瀝青組分測定方法討論

馬元功

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

?

瀝青組分測定方法討論

馬元功

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

由于瀝青材料在路面工程方面的應(yīng)用越來越廣，所以更加注重其路用性能的提升，然而路用性能又和瀝青的化學(xué)組分有著內(nèi)在的關(guān)系，因此對瀝青進(jìn)行組分測定具有必要性和重要意義。本文通過分析目前國內(nèi)外部分專家學(xué)者對瀝青組分測定方法研究的總體概況，梳理、總結(jié)了相關(guān)文獻(xiàn)，擬結(jié)合瀝青組分測定的實(shí)際情況，開展進(jìn)一步的研究。

石油瀝青；組分；實(shí)驗(yàn)；分離；步驟

一、前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,高速公路及高等級市政道路等都在使用瀝青混合料路面，新的道路的建設(shè)和舊的道路的修復(fù)都向道路工作者提出一個(gè)要求，即要求道路瀝青具有較高的使用品質(zhì)，以期獲得更好的路面使用性能。研究結(jié)果[1-3]表明瀝青的化學(xué)組分與其物化性質(zhì)有較好的關(guān)聯(lián)。

瀝青是石油中分子量最大、組成及結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分，由于其化學(xué)組成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及目前分析技術(shù)的限制，要將瀝青分為純粹的化合物單體存在許多困難。因此采用化學(xué)組分分析，即用化學(xué)方法將瀝青分離為幾個(gè)與其路用性能有聯(lián)系的組分，以便研究其性能。組分實(shí)驗(yàn)的方法很多，比較適用的有三組分法、四組分法、五組分法和多組分法等，其中四組分測定方法應(yīng)用較為廣泛。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

2000年以前，采用的分離方法有分子蒸餾、分離沉淀、化學(xué)沉淀、吸附法，但是這些方法大多數(shù)應(yīng)用的局限性很大。隨之而來，色譜法得到廣泛應(yīng)用，提取色譜是1979年由Halasz提出的分離低揮發(fā)性復(fù)雜混合物的分離技術(shù)，其基本原理是首先將準(zhǔn)備分離的物質(zhì)溶解于移動(dòng)相中，使移動(dòng)相經(jīng)過具有一定吸附活動(dòng)的固定相層，利用吸附分配、離子交換等作用使物質(zhì)在兩相間分配能力有差異的條件下進(jìn)行分離。

(一)基于減壓柱層析色譜的瀝青四組分分離方法

該方法的實(shí)驗(yàn)裝置主要由3部分組成：玻璃吸附柱、收集部分(圓底燒瓶)及減壓控制部分。其中分離過程中采用抽真空減壓，真空閥控制體系真空度，并可通過四口分流閥實(shí)現(xiàn)多相試樣并行分離。

此方法提高了分離精確度和工作效率，降低了工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化，為獲得準(zhǔn)確的四組分?jǐn)?shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的重復(fù)性、重現(xiàn)性提供了有力的技術(shù)保證。

(二)離子交換色譜法分離瀝青化學(xué)組分

該方法采用新的角度，從酸堿角度出發(fā)建立了瀝青化學(xué)組分分離方法。利用離子交換樹脂將瀝青分為中性分、酸性分、堿性分及兩性分。

試驗(yàn)前的準(zhǔn)備包括樹脂的活化，沖洗液種類的選取和瀝青用量的確定。整個(gè)分離過程是在交換柱(陰離子交換柱和陽離子交換柱)中進(jìn)行的。其中樹脂的活化需注意以下幾點(diǎn)：(1)防止樹脂發(fā)生“脫節(jié)”現(xiàn)象。(2)沖洗樹脂時(shí)應(yīng)注意控制流速。(3)當(dāng)天活化的陰離子樹脂應(yīng)當(dāng)天進(jìn)樣，必須合理安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

此外沖洗液的選擇還是處于選擇性適用階段，如何提高中性分，酸性分，堿性分，兩性分的沖洗分離效率還值得我們進(jìn)一步研究。

離子交換色譜法分離瀝青化學(xué)組分的方法還處于實(shí)驗(yàn)探索階段，其中在中性分、酸性分、堿性分、兩性分的界定上和含量測定上及瀝青的最佳用量上都還需要深層次的研究。

(三)棒狀薄層色譜分析儀檢測法

展開劑的選擇是本檢測方法的關(guān)鍵步驟，鄒異紅等在采用本方法時(shí)，先配制瀝青的二氯甲烷溶液，濃度為10mg/ml，接著第一展開劑為正庚烷，第二展開劑(正庚烷：甲苯=20:80，體積比)，第三展開劑(二氯甲烷：甲醇=95:5，體積比)。然后用TLC(棒狀薄層色譜分析儀)檢測分離好的試樣，得到瀝青四組分的TLC譜圖。測定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用中國JTJ052—2000中規(guī)定的三組分和四組分分析法測定的同一規(guī)格的瀝青的結(jié)果比較接近。

此棒狀薄層色譜分析儀測試瀝青的四組分具有速度快、污染少、重現(xiàn)好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是不同的展開劑及其不同的配比，測試的結(jié)果差異也很大。產(chǎn)生不同結(jié)果主要在于選用了不同的展開劑，各組分分離效果的好壞跟展開劑的極性大小，以及各種展開劑的混溶有很大的關(guān)系。因此，在此方法的后續(xù)研究上主要集中在展開劑的優(yōu)化選擇與混溶。

(四)瀝青熱重法(TG)

對于瀝青TG圖譜中，只有1個(gè)同向“弧”型，可認(rèn)為該瀝青是由性質(zhì)相近的物質(zhì)組成的，該瀝青稱為I組分瀝青；對于瀝青TG圖譜中，有2個(gè)或3個(gè)同向“弧”型，可認(rèn)為該瀝青是由性質(zhì)相近的II組分或III組分物質(zhì)組成的，該瀝青可稱為II組分瀝青或III組分瀝青。連接2個(gè)同向“弧”中間反向“弧”切線交點(diǎn)沿橫軸平行與縱軸交點(diǎn)對應(yīng)數(shù)值就是上一組分瀝青所占瀝青全組分的比例數(shù)。

此應(yīng)用熱重法分析瀝青的組分、組分結(jié)構(gòu)及溫度溫度性，其測試手段先進(jìn)、測試方法簡單、可在較短時(shí)間內(nèi)快速、準(zhǔn)確地測出結(jié)果。該方法適合于對道路瀝青的物理性質(zhì)的分析，但對瀝青各組分具體組成仍需要進(jìn)一步研究，也是此方法的局限所在。

(五)現(xiàn)行JTJ052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》“瀝青四組分試驗(yàn)”

四組分的基本原理是將試樣先用正庚烷沉淀出瀝青質(zhì)，得到軟瀝青質(zhì)，然后將軟瀝青質(zhì)的正庚烷溶液吸附于活化吸附劑上，用不同類型和數(shù)量的溶劑連續(xù)洗釋，分別得到飽和分、芳香分和膠質(zhì)。

(1)其中活性吸附劑包括活性白土、硅膠、活性氧化鋁等，活性吸附劑的活性對結(jié)果影響很大，對同樣的吸附劑而言，由于前處理的方法不同，所得的結(jié)果也可能差別很大。吸附劑的比表面、粒度以及裝填柱子的緊密程度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有很大影響。

(2)在溶劑沖洗中，關(guān)鍵在于更換接受瓶的時(shí)機(jī)。洗釋過程必須是“連續(xù)”的，在更換接受瓶時(shí)，應(yīng)根據(jù)流出物的顏色和體積判斷切換點(diǎn)。

(3)如沖洗前兩種溶劑時(shí)，有黑色溶劑流下并非完全由于氧化鋁量太少所致，也有氧化鋁活化處理不好所致的情況，應(yīng)查明原因，重新試驗(yàn)。

(4)在對錐形瓶進(jìn)行加熱操作時(shí)，最好使用電加熱套，不建議采用油浴鍋加熱。

(5)在恒重處理時(shí)，建議試驗(yàn)前后都采用“真空干燥箱—干燥器—稱量—真空干燥箱—干燥器—稱量”。

三、結(jié)語

到目前為止，已有很多科技工作者對瀝青的化學(xué)組分與物化性質(zhì)進(jìn)行了很多的研究，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的關(guān)聯(lián)，然而另一些科研人員卻發(fā)現(xiàn)瀝青的組成與其物化性質(zhì)或使用性能的關(guān)聯(lián)較差。出現(xiàn)這種情況的原因在于：瀝青是一個(gè)化學(xué)組成非常復(fù)雜的膠體體系，其諸多物理、化學(xué)性質(zhì)(如針入度、軟化點(diǎn)、延度、四組分等)的測定均為條件試驗(yàn)，試驗(yàn)條件的改變將直接影響試驗(yàn)的結(jié)果。但是，由于各種的原因的存在，在具體試驗(yàn)操作中會(huì)出現(xiàn)不能或沒有嚴(yán)格按照試驗(yàn)操作步驟進(jìn)行，使試驗(yàn)結(jié)果偏離正常值，從而誤導(dǎo)了試驗(yàn)者。所以今后對瀝青四組分分離方法的探索還是要注重測定過程中的不同試驗(yàn)條件對試驗(yàn)結(jié)果的影響，以期來更好的指導(dǎo)后續(xù)研究者更好的對四組分進(jìn)行分離和提純。

[1]闕國和，劉晨光，陳月珠等.道路瀝青的化學(xué)組成和使用性質(zhì)間的關(guān)系.石油煉制，1987，(6)：32—37.

[2]王永剛，廖克儉，叢玉鳳等.瀝青化學(xué)組成與其使用性能間的灰熵分析.石油瀝青，2012，(4)：25—28

[3]張德勤.石油瀝青的生產(chǎn)與應(yīng)用.北京：中國石化出版社，2001.

馬元功(1992-)，男，漢族，河南信陽人，在讀碩士研究生，材料科學(xué)與工程學(xué)院。