沥青组分与结构对路用性能的影响

■黄雪芳

（福建路桥建设有限公司，福州 350001）

1 前言

沥青是一种可溶于苯或者二硫化碳等溶剂的暗褐色至黑色的固体、半固体、或者黏稠状物质，主要是由碳氢化合物及其非金属衍生物组成的混合物。沥青属于石油当中结构及组成最为复杂、分子量最大的馏分；此外，随着石油种类以及加工条件不同沥青的组成和结构会有显著的差异。因此，沥青的化学结构分类研究很难用单质还是化合物，又或者是采用研究石油低沸点馏分的化学组成的方法来实现。只能采用凝胶渗析色谱（GPC）、平均相对分子质量分布、红外光谱（FTIR）等方法来说明沥青的化学组成成分及结构[1]。而沥青的组分与结构的不同直接影响沥青的后续改性及其路用性能。

2 试验准备

2.1 沥青种类

本文选取七种不同产地沥青进行分析研究，分别是进口双龙A级-70号道路沥青（以下简称SL）；九江石化沥青（以下简称JJSH）、温州中油沥青（以下简称WZZY）；镇海沥青（以下简称ZH）；台塑沥青（以下简称TS）；韩国出产沥青（以下简称GS）；泰国出产沥青（以下简称IRPC）。

2.2 主要仪器设备

在分析研究中主要采用了以下试验设备：傅立叶FTIR 光谱仪（美国 Thermo，Nicolet 5700）；差示扫描量热仪（瑞士梅特勒-托利多）；DTA-TG/差热同步分析仪（瑞士梅特勒-托利多）；凝胶色谱仪（美国Waters1515）；全自动沥青软化点试验器（上海昌吉YD-2806H）；低温针入度试验器（上海昌吉SYD-2801F）；沥青延伸度试验器（上海昌吉SYD-4508F）。

2.3 试验方法

本文分别从微观（结构、热变化、分子量分布）和宏观（工程试验）对所选沥青进行测试，分析其微表性质与工程参数所反应的性能对路用性能的影响。

FTIR光谱测试：取沥青样傅立叶FTIR光谱仪上，用溴化钾压片法进行FTIR测试。

GPC测试：用四氢呋喃溶解沥青，制成千分之六的溶液后装到针管里进样，从而得到沥青分子量分布图。

DTA-TG测试：沥青样品取5 mg左右，N2保护下，N2流速：200 mL/min，以10 K/min的升温速率从室温升至600℃，得到热分解曲线。

工程试验参照 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）进行测试。

3 结果与分析

3.1 沥青工程参数试验

参照《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004中石油沥青的技术要求，见表1。

表1 沥青试验表征标准

根据中国交通部标准 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）对七种沥青基质进行软化点、针入度、延度的测试，结果见表2。

表2 几种不同沥青试验结果

从试验结果可以看出，SL沥青的软化点只有46℃相对其余几种沥青较低，针入度73mm相对较高，这表示SL沥青比较软，黏度小，均一性好。

3.2 FTIR分析

图1是 SL沥青、JJSH沥青、WZZY沥青、ZH沥青、TS沥青、GS沥青、IRPC沥青的FTIR图。

图1 几种沥青的FTIR图

由图1可以看出，SL沥青、JJSH沥青、WZZY沥青、ZH沥青、TS沥青、GS沥青、IRPC沥青的FTIR光谱图基本一致，2900cm-1附近和550cm-1附近有些差别。2900cm-1附近是环烷及烷烃的C-H振动，不同种类的沥青此处峰的大小和位置有所不同，可能是结合的—CH2、—CH3的多少有区别[2]。

3.3 DSC谱图分析

图2是SL沥青、JJSH沥青、WZZY沥青、ZH沥青、TS沥青、GS沥青、IRPC沥青的DSC谱图。

图2 几种沥青的DSC图

由图2可见，可以用DSC来测定沥青聚集态随温度变化而变化的趋势，由此来对沥青的性质进行分析。当温度产生变化，沥青物理聚集态可以互相的转变。同一温度下或者不同温度下的不同种类沥青，其中的液态物质与固态物质的比例关系会有所不同，物理力学性质方面就呈现出了较大的差异[3]。

DSC图中，众多组分的吸热峰会重叠一起而形成一个温度范围的吸热峰，峰的大小和位置就间接体现了沥青的微观性质变化。吸热峰越大，表明沥青该温度区间产生变化的组分越多，其中包含了结晶组分的熔融也有非晶组分的相转变，这些组分处于不同的状态时，其物理性质是不相同的，比如从固态变为液态，沥青当中的可流动组分数量增加，就必然会使总的分子间力减小，宏观上就会对沥青的物理性质产生较大影响。因此，吸热峰越大，吸热量越大的沥青加热之后物理性质的改变程度也越大，这也可以从宏观物理指标中佐证[4]。

结合图2和表3可以看出，其中SL沥青吸热峰值最大，这表明SL沥青中组分的存方式、数量和组分的相转化产生了变化最多，同时使部分组分的熔融温度产生了改变，这些变化会导致沥青微观结构的变化，沥青组分胶体结构则重新进行调整。也一定程度上说明了SL沥青这个温度范围内的化学活性高，更适合作为沥青改性的基质沥青使用。

表3 沥青DSC吸热峰数据

3.4 DTA-TG分析

图3是SL沥青、JJSH沥青、WZZY沥青、ZH沥青、TS沥青、GS沥青、IRPC沥青的TG谱图。

图3 几种沥青的TG图

热重用于沥青的组分划分和沥青的组分比例结构确定上，一般可认为：

（1）沥青TG图谱中，如果只有1个同向“弧”型，可认为该沥青是由性质相近的物质组成的。该沥青称为Ⅰ组分沥青。

（2）沥青TG图谱中，如果有2个或3个同向“弧”型，可以认为该沥青是由性质相近的Ⅱ种组分或者Ⅲ种组分物质组成的，该沥青称为Ⅱ组分沥青或者Ⅲ组分沥青。连接2个同向“弧”中间反向“弧”切线的交点，并沿横轴平行与纵轴交点对应的数值就是上一组分沥青所占沥青全部组分的比例，如图4所示[5]。

图4 沥青分解温度与组分的确定

结合图3和表4可以看出，SL沥青的起始热失重温度234℃是最高的，即热分解稳定性较好，有可能是由于SL沥青当中的芳香烃含量较高且饱和烃含量较低所导致，其残余率也最低，是13.1%。上述七种沥青当中，出现了两个失重平台只有JJSH沥青，则JJSH沥青是II组分沥青。

表4 沥青试样TG分析数据数据

3.5 GPC谱图分析

表5是用凝胶渗透色谱所测来分析沥青试样分子量的数据。从表中可以看到，分子量相差悬殊。SL沥青和ZH沥青的分子量大，这种特性不仅是沥青分子的多分散特性，且是大多数聚集态物质所具有的共性[6]。因此，沥青是一个聚集态结构体系。沥青结构当中，沥青质和胶质的分散度Mw/Mn分别1.18～2.83与1.23～1.40。试验结果表明，SL沥青分子量较大，分布较宽，可认为它沥青质含量较多，选择使用它来改性，有利于制备出性能更佳的路用沥青[7]。

表5 沥青试样分子量分析数据数

4 结论

本文通过TG、DSC、GPC对七种沥青结构分析得出，进口双龙A级-70号道路沥青（简称SL），热稳定性好，化学活性相对更大，沥青质含量较多，在实际路用项目中的沥青来作为改性沥青的基质，可获得更优路用性能的沥青。工程试验表明SL沥青针入度大、黏度小，也佐证了以上结论。

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

[2]王发洲，丁庆军，等.矿粉活化改善沥青胶浆性能的研究[J].石油沥青，2000.14（4）.

[3]邹桂莲，等.应用DSR评价沥青胶浆路用性能的研究[J].哈尔滨建筑大学学报，2001，34（3），32-36.

[4]孙杨勇，张起森.沥青粘度测定及其影响因素分析[J].长沙交通学院学报，2002，18（2）：29-31.

[5]景彦平，等.沥青组分划分方法[J].长安大学学报，2005，3（25）：34-36.

[6]黄卫东，吕伟民.沥青及沥青混合料流变性质与动稳定度的关系[J].同济大学学报，2000，28（4）：35-38.

[7]邵显智.基于微观结构沥青胶浆路用性能的研究[D].哈尔滨工业大学，2002.