沥青软化点是划分沥青种类和等级的重要指标。随着超高软化点沥青(软化点≥157℃)在各领域的应用越来越广泛,准确测定其软化点十分必要。
1测定方法优化
测定沥青产品软化点的方法很多,常用的是环球法。将待测试样加热熔化后,在样品环中浇注成型,随后将样品环放置于导热介质中进行线性加热升温,沥青包裹着钢球软化下落至规定距离后的温度就是软化点。
环球法测定超高软化点沥青的软化点有3点不足之处:①导热介质温度受限制;②由于加热温度高,热熔过程中沥青试样易氧化变性,使结果偏高,不能准确测定软化点>157℃的沥青试样;③由于加热温度高,在制样过程中会有沥青烟逸出,对人体有害。
1.1选择合适的导热介质
环球法常用的导热介质是丙三醇,其闪点为177℃,从安全角度出发将检测上限设定为157℃,因此丙三醇不能满足软化点测定范围80~300℃的要求。
环球法测定沥青软化点的导热介质要将加热设备的热量传递给待测样品,必须是无色无味、透明无毒、化学性质稳定的液体,终可以观察导热介质中的沥青试样软化下落情况。此外,在测量范围内导热介质的黏度变化应尽量小,将其对沥青试样软化下落的影响降到低,并且也应考虑成本因素。
根据所需介质特点并查阅资料得知,二甲基硅油具有耐热性好、闪点高、化学性质稳定、无毒、无味、透明等优点,成本也较低廉。分别用丙三醇和二甲基硅油作为导热介质进行试验,将试验温度下新鲜和循环使用过的介质黏度变化情况进行对比,具体数据见表1。
由表1可知:①循环使用的丙三醇和新鲜的丙三醇相比,动力黏度变化较大,而二甲基硅油的动力黏度变化较小。②新鲜的丙三醇和二甲基硅油的动力黏度随温度增加都逐渐降低,循环使用的丙三醇和二甲基硅油的动力黏度在高温区域都会小幅增加。③二甲基硅油同丙三醇相似,动力黏度随温度升高快速降低以后,保持了基本稳定,这个基本稳定的温度范围即是适合于软化点测定的范围,丙三醇范围是80~160℃,二甲基硅油则是80~300℃。
二甲基硅油动力黏度随温度变化较小,对沥青的下落速度影响基本恒定,因此二甲基硅油是合适的导热介质。二甲基硅油长时间保持高温,颜色会由无色透明逐渐变深,颜色变深也会影响对试样变形程度的判断。根据经验,加热温度达到250℃以上时,二甲基硅油的使用周期为5~10次;加热温度在250℃以下,如果二甲基硅油的透光性变差,影响沥青软化点判断时可更换。
1.2沥青试样冷压成型方法的试验
冷压制样具有无烟气、无异味、操作简单、过程标准化、对样品化学性质不产生影响、软化点范围广的优点,故在环球法基础上进行冷压制样试验。
1.2.1确定冷压模具的材质和尺寸
冷压模具的设计参考了ASTMD3461梅特勒法制样模具,压制的样品环*按照环球法的尺寸,但是结合了环球法的特点和要求进行了创新。在冷压模具的材质选择上,排除了环球法常用的黄铜材质,因其材质较软,不耐高压。冷压模具日常使用中要考虑防锈耐腐蚀的因素,因此首先选择了304不锈钢加工冷压模具,但长期反复在高压下使用后发现,304材质的模具略有变形,特别是样品环容易变形;其次选择碳素工具钢加工冷压模具,碳素工具钢硬度高于304不锈钢,但是在潮湿环境中易生锈,从而影响沥青试样的制样和测定。在实践中发现,将碳素工具钢模具浸入二甲基硅油中加热至300℃左右,再同二甲基硅油一起自然冷却至室温,取出模具用纸擦拭干净,后续使用中不再生锈。经过比较,终选择了碳素工具钢作为冷压模具的加工材料。
1.2.2寻找合适的冷压制样参数
GB/T2291《煤沥青实验室试样的制备方法》规定环球法沥青试样的粒径小于3mm即可,梅特勒法制样要求粒径小于2mm。本试验考虑沥青试样粒径太大会影响冷压制样的装填效率,故选定粒径小于0.5mm。同时,为了减少水分对软化点测定的影响,沥青试样按照GB/T2291的要求进行干燥处理。
沥青试样粉末加入到冷压模具之后,将其整体移至红外压片机下,通过操纵杆缓慢对模具施加压力,压力传递至样品环中的沥青试样上,沥青粉末将会受力压实。通过检测压实后的试样密度与原有的沥青样品真密度进行比较,找出的制样压强。本试验采用密度天平法测定试样的密度,其中沥青样品直接进行测量即可,而压实后的样品块和样品环必须分3次测量,再通过以下公式计算得出沥青样品块的压实密度。
装有沥青试样粉末的冷压模具在压片机下分别以10、15、20、25MPa压强压制成型,压片机在上述压强下需要稳定至少15s,压制好的试样用二甲基硅油进行热浴,在环球法的检测装置上进行检测,得出数据见表2。
从表2的数据可知,随着压片机压强增大,样品块的压实密度会逐渐增大,逐渐接近试样的真密度,但是增加幅度逐渐减小。在25MPa下,沥青样品块的压实密度同试样真密度仍有少量差距,受限于模具的耐压性以及压片机的性能,不可能无限加压。从软化点数据分析,20MPa以上的压强对结果的影响已经很小,因此本试验将冷压制样的压强确定为20MPa。
2验证与对比
2.1平行测定试验
环球法样品预处理是将沥青试样加热至*熔化状态,然后浇注至样品环中,等待沥青试样冷却后,再将突出样品环部分的沥青刮平。传统预处理过程操作繁琐,技术要求较高,并且热熔制样加热温度需要高于沥青软化点50℃以上,因此不能用于软化点≥200℃沥青的制样,否则将会导致沥青试样氧化结焦变性,软化点测定结果严重偏高,甚至无法测定。利用冷压环球法分别对5种不同软化点的沥青试样进行平行测定试验,得到数据见表3。
根据表3的检测数据,在80~199℃,冷压环球法的平行样数据≤1.0℃,取平均值报出;在200~300℃,平行样数据≤1.5℃,取平均值报出。允差按照2倍根号2s计算,适当放宽后得到冷压环球法的重复性:在80~199℃,重复性≤1.5℃;在200~300℃,重复性≤2.0℃。
2.2对比试验
将冷压环球法测定的软化点≤157℃的沥青试样同GB/T2294(环球法)进行对比,将冷压环球法测定的软化点在157~180℃的沥青试样同ASTMD3461(梅特勒法)进行对比。200℃以上的沥青试样由于没有标准检测方法,也暂时没有标准样品,因此无法进行对比试验。对比数据见表4。
查t值表,当n=12时,t0.95=2.20,表4中的t计算均小于t0.95,表明冷压环球法和国标环球法以及梅特勒法之间没有明显的系统误差,可以互相代替。
3结论
(1)冷压环球法可以准确检测软化点为200~300℃的沥青样品,平行样≤1.5℃,重复性≤2.0℃;在软化点80~199℃的沥青样品中,本方法中的冷压法制样可以替代传统的热熔法制样,平行样≤1.0℃,重复性≤1.5℃。
(2)采用冷压制样及二甲基硅油作为导热介质的冷压环球法,可避免高温熔样时试样氧化变性导致试样软化点升高,扩大了国标环球法的检测范围,使中温到超高温的沥青产品都可以使用同一种检测方法测定软化点,操作简便快捷,环境更友好。
