瀝青及各組分熱重分析

李曉東

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧沈陽 110166)

我國公路隧道總長度已達世界第一，大部分公路隧道采用瀝青路面。由于隧道封閉性的特點，一旦出現車輛事故，發生火災，瀝青路面會參與燃燒，造成火勢綿延并產生有毒氣體，在日本，法國，奧地利的長大隧道火災中均造成了較大人員傷亡和重大財產損失，奧地利工程技術人員提出的提高隧道運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。瀝青是一種復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物，瀝青的相對分子量是石油煉制產物中最大的，組成及結構也最為復雜，本文通過瀝青及其組分的熱重實驗，分析瀝青及各組分的熱解特性，取得的結論對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規程中的瀝青組分分離方法，將瀝青分為飽和分，芳香分，膠質，瀝青質四種組分，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驗

1 瀝青的組分分離實驗

利用瀝青成分在不同溶劑中的溶解性質的差異及不同成分在吸附劑上不同的吸附作用，將瀝青劃分為化學性質較接近，膠體結構性質和路用性質有一定關系的幾個組分，就稱為瀝青的組分［1］，分離方法以及條件的改變會導致各組分的組成有所變化，但是這些組分的性質與瀝青的路用性質有著千絲萬縷的聯系，使用分離的方法對瀝青進行分析是具有工程研究意義的，國內外也制定相應的規范，對瀝青組分進行劃分，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量待測樣品的質量與溫度變化關系的一種熱分析技術，用來研究材料的熱穩定性和組分。

微商熱重分析又稱導數熱重分析(Derivative Thermogravimetry，簡稱DTG)，它是TG曲線對溫度(或時間)的一階導數。以物質的質量變化速率(dm/dt)對溫度T(或時間t)作圖，即得DTG曲線。

瀝青及各組分熱重實驗方案:

實驗材料:原樣瀝青，飽和分，芳香分，膠質，瀝青質;

實驗儀器:STA 449 F3 Jupiter;

升溫速率:10℃/min，15℃/min，20℃/min;

溫度范圍:30℃ ～750℃;

實驗氣氛:空氣(模擬空氣氧含量21%，氮氣含量79%);

實驗氣體流量:50 mL/min。

3 瀝青組分熱重曲線關鍵溫度分析

TG曲線的幾個關鍵溫度:TG曲線開始偏離基準水平線的溫度，稱為起點溫度，如圖1中A點;TG曲線下降段切線與基線的交點成為外延起始溫度，如圖1中點B;外延中止溫度為切線與最大失重線的延長線的交點，如圖1中點C;TG曲線達到最大失重量的溫度，為終止溫度，如圖1中點D;圖1中點E對應失重5%的溫度，點F，G為失重10%，50%的溫度［1］。

圖1 TG曲線的關鍵溫度表示法

下文對瀝青及各組分TG，DTG數據進行具體分析。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組分的燃燒曲線關鍵溫度的差異。

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

瀝青的各個組分的TG曲線關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論

圖5 膠質組分20℃/min升溫條件下TG—DTG曲線圖

圖6 瀝青質組分20℃/min升溫條件下TG—DTG曲線圖

分析以上實驗結果，可以得到以下幾點結論:

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

2)對各組分的TG曲線進行微分，可以看出飽和分有3個失重峰，其他三種組分各有兩個失重峰。飽和分的第一個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、瀝青質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飽和分在受熱氧化過程中有部分小分子物質轉化為分子量較大的膠質或瀝青質，可認為是飽和分輕質組分燃燒成碳的二次燃燒。

3)芳香分，膠質，瀝青質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，大分子物質的增多，易揮發燃燒物質的含量逐漸減少，可以看出，瀝青質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，瀝青質兩失重峰失重速率相差不大，表明芳香分為四組分中熱穩定最差的組分。

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致，同時部分易揮發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炭，芳香分，膠質，瀝青質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，各組分分解貢獻度不盡相同。

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