現(xiàn)代檢測技術(shù)用于瀝青材料表征的研究進展分析

唐智倫

（1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067；2.招商局公路信息技術(shù)（重慶）有限公司，重慶 400067；3.山區(qū)道路工程與防災減災技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400067）

1 瀝青材料研究現(xiàn)狀

目前，對瀝青材料表征進行研究時，方法越來越多，特別是先進的材料檢測技術(shù)不斷發(fā)展，在極大程度上提高了瀝青表征研究的效率和質(zhì)量。例如，軟化點、延度以及針入度等可以客觀地評價瀝青路面的高溫抗車轍能力以及低溫抗裂能力。利用黏度試驗能夠?qū)r青的流變性能進行準確評價。根據(jù)瀝青路面施工設(shè)計標準對瀝青黏彈性和動態(tài)響應進行研究時，主要利用瀝青流變性質(zhì)測定法（DSR）獲取復數(shù)模量以及相位角，進而獲取科學的評價結(jié)果。此外，利用彎曲梁流變儀和直接拉伸試驗儀可以評價瀝青的低溫抗裂能力。這些對掌握瀝青的化學組分和分子結(jié)構(gòu)變化都有重要的意義。而瀝青的組分結(jié)構(gòu)和性能會影響瀝青的使用性能，在實際研究中需要利用溶劑抽提法、吸附法構(gòu)建不同組分含量和瀝青性能的聯(lián)系。

在現(xiàn)代測試技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，一些研究人員可通過先進的測試手段從微觀的角度對瀝青的組分和結(jié)構(gòu)進行研究，主要是通過元素分析法對瀝青的微量元素、碳氫元素含量進行研究；利用傅里葉紅外光譜法對瀝青內(nèi)部的官能團變化進行研究；使用X 射線衍射法分析瀝青分子晶體結(jié)構(gòu)；使用原子力顯微鏡與熒光顯微鏡對瀝青微觀形貌表征進行研究[1]。

2 核磁共振技術(shù)在瀝青材料表征中的應用

2.1 應用原理

在瀝青材料表征研究過程中，核磁共振的應用原理是通過原子核自旋運動完成瀝青材料組分識別和表征分析。自旋核包含兩種能態(tài)，與外磁場逆向排列的核能比順向排列核能更高。在自旋核外磁場中可接收一定頻率的電磁波輻射，輻射與兩個能態(tài)之間的差值相同。低能態(tài)自旋和再吸收電磁輻射后可以躍升為高能態(tài)，這一現(xiàn)象被稱為核磁共振。核磁共振波譜主要包括氫譜與碳譜，在實際應用中可以識別譜圖中的原子化學位移以及基本曲線，從而計算吸收峰的面積。對不同種類的原子歸屬和原子含量進行區(qū)分和判斷。因此，在對瀝青材料組分進行識別和研究時，可通過核磁共振儀進行研究。利用譜圖掌握瀝青分子結(jié)構(gòu)的具體情況[2]。

2.2 瀝青材料組分識別與表征分析

瀝青是組分比較復雜的烴類和非烴類物質(zhì)的混合物，內(nèi)部含有大量的有機分子，主要組成為碳原子與氫原子。對瀝青的具體組成和性能進行研究是確定瀝青使用性能的重要環(huán)節(jié)。核磁共振檢測法的主要優(yōu)勢是可以同時對混合物中的不同組分進行研究，還可以對混合物中脂肪族和芳香族氫的相對含量進行準確評估。在具體的研究工作中，對人工瀝青、特立尼達湖瀝青進行綜合對比可發(fā)現(xiàn)，特立尼達湖瀝青中的含氧化合物與含質(zhì)子碳芳香化合物含量更高，且烷基鏈很容易出現(xiàn)硫化和氧化情況。在對石油瀝青與天然瀝青進行對比后，發(fā)現(xiàn)天然瀝青中的脂肪族氫濃度比石油瀝青中的更高。這說明天然瀝青中的高度支化分子含量更高。

在對瀝青性質(zhì)進行深入研究時，需要精確識別瀝青的分子組成和分子結(jié)構(gòu)。但在傳統(tǒng)的檢測過程中難度相對較大，一般會利用分餾法對瀝青進行四組分測試，之后利用核磁共振法進行譜圖分析。這樣可以對瀝青組分分子之間的相互作用進行深入掌握，同時也可掌握油源瀝青中蠟化學成分以及具體的結(jié)構(gòu)特征。此外，開發(fā)薄層掃描色譜法可以分離瀝青組分，并開展定量分析和鑒定工作，能更準確地了解瀝青組分中的分子結(jié)構(gòu)變化特征。利用核磁共振對不同來源的油源瀝青組分進行研究，可使用多元線性回歸法對不同歸屬氫含量以及瀝青宏觀性質(zhì)之間的聯(lián)系進行全面掌握。利用灰色關(guān)聯(lián)分析法能夠?qū)r青四組分的不同歸屬氫含量與黏度進行有效關(guān)聯(lián)。經(jīng)過研究可以確定瀝青四組分的歸屬氫含量與黏度之間的相關(guān)性較低[3]。

3 熱分析技術(shù)應用

3.1 應用原理

熱分析技術(shù)是指在程序溫度的條件下，對物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度之間的關(guān)系進行研究的檢測技術(shù)。在對瀝青表征進行研究時，利用熱分析技術(shù)可通過熱量直接反映瀝青性質(zhì)的變化情況。熱分析技術(shù)可通過溫度與物質(zhì)的相態(tài)、質(zhì)量、能量以及力學之間的關(guān)系分析，對物質(zhì)的具體特點進行全面掌握。熱分析技術(shù)的檢測精度相對較高、操作過程也比較簡單方便，特別是對具有較強熱敏感性的復雜瀝青體系進行研究時，具有突出優(yōu)勢。目前，比較常用的熱分析法主要包括差示掃描量熱法、熱分析技術(shù)、熱重分析技術(shù)、微分熱重分析技術(shù)、動態(tài)機械分析技術(shù)等。在實際研究中熱分析技術(shù)在高分子聚合物材料性能檢測中的應用比較普遍。例如，通過熱力學參數(shù)可對玻璃轉(zhuǎn)變溫度、熔點、分解溫度、熔融熱以及結(jié)晶熱等進行研究。此外，還可研究動力學的相關(guān)理論，對聚合物的熱穩(wěn)定性進行研究，分析添加劑對熱穩(wěn)定性的影響。

3.2 瀝青材料組分識別與表征分析

瀝青組分識別，主要利用差示掃描量熱法與熱重分析技術(shù)進行研究。在實際研究中，需要分析瀝青隨著溫度變化產(chǎn)生的熱效應，從不同角度出發(fā)掌握瀝青材料的具體性質(zhì)。

對不同來源的生物瀝青進行熱重分析時，可通過圖譜對溫度變化進行研究，從而掌握瀝青性質(zhì)。在熱重分析中，瀝青的溫度變化越高，瀝青的高溫穩(wěn)定性越強。

在對瀝青四組分進行差示掃描量熱法分析后，可發(fā)現(xiàn)與芳香分、飽和分相比，瀝青質(zhì)及膠質(zhì)的差示掃描量熱法的曲線穩(wěn)定性更強，性質(zhì)較穩(wěn)定。飽和分吸熱峰值能量比瀝青吸熱峰值能量更大，并且吸熱的溫度范圍比較廣。這會對瀝青的熱性能產(chǎn)生極大的影響。蠟在一定程度上能夠增加瀝青的溫度敏感性，導致瀝青高溫黏度降低，而低溫很容易出現(xiàn)脆裂情況。這也會對瀝青的生產(chǎn)質(zhì)量和使用性能產(chǎn)生影響。將不同類型的商業(yè)蠟加到基質(zhì)瀝青后開展差示掃描量熱法分析實驗，與基質(zhì)瀝青相比，加入蠟后瀝青的吸熱量有明顯的增加趨勢，在原有基質(zhì)瀝青中分別加入2.5%、5%的蠟開展瀝青分析作業(yè)，可以發(fā)現(xiàn)原有基質(zhì)瀝青的差示掃描量熱法圖譜有一個吸熱峰，而加入5%的蠟后的圖譜中有兩個吸熱峰，吸熱量和峰值溫度都有明顯的升高情況。由此可以確定，蠟可增加瀝青的總體吸熱量，會在一定程度上影響軟化點的高溫評價試驗結(jié)果，導致結(jié)果偏大。

利用熱重分析技術(shù)對瀝青四組分的熱裂解過程進行研究。在研究中，瀝青熱解主要包括輕組分揮發(fā)、主反應兩個過程、瀝青與組分主反應階段產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物具有較強的相似性，主要包括CO、CO2、CH4、C2H4以及其他輕質(zhì)脂肪烴與烯烴等。

近些年來，利用差示掃描量熱法和熱重分析法聯(lián)合檢測瀝青的具體組分和分子結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢，可通過該測定程序?qū)囟茸兓^程中瀝青的熱量以及質(zhì)量變化等進行全面掌握，并且在檢測過程中還可以對瀝青加熱過程中溢出的介質(zhì)成分進行研究，從而更加全面地掌握瀝青受熱分解的全過程[4]。

4 掃描電鏡技術(shù)分析

4.1 應用原理

利用掃描電子顯微鏡在對瀝青材料表征進行研究，其分辨率比較高，可以對材料的微觀形貌、結(jié)構(gòu)成分進行全面觀察，能夠從納米層面上對瀝青結(jié)構(gòu)進行研究。掃描電子顯微鏡可利用聚焦形成細度極高的高能電子束，在瀝青材料上進行掃描的瀝青電子與原子相互作用可以激發(fā)瀝青原則衍射，電子本身一部分作為逆向電流，引出另一部分作為散射電子，從瀝青材料上彈性反射出來。瀝青原子激發(fā)產(chǎn)生的信號存在二次電子核、特征X 射線特點，對信號進行檢測，放大后在鏡體外的顯像管形成瀝青表面形貌。掃描電子顯微鏡的主要特點是能將掃描的圖像放大幾十倍甚至幾十萬倍，二次電子圖像的立體感相對較強，電子像分辨頻率較高，是一般光學顯微鏡達不到的。在掃描電子顯微鏡應用中，還可以配合能譜儀，在觀察瀝青微觀結(jié)構(gòu)的同時，對具體的元素進行定性定量分析。

4.2 瀝青材料組分識別與表征分析

利用掃描電子顯微鏡技術(shù)可以對瀝青的微觀結(jié)構(gòu)進行深入研究，對瀝青的具體性能變化進行全面了解。在掃描電子顯微鏡技術(shù)應用過程中，可能會對瀝青表面造成損傷、對導電涂層產(chǎn)生一定影響。但是隨著顯微鏡技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境掃描電鏡技術(shù)的應用越來越廣泛，可有效防止瀝青遭受電子損傷以及涂層對實驗結(jié)果產(chǎn)生的負面影響，提高實驗分析結(jié)果的可靠性。在實際研究中，通過掃描圖像可以了解改性劑在瀝青中的分散性，從而確定不同聚合物在瀝青中形成穩(wěn)定網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的最合適含量。在分析時，可以通過不同的處理方法對瀝青的微觀形貌進行深入研究，了解瀝青材料微觀結(jié)構(gòu)的變化情況。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，老化問題會直接影響瀝青微觀結(jié)構(gòu)，與基質(zhì)瀝青相比，老化瀝青纖維結(jié)構(gòu)更加緊密和粗糙。通過環(huán)境電鏡與圖像處理軟件結(jié)合的方法，可以對瀝青材料斷口裂縫進行量化分析，提高瀝青低溫斷裂性能評價的可靠性。

5 結(jié)語

為提高瀝青表征研究結(jié)果的可靠性，在實際研究中需要對核磁共振、熱分析技術(shù)以及掃描電鏡等現(xiàn)代檢測技術(shù)進行全面了解。并根據(jù)不同檢測技術(shù)的具體特點，加強瀝青微觀結(jié)構(gòu)、宏觀物理性能、流變性能以及路用性能的研究工作。從而確保新型檢測技術(shù)表征手段的科學性以及合理性，為瀝青的合理應用提供理論基礎(chǔ)。