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瀝青軟化點是劃分瀝青種類和等級的重要指標。隨著超高軟化點瀝青(軟化點≥157℃)在各領域的應用越來越廣泛,準確測定其軟化點十分必要。
1測定方法優化
測定瀝青產品軟化點的方法很多,常用的是環球法。將待測試樣加熱熔化后,在樣品環中澆注成型,隨后將樣品環放置于導熱介質中進行線性加熱升溫,瀝青包裹著鋼球軟化下落至規定距離后的溫度就是軟化點。
環球法測定超高軟化點瀝青的軟化點有3點不足之處:①導熱介質溫度受限制;②由于加熱溫度高,熱熔過程中瀝青試樣易氧化變性,使結果偏高,不能準確測定軟化點>157℃的瀝青試樣;③由于加熱溫度高,在制樣過程中會有瀝青煙逸出,對人體有害。
1.1選擇合適的導熱介質
環球法常用的導熱介質是丙三醇,其閃點為177℃,從安全角度出發將檢測上限設定為157℃,因此丙三醇不能滿足軟化點測定范圍80~300℃的要求。
環球法測定瀝青軟化點的導熱介質要將加熱設備的熱量傳遞給待測樣品,必須是無色無味、透明無毒、化學性質穩定的液體,終可以觀察導熱介質中的瀝青試樣軟化下落情況。此外,在測量范圍內導熱介質的黏度變化應盡量小,將其對瀝青試樣軟化下落的影響降到低,并且也應考慮成本因素。
根據所需介質特點并查閱資料得知,二甲基硅油具有耐熱性好、閃點高、化學性質穩定、無毒、無味、透明等優點,成本也較低廉。分別用丙三醇和二甲基硅油作為導熱介質進行試驗,將試驗溫度下新鮮和循環使用過的介質黏度變化情況進行對比,具體數據見表1。
由表1可知:①循環使用的丙三醇和新鮮的丙三醇相比,動力黏度變化較大,而二甲基硅油的動力黏度變化較小。②新鮮的丙三醇和二甲基硅油的動力黏度隨溫度增加都逐漸降低,循環使用的丙三醇和二甲基硅油的動力黏度在高溫區域都會小幅增加。③二甲基硅油同丙三醇相似,動力黏度隨溫度升高快速降低以后,保持了基本穩定,這個基本穩定的溫度范圍即是適合于軟化點測定的范圍,丙三醇范圍是80~160℃,二甲基硅油則是80~300℃。
二甲基硅油動力黏度隨溫度變化較小,對瀝青的下落速度影響基本恒定,因此二甲基硅油是合適的導熱介質。二甲基硅油長時間保持高溫,顏色會由無色透明逐漸變深,顏色變深也會影響對試樣變形程度的判斷。根據經驗,加熱溫度達到250℃以上時,二甲基硅油的使用周期為5~10次;加熱溫度在250℃以下,如果二甲基硅油的透光性變差,影響瀝青軟化點判斷時可更換。
1.2瀝青試樣冷壓成型方法的試驗
冷壓制樣具有無煙氣、無異味、操作簡單、過程標準化、對樣品化學性質不產生影響、軟化點范圍廣的優點,故在環球法基礎上進行冷壓制樣試驗。
1.2.1確定冷壓模具的材質和尺寸
冷壓模具的設計參考了ASTMD3461梅特勒法制樣模具,壓制的樣品環*按照環球法的尺寸,但是結合了環球法的特點和要求進行了創新。在冷壓模具的材質選擇上,排除了環球法常用的黃銅材質,因其材質較軟,不耐高壓。冷壓模具日常使用中要考慮防銹耐腐蝕的因素,因此首先選擇了304不銹鋼加工冷壓模具,但長期反復在高壓下使用后發現,304材質的模具略有變形,特別是樣品環容易變形;其次選擇碳素工具鋼加工冷壓模具,碳素工具鋼硬度高于304不銹鋼,但是在潮濕環境中易生銹,從而影響瀝青試樣的制樣和測定。在實踐中發現,將碳素工具鋼模具浸入二甲基硅油中加熱至300℃左右,再同二甲基硅油一起自然冷卻至室溫,取出模具用紙擦拭干凈,后續使用中不再生銹。經過比較,終選擇了碳素工具鋼作為冷壓模具的加工材料。
1.2.2尋找合適的冷壓制樣參數
GB/T2291《煤瀝青實驗室試樣的制備方法》規定環球法瀝青試樣的粒徑小于3mm即可,梅特勒法制樣要求粒徑小于2mm。本試驗考慮瀝青試樣粒徑太大會影響冷壓制樣的裝填效率,故選定粒徑小于0.5mm。同時,為了減少水分對軟化點測定的影響,瀝青試樣按照GB/T2291的要求進行干燥處理。
瀝青試樣粉末加入到冷壓模具之后,將其整體移至紅外壓片機下,通過操縱桿緩慢對模具施加壓力,壓力傳遞至樣品環中的瀝青試樣上,瀝青粉末將會受力壓實。通過檢測壓實后的試樣密度與原有的瀝青樣品真密度進行比較,找出的制樣壓強。本試驗采用密度天平法測定試樣的密度,其中瀝青樣品直接進行測量即可,而壓實后的樣品塊和樣品環必須分3次測量,再通過以下公式計算得出瀝青樣品塊的壓實密度。
裝有瀝青試樣粉末的冷壓模具在壓片機下分別以10、15、20、25MPa壓強壓制成型,壓片機在上述壓強下需要穩定至少15s,壓制好的試樣用二甲基硅油進行熱浴,在環球法的檢測裝置上進行檢測,得出數據見表2。
從表2的數據可知,隨著壓片機壓強增大,樣品塊的壓實密度會逐漸增大,逐漸接近試樣的真密度,但是增加幅度逐漸減小。在25MPa下,瀝青樣品塊的壓實密度同試樣真密度仍有少量差距,受限于模具的耐壓性以及壓片機的性能,不可能無限加壓。從軟化點數據分析,20MPa以上的壓強對結果的影響已經很小,因此本試驗將冷壓制樣的壓強確定為20MPa。
2驗證與對比
2.1平行測定試驗
環球法樣品預處理是將瀝青試樣加熱至*熔化狀態,然后澆注至樣品環中,等待瀝青試樣冷卻后,再將突出樣品環部分的瀝青刮平。傳統預處理過程操作繁瑣,技術要求較高,并且熱熔制樣加熱溫度需要高于瀝青軟化點50℃以上,因此不能用于軟化點≥200℃瀝青的制樣,否則將會導致瀝青試樣氧化結焦變性,軟化點測定結果嚴重偏高,甚至無法測定。利用冷壓環球法分別對5種不同軟化點的瀝青試樣進行平行測定試驗,得到數據見表3。
根據表3的檢測數據,在80~199℃,冷壓環球法的平行樣數據≤1.0℃,取平均值報出;在200~300℃,平行樣數據≤1.5℃,取平均值報出。允差按照2倍根號2s計算,適當放寬后得到冷壓環球法的重復性:在80~199℃,重復性≤1.5℃;在200~300℃,重復性≤2.0℃。
2.2對比試驗
將冷壓環球法測定的軟化點≤157℃的瀝青試樣同GB/T2294(環球法)進行對比,將冷壓環球法測定的軟化點在157~180℃的瀝青試樣同ASTMD3461(梅特勒法)進行對比。200℃以上的瀝青試樣由于沒有標準檢測方法,也暫時沒有標準樣品,因此無法進行對比試驗。對比數據見表4。
查t值表,當n=12時,t0.95=2.20,表4中的t計算均小于t0.95,表明冷壓環球法和國標環球法以及梅特勒法之間沒有明顯的系統誤差,可以互相代替。
3結論
(1)冷壓環球法可以準確檢測軟化點為200~300℃的瀝青樣品,平行樣≤1.5℃,重復性≤2.0℃;在軟化點80~199℃的瀝青樣品中,本方法中的冷壓法制樣可以替代傳統的熱熔法制樣,平行樣≤1.0℃,重復性≤1.5℃。
(2)采用冷壓制樣及二甲基硅油作為導熱介質的冷壓環球法,可避免高溫熔樣時試樣氧化變性導致試樣軟化點升高,擴大了國標環球法的檢測范圍,使中溫到超高溫的瀝青產品都可以使用同一種檢測方法測定軟化點,操作簡便快捷,環境更友好。
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