《道路工程材料》教學(xué)中的瀝青組分分析方法淺析

張增平 黃婷

摘 要：瀝青是廣泛應(yīng)用于交通、建筑、水利水電等多領(lǐng)域的一種有機膠結(jié)材料，本文通過對瀝青組分分析方法發(fā)展過程、三組分分析法、四組分分析法和瀝青組分瀝青性能關(guān)系四個方面的介紹加深學(xué)生對瀝青組分分析方法的理解，提高本課程中瀝青組分分析方法的教學(xué)效果。

1.引言

瀝青材料是公路工程中應(yīng)用中最為廣泛的一類材料，是由極其復(fù)雜的高分子碳?xì)浠衔锛斑@些碳?xì)浠衔锏姆墙饘伲ㄈ缪?、硫、氮）的衍生物所組成的混合物[1]。瀝青材料品種很多，按照其在大自然中獲取的方式不同可分為地瀝青和焦油瀝青兩大類。地瀝青是天然存在或由石油經(jīng)人工提煉而獲得的瀝青，可分為天然瀝青和石油瀝青。焦油瀝青是干餾有機燃料如煤、巖、材料等所收集的焦油經(jīng)過加工而得到的瀝青，可分為煤瀝青、木瀝青等。在道路工程使用瀝青種類中，石油瀝青和煤瀝青是最常使用的瀝青種類。對于瀝青材料學(xué)習(xí)中，掌握瀝青組分分析方法對于學(xué)生學(xué)習(xí)瀝青相關(guān)內(nèi)容中起到至關(guān)重要的作用。瀝青組分及其含量的差異會導(dǎo)致瀝青的軟化點、針入度、延度三大指標(biāo)的不同，影響著瀝青材料的高溫穩(wěn)定性、低溫開裂性、水穩(wěn)定性等路用性能，從而影響著瀝青路面的使用質(zhì)量和壽命。因此，本文從瀝青組分分析方法的發(fā)展過程、三組分分析法、四組分分析法和瀝青組分及其性能的關(guān)系幾個方面出發(fā)幫助學(xué)生更好的掌握瀝青組分分析方法。

2.《道路工程材料》中的瀝青組分分析方法解析

2.1 瀝青組分分析方法的發(fā)展歷程

石油瀝青的化學(xué)組成與其使用性能之間存在著絲絲縷縷的聯(lián)系。石油瀝青的化學(xué)分子表達式是CnH2n+aObScNd。瀝青中化學(xué)組成的主要元素是碳元素，占總量的80%～87%;其次是氫元素，占總量的10%～15%;如氧、硫、氮等非烴類元素含量很少;一些像鐵、錳、鋅等金屬元素含量更少，大約是幾個甚至幾十分百萬分之一。為了更好的研究石油瀝青化學(xué)組成與其性能之間的關(guān)系，將瀝青所含的烴類化合物中化學(xué)性質(zhì)相近的進行劃分歸類，這就是所稱的“瀝青化學(xué)組分”，簡稱“組分”。將瀝青不同組分劃分在一起的化學(xué)分析方法被稱為組分分析法。瀝青組分分析法本著化學(xué)性質(zhì)相近的原則將瀝青各個化學(xué)物質(zhì)來進行劃分，利用瀝青在不同有機溶劑中選擇性溶解或在不同吸附劑中選擇性吸附等性質(zhì)來進行分組。關(guān)于劃分瀝青組分的分析方法有許多。早年德國的學(xué)者丁？馬爾庫松提出將石油瀝青分離為瀝青酸、瀝青酸酐、油分、樹脂等組分。后來經(jīng)過多年的探索研究，美國學(xué)者L.R哈巴爾德和K.E斯坦費爾德提出三組分分析法。之后L.W科爾貝特提出來四組分分析法的概念。在《道路工程材料》瀝青組分分析方法學(xué)習(xí)中，三組分分析法、四組分分析法是兩種主要學(xué)習(xí)的瀝青組分劃分方法。

2.2三組分分析法

三組分分析法將瀝青材料的化學(xué)組成主要劃分為油分、樹脂和瀝青質(zhì)三大部分，這種劃分方式又被稱為溶解—吸附法。瀝青質(zhì)是深褐色固體末狀微粒，加熱后不會產(chǎn)生熔化現(xiàn)象，分解之后會變成硬焦炭，瀝青質(zhì)的存在是瀝青呈現(xiàn)黑色的主要原因。樹脂是紅褐色粘稠半固體物質(zhì)，其對溫度的敏感性較高，熔點低于100。油分是淡黃色透明液體，可溶解于大部分有機溶劑，具有光學(xué)活性，因此油分常常出現(xiàn)熒光的現(xiàn)象。三組分分析法它能清晰、明確地將瀝青材料各個組分劃分開來，并且利用三組分分析法來得到的瀝青組分含量能在一定程度上說明瀝青的路用性能。但是，三組分分析法流程較為復(fù)雜并且分析所需時間較長。

2.3四組分分析法

四組分分析法與三組分分析法對瀝青所含烴類化合物的劃分方法其實是大同小異的。在教學(xué)過程中，可以利用將四組分分析法與三組分分析法進行對比，讓學(xué)生更快更深刻地掌握兩種瀝青組分分析方法。四組分分析法是將瀝青材料劃分為瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、飽和分和芳香分四部分。對比三組分分析法劃分瀝青各個化學(xué)物質(zhì)組成可以發(fā)現(xiàn)兩種劃分方法中都含有瀝青質(zhì)這一深褐色固體末狀微粒。瀝青質(zhì)在瀝青材料中主要起到提高瀝青高溫穩(wěn)定性和黏滯性的作用。在四組分劃分法中飽和分和芳香分其實相當(dāng)于三組分劃分法中的油分這一成分。飽和分是無色黏稠液體，芳香分是茶色黏稠液體，兩者共同賦予了瀝青材料的流動性。膠質(zhì)是一種紅褐色至黑褐色黏稠液體，它與三組分劃分法中樹脂的顏色以及物質(zhì)狀態(tài)是非常相似的。膠質(zhì)的存在可以增強瀝青膠體的穩(wěn)定性和可塑性，同時還可以提高瀝青與集料之間的黏附性使集料不輕易的從瀝青中脫落，避免因車輛荷載等原因而引起的各種道路病害。在教學(xué)中，可以通過以上描述將四組分分析法中的各成分和三組分分析法中的成分對應(yīng)來教授學(xué)生，讓學(xué)生更清晰、明了學(xué)習(xí)瀝青組分分析方法。四組分分析法是在諸多瀝青測定化學(xué)組成方法中最為廣泛應(yīng)用的，但在實際操作中由于是依靠操作人員手動淋洗層析柱對各組分進行分離、計算導(dǎo)致四組分分析法效率低下、實驗可重復(fù)性較差、實驗結(jié)果偏差大。在當(dāng)今研究中，很多學(xué)者針對四組分分析法的缺點提出相關(guān)建議。王文祥等提出采用自動組成分析儀利用其自動化溶劑淋洗與回收控制系統(tǒng)解決四組分分析法效率低下、步驟復(fù)雜的問題[2]。

2.4關(guān)于瀝青組分與瀝青性能的關(guān)系

瀝青組分與瀝青的性能之間有著緊密聯(lián)系，原因是瀝青組分及其各含量之間的差異會引起瀝青性質(zhì)產(chǎn)生變化。材料的微觀結(jié)構(gòu)會影響著材料的宏觀性能，對于瀝青這一高聚物而言，同一油源開采出來的瀝青由于其生產(chǎn)工藝的差異也會導(dǎo)致瀝青的化學(xué)組分大不相同，從而致使瀝青的路用性能之間也存在著差異。瀝青中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、飽和分和芳香分的含量與瀝青的針入度、軟化點、延度三大指標(biāo)息息相關(guān)。對于同一油源、同一生產(chǎn)工藝制備而得的瀝青，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量越高，瀝青的針入度值越小，軟化點越高;而飽和分含量越高，對針入度和軟化點的影響恰與瀝青質(zhì)和膠質(zhì)相反，飽和分含量越高針入度越大軟化點越低。因此，根據(jù)瀝青各組分含量對于瀝青三大指標(biāo)的影響，調(diào)整瀝青各組分之間的含量可以有效地改善瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫開裂性、抗老化性等性能。國內(nèi)外許多學(xué)者2都基于此來開展研究，如高桂海等研究中提出可按照飽和分+芳香分、芳香分和飽和分順序依次選擇三者含量低或選擇瀝青質(zhì)含量高的瀝青提高瀝青的抗老化性能[3]。

3.結(jié)束語

在公路工程中，瀝青作為廣泛應(yīng)用的材料之一，其化學(xué)組分分析方法的掌握對于學(xué)生而言至關(guān)重要。三組分分析法是將石油瀝青劃分為油分、樹脂、瀝青質(zhì);四組分分析法是將石油瀝青劃分為飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。這兩種劃分方法作為國內(nèi)石油瀝青組分劃分最常見的方法存在著能將石油瀝青各組分清晰明確地劃分開來的優(yōu)點，也存在著操作復(fù)雜、效率低下的缺點。在學(xué)生學(xué)習(xí)培養(yǎng)中，可以針對兩種劃分方法的優(yōu)缺點，引導(dǎo)學(xué)生取其精華去其糟粕探索出更精確、高效的瀝青組分劃分方法。

參考文獻：

[1]申愛琴，道路工程材料，第一版，人民交通出版社[M]，2010

[2]沈金安，瀝青及瀝青混合料路用性能，人民交通出版社[M]，2001

[3]王文祥，孫楓，仵春祺，李瑋明，李瑛.自動組成分析儀測定石油瀝青四組分[J].分析儀器，2018（03）：94-96.

[4]高桂海，郭寧，錢波.瀝青組分對瀝青抗老化性能影響研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，39（04）：69-73.

作者簡介：

1.張增平，男，1981年10月生，陜西藍田人，博士。工作單位：長安大學(xué)公路學(xué)院道路工程所。職稱：教授。研究方向：道路工程材料。