瀝青蠟含量試驗(yàn)方法的研究

金長(zhǎng)泰 才洪美 顏玉進(jìn) 游玉石 楊建新

(1.泰州出入境檢驗(yàn)檢疫局 江蘇泰州 225300;2.江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司)

1 前言

改革開放以來，我國(guó)開始進(jìn)行大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尤其是公路建設(shè)以前所未有的速度發(fā)展，使得我國(guó)的公路事業(yè)進(jìn)入了以高等級(jí)公路為主的新階段。由于我國(guó)自產(chǎn)瀝青的質(zhì)量和產(chǎn)量均不高，因此通常公路建設(shè)中多使用進(jìn)口瀝青。雖然進(jìn)口瀝青質(zhì)量較好，并且高速公路建設(shè)過程中使用的進(jìn)口瀝青材料都是經(jīng)過出入境檢驗(yàn)檢疫局和各瀝青檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)的合格產(chǎn)品，但是隨著進(jìn)口瀝青的大規(guī)模使用，一些使用了符合規(guī)范材料的路面仍然出現(xiàn)了質(zhì)量問題。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況?是瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某些指標(biāo)的要求不盡合理還是現(xiàn)行的瀝青技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)不完善?這些問題引起了廣泛關(guān)注。本文重點(diǎn)探討道路石油瀝青中蠟含量指標(biāo)試驗(yàn)方法的合理性。

蠟含量是評(píng)價(jià)道路石油瀝青性能的一個(gè)重要指標(biāo)，比較一致的看法是：蠟?zāi)芙档蜑r青的高溫粘度、低溫延度、粘結(jié)性和可塑性，同時(shí)能增加對(duì)溫度的敏感性，因而對(duì)瀝青的使用性能有一定的負(fù)面作用［1］。在交通運(yùn)輸部發(fā)布實(shí)施的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40－2004)中，對(duì)高級(jí)道路石油瀝青蠟含量(蒸餾法)的技術(shù)指標(biāo)要求為≤2.2%［2］，一定意義上也是為了減輕蠟對(duì)瀝青性能的影響。

蠟含量的測(cè)定方法有很多，在《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ052－2000)蠟含量試驗(yàn)方法(T0615－2000)中采用的標(biāo)準(zhǔn)方法是蒸餾法［3］，即以蒸餾法餾出油分后，測(cè)定在規(guī)定的溶劑及低溫條件下結(jié)晶析出的蠟含量，以質(zhì)量%表示，這一方法在我國(guó)得到廣泛采用。但是由于JTJ052－2000在某些試驗(yàn)環(huán)節(jié)的描述不夠明確，造成不同試驗(yàn)人員對(duì)規(guī)程的理解不一致，各試驗(yàn)室實(shí)際操作過程中的某些細(xì)節(jié)與操作習(xí)慣也不相同，從而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)差異，造成材料供應(yīng)商與檢測(cè)單位之間出現(xiàn)爭(zhēng)議。

2 比對(duì)試驗(yàn)及結(jié)果

組織國(guó)內(nèi)4家具有較高資質(zhì)的公路工程試驗(yàn)室對(duì)2種道路石油瀝青的蠟含量指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)室間蠟含量比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

從比對(duì)結(jié)果看出，4家試驗(yàn)室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在相當(dāng)大的差異，標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到了0.55%;2個(gè)樣品最大相差均為1.2%，超過了規(guī)范規(guī)定的重復(fù)性允許差1.0%，且結(jié)果有一定的規(guī)律性，為試驗(yàn)室A＞試驗(yàn)室C＞試驗(yàn)室B，而試驗(yàn)室D的檢測(cè)結(jié)果時(shí)大時(shí)小，隨機(jī)性很大;試驗(yàn)室間如此大的數(shù)據(jù)偏差使得蠟含量檢測(cè)結(jié)果失去了可比性。

3 結(jié)果分析及討論

3.1 影響蠟含量試驗(yàn)的環(huán)節(jié)

比較4家試驗(yàn)室試驗(yàn)過程中的不同之處，發(fā)現(xiàn)盡管所依據(jù)的試驗(yàn)規(guī)程一樣，但試驗(yàn)過程中的很多環(huán)節(jié)和設(shè)備有明顯不同，其中很多不同點(diǎn)可以直接影響到最終的試驗(yàn)結(jié)果。表2列出了4家試驗(yàn)室在蠟含量裂解蒸餾環(huán)節(jié)中的主要不同點(diǎn)。

表2 各試驗(yàn)室裂解蒸餾環(huán)節(jié)的不同點(diǎn)

通過對(duì)表2的分析以及和各實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)人員的溝通，發(fā)現(xiàn)根本原因在于現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程中的某些細(xì)節(jié)規(guī)定不夠明確或者描述容易產(chǎn)生歧義，使不同的試驗(yàn)人員對(duì)于規(guī)程的理解存在偏差，從而運(yùn)用到實(shí)際操作中導(dǎo)致了不同效果的產(chǎn)生。

3.2 影響試驗(yàn)結(jié)果的因素分析

3.2.1 各方對(duì)規(guī)范中方法的理解不一致

(1)規(guī)范中關(guān)于蒸餾速度的說明是“以2滴/s(4mL/min－5mL/min)的流出速度繼續(xù)蒸餾至無餾分油，瓶?jī)?nèi)蒸餾殘留物完全形成焦炭為止?！保?］

問題：試驗(yàn)初期，蒸餾速度很容易控制在2滴/s，隨著蒸餾的繼續(xù)，樣品中餾分油越來越少，流出速度會(huì)越來越慢，是繼續(xù)蒸餾至無餾分油并形成焦炭還是提高蒸餾溫度以保持蒸餾速度至最終形成焦炭?如自始至終均保持2滴/s的蒸餾速度，則在后期需要提高蒸餾的溫度;而裂解溫度過高時(shí)，容易將瀝青中的雜質(zhì)成分帶入餾分油中，此時(shí)得到的餾分油顏色普遍較深，常伴有紅色的小斑塊，最終的蠟含量結(jié)果也相對(duì)偏大。

建議：保持蒸餾初期2滴/s時(shí)的控制溫度直至無餾分油并形成焦炭。

(2)關(guān)于冷卻裝置

問題：關(guān)于蒸餾過程中用冰水進(jìn)行冷卻的裝置，規(guī)范沒有詳細(xì)說明。圖1、圖2、圖3是蠟含量蒸餾過程中使用的冷卻裝置，其中圖1、圖3用冰塊完全包裹了三角瓶，而圖2采用的是冰水冷卻，三角瓶大部分暴露空氣中，冷卻的效果遠(yuǎn)不如圖1、圖3中的方式;圖3的冷卻方式效果雖好，但不方便觀察初餾時(shí)間和蒸餾速度。

圖1 正確的冷卻裝置

圖2 不正確的冷卻裝置圖

圖3 不正確的冷卻裝置

建議：由于蠟含量計(jì)算中，蒸餾液的數(shù)量與蠟含量緊密相關(guān)，而蒸餾過程中冷卻裝置的冷卻效果直接與蒸餾液數(shù)量相關(guān)，因此，采用圖1的冷卻方式。

3.2.2 規(guī)范中部分環(huán)節(jié)不具唯一性

(1)規(guī)范中關(guān)于蒸餾的方法，既可以采用燃?xì)鉅t也可以使用高溫電爐。

問題：蒸餾是蠟含量試驗(yàn)過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接影響最終的試驗(yàn)結(jié)果。而規(guī)范中蒸餾方法既可以使用燃?xì)鉅t又可以使用高溫電爐，方法的不同，必然導(dǎo)致得到的蒸餾油分不同。采用燃?xì)鉅t時(shí)，受人為因素及環(huán)境條件影響，溫度的高低、火焰的大小無法準(zhǔn)確控制，如圖4中火焰包圍蒸餾瓶底部，圖5中火焰較小，未包裹蒸餾瓶底部;采用高溫電爐相對(duì)容易統(tǒng)一。

圖4 火焰較大

圖5 火焰偏小

建議：使用統(tǒng)一的方法進(jìn)行蒸餾，即蒸餾采用高溫電爐進(jìn)行加熱，溫度可以精確控制在550±10℃，從而避免存在火焰包圍燒瓶的大小和溫度上的差異。

(2)規(guī)范中初餾時(shí)間的范圍過大，5min－8min初餾均符合規(guī)范的要求。

問題：試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析顯示，同樣的樣品在不同的初餾時(shí)間獲得的餾分油在數(shù)量、顏色上存在明顯的差異。初餾時(shí)間早的樣品，由于裂解的溫度相對(duì)較高，相同時(shí)間內(nèi)獲得的蒸餾液也會(huì)較多;4家試驗(yàn)室的蒸餾結(jié)果22g－30g不等，通過計(jì)算分析，蒸餾液體每多1g，試驗(yàn)結(jié)果將增大0.1%左右，如圖6所示。實(shí)際上餾分油質(zhì)量對(duì)蠟含量的影響甚至更大，因?yàn)橥ǔｐs分越少蒸餾溫度則越低，餾分油顏色越淺，餾分油本身的蠟含量也就越低［4］。因此，有必要統(tǒng)一初餾時(shí)間，才能保證試驗(yàn)的一致性。

圖6 蠟含量結(jié)果隨蒸餾液數(shù)量變化圖

建議：考慮到裂解溫度過高時(shí)，容易導(dǎo)致部分非蠟成份帶入蒸餾油中，因此，初餾時(shí)間采用規(guī)范范圍內(nèi)的7－8min為宜。

(3)規(guī)范中取用于脫蠟的餾分油質(zhì)量1g－3g。

問題：從以往的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，取用不同的餾分油數(shù)量，試驗(yàn)所得到蠟的質(zhì)量也不一樣，蠟含量也不一樣;部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)蠟含量平行試驗(yàn)時(shí)采用的餾分油數(shù)量一樣，此種方法雖然最終平行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)一致性較好，但因?yàn)槿訑?shù)量集中在一個(gè)點(diǎn)上，試驗(yàn)結(jié)果不具代表性。從表3的數(shù)據(jù)可以得出，餾分油數(shù)量取在1.5－2.5之間時(shí)，得到的蠟的質(zhì)量一般都能滿足規(guī)范要求的0.05g－0.1g的要求;結(jié)合規(guī)范1－3g的要求，考慮到進(jìn)口瀝青蠟含量較小的現(xiàn)狀，稱取的餾分油質(zhì)量為 1.6g、2.0g和 2.4g左右。

表3 蠟含量計(jì)算數(shù)據(jù)

同時(shí)，JTJ052－2000中要求平行試驗(yàn)結(jié)果超出允許差范圍時(shí)，繪制蠟含量與蠟質(zhì)量的關(guān)系圖，以蠟質(zhì)量為0.075 g時(shí)的蠟含量為最終蠟含量結(jié)果。

建議：取用統(tǒng)一的餾分油數(shù)量進(jìn)行試驗(yàn)，采用逐級(jí)增加取樣數(shù)量的方法進(jìn)行。試驗(yàn)用餾分油稱取時(shí)餾分油數(shù)量采用1.6 ±0.05g、2.0 ±0.05g和2.4±0.05g，最終計(jì)算蠟含量時(shí)統(tǒng)一采用規(guī)范中回歸的方法，以蠟質(zhì)量為0.075g時(shí)的蠟含量為最終蠟含量結(jié)果。

(4)規(guī)范中進(jìn)行蠟的冷凍分離方法有2種。

問題：規(guī)范在制定試驗(yàn)規(guī)程時(shí)，考慮了2種冷卻過濾裝置。由于裝置的構(gòu)造和試驗(yàn)條件控制的不同，利用2種方法進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果難免有差異，有必要統(tǒng)一試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法。

建議：考慮到我國(guó)多數(shù)檢測(cè)部門采用的方法為規(guī)范中的方法一，所以統(tǒng)一采用規(guī)范中方法一所用的冷凍裝置和分離方法。

3.3 驗(yàn)證

根據(jù)以上對(duì)規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)方法的分析和建議，為了驗(yàn)證試驗(yàn)方法的明確性和結(jié)果的唯一性，組織4名試驗(yàn)人員按照建議后的試驗(yàn)方法，對(duì)3組不同的道路石油瀝青樣品進(jìn)行了蠟含量比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同人員測(cè)定蠟含量比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

從比對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果來看，4名試驗(yàn)人員的試驗(yàn)結(jié)果非常接近，最大誤差為0.2%，遠(yuǎn)小于試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)性允許誤差1.0%的范圍，表明按照上述建議的方法，能夠保證現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)范的內(nèi)容更加具體和明確，使其不會(huì)產(chǎn)生歧義而導(dǎo)致各試驗(yàn)人員理解不一致，最終導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的偏差。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是上述建議中，并未改變JTJ052－2000中蠟含量試驗(yàn)方法的試驗(yàn)條件，而是在現(xiàn)行規(guī)范的前提下，將試驗(yàn)條件更加明確化，確保理解的唯一性，從而保證試驗(yàn)結(jié)果的唯一性。

4 結(jié)論

通過比較分析，可以看出雖然蠟含量試驗(yàn)有規(guī)范可循，但其中還有許多問題尚須解決。對(duì)此，本文提出如下針對(duì)性建議：

(1)規(guī)范中蠟含量蒸餾試驗(yàn)時(shí)，建議加熱方式使用電熱爐加熱。

(2)蒸餾時(shí)的冷卻方法，規(guī)范沒用明確說明，建議采用3.2.1(2)中圖1的方法。

(3)規(guī)范中初餾時(shí)間5－8min，跨度較大，建議初餾時(shí)間統(tǒng)一為7－8min內(nèi)。

(4)規(guī)范中蒸餾速度要求為2滴/s，蒸餾至無蒸餾液為止，建議保持初期2滴/s的蒸餾溫度至蒸餾液為止。

(5)規(guī)范中用于脫蠟的餾分油取樣數(shù)量為1－3g，結(jié)合蠟含量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，建議分別采用1.6±0.05g、2.0 ±0.05g 和 2.4 ±0.05g。

(6)規(guī)范中平行試驗(yàn)超出規(guī)范允許差時(shí)采用回歸方法，以0.075g蠟對(duì)應(yīng)的蠟含量為試驗(yàn)結(jié)果。建議平行試驗(yàn)滿足允許差條件時(shí)，也采用回歸方法計(jì)算。

(7)規(guī)范中蠟含量試驗(yàn)提出了2種設(shè)備2種方法，從試驗(yàn)的一致性考慮，建議統(tǒng)一采用方法一中的設(shè)備和試驗(yàn)方法。

［1］沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］JTG F40－2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］JTJ 052－2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［4］王傳民.石油瀝青蠟含量測(cè)定影響因素及操作要點(diǎn)［J］.石油瀝青，2006，20(1)：71 －71.