三種瀝青溫拌劑降粘機理分析

黃紹龍，卞周宏，金帆，蔡曉娟，李遠，楊明

(1.湖北大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430062； 2.武漢地產集團，湖北 武漢 430015)

三種瀝青溫拌劑降粘機理分析

黃紹龍1，卞周宏1，金帆1，蔡曉娟2，李遠2，楊明2

(1.湖北大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430062； 2.武漢地產集團，湖北 武漢 430015)

使用SEM、XRD、TG、DTA、IR等測試手段，研究當前主要使用的3類瀝青溫拌劑的溫拌作用機理：沸石類瀝青溫拌劑在一定的溫度下會持續(xù)分解出水分，降低了瀝青粘度；有機降粘類溫拌劑在高于110 ℃的環(huán)境下液化，使得瀝青的輕質組分增加，從而分散、潤滑瀝青中的膠質與瀝青質；乳化類瀝青溫拌劑具有表面活性組分，能夠使得瀝青形成油包水乳液，從而降低瀝青粘度.

溫拌瀝青；溫拌劑；紅外測試；降粘機理

0 引言

瀝青混合料溫拌技術最早由英國的Shell和挪威的Kolo-Veidekke公司共同研發(fā)，并于1966年就溫拌瀝青混合料的路用性能進行了相關性實驗；1997年在德國召開的瀝青學術論壇會議首次探討了溫拌瀝青混合料[1].1997年12月，80余國簽訂了《京都議定書》以控制溫室氣體的排放，瀝青混合料使用過程中大量的能源消耗及碳排放引起了各國和地區(qū)環(huán)保部門的關注[2-3].1999年，世界第一條溫拌瀝青混合料公路試驗段建成，經過一年不同季節(jié)和高、低溫環(huán)境下的觀察與實驗檢測，表現(xiàn)出優(yōu)異的路用性能[4-6].2000年，Harrion和Christodulaki等在第一屆瀝青路面國際會議上提出了溫拌瀝青；同年，第二屆歐洲瀝青國際會議使得溫拌瀝青混合料受到了廣泛的宣傳和關注，自此，瀝青溫拌混合料在世界范圍內得到廣泛的關注和重視[7-9].

為實現(xiàn)瀝青溫拌技術，國內外采取的常規(guī)做法是：在低于普通熱拌瀝青混合料的拌和溫度下降低瀝青粘度，從而可以在較低的溫度下拌制瀝青混合料.根據不同的降粘溫拌機理，溫拌劑可分為3大類：發(fā)泡降粘類溫拌劑(沸石類)，有機降粘類溫拌劑(有機類)，表面活性降粘類(乳化類)[10,11].目前，各類溫拌劑一般采用瀝青粘度試驗以及混合料試驗等宏觀手段進行檢測，并根據溫拌劑材料本身的某些技術指標對其溫拌機理進行推測分析.本文中基于各種微觀測試手段，并結合當前采用的3種主流溫拌體系來選擇對應的代表溫拌劑，以微觀測試等手段來探討當前主流溫拌技術的降粘機理.

1 原材料選擇及實驗方法

1.1 原材料的選擇 從國際主流使用的3類溫拌劑(發(fā)泡降粘類溫拌劑、有機降粘類溫拌劑、表面活性類溫拌劑)中各選擇一種作為代表，以探究不同類型溫拌劑對瀝青的溫拌作用機理：

1.2 試驗方法 本實驗采用X線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和熱重分析(TG)等測試對溫拌劑A的微觀形貌、結構、釋放水分的溫度進行分析；采用紅外光譜分析(IR)、差熱分析(DTA)研究了溫拌劑B的分子基團及其液化降粘溫拌范圍；采用IR對溫拌劑C的分子基團及結構進行分析.

2 測試結果分析

2.1 溫拌劑A測試結果及分析

2.1.1 溫拌劑A的XRD、SEM分析 溫拌劑A的SEM測試結果見圖1，XRD測試結果見圖2.SEM分析表明，溫拌劑A為表面光滑、粒徑較小且大小分布均勻的顆粒狀，在熱瀝青中可以較好的分散開來，使得瀝青粘度與溫度分布平均，不發(fā)生團聚或離析現(xiàn)象而影響混合料壓實.XRD分析表明：溫拌劑A的化學成分為典型的A型沸石，其分子結構為硅氧四面體與鋁氧四面體通過頂角連接構成的空間架狀結構，并存在充填大量水分子且互相聯(lián)系的空隙與空腔.將溫拌劑A摻入熱的瀝青中后，在高溫下其所含結晶水會緩慢而持續(xù)的釋放出來，使得熱瀝青中含有水蒸氣泡，從而降低瀝青的粘度以實現(xiàn)溫拌效果.

圖1 溫拌劑A的SEM結

圖2 溫拌劑A的XRD圖

圖3 溫拌劑A 的TG分析結

2.2 溫拌劑B測試結果及分析

2.2.1 溫拌劑B的IR分析 在有機化合物中分子中某些化學鍵或分子基團具有高度特征性的紅外吸收光譜，可以通過IR分析分子中的化學鍵和分子基團種類，并判斷該物質的理化性質和種類[12].

已知溫拌劑B是一種飽和碳氫脂肪化合物，為了更好地了解溫拌劑B結構，本試驗選取與其結構較為相似的兩種市售聚乙烯蠟(分別記為PEA與PEB)進行IR測試，比對結果見圖4.

IR分析測試結果為：2 917 cm-1、2 848 cm-1、1 463 cm-1、719 cm-1處代表亞甲基的特征峰，其中719 cm-1處說明亞甲基直鏈結構碳原子數(shù)大于4；1 378 cm-1為烷基的變形振動峰；1 722 cm-1處是羰基的伸縮振動峰.同時IR對比結果發(fā)現(xiàn)：PEA與PEB的IR圖譜基本相同，溫拌劑B與PEA和PEB的IR圖譜非常相似，僅在1 722 cm-1處多出一個特征吸收峰.這說明溫拌劑B與典型的PE蠟結構(PEA、PEB)非常相似，但是比PE蠟結構多了羰基官能團.

含有PE蠟的瀝青低溫性能差，盡管PE蠟在高溫下可以液化，卻不能作為瀝青溫拌劑使用.綜合分析認為：溫拌劑B在高溫熔融狀態(tài)下能夠很好地溶解于高溫液態(tài)瀝青，并均勻分散從而降低瀝青的粘度且對瀝青的低溫性能影響不大，其關鍵在于羰基的存在.

2.2.2 溫拌劑B的DTA分析 溫拌劑B只有完全熔融并溶解于高溫液態(tài)瀝青中才能發(fā)揮其溫拌作用，本試驗采用DTA測定溫拌劑B的相變溫度范圍，據此判斷溫拌劑B使用時所需的最低溫度，分析結果見圖5.

圖4 溫拌劑B及PEA/PEB的IR分析比對結

圖5 溫拌劑B的DTA分析結

2.2.3 溫拌劑B的降粘機理 我國將瀝青分為飽和分、芳香分、膠質和瀝青質四組分，瀝青的飽和分主要由純鏈烷烴、純環(huán)烷、混合鏈烷-環(huán)烷烴組成，常溫下為無色液體，芳香份為混合鏈烷-環(huán)烷-芳香烴、芳香烴與含硫化合物組成，常溫下為黃色至紅色液體，這二者為瀝青中的輕質組分，對瀝青中的膠質與瀝青質起到潤滑作用，能降低瀝青的粘度，增加流動性[13].膠質由(鏈烷-環(huán)烷-芳香烴)多結構與含S、O、N的化合物組成，常溫下為棕色粘稠液體，具有非常強的極性；瀝青質由(烷鏈-環(huán)烷-芳香烴)縮合環(huán)結構和含S、O、N的化合物組成，常溫下為深棕色至黑色固體，同樣也具有很強的極性[14].

溫拌劑B中非極性的飽和碳鏈結構高溫相變后增加了高溫液態(tài)瀝青的輕質組分，并與瀝青原有輕質組分協(xié)同潤滑、分散瀝青中的膠質和瀝青質，降低瀝青的粘度；而溫拌劑B中的極性羰基基團在瀝青膠質和瀝青質的分散過程中，與其充分的接觸均勻混合，使得溫拌劑B降溫凝固后的產物呈空間網架結構均勻分散于瀝青中，同時也增加瀝青的結構強度，實現(xiàn)瀝青混合料溫拌的同時對瀝青產生改性作用.

圖6 溫拌劑C的IR分析結

圖7 溫拌劑C的分子結構模

2.3 溫拌劑C測試結果及分析 溫拌劑C的IR吸收譜見圖6.溫拌劑C為表面活性劑的水溶液，IR譜圖吸收峰分析可知：3 357 cm-1為水羥基特征峰；2 924、2 853、1 464cm-1為亞甲基特征峰，這說明溶液中含有烷烴碳鏈結構；1 601 cm-1為脂肪胺N—H面內的變形振動峰，1 125、1 060 cm-1為脂肪胺伸縮振動峰，表明其結構中具有胺端基.綜合分析可知：溫拌劑C具有烷烴碳鏈和胺基結構，烷烴碳鏈為非極性基團，具有非常好的親油性，能很好地被瀝青中的輕質組分相吸附，而胺基是極性基團，具有非常良好的親水性，能很好地被瀝青中的膠質、瀝青質吸附，其分子結構模型如圖7所示.

溫拌劑C的水溶液中，分子會呈小團狀分散于水中，極性的胺基指向外側的水，非極性的烷烴碳鏈指向內側并互相吸附成團，如圖8所示.當溫拌劑C水溶液加入到高溫液態(tài)瀝青中時，瀝青的量遠大于水溶液，溶液液滴成為小顆粒分散于瀝青中，此時溫拌劑C中的非極性烷烴碳鏈指向外側與瀝青中的輕質組分相吸附，而極性的胺基指向內側包裹住小水滴形成油包水乳液，實現(xiàn)滾珠效果來降低瀝青的粘度，從而實現(xiàn)溫拌，其過程如圖9所示.

圖8 溫拌劑C的水溶

圖9 溫拌劑C作用過

圖10 溫拌劑C在集料與瀝青界面形成粘結界面示意

在瀝青混合料拌制和壓實過程中，隨著集料的相互摩擦、擠壓，極性胺基基團被比水分極性更大的集料表面所吸附，逐漸覆蓋集料表面實現(xiàn)破乳；同時非極性的烷烴碳鏈繼續(xù)吸附于瀝青中的輕質組分，在集料-瀝青界面形成一層粘結界面，見圖10，從而增加集料與瀝青的膠結性能，增加瀝青的抗水剝離能力.

3 結論

2) 溫拌劑B為一種含有羰基的碳氫脂肪族化合物，升溫至96 ℃開始液化，在110 ℃時完全液化，飽和碳鏈的高溫相變增加了瀝青輕質組分的含量，使得瀝青膠質和瀝青質更好地被潤濕和分散從而實現(xiàn)溫拌，且羰基的存在使其能夠與瀝青中的膠質與瀝青質具有非常好的相容性；固含后的空間網架結構也增強了瀝青混合料的高溫路用性能.

3) 溫拌劑C為一種含有具有極性胺基和非極性烷烴碳鏈的表面活性組分，通過向瀝青中引入微粒型油包水型乳液來降低瀝青粘度從而實現(xiàn)溫拌，且破乳后在集料與瀝青間形成的膠結界面可以增加集料與瀝青的膠結性能，提高了瀝青的抗水剝蝕能力.

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(責任編輯 胡小洋)

Analysis of the viscosity reduction mechanismof three different asphalt warm- mixed additives

HUANG Shaolong1，BIAN Zhouhong1，JIN Fan1，CAI Xiaojuan2，LI Yuan2， YANG Ming2

(1. Faculty of Material Science and Engineering, Hubei University, Wuhan 430062,China;2. WuHan Realestate Group Co., Wuhan 430015,China)

SEM,XRD,TG,DTA,IR measurements were taken to investigate the viscosity reduction mechanism of three different asphalt warm-mixed additives: Zeolites could release water at high temperature sustainably and reduce the viscosity of asphalt. Organics could transition to liquid when the temperature is higher than 110 ℃ and lubricate and disperse colloid and asphaltenes with light component increase. The surfactivity part in emulsifications could produce water-in-oil emulsions and decrease asphalt viscosity.

warm-mixed asphalt; warm-mixed additive; Irda Test; viscosity reduction mechanism

2016-11-11

武漢地產集團科技項目(溫拌阻燃多功能瀝青路面的開發(fā)與應用)資助

黃紹龍(1980-)，男，博士，副教授， E-mail：1040603151@qq.com

1000-2375(2017)05-0506-05

TQ522.65

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.05.013