沥青蜡含量试验方法的研究

金长泰 才洪美 颜玉进 游玉石 杨建新

(1.泰州出入境检验检疫局 江苏泰州 225300;2.江苏省交通科学研究院股份有限公司)

1 前言

改革开放以来，我国开始进行大规模的基础设施建设，尤其是公路建设以前所未有的速度发展，使得我国的公路事业进入了以高等级公路为主的新阶段。由于我国自产沥青的质量和产量均不高，因此通常公路建设中多使用进口沥青。虽然进口沥青质量较好，并且高速公路建设过程中使用的进口沥青材料都是经过出入境检验检疫局和各沥青检测机构检验的合格产品，但是随着进口沥青的大规模使用，一些使用了符合规范材料的路面仍然出现了质量问题。为什么会出现这样的情况?是沥青技术标准对某些指标的要求不尽合理还是现行的沥青技术评价指标不完善?这些问题引起了广泛关注。本文重点探讨道路石油沥青中蜡含量指标试验方法的合理性。

蜡含量是评价道路石油沥青性能的一个重要指标，比较一致的看法是：蜡能降低沥青的高温粘度、低温延度、粘结性和可塑性，同时能增加对温度的敏感性，因而对沥青的使用性能有一定的负面作用［1］。在交通运输部发布实施的《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40－2004)中，对高级道路石油沥青蜡含量(蒸馏法)的技术指标要求为≤2.2%［2］，一定意义上也是为了减轻蜡对沥青性能的影响。

蜡含量的测定方法有很多，在《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052－2000)蜡含量试验方法(T0615－2000)中采用的标准方法是蒸馏法［3］，即以蒸馏法馏出油分后，测定在规定的溶剂及低温条件下结晶析出的蜡含量，以质量%表示，这一方法在我国得到广泛采用。但是由于JTJ052－2000在某些试验环节的描述不够明确，造成不同试验人员对规程的理解不一致，各试验室实际操作过程中的某些细节与操作习惯也不相同，从而导致检测结果出现差异，造成材料供应商与检测单位之间出现争议。

2 比对试验及结果

组织国内4家具有较高资质的公路工程试验室对2种道路石油沥青的蜡含量指标进行比对试验，数据见表1。

表1 试验室间蜡含量比对试验结果

从比对结果看出，4家试验室的试验数据存在相当大的差异，标准偏差达到了0.55%;2个样品最大相差均为1.2%，超过了规范规定的重复性允许差1.0%，且结果有一定的规律性，为试验室A＞试验室C＞试验室B，而试验室D的检测结果时大时小，随机性很大;试验室间如此大的数据偏差使得蜡含量检测结果失去了可比性。

3 结果分析及讨论

3.1 影响蜡含量试验的环节

比较4家试验室试验过程中的不同之处，发现尽管所依据的试验规程一样，但试验过程中的很多环节和设备有明显不同，其中很多不同点可以直接影响到最终的试验结果。表2列出了4家试验室在蜡含量裂解蒸馏环节中的主要不同点。

表2 各试验室裂解蒸馏环节的不同点

通过对表2的分析以及和各实验室试验人员的沟通，发现根本原因在于现行试验规程中的某些细节规定不够明确或者描述容易产生歧义，使不同的试验人员对于规程的理解存在偏差，从而运用到实际操作中导致了不同效果的产生。

3.2 影响试验结果的因素分析

3.2.1 各方对规范中方法的理解不一致

(1)规范中关于蒸馏速度的说明是“以2滴/s(4mL/min－5mL/min)的流出速度继续蒸馏至无馏分油，瓶内蒸馏残留物完全形成焦炭为止。”［3］

问题：试验初期，蒸馏速度很容易控制在2滴/s，随着蒸馏的继续，样品中馏分油越来越少，流出速度会越来越慢，是继续蒸馏至无馏分油并形成焦炭还是提高蒸馏温度以保持蒸馏速度至最终形成焦炭?如自始至终均保持2滴/s的蒸馏速度，则在后期需要提高蒸馏的温度;而裂解温度过高时，容易将沥青中的杂质成分带入馏分油中，此时得到的馏分油颜色普遍较深，常伴有红色的小斑块，最终的蜡含量结果也相对偏大。

建议：保持蒸馏初期2滴/s时的控制温度直至无馏分油并形成焦炭。

(2)关于冷却装置

问题：关于蒸馏过程中用冰水进行冷却的装置，规范没有详细说明。图1、图2、图3是蜡含量蒸馏过程中使用的冷却装置，其中图1、图3用冰块完全包裹了三角瓶，而图2采用的是冰水冷却，三角瓶大部分暴露空气中，冷却的效果远不如图1、图3中的方式;图3的冷却方式效果虽好，但不方便观察初馏时间和蒸馏速度。

图1 正确的冷却装置

图2 不正确的冷却装置图

图3 不正确的冷却装置

建议：由于蜡含量计算中，蒸馏液的数量与蜡含量紧密相关，而蒸馏过程中冷却装置的冷却效果直接与蒸馏液数量相关，因此，采用图1的冷却方式。

3.2.2 规范中部分环节不具唯一性

(1)规范中关于蒸馏的方法，既可以采用燃气炉也可以使用高温电炉。

问题：蒸馏是蜡含量试验过程中非常重要的一个环节，直接影响最终的试验结果。而规范中蒸馏方法既可以使用燃气炉又可以使用高温电炉，方法的不同，必然导致得到的蒸馏油分不同。采用燃气炉时，受人为因素及环境条件影响，温度的高低、火焰的大小无法准确控制，如图4中火焰包围蒸馏瓶底部，图5中火焰较小，未包裹蒸馏瓶底部;采用高温电炉相对容易统一。

图4 火焰较大

图5 火焰偏小

建议：使用统一的方法进行蒸馏，即蒸馏采用高温电炉进行加热，温度可以精确控制在550±10℃，从而避免存在火焰包围烧瓶的大小和温度上的差异。

(2)规范中初馏时间的范围过大，5min－8min初馏均符合规范的要求。

问题：试验过程中的数据统计分析显示，同样的样品在不同的初馏时间获得的馏分油在数量、颜色上存在明显的差异。初馏时间早的样品，由于裂解的温度相对较高，相同时间内获得的蒸馏液也会较多;4家试验室的蒸馏结果22g－30g不等，通过计算分析，蒸馏液体每多1g，试验结果将增大0.1%左右，如图6所示。实际上馏分油质量对蜡含量的影响甚至更大，因为通常馏分越少蒸馏温度则越低，馏分油颜色越浅，馏分油本身的蜡含量也就越低［4］。因此，有必要统一初馏时间，才能保证试验的一致性。

图6 蜡含量结果随蒸馏液数量变化图

建议：考虑到裂解温度过高时，容易导致部分非蜡成份带入蒸馏油中，因此，初馏时间采用规范范围内的7－8min为宜。

(3)规范中取用于脱蜡的馏分油质量1g－3g。

问题：从以往的试验数据来看，取用不同的馏分油数量，试验所得到蜡的质量也不一样，蜡含量也不一样;部分检测机构蜡含量平行试验时采用的馏分油数量一样，此种方法虽然最终平行试验的数据一致性较好，但因为取样数量集中在一个点上，试验结果不具代表性。从表3的数据可以得出，馏分油数量取在1.5－2.5之间时，得到的蜡的质量一般都能满足规范要求的0.05g－0.1g的要求;结合规范1－3g的要求，考虑到进口沥青蜡含量较小的现状，称取的馏分油质量为 1.6g、2.0g和 2.4g左右。

表3 蜡含量计算数据

同时，JTJ052－2000中要求平行试验结果超出允许差范围时，绘制蜡含量与蜡质量的关系图，以蜡质量为0.075 g时的蜡含量为最终蜡含量结果。

建议：取用统一的馏分油数量进行试验，采用逐级增加取样数量的方法进行。试验用馏分油称取时馏分油数量采用1.6 ±0.05g、2.0 ±0.05g和2.4±0.05g，最终计算蜡含量时统一采用规范中回归的方法，以蜡质量为0.075g时的蜡含量为最终蜡含量结果。

(4)规范中进行蜡的冷冻分离方法有2种。

问题：规范在制定试验规程时，考虑了2种冷却过滤装置。由于装置的构造和试验条件控制的不同，利用2种方法进行的试验结果难免有差异，有必要统一试验装置和试验方法。

建议：考虑到我国多数检测部门采用的方法为规范中的方法一，所以统一采用规范中方法一所用的冷冻装置和分离方法。

3.3 验证

根据以上对规范中标准方法的分析和建议，为了验证试验方法的明确性和结果的唯一性，组织4名试验人员按照建议后的试验方法，对3组不同的道路石油沥青样品进行了蜡含量比对试验，试验结果见表4。

表4 不同人员测定蜡含量比对试验结果

从比对试验的结果来看，4名试验人员的试验结果非常接近，最大误差为0.2%，远小于试验复现性允许误差1.0%的范围，表明按照上述建议的方法，能够保证现行试验规范的内容更加具体和明确，使其不会产生歧义而导致各试验人员理解不一致，最终导致试验结果的偏差。

这里需要强调的是上述建议中，并未改变JTJ052－2000中蜡含量试验方法的试验条件，而是在现行规范的前提下，将试验条件更加明确化，确保理解的唯一性，从而保证试验结果的唯一性。

4 结论

通过比较分析，可以看出虽然蜡含量试验有规范可循，但其中还有许多问题尚须解决。对此，本文提出如下针对性建议：

(1)规范中蜡含量蒸馏试验时，建议加热方式使用电热炉加热。

(2)蒸馏时的冷却方法，规范没用明确说明，建议采用3.2.1(2)中图1的方法。

(3)规范中初馏时间5－8min，跨度较大，建议初馏时间统一为7－8min内。

(4)规范中蒸馏速度要求为2滴/s，蒸馏至无蒸馏液为止，建议保持初期2滴/s的蒸馏温度至蒸馏液为止。

(5)规范中用于脱蜡的馏分油取样数量为1－3g，结合蜡含量的数据统计分析，建议分别采用1.6±0.05g、2.0 ±0.05g 和 2.4 ±0.05g。

(6)规范中平行试验超出规范允许差时采用回归方法，以0.075g蜡对应的蜡含量为试验结果。建议平行试验满足允许差条件时，也采用回归方法计算。

(7)规范中蜡含量试验提出了2种设备2种方法，从试验的一致性考虑，建议统一采用方法一中的设备和试验方法。

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

［2］JTG F40－2004公路沥青路面施工技术规范［S］.

［3］JTJ 052－2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.

［4］王传民.石油沥青蜡含量测定影响因素及操作要点［J］.石油沥青，2006，20(1)：71 －71.