瀝青組分與結構對路用性能的影響

■黃雪芳

（福建路橋建設有限公司，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，主要是由碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的混合物。瀝青屬于石油當中結構及組成最為復雜、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構會有顯著的差異。因此，瀝青的化學結構分類研究很難用單質還是化合物，又或者是采用研究石油低沸點餾分的化學組成的方法來實現。只能采用凝膠滲析色譜（GPC）、平均相對分子質量分布、紅外光譜（FTIR）等方法來說明瀝青的化學組成成分及結構[1]。而瀝青的組分與結構的不同直接影響瀝青的后續改性及其路用性能。

2 試驗準備

2.1 瀝青種類

本文選取七種不同產地瀝青進行分析研究，分別是進口雙龍A級-70號道路瀝青（以下簡稱SL）；九江石化瀝青（以下簡稱JJSH）、溫州中油瀝青（以下簡稱WZZY）；鎮海瀝青（以下簡稱ZH）；臺塑瀝青（以下簡稱TS）；韓國出產瀝青（以下簡稱GS）；泰國出產瀝青（以下簡稱IRPC）。

2.2 主要儀器設備

在分析研究中主要采用了以下試驗設備：傅立葉FTIR 光譜儀（美國 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Waters1515）；全自動瀝青軟化點試驗器（上海昌吉YD-2806H）；低溫針入度試驗器（上海昌吉SYD-2801F）；瀝青延伸度試驗器（上海昌吉SYD-4508F）。

2.3 試驗方法

本文分別從微觀（結構、熱變化、分子量分布）和宏觀（工程試驗）對所選瀝青進行測試，分析其微表性質與工程參數所反應的性能對路用性能的影響。

FTIR光譜測試：取瀝青樣傅立葉FTIR光譜儀上，用溴化鉀壓片法進行FTIR測試。

GPC測試：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樣，從而得到瀝青分子量分布圖。

DTA-TG測試：瀝青樣品取5 mg左右，N2保護下，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。

工程試驗參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20-2011）進行測試。

3 結果與分析

3.1 瀝青工程參數試驗

參照《公路瀝青路面施工技術規范》JTGF40-2004中石油瀝青的技術要求，見表1。

表1 瀝青試驗表征標準

根據中國交通部標準 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20-2011）對七種瀝青基質進行軟化點、針入度、延度的測試，結果見表2。

表2 幾種不同瀝青試驗結果

從試驗結果可以看出，SL瀝青的軟化點只有46℃相對其余幾種瀝青較低，針入度73mm相對較高，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附近是環烷及烷烴的C-H振動，不同種類的瀝青此處峰的大小和位置有所不同，可能是結合的—CH2、—CH3的多少有區別[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，可以用DSC來測定瀝青聚集態隨溫度變化而變化的趨勢，由此來對瀝青的性質進行分析。當溫度產生變化，瀝青物理聚集態可以互相的轉變。同一溫度下或者不同溫度下的不同種類瀝青，其中的液態物質與固態物質的比例關系會有所不同，物理力學性質方面就呈現出了較大的差異[3]。

DSC圖中，眾多組分的吸熱峰會重疊一起而形成一個溫度范圍的吸熱峰，峰的大小和位置就間接體現了瀝青的微觀性質變化。吸熱峰越大，表明瀝青該溫度區間產生變化的組分越多，其中包含了結晶組分的熔融也有非晶組分的相轉變，這些組分處于不同的狀態時，其物理性質是不相同的，比如從固態變為液態，瀝青當中的可流動組分數量增加，就必然會使總的分子間力減小，宏觀上就會對瀝青的物理性質產生較大影響。因此，吸熱峰越大，吸熱量越大的瀝青加熱之后物理性質的改變程度也越大，這也可以從宏觀物理指標中佐證[4]。

結合圖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、數量和組分的相轉化產生了變化最多，同時使部分組分的熔融溫度產生了改變，這些變化會導致瀝青微觀結構的變化，瀝青組分膠體結構則重新進行調整。也一定程度上說明了SL瀝青這個溫度范圍內的化學活性高，更適合作為瀝青改性的基質瀝青使用。

表3 瀝青DSC吸熱峰數據

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構確定上，一般可認為：

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

（2）瀝青TG圖譜中，如果有2個或3個同向“弧”型，可以認為該瀝青是由性質相近的Ⅱ種組分或者Ⅲ種組分物質組成的，該瀝青稱為Ⅱ組分瀝青或者Ⅲ組分瀝青。連接2個同向“弧”中間反向“弧”切線的交點，并沿橫軸平行與縱軸交點對應的數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，即熱分解穩定性較好，有可能是由于SL瀝青當中的芳香烴含量較高且飽和烴含量較低所導致，其殘余率也最低，是13.1%。上述七種瀝青當中，出現了兩個失重平臺只有JJSH瀝青，則JJSH瀝青是II組分瀝青。

表4 瀝青試樣TG分析數據數據

3.5 GPC譜圖分析

表5是用凝膠滲透色譜所測來分析瀝青試樣分子量的數據。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，且是大多數聚集態物質所具有的共性[6]。因此，瀝青是一個聚集態結構體系。瀝青結構當中，瀝青質和膠質的分散度Mw/Mn分別1.18～2.83與1.23～1.40。試驗結果表明，SL瀝青分子量較大，分布較寬，可認為它瀝青質含量較多，選擇使用它來改性，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據數

4 結論

本文通過TG、DSC、GPC對七種瀝青結構分析得出，進口雙龍A級-70號道路瀝青（簡稱SL），熱穩定性好，化學活性相對更大，瀝青質含量較多，在實際路用項目中的瀝青來作為改性瀝青的基質，可獲得更優路用性能的瀝青。工程試驗表明SL瀝青針入度大、黏度小，也佐證了以上結論。

[1]Gordon D.Airey，Behzad Rahimzadeh&Andrew C.Collop-Viscoelastic Linearity Limits for Bituminous Materials.Performance Testing and Evaluation of Bituminous Materials，2003.

[2]王發洲，丁慶軍，等.礦粉活化改善瀝青膠漿性能的研究[J].石油瀝青，2000.14（4）.

[3]鄒桂蓮，等.應用DSR評價瀝青膠漿路用性能的研究[J].哈爾濱建筑大學學報，2001，34（3），32-36.

[4]孫楊勇，張起森.瀝青粘度測定及其影響因素分析[J].長沙交通學院學報，2002，18（2）：29-31.

[5]景彥平，等.瀝青組分劃分方法[J].長安大學學報，2005，3（25）：34-36.

[6]黃衛東，呂偉民.瀝青及瀝青混合料流變性質與動穩定度的關系[J].同濟大學學報，2000，28（4）：35-38.

[7]邵顯智.基于微觀結構瀝青膠漿路用性能的研究[D].哈爾濱工業大學，2002.