水介質(zhì)對瀝青老化特征官能團(tuán)的影響*

張雪梅 龐 凌 張國付

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

瀝青混凝土由于具有優(yōu)良的行車性能和低噪聲優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于路面工程中[1].在自然環(huán)境中，瀝青路面經(jīng)常暴露在水分環(huán)境中，而且由于水與車輛動載荷的聯(lián)合作用引起的瀝青路面的水損害，水也可能溶解部分瀝青組成，進(jìn)一步影響其流變性和力學(xué)性能，加速瀝青的老化[2].在瀝青路面的長期服役過程中，瀝青的老化與水密切相關(guān)，在不同地區(qū)(酸雨區(qū)，海水，鹽堿地等)，水溶液中含有的水介質(zhì)不同[3-4]，因此，了解瀝青在水作用下的老化過程，特別是水介質(zhì)在此過程中的影響對于分析瀝青路面的水損害過程和水損害機(jī)理非常重要.

通過對瀝青特征官能團(tuán)測試分析，研究酸、堿和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽溶液對瀝青的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)的影響，為揭示瀝青的水老化過程和機(jī)理奠定基礎(chǔ).采用包括蒸餾水、酸性溶液、堿性溶液和兩種鹽溶液(硫酸鈉溶液和氯化鈉溶液)等五種溶液浸泡薄層瀝青試樣，使用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測試分析經(jīng)過水溶液浸泡不同時間的瀝青試樣的老化特征官能團(tuán)的變化，研究水介質(zhì)對瀝青組成結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用湖北國創(chuàng)高新材料股份有限公司提供的70#瀝青，其老化特征官能團(tuán)指數(shù)和組分分布結(jié)果見表1.

表1 70#瀝青基本參數(shù) %

1.2 溶液的制備

酸溶液是按照硫酸和硝酸的物質(zhì)的量比為9∶1混合后稀釋至pH值為3和5[5]，堿溶液是稀釋氫氧化鈉溶液至pH值為9和11，鹽溶液是按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)配置為10%，20%和30%的氯化鈉溶液及10%，20%和30%的硫酸鈉溶液[6].

1.3 處理過程

1.3.1浸泡過程

取6 g的瀝青樣品到底面直徑為100 mm、高為18 mm的玻璃皿上，將玻璃皿置于100 ℃的烘箱1 min，使瀝青熔化成流動狀態(tài)，然后將玻璃皿搖動使瀝青平攤在玻璃皿的全部底面，最后制成約0.76 mm厚度的瀝青薄膜.將不同介質(zhì)的水溶液(蒸餾水、酸、堿和兩種鹽)注入玻璃皿，覆蓋于瀝青樣品上進(jìn)行浸泡，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為25 ℃，浸泡時間分別為1,7，14 d.

1.3.2干燥過程

浸泡結(jié)束后，將覆蓋在玻璃皿上的溶液倒掉，并用蒸餾水沖洗下表面，以免表面有雜質(zhì)存留.然后將盛有瀝青的玻璃皿放在150 ℃的烘箱內(nèi)干燥0.5 h，并冷卻至室溫，至少1 d即可準(zhǔn)備取出做測試.再將盛有瀝青試樣的玻璃皿放在100 ℃的烘箱內(nèi)烘1 min[7]，使瀝青熔化成流動狀態(tài)，將瀝青取出密封保存，用來做FTIR試驗(yàn).

1.4 測試方法

用紅外光譜技術(shù)研究瀝青經(jīng)溶液浸泡后透過率的各官能團(tuán)的峰面積以及特征官能團(tuán)面積比，使用老化特征官能團(tuán)羰基(波數(shù)為1 705 cm-1)和亞楓基(波數(shù)為1 030 cm-1)的面積變化來定量分析瀝青的老化程度[8-9]，羰基指數(shù)(CI)和亞楓基指數(shù)(SI)計算公式為[10]

(1)

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青在水侵蝕作用下的紅外光譜分析

經(jīng)蒸餾水侵蝕前后瀝青的紅外光譜變化見圖1.70#原樣瀝青無法觀察到明顯的羰基峰，但可以看到明顯的亞楓基峰，而經(jīng)蒸餾水侵蝕水后瀝青紅外光譜圖中出現(xiàn)了清晰的羰基吸收峰，亞砜吸收峰則進(jìn)一步增大.因此，本文使用羰基指數(shù)(CI)和亞砜基指數(shù)(SI)作為評估瀝青老化程度的指標(biāo).

圖1 經(jīng)過水浸泡后的瀝青試樣的紅外光譜圖

2.2 鹽溶液對瀝青特征官能團(tuán)的影響

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，20%和30%的硫酸鈉水溶液對瀝青進(jìn)行了浸泡實(shí)驗(yàn)，圖2為經(jīng)過不同濃度的硫酸鈉溶液分別浸泡1，7和14 d后瀝青的羰基和亞楓基老化特征官能團(tuán)指數(shù)的變化情況.由圖2可知，隨浸泡時間的增加，瀝青的羰基和亞楓基指數(shù)逐漸增加.其中，瀝青浸泡在蒸餾水后，其瀝青羰基指數(shù)變化不明顯，亞楓基指數(shù)呈微弱上升變化趨勢.然而，隨著硫酸鈉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加到30%，瀝青的羰基和亞楓基指數(shù)顯著增加，表明硫酸鈉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對瀝青老化特征官能團(tuán)的產(chǎn)生具有明顯的影響，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，瀝青老化特征官能團(tuán)的含量增加得越多.

圖2 瀝青經(jīng)過硫酸鈉溶液浸泡后的羰基和亞楓基指數(shù)的變化圖

圖3為瀝青經(jīng)過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉鹽水溶液浸泡后的羰基和亞楓基指數(shù)的變化情況.在7 d時間內(nèi)，浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的或20%的NaCl溶液中的瀝青樣品的羰基指數(shù)略有增加，但在浸泡14 d后羰基指數(shù)增加幅度較大.對于浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaCl鹽溶液中的瀝青試樣，羰基指數(shù)在14 d內(nèi)增長幅度較為均勻.瀝青的亞楓基指數(shù)也隨浸泡時間的增加而增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%以上氯化鈉介質(zhì)的摻入使經(jīng)溶液浸泡后瀝青的亞楓基指數(shù)明顯增加，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～30%不同氯化鈉溶液的變化對瀝青的亞楓基指數(shù)的影響不如對羰基指數(shù)的影響大.

圖3 瀝青經(jīng)過氯化鈉溶液浸泡后的羰基和亞楓基指數(shù)變化圖

經(jīng)過蒸餾水浸泡后，瀝青的羰基指數(shù)和亞楓基指數(shù)有所增加，瀝青在水中發(fā)生了氧化.在水溶液中摻入硫酸鈉或氯化鈉鹽介質(zhì)對瀝青浸泡后，瀝青的羰基和亞楓基指數(shù)增加幅度明顯提高，這可能是因?yàn)槁然c或硫酸鈉加速了瀝青在水溶液中的氧化[11].結(jié)果表明，經(jīng)過氯化鈉溶液浸泡后的瀝青羰基和亞楓基指數(shù)比經(jīng)過硫酸鈉溶液浸泡后的低，說明硫酸鈉溶液對瀝青的老化作用大于氯化鈉溶液對瀝青的老化作用.

2.3 不同pH值水溶液對瀝青特征官能團(tuán)的影響

采用pH3和pH5的酸性水溶液以及pH9和pH11的堿性水溶液對瀝青進(jìn)行了浸泡實(shí)驗(yàn)，圖4為不同pH值的酸堿水溶液(3，5，9和11)對瀝青浸泡后，瀝青羰基和亞楓基指數(shù)的變化情況.由圖4可知，浸泡在水溶液中的時間越長，瀝青的羰基指數(shù)和亞楓基指數(shù)值越大，浸泡在堿性和酸性溶液中的瀝青的羰基指數(shù)和亞楓基指數(shù)明顯比浸泡在蒸餾水中高，堿性溶液和酸性溶液對瀝青的老化作用更明顯.

圖4 瀝青經(jīng)過不同pH值溶液浸泡后的羰基和亞楓基指數(shù)的變化

由圖4可知，瀝青羰基指數(shù)從大到小的次序?yàn)閜H11>pH3>pH9>pH5>蒸餾水(pH7)，瀝青亞楓基指數(shù)也具有相同的排列次序，表明酸性溶液或堿性溶液的酸性或堿性越強(qiáng)，瀝青的老化特征官能團(tuán)的指數(shù)就越大，即老化程度越大，并且堿性介質(zhì)水溶液對瀝青的老化作用更明顯.

這可能是由于，瀝青中的羧酸類和酚類等酸性物質(zhì)在酸溶液中發(fā)生了一定的溶解和電離，在堿溶液中發(fā)生中和反應(yīng)，最終導(dǎo)致瀝青中的老化，并且，堿溶液的老化作用更明顯，是因?yàn)閴A溶液中的氫氧化鈉和瀝青酸可以反應(yīng)生成有機(jī)皂化合物，從而促進(jìn)瀝青的老化[12].

以上研究結(jié)果表明，瀝青經(jīng)過水溶液浸泡后，其羰基和亞砜基指數(shù)明顯增加，說明瀝青在水溶液浸入的過程中發(fā)生了氧化老化.蒸餾水的侵蝕作用下，瀝青有微弱的老化；硫酸鈉和氯化鈉鹽介質(zhì)在水溶液中加速了瀝青的老化，且硫酸鈉溶液的老化作用大于氯化鈉溶液；酸堿性介質(zhì)在水溶液中也加速了瀝青的老化，而強(qiáng)堿溶液對瀝青老化指數(shù)的影響大于強(qiáng)酸溶液.本研究中，浸泡在ω(Na2SO4)=30%溶液中的瀝青的羰基指數(shù)顯示出最大幅度的增加，表明其對瀝青的老化作用最強(qiáng).

3 結(jié) 論

1) 瀝青經(jīng)過水溶液浸泡后生成更多的羰基和亞楓基類物質(zhì)，浸泡時間越長，羰基和亞楓基指數(shù)越高，瀝青老化程度越大.

2) 酸、堿和鹽介質(zhì)會加速水溶液對瀝青的侵蝕作用，其濃度越大，瀝青的老化程度越大.

3) 相同濃度硫酸鈉溶液對瀝青的老化程度大于氯化鈉溶液，強(qiáng)堿溶液對瀝青的老化作用大于強(qiáng)酸溶液.

隨著瀝青在水溶液中的老化，瀝青中的親水基團(tuán)(-OH，-CHO，-COOH等)增加，親水基團(tuán)易溶到溶液中，導(dǎo)致瀝青的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生進(jìn)一步的變化，進(jìn)而使瀝青的性能變差.因此，瀝青路面水老化的破壞不應(yīng)該被忽視，特別是在海岸，鹽堿地等地區(qū).

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