的软化点较水为介质的软化点高。

3. 结论

1. 水浴温度和贯入时间是影响针入度试验准确性的重要因素之一，同时针入度针的垂直程度、针连杆的润滑也是影响针入度试验结果准确性的重要因素；

2. 对于改性沥青，浇模温度是影响软化点实验结果的重要因素之一，当浇模温度过低时，软化点试验结果严重偏低，改性沥青软化点的浇模温度应在软化点以上90℃；

3. 甘油作为加热介质的软化点试验结果高于水为介质的，这是因为两者的密度差造成的。

参考文献

1. T0604-2000，沥青针入度试验.

2. T0606-2011，沥青软化点试验（环球法）.

3. 徐世法，季节，罗晓辉，王锐英. 沥青混合料的“软化点”与抗车辙能力关系分析.公

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Xu Shifa,Ji Jie,Luo Xiaohui,Wang Ruiying. Analysis on the relationship between

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4. 李秀君，原建安，戴经粱.沥青针入度与流变特性关系.长安大学学报（自然科学版），2003，17~21

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5. 王端宜，王鹏. 应用喇叭试验评价集料温度对沥青与集料粘附性的影响. 公路工程.2017，42（6），69~74.

Evaluation of Aggregate Temperature on Asphalt and Aggregate by Pull-out Test.Highway Project,2017,42(6),69~74.

6. 刘晓冰，王丽莲，范开辉.不同加热介质对沥青软化点的影响研究.石油沥青，2016，30（6），63~65.

Effect of Different Heating Medium on the Softening Point of Asphalt. Petroleum Asphalt,2016,30(6),63~65.