道路瀝青水損害組分及其影響因素

宋艷茹，王成秀，張玉貞

(中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室，山東青島 266555)

道路瀝青水損害組分及其影響因素

宋艷茹，王成秀，張玉貞

(中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室，山東青島 266555)

采用溶劑萃取法富集瀝青中的水敏組分，用紅外分析方法確定水敏性組分的結(jié)構(gòu)組成，考察瀝青水損害組分的影響因素，模擬路面鋪筑過程和路面使用中的老化過程，測定瀝青組成，考察瀝青中水敏性組分變化規(guī)律。結(jié)果表明:以二硫化碳為萃取劑可以充分富集水敏性組分;水敏組分主要含有羧酸、脂肪胺、酰胺、酯類，脂肪族烴等官能團分子;對同一種油源，蒸餾工藝生產(chǎn)的瀝青含有較少水敏性組分;在瀝青路面長期使用過程中，水敏性組分含量呈下降趨勢。

道路瀝青;水損害;壓力老化;剝離;路用性能

瀝青路面在南方多雨地區(qū)水損害比較嚴重，導(dǎo)致路面強度下降，發(fā)生剝離、沖刷、掉粒等現(xiàn)象［1-5］。瀝青中富集了原油中80%以上的雜原子和大部分的縮合芳烴等物質(zhì)。瀝青混凝土路面經(jīng)日曬和雨淋，其中的水敏性組分與水作用，瀝青從集料表面剝落下來，造成水損害。瀝青水敏性組分是指瀝青中對水敏感并與水有乳化作用的組分，其含量可間接反映瀝青路面發(fā)生水剝離的趨勢［6-8］。筆者考察瀝青水敏性組分，為克服水損害提供依據(jù)。

1試驗

1.1 試驗原料

選取分別由3種油源和2種加工工藝生成的4種瀝青為考察對象，滿足AH-90、AH-30(A)高等級道路瀝青標準。樣品命名為 S90、S30、Y90、K90，其基本性質(zhì)見表1，其中針入度、延度、軟化點、蠟含量、薄膜烘后質(zhì)量變化的檢驗標準分別為 GB/T4509、GB/T4508、 GB/T4507、 SH/T0425、 GB/T5304。

1.2 試驗方法

1.2.1 瀝青中水敏性組分富集

瀝青中水敏組分按圖1所示富集。稱量最后脫除萃取溶劑所得的水敏性組分，其含量用其占原料瀝青的質(zhì)量分數(shù)來表示。在本試驗中，取25 g瀝青溶于600 mL甲苯，溶解時間為4 h，爾后加450 mL蒸餾水后磁力攪拌10 min，倒入分液漏斗靜置一段時間。

表1 瀝青的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of asphalts

圖1 瀝青中水敏組分的富集流程Fig.1 Enriching process of water sensitive component in asphalt

1.2.2 不同老化階段瀝青樣品的制備

未經(jīng)過老化的瀝青為新鮮瀝青。按GB/T 5304-2001石油瀝青薄膜烘箱試驗法(TFOT)，模擬瀝青在拌和及鋪筑過程中的老化。將4種瀝青原料經(jīng)過TFOT試驗，制備新鋪路面瀝青樣品，分別命名為 S90T、S30T、Y90T、K90T。

按SH/T 0774-2005壓力老化容器加速瀝青老化試驗法(PAV)，模擬路面多年使用中的老化。將4種瀝青樣品經(jīng)過PAV試驗，得到4種模擬路面使用8～10 a后的瀝青樣品，分別命名為S90P、S30P、Y90P、K90P。

1.2.3 瀝青組成分析方法

采用SH/T0509瀝青族組成分析方法，測定各瀝青樣品的飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，即SARA。

1.2.4 水敏性組分官能團化合物的確定

紅外光譜主要是定性分析化合物上的官能團。采用美國NEXUS FT-IR型紅外光譜儀，分辨率為0.09 cm-1，精度為0.01 cm-1，測試范圍 400～4 000 cm-1。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 瀝青中水敏性組分富集條件

2.1.1 靜置時間

瀝青甲苯溶液加水攪拌后，靜置數(shù)分鐘，形成油相、乳化層、水相3部分。靜置10 min或20 min，油層和乳化層之間沒有清晰的分界面，靜置30 min有清晰的油層和乳化層分界面。乳化層的出現(xiàn)表明該瀝青中有水敏性物質(zhì)存在。但乳化層極不穩(wěn)定，隨靜置時間延長，形成的乳化層發(fā)生破乳，乳化層變薄，其中的水敏性組分重新分配到油相中。表2為不同靜置時間下S90水敏性組分的含量。可以看出，隨著靜置時間的延長，瀝青水敏性組分含量降低，為最大限度獲取瀝青水敏性組分，靜置時間選擇為30 min。

表2 不同靜置時間下瀝青(S90)水敏性組分含量Table 2 Water sensitive component value of S90 at different time

2.1.2 萃取溶劑

以對萃取物有很好的選擇性和溶解性為標準選擇萃取溶劑，盡可能多地將乳化液中的水敏性組分提取出來。試驗中以甲苯、石油醚、三氯甲烷、三氯乙烯、二硫化碳、四氯化碳等萃取劑為考察對象。

若萃取劑的密度大于水的密度，萃取液從下層分出，操作方便，減小操作誤差;萃取劑不溶于水，這樣水和萃取液能夠完全分層，界面清晰;萃取后水相清澈，萃取劑能夠充分將水敏性組分從水乳液中萃取出來。從表3中可以看出:因石油醚和甲苯的相對密度小于水，萃取劑在上層，含有絮狀物的水相在下方，分離過程操作不方便，而且甲苯的沸點高于水的沸點，甲苯不能用水浴回收，電加熱回收的方式可使局部過熱，影響瀝青水敏性組分的性質(zhì);三氯化碳、三氯乙烯和四氯化碳的沸點都小于水的沸點，可以采用水浴的方式回收溶劑，避免局部過熱，它們的相對密度大于水的密度，分離操作比較簡單，但是它們微溶于水的性質(zhì)影響了溶劑的萃取效果;二硫化碳的沸點比較低，密度大于水，不溶于水，萃余液清澈，能將水敏性組分最大限度地從水中萃取出。因此，二硫化碳是最佳萃取溶劑。

表3 萃取溶劑的篩選Table 3 Selection of extractants

2.2 水敏性組分官能團的確定

采用紅外光譜法分析水敏性組分的官能團結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖2。

圖2 瀝青水敏性組分的紅外光譜圖Fig.2 Infrared reflectance spectrums of water sensitive

由圖2可以看出:水敏性組分的光譜圖中特征峰的位置幾乎是同樣的，說明不同瀝青中與水相互作用的組分類似;在3 550～3 110 cm-1有一個由于N—H或O—H鍵引起的寬而弱的吸收峰，這是由于組分分子間的相互作用所致;在3 200～2 500 cm-1有寬而散的吸收峰，這是典型羧酸存在的特征;在1640～1560 cm-1的吸收帶是N—H變形振動，900～650 cm-1的吸收帶是N—H面外彎曲振動引起的，1280～1 030 cm-1的吸收帶是脂肪族胺C—N伸縮振動引起的，由此可以判斷含有脂肪胺官能團;在1 695 cm-1是C O伸縮振動引起的吸收峰，1420～1 400 cm-1是 C—N伸縮振動引起的吸收峰，這些是酰胺的特征吸收峰，說明有酰胺官能團存在;在2920和2850 cm-1強吸收峰是烷烴和環(huán)烷烴的C—H伸縮振動;甲基的2個振動位于2950及2885 cm-1，次甲基—CH2—吸收最強，位于2 920 cm-1，它的另一吸收是2 850 cm-1，在720 cm-1的吸收峰可以判斷是脂肪族烴官能團。

在2820 cm-1和2720 cm-1的C—H伸縮振動吸收峰是醛類化合物的特征峰;在1740 cm-1有峰，這是酯類的羰基振動吸收峰，和1220 cm-1是酯類的不對稱的C—O—C伸縮振動吸收峰，說明酯類化合物存在;在1650～1750 cm-1處有強吸收峰，是C O的伸縮振動吸收的特征峰;1500～1600 cm-1是芳環(huán)骨架C C振動吸收特征峰，說明有芳香環(huán)存在;3 030和1665～1700 cm-1有吸收峰，是含芳環(huán)羰基化合物的特征峰。

從4種瀝青的水敏性組分的紅外譜圖可以判斷水敏性組分中含有羧酸、脂肪胺、酰胺、酯類、脂肪族烴等官能團化合物，這也說明瀝青中存在水敏性組分，使得瀝青有結(jié)合和運輸水的能力，一定數(shù)量的水通過擴散并留在瀝青黏結(jié)劑或瀝青膠漿膜中，路面在使用過程中經(jīng)過凍融循環(huán)，水導(dǎo)致瀝青膜微開裂，水在微開裂的空隙中產(chǎn)生間隙壓力增加了開裂的生長，通過開裂末端形成較高壓力，并且通過瀝青的黏結(jié)鍵和瀝青與集料之間的黏附鍵的弱化，加劇水損害。

2.3 水敏組分含量的影響因素

道路瀝青只能從某些種類的原油中制取，由于瀝青的油源和加工工藝不同，原始瀝青的性質(zhì)也不同。瀝青性質(zhì)的優(yōu)劣主要取決于原料性質(zhì)，其次是生產(chǎn)工藝及條件選擇。

道路瀝青在加工、貯存、施工及使用過程中由于長時間暴露于空氣中，在高溫及自然條件如風(fēng)雨、光照、溫度變化等作用下，會發(fā)生一系列物理及化學(xué)變化，使得瀝青變硬變脆、易開裂，嚴重影響了道路瀝青的使用性能。瀝青路面的水損害是導(dǎo)致瀝青老化的原因之一。從紅外光譜圖來看，瀝青老化后相應(yīng)化學(xué)官能團羰基和亞砜基發(fā)生了變化，相應(yīng)官能團峰面積的變化顯示了其老化程度。波數(shù)在1 700和1030 cm-1對應(yīng)于羰基(C O)和亞砜基(S 0)的振動，老化使得瀝青的這兩類峰振動加強［9］，這些官能團的形成有可能增加瀝青的極性，從而改變?yōu)r青中各組分的含量。因此，考察老化程度對瀝青組成以及水敏性組分的影響，可以得到老化對瀝青路面水損害性能的影響，結(jié)果見表4。

S90、K90和Y90系列都是直餾工藝加工生產(chǎn)的瀝青，其瀝青水乳液的顏色隨著瀝青老化程度的加深而變深，靜置30 min后的水乳液破乳現(xiàn)象減弱;S30瀝青氧化程度較高，老化過程中輕組分揮發(fā)、重組分氧化，再進一步老化，瀝青中水乳化的活性組分可降低乳化活性，隨老化程度加深，瀝青水乳液的顏色變淺;不同油源生成的瀝青顏色差別比較大，K90和Y90系列瀝青水乳液的顏色較深，而同種油源不同工藝生產(chǎn)的瀝青S90與S30系列瀝青水乳液的顏色較淺。

表4 瀝青組成和水敏性組分含量Table 4 Content of asphalt constituents and water sensitive components

從表4可以看出:隨著老化程度的加深，飽和分、芳香分含量降低，瀝青質(zhì)的含量增加;S90、S30和Y90瀝青膠質(zhì)的含量隨著老化程度加深而增加，而K90瀝青膠質(zhì)含量隨老化程度加深而降低;膠質(zhì)+瀝青質(zhì)的含量隨著老化程度的加深而增加;瀝青的水敏性組分含量隨瀝青老化程度加深而減少。膠質(zhì)的結(jié)構(gòu)介于芳香分和瀝青質(zhì)之間，更接近于瀝青質(zhì)，在老化過程中，可能會因為氧化作用，芳香分轉(zhuǎn)變?yōu)槟z質(zhì)，膠質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青質(zhì)，膠質(zhì)含量的變化取決于芳香分向膠質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度與膠質(zhì)向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化的相對速度。瀝青中所含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、有機酸、蠟組分都是天然乳化劑［10-12］，瀝青不同，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和飽和分中活性乳化組分含量也不同，隨著老化程度的加深，瀝青中的活性乳化組分含量減少，其水敏性組分含量降低。這說明老化對瀝青路面的水損害影響是減小的。

從表4中還可以看出，不同瀝青水敏性組分含量差別比較大。相同油源的S90和S30瀝青只是加工工藝不同，氧化工藝生產(chǎn)的S30瀝青中其瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量高于蒸餾工藝生產(chǎn)的S90瀝青，而瀝青質(zhì)和膠質(zhì)形成的乳化液比較穩(wěn)定，這可能是S30瀝青水敏性組分含量高于S90瀝青的原因，這也說明加工工藝對瀝青水敏性組分也有一定的影響。蒸餾工藝生產(chǎn)瀝青的水敏性組分結(jié)構(gòu)與原油中原有的水敏性組分相同，而氧化工藝生產(chǎn)的瀝青其氧化物含量增加，從而也增加了水敏性官能團，使得水敏性組分相對增加。同時蒸餾工藝加工生產(chǎn)的 S90，Y90，K90瀝青，其水敏性組分的差別也比較大，3種瀝青是用3種不用原油生產(chǎn)的，原油的性質(zhì)對瀝青水敏性組分的影響也比較大，K90瀝青的水敏性組分含量較高，而S90瀝青水敏性組分含量較低。這說明瀝青水敏性組分含量與油源有很大關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)瀝青水損害組分富集選擇的靜置時間為30 min，用二硫化碳作為水乳液的萃取劑。

(2)導(dǎo)致水損害的水敏性組分中主要含有羧酸、脂肪胺、酰胺、酯類、脂肪族烴等官能團化合物。

(3)瀝青水損害組分——水敏性組分含量的影響因素是瀝青的老化、加工工藝和油源。隨著老化程度增加，瀝青質(zhì)含量增加，而水敏性組分的含量減少。氧化工藝生產(chǎn)的瀝青水敏性組分含量相對增加。相同工藝不同油源瀝青的水敏性組分差別也比較大。

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Moisture damage-component of road asphalt and its influencing factors

SONG Yan-ru，WANG Cheng-xiu，ZHANG Yu-zhen

(State Key Laboratory of Heavy Oil in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

The solvent extraction method was adopted to enrich the water sensitive component in asphalt.Using the method of infrared spectroscopy，the structural units in the water sensitive components were identified，and the influencing factors for moisture damage-component were investigated.By simulating the pavement serving process and the aging in the construction process，the changing rules of water sensitive component in asphalt were studied.The results show that CS2could completely extract water sensitive components from asphalt-water emulsion.The water sensitive components include the carboxylic acid，

aliphatic amine，amide，ester and aliphatic hydrocarbons.With the same source petroleum，the water sensitive components amount in asphat prepared by distillation method is lower.The amount of the water-sensitive components shows descending tendency during the long pavement service.

road asphalt;moisture damage;pressurized aging;stripping;road service performance

TE 626

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.033

1673-5005(2011)04-0172-05

2011-02-20

宋艷茹(1975-)，女(漢族)，河南鹿邑人，工程師，博士研究生，研究方向為道路瀝青水損害及其預(yù)防。

(編輯 劉為清)