张增平 黄婷

摘 要：沥青是广泛应用于交通、建筑、水利水电等多领域的一种有机胶结材料，本文通过对沥青组分分析方法发展过程、三组分分析法、四组分分析法和沥青组分沥青性能关系四个方面的介绍加深学生对沥青组分分析方法的理解，提高本课程中沥青组分分析方法的教学效果。

1.引言

沥青材料是公路工程中应用中最为广泛的一类材料，是由极其复杂的高分子碳氢化合物及这些碳氢化合物的非金属（如氧、硫、氮）的衍生物所组成的混合物[1]。沥青材料品种很多，按照其在大自然中获取的方式不同可分为地沥青和焦油沥青两大类。地沥青是天然存在或由石油经人工提炼而获得的沥青，可分为天然沥青和石油沥青。焦油沥青是干馏有机燃料如煤、岩、材料等所收集的焦油经过加工而得到的沥青，可分为煤沥青、木沥青等。在道路工程使用沥青种类中，石油沥青和煤沥青是最常使用的沥青种类。对于沥青材料学习中，掌握沥青组分分析方法对于学生学习沥青相关内容中起到至关重要的作用。沥青组分及其含量的差异会导致沥青的软化点、针入度、延度三大指标的不同，影响着沥青材料的高温稳定性、低温开裂性、水稳定性等路用性能，从而影响着沥青路面的使用质量和寿命。因此，本文从沥青组分分析方法的发展过程、三组分分析法、四组分分析法和沥青组分及其性能的关系几个方面出发帮助学生更好的掌握沥青组分分析方法。

2.《道路工程材料》中的沥青组分分析方法解析

2.1 沥青组分分析方法的发展历程

石油沥青的化学组成与其使用性能之间存在着丝丝缕缕的联系。石油沥青的化学分子表达式是CnH2n+aObScNd。沥青中化学组成的主要元素是碳元素，占总量的80%～87%;其次是氢元素，占总量的10%～15%;如氧、硫、氮等非烃类元素含量很少;一些像铁、锰、锌等金属元素含量更少，大约是几个甚至几十分百万分之一。为了更好的研究石油沥青化学组成与其性能之间的关系，将沥青所含的烃类化合物中化学性质相近的进行划分归类，这就是所称的“沥青化学组分”，简称“组分”。将沥青不同组分划分在一起的化学分析方法被称为组分分析法。沥青组分分析法本着化学性质相近的原则将沥青各个化学物质来进行划分，利用沥青在不同有机溶剂中选择性溶解或在不同吸附剂中选择性吸附等性质来进行分组。关于划分沥青组分的分析方法有许多。早年德国的学者丁？马尔库松提出将石油沥青分离为沥青酸、沥青酸酐、油分、树脂等组分。后来经过多年的探索研究，美国学者L.R哈巴尔德和K.E斯坦费尔德提出三组分分析法。之后L.W科尔贝特提出来四组分分析法的概念。在《道路工程材料》沥青组分分析方法学习中，三组分分析法、四组分分析法是两种主要学习的沥青组分划分方法。

2.2三组分分析法

三组分分析法将沥青材料的化学组成主要划分为油分、树脂和沥青质三大部分，这种划分方式又被称为溶解—吸附法。沥青质是深褐色固体末状微粒，加热后不会产生熔化现象，分解之后会变成硬焦炭，沥青质的存在是沥青呈现黑色的主要原因。树脂是红褐色粘稠半固体物质，其对温度的敏感性较高，熔点低于100。油分是淡黄色透明液体，可溶解于大部分有机溶剂，具有光学活性，因此油分常常出现荧光的现象。三组分分析法它能清晰、明确地将沥青材料各个组分划分开来，并且利用三组分分析法来得到的沥青组分含量能在一定程度上说明沥青的路用性能。但是，三组分分析法流程较为复杂并且分析所需时间较长。

2.3四组分分析法

四组分分析法与三组分分析法对沥青所含烃类化合物的划分方法其实是大同小异的。在教学过程中，可以利用将四组分分析法与三组分分析法进行對比，让学生更快更深刻地掌握两种沥青组分分析方法。四组分分析法是将沥青材料划分为沥青质、胶质、饱和分和芳香分四部分。对比三组分分析法划分沥青各个化学物质组成可以发现两种划分方法中都含有沥青质这一深褐色固体末状微粒。沥青质在沥青材料中主要起到提高沥青高温稳定性和黏滞性的作用。在四组分划分法中饱和分和芳香分其实相当于三组分划分法中的油分这一成分。饱和分是无色黏稠液体，芳香分是茶色黏稠液体，两者共同赋予了沥青材料的流动性。胶质是一种红褐色至黑褐色黏稠液体，它与三组分划分法中树脂的颜色以及物质状态是非常相似的。胶质的存在可以增强沥青胶体的稳定性和可塑性，同时还可以提高沥青与集料之间的黏附性使集料不轻易的从沥青中脱落，避免因车辆荷载等原因而引起的各种道路病害。在教学中，可以通过以上描述将四组分分析法中的各成分和三组分分析法中的成分对应来教授学生，让学生更清晰、明了学习沥青组分分析方法。四组分分析法是在诸多沥青测定化学组成方法中最为广泛应用的，但在实际操作中由于是依靠操作人员手动淋洗层析柱对各组分进行分离、计算导致四组分分析法效率低下、实验可重复性较差、实验结果偏差大。在当今研究中，很多学者针对四组分分析法的缺点提出相关建议。王文祥等提出采用自动组成分析仪利用其自动化溶剂淋洗与回收控制系统解决四组分分析法效率低下、步骤复杂的问题[2]。

2.4关于沥青组分与沥青性能的关系

沥青组分与沥青的性能之间有着紧密联系，原因是沥青组分及其各含量之间的差异会引起沥青性质产生变化。材料的微观结构会影响着材料的宏观性能，对于沥青这一高聚物而言，同一油源开采出来的沥青由于其生产工艺的差异也会导致沥青的化学组分大不相同，从而致使沥青的路用性能之间也存在着差异。沥青中沥青质、胶质、饱和分和芳香分的含量与沥青的针入度、软化点、延度三大指标息息相关。对于同一油源、同一生产工艺制备而得的沥青，沥青质和胶质的含量越高，沥青的针入度值越小，软化点越高;而饱和分含量越高，对针入度和软化点的影响恰与沥青质和胶质相反，饱和分含量越高针入度越大软化点越低。因此，根据沥青各组分含量对于沥青三大指标的影响，调整沥青各组分之间的含量可以有效地改善沥青的高温稳定性、低温开裂性、抗老化性等性能。国内外许多学者2都基于此来开展研究，如高桂海等研究中提出可按照饱和分+芳香分、芳香分和饱和分顺序依次选择三者含量低或选择沥青质含量高的沥青提高沥青的抗老化性能[3]。

3.结束语

在公路工程中，沥青作为广泛应用的材料之一，其化学组分分析方法的掌握对于学生而言至关重要。三组分分析法是将石油沥青划分为油分、树脂、沥青质;四组分分析法是将石油沥青划分为饱和分、芳香分、胶质和沥青质。这两种划分方法作为国内石油沥青组分划分最常见的方法存在着能将石油沥青各组分清晰明确地划分开来的优点，也存在着操作复杂、效率低下的缺点。在学生学习培养中，可以针对两种划分方法的优缺点，引导学生取其精华去其糟粕探索出更精确、高效的沥青组分划分方法。

参考文献：

[1]申爱琴，道路工程材料，第一版，人民交通出版社[M]，2010

[2]沈金安，沥青及沥青混合料路用性能，人民交通出版社[M]，2001

[3]王文祥，孙枫，仵春祺，李玮明，李瑛.自动组成分析仪测定石油沥青四组分[J].分析仪器，2018（03）：94-96.

[4]高桂海，郭宁，钱波.沥青组分对沥青抗老化性能影响研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2020，39（04）：69-73.

作者简介：

1.张增平，男，1981年10月生，陕西蓝田人，博士。工作单位：长安大学公路学院道路工程所。职称：教授。研究方向：道路工程材料。