瀝青組分與結(jié)構(gòu)對(duì)路用性能的影響

■黃雪芳

（福建路橋建設(shè)有限公司，福州 350001）

1 前言

瀝青是一種可溶于苯或者二硫化碳等溶劑的暗褐色至黑色的固體、半固體、或者黏稠狀物質(zhì)，主要是由碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌锝M成的混合物。瀝青屬于石油當(dāng)中結(jié)構(gòu)及組成最為復(fù)雜、分子量最大的餾分；此外，隨著石油種類以及加工條件不同瀝青的組成和結(jié)構(gòu)會(huì)有顯著的差異。因此，瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)分類研究很難用單質(zhì)還是化合物，又或者是采用研究石油低沸點(diǎn)餾分的化學(xué)組成的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。只能采用凝膠滲析色譜（GPC）、平均相對(duì)分子質(zhì)量分布、紅外光譜（FTIR）等方法來(lái)說(shuō)明瀝青的化學(xué)組成成分及結(jié)構(gòu)[1]。而瀝青的組分與結(jié)構(gòu)的不同直接影響瀝青的后續(xù)改性及其路用性能。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 瀝青種類

本文選取七種不同產(chǎn)地瀝青進(jìn)行分析研究，分別是進(jìn)口雙龍A級(jí)-70號(hào)道路瀝青（以下簡(jiǎn)稱SL）；九江石化瀝青（以下簡(jiǎn)稱JJSH）、溫州中油瀝青（以下簡(jiǎn)稱WZZY）；鎮(zhèn)海瀝青（以下簡(jiǎn)稱ZH）；臺(tái)塑瀝青（以下簡(jiǎn)稱TS）；韓國(guó)出產(chǎn)瀝青（以下簡(jiǎn)稱GS）；泰國(guó)出產(chǎn)瀝青（以下簡(jiǎn)稱IRPC）。

2.2 主要儀器設(shè)備

在分析研究中主要采用了以下試驗(yàn)設(shè)備：傅立葉FTIR 光譜儀（美國(guó) Thermo，Nicolet 5700）；差示掃描量熱儀（瑞士梅特勒-托利多）；DTA-TG/差熱同步分析儀（瑞士梅特勒-托利多）；凝膠色譜儀（美國(guó)Waters1515）；全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)器（上海昌吉YD-2806H）；低溫針入度試驗(yàn)器（上海昌吉SYD-2801F）；瀝青延伸度試驗(yàn)器（上海昌吉SYD-4508F）。

2.3 試驗(yàn)方法

本文分別從微觀（結(jié)構(gòu)、熱變化、分子量分布）和宏觀（工程試驗(yàn)）對(duì)所選瀝青進(jìn)行測(cè)試，分析其微表性質(zhì)與工程參數(shù)所反應(yīng)的性能對(duì)路用性能的影響。

FTIR光譜測(cè)試：取瀝青樣傅立葉FTIR光譜儀上，用溴化鉀壓片法進(jìn)行FTIR測(cè)試。

GPC測(cè)試：用四氫呋喃溶解瀝青，制成千分之六的溶液后裝到針管里進(jìn)樣，從而得到瀝青分子量分布圖。

DTA-TG測(cè)試：瀝青樣品取5 mg左右，N2保護(hù)下，N2流速：200 mL/min，以10 K/min的升溫速率從室溫升至600℃，得到熱分解曲線。

工程試驗(yàn)參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20-2011）進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果與分析

3.1 瀝青工程參數(shù)試驗(yàn)

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40-2004中石油瀝青的技術(shù)要求，見(jiàn)表1。

表1 瀝青試驗(yàn)表征標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)中國(guó)交通部標(biāo)準(zhǔn) 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20-2011）對(duì)七種瀝青基質(zhì)進(jìn)行軟化點(diǎn)、針入度、延度的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 幾種不同瀝青試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，SL瀝青的軟化點(diǎn)只有46℃相對(duì)其余幾種瀝青較低，針入度73mm相對(duì)較高，這表示SL瀝青比較軟，黏度小，均一性好。

3.2 FTIR分析

圖1是 SL瀝青、JJSH瀝青、WZZY瀝青、ZH瀝青、TS瀝青、GS瀝青、IRPC瀝青的FTIR圖。

圖1 幾種瀝青的FTIR圖

由圖1可以看出，SL瀝青、JJSH瀝青、WZZY瀝青、ZH瀝青、TS瀝青、GS瀝青、IRPC瀝青的FTIR光譜圖基本一致，2900cm-1附近和550cm-1附近有些差別。2900cm-1附近是環(huán)烷及烷烴的C-H振動(dòng)，不同種類的瀝青此處峰的大小和位置有所不同，可能是結(jié)合的—CH2、—CH3的多少有區(qū)別[2]。

3.3 DSC譜圖分析

圖2是SL瀝青、JJSH瀝青、WZZY瀝青、ZH瀝青、TS瀝青、GS瀝青、IRPC瀝青的DSC譜圖。

圖2 幾種瀝青的DSC圖

由圖2可見(jiàn)，可以用DSC來(lái)測(cè)定瀝青聚集態(tài)隨溫度變化而變化的趨勢(shì)，由此來(lái)對(duì)瀝青的性質(zhì)進(jìn)行分析。當(dāng)溫度產(chǎn)生變化，瀝青物理聚集態(tài)可以互相的轉(zhuǎn)變。同一溫度下或者不同溫度下的不同種類瀝青，其中的液態(tài)物質(zhì)與固態(tài)物質(zhì)的比例關(guān)系會(huì)有所不同，物理力學(xué)性質(zhì)方面就呈現(xiàn)出了較大的差異[3]。

DSC圖中，眾多組分的吸熱峰會(huì)重疊一起而形成一個(gè)溫度范圍的吸熱峰，峰的大小和位置就間接體現(xiàn)了瀝青的微觀性質(zhì)變化。吸熱峰越大，表明瀝青該溫度區(qū)間產(chǎn)生變化的組分越多，其中包含了結(jié)晶組分的熔融也有非晶組分的相轉(zhuǎn)變，這些組分處于不同的狀態(tài)時(shí)，其物理性質(zhì)是不相同的，比如從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，瀝青當(dāng)中的可流動(dòng)組分?jǐn)?shù)量增加，就必然會(huì)使總的分子間力減小，宏觀上就會(huì)對(duì)瀝青的物理性質(zhì)產(chǎn)生較大影響。因此，吸熱峰越大，吸熱量越大的瀝青加熱之后物理性質(zhì)的改變程度也越大，這也可以從宏觀物理指標(biāo)中佐證[4]。

結(jié)合圖2和表3可以看出，其中SL瀝青吸熱峰值最大，這表明SL瀝青中組分的存方式、數(shù)量和組分的相轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了變化最多，同時(shí)使部分組分的熔融溫度產(chǎn)生了改變，這些變化會(huì)導(dǎo)致瀝青微觀結(jié)構(gòu)的變化，瀝青組分膠體結(jié)構(gòu)則重新進(jìn)行調(diào)整。也一定程度上說(shuō)明了SL瀝青這個(gè)溫度范圍內(nèi)的化學(xué)活性高，更適合作為瀝青改性的基質(zhì)瀝青使用。

表3 瀝青DSC吸熱峰數(shù)據(jù)

3.4 DTA-TG分析

圖3是SL瀝青、JJSH瀝青、WZZY瀝青、ZH瀝青、TS瀝青、GS瀝青、IRPC瀝青的TG譜圖。

圖3 幾種瀝青的TG圖

熱重用于瀝青的組分劃分和瀝青的組分比例結(jié)構(gòu)確定上，一般可認(rèn)為：

（1）瀝青TG圖譜中，如果只有1個(gè)同向“弧”型，可認(rèn)為該瀝青是由性質(zhì)相近的物質(zhì)組成的。該瀝青稱為Ⅰ組分瀝青。

（2）瀝青TG圖譜中，如果有2個(gè)或3個(gè)同向“弧”型，可以認(rèn)為該瀝青是由性質(zhì)相近的Ⅱ種組分或者Ⅲ種組分物質(zhì)組成的，該瀝青稱為Ⅱ組分瀝青或者Ⅲ組分瀝青。連接2個(gè)同向“弧”中間反向“弧”切線的交點(diǎn)，并沿橫軸平行與縱軸交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值就是上一組分瀝青所占瀝青全部組分的比例，如圖4所示[5]。

圖4 瀝青分解溫度與組分的確定

結(jié)合圖3和表4可以看出，SL瀝青的起始熱失重溫度234℃是最高的，即熱分解穩(wěn)定性較好，有可能是由于SL瀝青當(dāng)中的芳香烴含量較高且飽和烴含量較低所導(dǎo)致，其殘余率也最低，是13.1%。上述七種瀝青當(dāng)中，出現(xiàn)了兩個(gè)失重平臺(tái)只有JJSH瀝青，則JJSH瀝青是II組分瀝青。

表4 瀝青試樣TG分析數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

3.5 GPC譜圖分析

表5是用凝膠滲透色譜所測(cè)來(lái)分析瀝青試樣分子量的數(shù)據(jù)。從表中可以看到，分子量相差懸殊。SL瀝青和ZH瀝青的分子量大，這種特性不僅是瀝青分子的多分散特性，且是大多數(shù)聚集態(tài)物質(zhì)所具有的共性[6]。因此，瀝青是一個(gè)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)體系。瀝青結(jié)構(gòu)當(dāng)中，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的分散度Mw/Mn分別1.18～2.83與1.23～1.40。試驗(yàn)結(jié)果表明，SL瀝青分子量較大，分布較寬，可認(rèn)為它瀝青質(zhì)含量較多，選擇使用它來(lái)改性，有利于制備出性能更佳的路用瀝青[7]。

表5 瀝青試樣分子量分析數(shù)據(jù)數(shù)

4 結(jié)論

本文通過(guò)TG、DSC、GPC對(duì)七種瀝青結(jié)構(gòu)分析得出，進(jìn)口雙龍A級(jí)-70號(hào)道路瀝青（簡(jiǎn)稱SL），熱穩(wěn)定性好，化學(xué)活性相對(duì)更大，瀝青質(zhì)含量較多，在實(shí)際路用項(xiàng)目中的瀝青來(lái)作為改性瀝青的基質(zhì)，可獲得更優(yōu)路用性能的瀝青。工程試驗(yàn)表明SL瀝青針入度大、黏度小，也佐證了以上結(jié)論。

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