瀝青及各組分熱重分析

李曉東

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110166)

我國公路隧道總長度已達(dá)世界第一，大部分公路隧道采用瀝青路面。由于隧道封閉性的特點(diǎn)，一旦出現(xiàn)車輛事故，發(fā)生火災(zāi)，瀝青路面會(huì)參與燃燒，造成火勢(shì)綿延并產(chǎn)生有毒氣體，在日本，法國，奧地利的長大隧道火災(zāi)中均造成了較大人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失，奧地利工程技術(shù)人員提出的提高隧道運(yùn)營安全的舉措中就包括“長度超過1 000 m隧道路面宜采用水泥混凝土路面”的建議，研究瀝青路面的阻燃抑煙性能具有重要意義。

瀝青是瀝青混合料的膠結(jié)材料，也是瀝青路面參與燃燒的主要成分。深入研究瀝青的燃燒特性是瀝青路面阻燃抑煙研究的基礎(chǔ)。瀝青是一種復(fù)雜的烴類與及非烴類衍生物的混合物，它是原油加工過程的最后的一種產(chǎn)物，瀝青的相對(duì)分子量是石油煉制產(chǎn)物中最大的，組成及結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜，本文通過瀝青及其組分的熱重實(shí)驗(yàn)，分析瀝青及各組分的熱解特性，取得的結(jié)論對(duì)阻燃抑煙瀝青混合料研制具有參考意義。公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中的瀝青組分分離方法，將瀝青分為飽和分，芳香分，膠質(zhì)，瀝青質(zhì)四種組分，分離的各組分溶液有較明顯的顏色差別，總體來講顏色逐漸變深。

2 瀝青及各組分熱重分析實(shí)驗(yàn)

1 瀝青的組分分離實(shí)驗(yàn)

利用瀝青成分在不同溶劑中的溶解性質(zhì)的差異及不同成分在吸附劑上不同的吸附作用，將瀝青劃分為化學(xué)性質(zhì)較接近，膠體結(jié)構(gòu)性質(zhì)和路用性質(zhì)有一定關(guān)系的幾個(gè)組分，就稱為瀝青的組分［1］，分離方法以及條件的改變會(huì)導(dǎo)致各組分的組成有所變化，但是這些組分的性質(zhì)與瀝青的路用性質(zhì)有著千絲萬縷的聯(lián)系，使用分離的方法對(duì)瀝青進(jìn)行分析是具有工程研究意義的，國內(nèi)外也制定相應(yīng)的規(guī)范，對(duì)瀝青組分進(jìn)行劃分，本文采用JTG E20—2011

熱重分析(Thermogravimetric Analysis，TG或TGA)是指在程序控制溫度下測(cè)量待測(cè)樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，用來研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。

微商熱重分析又稱導(dǎo)數(shù)熱重分析(Derivative Thermogravimetry，簡稱DTG)，它是TG曲線對(duì)溫度(或時(shí)間)的一階導(dǎo)數(shù)。以物質(zhì)的質(zhì)量變化速率(dm/dt)對(duì)溫度T(或時(shí)間t)作圖，即得DTG曲線。

瀝青及各組分熱重實(shí)驗(yàn)方案:

實(shí)驗(yàn)材料:原樣瀝青，飽和分，芳香分，膠質(zhì)，瀝青質(zhì);

實(shí)驗(yàn)儀器:STA 449 F3 Jupiter;

升溫速率:10℃/min，15℃/min，20℃/min;

溫度范圍:30℃ ～750℃;

實(shí)驗(yàn)氣氛:空氣(模擬空氣氧含量21%，氮?dú)夂?9%);

實(shí)驗(yàn)氣體流量:50 mL/min。

3 瀝青組分熱重曲線關(guān)鍵溫度分析

TG曲線的幾個(gè)關(guān)鍵溫度:TG曲線開始偏離基準(zhǔn)水平線的溫度，稱為起點(diǎn)溫度，如圖1中A點(diǎn);TG曲線下降段切線與基線的交點(diǎn)成為外延起始溫度，如圖1中點(diǎn)B;外延中止溫度為切線與最大失重線的延長線的交點(diǎn)，如圖1中點(diǎn)C;TG曲線達(dá)到最大失重量的溫度，為終止溫度，如圖1中點(diǎn)D;圖1中點(diǎn)E對(duì)應(yīng)失重5%的溫度，點(diǎn)F，G為失重10%，50%的溫度［1］。

圖1 TG曲線的關(guān)鍵溫度表示法

下文對(duì)瀝青及各組分TG，DTG數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。圖2～圖6為瀝青及各組分的TG—DTG曲線特征圖，可以明顯看出瀝青各個(gè)組分的燃燒曲線關(guān)鍵溫度的差異。

圖2 原樣瀝青20℃/min升溫條件下TG—DTG曲線圖

圖3 飽和分20℃/min升溫條件下TG—DTG曲線圖

圖4 芳香分20℃/min升溫條件下TG—DTG曲線圖

瀝青的各個(gè)組分的TG曲線關(guān)鍵溫度特征匯總見表1。

表1 瀝青各組分熱解溫度特性

4 瀝青及各組分熱重分析結(jié)論

圖5 膠質(zhì)組分20℃/min升溫條件下TG—DTG曲線圖

圖6 瀝青質(zhì)組分20℃/min升溫條件下TG—DTG曲線圖

分析以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)飽和分，芳香分，膠質(zhì)，瀝青質(zhì)TG曲線的外延起始溫度由低到高逐漸上升，一般認(rèn)為外延起始溫度與材料的自燃點(diǎn)接近。其中飽和分TG曲線的外延開始溫度只有285℃，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的外延開始溫度相差不大，為440℃。

2)對(duì)各組分的TG曲線進(jìn)行微分，可以看出飽和分有3個(gè)失重峰，其他三種組分各有兩個(gè)失重峰。飽和分的第一個(gè)失重峰失重速率較高，峰頂溫度為345℃，第二、第三失重峰，失重速率較小，失重量較小。飽和分的第二失重峰與芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的第一失重峰的溫度分布在440℃ ～470℃之間，基本重合。飽和分的第三失重峰和其他組分第二失重峰溫度分布在550℃～580℃之間，基本重合?？杉僭O(shè)飽和分在受熱氧化過程中有部分小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為分子量較大的膠質(zhì)或?yàn)r青質(zhì)，可認(rèn)為是飽和分輕質(zhì)組分燃燒成碳的二次燃燒。

3)芳香分，膠質(zhì)，瀝青質(zhì)第一失重峰的最高失重速率依次下降，分別為15.07%，11.79%，8.86%，主要原因是隨著平均分子量的增大，大分子物質(zhì)的增多，易揮發(fā)燃燒物質(zhì)的含量逐漸減少，可以看出，瀝青質(zhì)兩失重峰最大失重速率相差最小，是瀝青最難燃燒的組分。

4)芳香分的第一失重峰失重速率明顯高于第二，第三失重峰，膠質(zhì)，瀝青質(zhì)兩失重峰失重速率相差不大，表明芳香分為四組分中熱穩(wěn)定最差的組分。

5)幾種組分的失重峰分布與瀝青的失重峰分布基本重合，可以判斷，瀝青失重的第一峰為飽和分大量燃燒失重導(dǎo)致，同時(shí)部分易揮發(fā)芳香分小分子參與燃燒。瀝青燃燒第二，第三失重峰由飽和分殘?zhí)浚枷惴?，膠質(zhì)，瀝青質(zhì)幾種組分燃燒疊加而成，而且在第二，第三失重峰形成過程中，各組分分解貢獻(xiàn)度不盡相同。

6)瀝青中輕質(zhì)組分的含量，尤其是飽和分的含量對(duì)瀝青的前期的燃燒性能有較大的影響。