沥青组分分离实验研究

摘 要：本文详细分析了沥青组分分离实验的过程，并总结了实验过程中的注意事项。

关键词：沥青；组分；分离实验

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.181

沥青是一种复杂的烃类与及非烃类衍生物的混合物，它是原油加工过程的最后的一种产物，沥青的相对分子量是石油炼制产物中最大的。沥青成分方面的研究一直难以打开局面，经过近些年来分离分析方法的快速发展，石油沥青的组成的研究也逐渐开展。美国的SHRP计划（Strategic Highway Research Program），也将沥青的研究列为四个主要研究领域之一，并取得一些标志性成果。

不同沥青成分在不同溶剂和吸附剂上的的溶解和吸附作用存在差异，利用这种差异，将成分和结构较为相近，路用性能有一定关联的沥青成分劃分为一类，称为沥青的组分，分离方法以及条件的改变会导致各组分的组成有所变化，但是这些组分的性质与沥青的路用性质有着千丝万缕的联系，使用分离的方法对沥青进行分析是具有工程研究意义的，国内外也制定也相应的规范，对沥青组分进行划分。

1 沥青组分划分方法

沥青的分离方法有馏分分离、族组成分离和官能团分离三大类方法方法，馏分分离主要是体积排出色谱法（Size Exclusion Chromatography，简称SEC）也称为凝胶色谱法（Gel Permeation Chromatography，简称GPC），该方法是主要根据被分离物质分子尺寸的差别，在通过凝胶色谱柱时，根据凝胶孔洞的大小，分子尺寸由大到小进行分离；族组分分离分为：三组分、四组分、五组分分离法；离子交换色谱法（Ion Exchange Chromatography，IEC）属于官能团分离类方法，通过固定相对不同性的组分具有不同的亲和力，而将沥青分为不同性的组分。

本文采用我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的四组分分离方法，该种方法是我国工程上主要采用的方法。四组分法（色谱分析法）用液固色谱将沥青分为饱和分、芳香分、胶质、沥青质，通常简称为沥青的SARA分析。

2 沥青四组分试验的原理

在进行沥青组分分离时，被分离成分在吸附溶解载体中被分配为两种液相，一种液相吸附在载体上，称为固定相，另一种液相带着其余试液在固定相中流过，称为移动相；在吸附柱上进行两种液相的分离，当移动相与吸附剂接触时，各种分子就在吸附剂的表面发生争夺吸附作用。分离成功的决定因素是溶质和溶剂的极性官能团与吸附剂的亲和力差异，这样液固吸附色谱对化合物才能具有明显的选择性。分配比大的成分留在离流动相运动起点不远的地带，先进入固定相，分配比小的物质后进入固定相，随着流动相前进到离吸附柱起点较远的地带，这样，就实现组分之间的分离。

氧化铝对不同环数的芳香烃有较好的筛分性，因此可作为沥青四组分试验中使用的吸附剂。吸附剂的粒度和几何形状会直接影响填充效果，应选用圆形小粒度吸附剂，吸附剂的比表面积越大，样品的保留体积就越大，因此吸附剂的比表面积对色谱的整体效果有至关重要的影响。

3 沥青四组分分离试验

（1）试验仪器。沥青抽提器、冷凝器：由100ml抽提器及球形冷凝器组装而成；水套玻璃吸附柱：可通热水循环保温；磨口锥形瓶：250ml，24号磨口，若干；马沸炉（0-1000℃，有自动温度控制器）、超级恒温水箱（控温准确度为1℃）、真空干燥箱、旋转蒸发仪、分析天平（精度达到0.1mg）；量筒：20ml、50ml、100ml量程若干；电热套：可调控温度50-300℃；干燥器：底部填满足够的干燥剂，需在皿口均匀涂抹凡士林，保证密封性；其他：吸液管、瓷蒸发皿（300ml）、玻璃漏斗、大细口瓶、漏斗架、二联橡皮球等。

（2）实验药品。氧化铝：层析用、中性，粒度0.15-0.075mm（100目-200目），比表面积大于150m?/g，孔体积250mm?/g，使用前活化不超过7天；硅胶：分析纯，层析用，细孔、粒度0.42mm～0.15mm（40目～100目`）；正庚烷：分析纯；石油醚：分析纯，60-90度；甲苯：化学纯；乙醇（无水乙醇）、定量滤纸（中速直径110-125mm）。

（3）实验步骤。组分分离实验步骤如图1。

4 沥青质含量测定

（1）在干燥的恒重过磨口三角瓶（瓶1）中，称取试样1±0.6g，精确称量至0.0001g，按1：50的比例加入正庚烷。

（2）将瓶1与冷凝器相连，加热回流30-60min，待冷却至常温后，取下瓶1，盖好瓶塞，静置于暗处沉降1h。

（3）将瓶1上部清液使用装有定量滤纸的漏斗缓缓过滤，操作过程中应避免瓶身晃动。用60℃～70℃的正庚烷（30ml）分多次洗涤瓶1中的残留物，经滤纸过滤，收集全部滤液于瓶2。

（4）将使用过的滤纸折叠，放入沥青抽提器中，连接瓶2、抽提器与冷凝器，加热回流1h，取下瓶2。

（5）加入60ml甲苯至瓶1，并连接抽提器、冷凝器，抽提回流1h以上直至滤纸与滴落液滴无色为止。

（6）待冷却后取下瓶1，进行甲苯回收，并置于真空烘箱中，在105℃～110℃，93±1KPa的条件下，保持1h，取出后在干燥器中冷却至室温，称取沥青质质量m1。

5 饱和分、芳香分、胶质含量的测定

（1）浓缩瓶2中的溶液至10ml。

（2）连接吸附柱与超级恒温水浴箱，保持循环水温为50±0.1℃。在吸附柱下端塞少许脱脂棉，吸附柱上端加入40g氧化铝，并用玻璃棒轻轻敲打柱子，即刻加入30ml正庚烷对吸附柱进行预湿。

（3）待预湿的正庚烷溶液完全进入进入氧化铝中时，立即加入瓶2的试样，取10ml正庚烷多次冲洗瓶2，当全部溶液进入氧化铝后，再加入少许氧化铝覆盖。

（4）依次加入70ml正庚烷、80ml甲苯和40ml甲苯-乙醇（1：1体积比）进行冲洗，整个过程流速维持在2～3ml/min（可用二联球、加压器调节流速）。更换冲洗剂时，应更换接收瓶。

（5）回收各组分溶剂，将回收瓶放入真空干燥箱，在105℃～110℃

，93±1KPa的條件下，保持1h，取出后在置于干燥器中冷却至室温，分别得到饱和分m2、芳香分m3和胶质m4。

沥青各组分含量见表1，由两次实验的结果可以看出，两次实验的重复性良好，达到了规范的要求，同时各个组分的含量在经验比例的范围之内。

6 沥青组分试验的要点评述

（1）活化氧化铝时注意，应按吸附剂1%的重量添加蒸馏水，时间要达到规范要求，氧化铝作为目前最合适的吸附剂，应通过保证吸附剂的含水量，使氧化铝具有充分的活性，在保证分离效果的前提下提高柱收率，避免含水量差异对柱色谱回收率及分离效果的影响。

（2）在实验过程中，严格按照操作规程，要注意保证沥青样品不损失。沥青取样过程中防止沾染到容器瓶口等位置；在正庚烷分离回流时，应注意防止溶液爆沸，以免部分沥青质沾到锥形瓶较高位置无法回收；加热正庚烷至规范要求温度，分次洗净瓶1中沥青质残留物，防止残留。

（3）由于正庚烷沸点较低，在使用电热套加热时要注意使用较低温度逐渐升温，在溶液沸腾时及时调低温度，防止爆沸、飞溅造成溶液损失。

（4）脱脂棉大小、压实度要合适，紧密的塞在玻璃吸附柱下端的卡口处，以免在实验过程中脱落。

（5）吸附柱循环水必须在恒定的温度（50士1℃）条件下进行，分解环境温度稍高，溶剂容易挥发；试验环境温度稍低，沥青成分会以蜡状物结晶析出在氧化铝上，达不到预期的分离效果，导致分离实验失败或组分成分重复性低。

（6）溶剂回收过程中若使用旋转蒸发仪，旋转蒸发温度和真空度不宜过高，防止易分解组分分解；旋转蒸发的过程中不宜将溶剂蒸发过多，避免后续干燥过程中组分发生变化。

（7）实验过程中要注意个人防护，实验室通风良好，必须戴好橡胶手套，必要时佩带口罩，防止甲苯、正庚烷等有害、易挥发物质的侵害。

作者简介：李晓东（1987-），男，吉林集安人，硕士研究生，工程师，主要从事公路规划设计。