瀝青油蝕機理研究

李　浩， 李善強

(1.公路交通安全與應急保障技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心， 廣東 廣州　510420；　2.廣東華路交通科技有限公司， 廣東 廣州　510420)

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瀝青油蝕機理研究

李浩1，2， 李善強1，2

(1.公路交通安全與應急保障技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心， 廣東 廣州510420；2.廣東華路交通科技有限公司， 廣東 廣州510420)

[摘要]提出油蝕度這一評價油品對瀝青油蝕效應的指標，設計了試驗工具及試驗方法，在此基礎(chǔ)上，評價在20 ℃、60 ℃下柴油對70#基質(zhì)瀝青和PG-82改性瀝青的油蝕效應，通過分析其規(guī)律，闡述瀝青油蝕機理。

[關(guān)鍵詞]瀝青； 油蝕度； 油蝕機理； 柴油

0引言

高等級公路車速高、控制出入、不停車、路段封閉，部分重載貨車車況不佳泄露柴油，而形成由點及線長達數(shù)十公里甚至數(shù)百公里的“油蝕帶”，被油蝕的瀝青路面軟化、松散，在高溫、雨水、行車荷載的綜合作用下，出現(xiàn)油蝕性坑槽病害，“油蝕帶”發(fā)展為“坑槽帶”，其數(shù)量之多、對路面承載能力、耐久性、舒適性及行車安全的影響之大而備受關(guān)注。

針對此問題，眾多學者做了大量的研究，其通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗[1-3]、劈裂試驗[4]、車轍試驗[5-7]及凍融劈裂試驗[8，9]對比瀝青混合料油蝕前后的指標值的變化以評價油蝕對瀝青路面的影響程度，此外，還有通過表面能理論研究改性瀝青與集料之間的接觸角、粘附功[10]。可見，現(xiàn)有研究主要集中于瀝青混合料油蝕前后的指標值的對比，對瀝青油蝕機理的深入研究較少。

因此，本文通過設計油蝕試驗工具，制定室內(nèi)快速計算瀝青油蝕度的試驗方法，研究在20 ℃、60 ℃兩個溫度條件下油蝕度隨時間的變化規(guī)律和特點，在此基礎(chǔ)上，闡述瀝青油蝕機理。

1瀝青油蝕度試驗方法

溶解度是在一定溫度下，某固態(tài)物質(zhì)在定量溶劑中達到飽和狀態(tài)時所溶解的質(zhì)量。在一定溫度下，固態(tài)瀝青溶于液態(tài)柴油中達到飽和狀態(tài)時，瀝青雖不能繼續(xù)溶解，而溶解是動態(tài)平衡的過程，部分瀝青會以半固態(tài)半液態(tài)且呈流動態(tài)的形式存在，該部分瀝青雖沒有被溶解，但已喪失粘附性，因此在考慮油品對瀝青的油蝕時，應將此部分流動態(tài)的瀝青予以考慮。

定義油蝕度為在一定溫度下，固態(tài)瀝青在100mL油品中經(jīng)過一定時間油蝕后所損失的質(zhì)量。

可見，油蝕度為溶解的瀝青與呈流動態(tài)瀝青的質(zhì)量之和，在數(shù)值上，油蝕度大于溶解度?？梢钥闯?，油蝕度考慮了因油蝕喪失粘結(jié)性而呈流動態(tài)的部分瀝青的質(zhì)量，能更為準確的描述油品對瀝青的油蝕效應。

1.1試驗準備

需準備的儀器、工具有： ①烘箱：供加熱瀝青和恒溫試驗樣品用； ②電子天平：能精確到0.1g； ③試驗器皿：量筒，油蝕瓶。

如圖1所示，油蝕瓶采用PC材質(zhì)，耐腐蝕，內(nèi)徑Φ40mm，外徑Φ48mm，高50mm，瓶身和瓶蓋內(nèi)外配合，密封性好。

圖1　油蝕瓶設計圖Figure 1　The design of oil corrosion bottle

1.2試驗步驟

① 將固體狀瀝青試樣置于烘箱中加熱到145 ℃至流動狀態(tài)；

② 小心傾倒m0瀝青試樣至質(zhì)量為m1的油蝕瓶中放置常溫至冷卻；

③ 待瓶中瀝青試樣冷卻完全后(約3h后)，向其中倒入100±1mL的油品，蓋上瓶蓋，再將裝有瀝青試樣的油蝕瓶放入事先已設置好溫度的烘箱中保溫；

④ 當油品在預定的時間和溫度下完成對瀝青油蝕后，將瓶中溶解了瀝青的油品倒盡，用抹布擦去瀝青表面殘留油品及流動態(tài)瀝青，稱該溫度下剩余固態(tài)瀝青及瓶重量m2。

1.3結(jié)果計算

通過測定在油蝕前后的固態(tài)瀝青的質(zhì)量差，從而確定質(zhì)量損失，如式(1)：

(1)

2瀝青油蝕度試驗結(jié)果分析

依照上節(jié)瀝青油蝕度試驗方法，瀝青選用70#基質(zhì)瀝青和PG-82改性瀝青，溶劑為0#柴油，油蝕時間為不等間距時間序列，試驗溫度設定為20 ℃、60 ℃兩個溫度，旨在分析研究70#基質(zhì)瀝青和PG-82改性瀝青于不同時間序列下的油蝕度變化規(guī)律。試驗結(jié)果統(tǒng)計見表1～表3，繪制圖見圖2、圖3。

表1 20℃、60℃下70#基質(zhì)瀝青油蝕度實測數(shù)據(jù)Table1 Measureddatefor70#matrixasphaltoilcorro-siondegreeunder20℃and60℃浸蝕時間/h油蝕度/g20℃60℃浸蝕時間/h油蝕度/g20℃60℃22.13.1241029.5434.24812.629.684.25.87215.529.812626.29616.130187.829.3

表2 20℃下PG-82改性瀝青油蝕度實測數(shù)據(jù)Table2 MeasureddateformodifiedasphaltPG-82oilcorrosiondegreeunder20℃浸蝕時間/h油蝕度/g浸蝕時間/h油蝕度/g21.1205.442.5225.462.6245.482.6307.5103.2369124489.4144.27211.41659612.3185.4

表3 60℃下PG-82改性瀝青油蝕度實測數(shù)據(jù)Table3 MeasureddateformodifiedasphaltPG-82oilcorrosiondegreeunder60℃浸蝕時間/h60℃油蝕度/g浸蝕時間/h60℃油蝕度/g2 2.52413.84 3.94816.48 7.1721712 7.39617.318.5 10.4

圖2中，橫向來看，70#基質(zhì)瀝青的油蝕度隨油蝕時間增加而增加，前期增加快，后期慢，最后趨于穩(wěn)定；縱向來看，溫度越高，油蝕度越大，20、60 ℃的油蝕度分別為16.1、30g，增長速率隨溫度的升高而變大，20 ℃時，增長較為平緩，說明柴油對瀝青油蝕慢，60 ℃時，增長速率大，并很快穩(wěn)定，說明60 ℃下瀝青油蝕快，喪失粘附能力，可以看出70#基質(zhì)瀝青油蝕度溫度敏感性高。

圖3中，橫向來看，油蝕度隨時間呈對數(shù)增大趨勢；縱向來看，溫度越高，油蝕度越大，20 ℃、60 ℃的油蝕度分別為12.3、17.3g；較70#基質(zhì)瀝青，20 ℃時，在4～8、12～14、18～24h時間段，60 ℃時，在8～12時間段，油蝕度隨時間的變化出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，是因為PG-82改性瀝青吸收了瀝青中大量的飽和分，形成復雜的聚合物互穿網(wǎng)絡，油蝕時，聚合物互穿網(wǎng)絡相當于“保護膜”將瀝青包裹，柴油對其溶解必須突破這層“保護膜”，需要一定的時間，待將“保護膜”溶解后，有了新的浸蝕通道，迅速浸入瀝青的內(nèi)部的柴油又需溶解里面“保護膜”，反反復復，形成了圖中特有的上升-停滯相互交替的現(xiàn)象；而60 ℃下，停滯時間少且短，這是因為溫度的升高，分子運動加劇，柴油的油蝕能力增強。

相比而言，較70#基質(zhì)瀝青，PG-82改性瀝青的油蝕度沒有出現(xiàn)極速增大而后突然穩(wěn)定的情況，說明PG-82改性瀝青的抗油蝕能力較70#基質(zhì)瀝青要強很多。

圖2　20 ℃、60 ℃下70#基質(zhì)瀝青油蝕度發(fā)展規(guī)律Figure 2　The development law for 70# matrix asphalt oil corrosion degree under 20 ℃and 60 ℃

圖3　20 ℃、60 ℃下PG-82改性瀝青油蝕度發(fā)展規(guī)律Figure 3　The development law for modified asphalt PG-82 oil corrosion degree under 20 ℃ and 60 ℃

3瀝青油蝕機理分析

柴油和瀝青均是原油加工過程中的產(chǎn)品，柴油的主要成分是含9到18個碳原子的鏈烷、環(huán)烷或芳烴，瀝青是一種由多種復雜高分子碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的復雜混合物，3組分分析法將瀝青分離為油分、樹脂和瀝青質(zhì)等3組分，瀝青3組分分析法的各組分性狀如表4所示。

從組成成分來看，根據(jù)相似相溶原理，瀝青中的油分含量在45%～60%，能夠溶于有機溶劑，因而在一定程度上柴油能夠溶解瀝青，瀝青與集料之間的浸潤角變大，粘附功變小，造成瀝青粘聚力下降。

表4 瀝青3組分分析法的各組分性狀Table4 Characterofcomponentwiththethreecomponentpartsanalysisofasphalt性狀外觀特性平均分子量碳氫化含量/%物化特性油分淡黃色透明液體200～7000.5～0.745～60幾乎溶于大部分有機溶劑,具有光學活性,常發(fā)現(xiàn)有熒光,相對密度0.7～1.0樹脂紅褐色粘稠半固體800～30000.7～0.815～30溫度敏感性高,熔點低于100℃,相對密度1.0～1.1瀝青質(zhì)深褐色固體微粒1000～50000.8～1.05～30加熱不熔化而碳化,相對密度1.1～1.5

從油蝕度規(guī)律來看， ①PG-82改性瀝青的油蝕速率和油蝕度均要小于70#基質(zhì)瀝青，這是因為加入的改性劑吸收了部分的油分，使得瀝青中的油分含量變少； ②改性瀝青形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠起到“保護膜”的作用，可以使油蝕度短暫的停滯在一定水平； ③溫度越高，油蝕度越大，溫度越高，分子運動加劇，活性變強，柴油的油蝕能力變強，此外樹脂的溫度敏感性高，溫度越高，瀝青的性質(zhì)越不穩(wěn)定，抵抗柴油油蝕的能力變差。

瀝青油蝕的機理可以闡述為：從組成成分上看，瀝青中的油分能夠溶于有機溶劑，致使柴油能部分溶解瀝青，瀝青與集料之間的浸潤角變大，粘附功變小，致使瀝青粘附力下降；從油蝕規(guī)律上看，改性瀝青中添加的改性劑吸收了一部分油分使瀝青含油量降低和空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)“保護膜”的雙重作用，使改性瀝青的抗油蝕能力要優(yōu)于基質(zhì)瀝青，同時“保護膜”可使油蝕度短暫的停滯在一定水平。此外，用油蝕度描述瀝青油蝕影響，油蝕度對溫度敏感，溫度越高，瀝青成分中的樹脂越不穩(wěn)定，抗油蝕能力越差，且柴油活性越強，油蝕能力越強。

4結(jié)語

本文首先提出油蝕度這一評價柴油對瀝青油蝕效應的指標，從其定義分析得到油蝕度能較為準確的描述油品對瀝青的油蝕效應；其次設計油蝕瓶這一試驗工具并提出油蝕度試驗方法，并對70#基質(zhì)瀝青和PG-82改性瀝青在20 ℃、60 ℃兩個溫度下于不同時間序列下的油蝕度進行試驗并分析其規(guī)律，PG-82改性瀝青聚合物互穿網(wǎng)絡的空間結(jié)構(gòu)形成了特有的停滯現(xiàn)象；最后根據(jù)相似相溶原理指出瀝青與柴油部分互溶，瀝青與集料之間浸潤角變大，粘附功變小，致使瀝青粘附力下降，從油蝕度變化規(guī)律指出改性瀝青的抗油蝕能力要優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

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TheReasearchonAsphaltOilCorrosionMechanism

LIHao1，2，LIShanqiang1，2

(1.ResearchandDevelopmentCenteronRoadTransportSafetyandEmergencySupportTechnology&Equipment，MinistryofTransport，PRC，Guangzhou，Guangdong510420，China；2.GuangdongHualuCommunicationsTechnologyCo.LTD，Guangzhou，Guangdong510420，China)

[Abstract]Oil corrosion degree is proposed as a index for evaluating oil corrosion effect forasphalt in this paper，designing the test tool and test method，on this basis，evaluating oil corrosion effect of diesel for 70# matrix asphalt and modified asphalt PG-82 under both 20 ℃ and 60 ℃，discussing oil corrosion mechanism for asphalt through the analysis of the law.

[Key words]asphalt； oil corrosion degree； oil corrosion mechanism for asphalt； diesel

[收稿日期]2015-03-12

[基金項目]交通運輸部建設科技計劃項目(2014 318 J23 150)；廣東省交通運輸廳科技項目(科技-2012-02-009)

[作者簡介]李浩(1988-)，男，湖北荊州人，工學碩士，工程師，主要從事道路工程材料的研究工作。

[中圖分類號]U 414.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0229-03