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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(yōu)化
測定瀝青產(chǎn)品軟化點的方法很多,常用的是環(huán)球法。將待測試樣加熱熔化后,在樣品環(huán)中澆注成型,隨后將樣品環(huán)放置于導熱介質(zhì)中進行線性加熱升溫,瀝青包裹著鋼球軟化下落至規(guī)定距離后的溫度就是軟化點。
環(huán)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(zhì)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(zhì)
環(huán)球法常用的導熱介質(zhì)是丙三醇,其閃點為177℃,從安全角度出發(fā)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(huán)球法測定瀝青軟化點的導熱介質(zhì)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(zhì)穩(wěn)定的液體,終可以觀察導熱介質(zhì)中的瀝青試樣軟化下落情況。此外,在測量范圍內(nèi)導熱介質(zhì)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(jù)所需介質(zhì)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(zhì)穩(wěn)定、無毒、無味、透明等優(yōu)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(zhì)進行試驗,將試驗溫度下新鮮和循環(huán)使用過的介質(zhì)黏度變化情況進行對比,具體數(shù)據(jù)見表1。
由表1可知:①循環(huán)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(huán)使用的丙三醇和二甲基硅油的動力黏度在高溫區(qū)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(wěn)定,這個基本穩(wěn)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(zhì)。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(jù)經(jīng)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(zhì)不產(chǎn)生影響、軟化點范圍廣的優(yōu)點,故在環(huán)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(zhì)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(huán)*按照環(huán)球法的尺寸,但是結合了環(huán)球法的特點和要求進行了創(chuàng)新。在冷壓模具的材質(zhì)選擇上,排除了環(huán)球法常用的黃銅材質(zhì),因其材質(zhì)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(fā)現(xiàn),304材質(zhì)的模具略有變形,特別是樣品環(huán)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(huán)境中易生銹,從而影響瀝青試樣的制樣和測定。在實踐中發(fā)現(xiàn),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(xù)使用中不再生銹。經(jīng)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(shù)
GB/T2291《煤瀝青實驗室試樣的制備方法》規(guī)定環(huán)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(huán)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(huán)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(wěn)定至少15s,壓制好的試樣用二甲基硅油進行熱浴,在環(huán)球法的檢測裝置上進行檢測,得出數(shù)據(jù)見表2。
從表2的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析,20MPa以上的壓強對結果的影響已經(jīng)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(huán)球法樣品預處理是將瀝青試樣加熱至*熔化狀態(tài),然后澆注至樣品環(huán)中,等待瀝青試樣冷卻后,再將突出樣品環(huán)部分的瀝青刮平。傳統(tǒng)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(huán)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(shù)據(jù)見表3。
根據(jù)表3的檢測數(shù)據(jù),在80~199℃,冷壓環(huán)球法的平行樣數(shù)據(jù)≤1.0℃,取平均值報出;在200~300℃,平行樣數(shù)據(jù)≤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(huán)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(huán)球法測定的軟化點≤157℃的瀝青試樣同GB/T2294(環(huán)球法)進行對比,將冷壓環(huán)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(shù)據(jù)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(huán)球法和國標環(huán)球法以及梅特勒法之間沒有明顯的系統(tǒng)誤差,可以互相代替。
3結論
(1)冷壓環(huán)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(tǒng)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(zhì)的冷壓環(huán)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(huán)球法的檢測范圍,使中溫到超高溫的瀝青產(chǎn)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(huán)境更友好。
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