现代检测技术用于沥青材料表征的研究进展分析

2023-01-08唐智伦

工程建设与设计 2022年12期

唐智伦

（1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2.招商局公路信息技术（重庆）有限公司，重庆 400067；3.山区道路工程与防灾减灾技术国家地方联合工程实验室，重庆 400067）

1 沥青材料研究现状

目前，对沥青材料表征进行研究时，方法越来越多，特别是先进的材料检测技术不断发展，在极大程度上提高了沥青表征研究的效率和质量。例如，软化点、延度以及针入度等可以客观地评价沥青路面的高温抗车辙能力以及低温抗裂能力。利用黏度试验能够对沥青的流变性能进行准确评价。根据沥青路面施工设计标准对沥青黏弹性和动态响应进行研究时，主要利用沥青流变性质测定法（DSR）获取复数模量以及相位角，进而获取科学的评价结果。此外，利用弯曲梁流变仪和直接拉伸试验仪可以评价沥青的低温抗裂能力。这些对掌握沥青的化学组分和分子结构变化都有重要的意义。而沥青的组分结构和性能会影响沥青的使用性能，在实际研究中需要利用溶剂抽提法、吸附法构建不同组分含量和沥青性能的联系。

在现代测试技术不断发展的过程中，一些研究人员可通过先进的测试手段从微观的角度对沥青的组分和结构进行研究，主要是通过元素分析法对沥青的微量元素、碳氢元素含量进行研究；利用傅里叶红外光谱法对沥青内部的官能团变化进行研究；使用X 射线衍射法分析沥青分子晶体结构；使用原子力显微镜与荧光显微镜对沥青微观形貌表征进行研究[1]。

2 核磁共振技术在沥青材料表征中的应用

2.1 应用原理

在沥青材料表征研究过程中，核磁共振的应用原理是通过原子核自旋运动完成沥青材料组分识别和表征分析。自旋核包含两种能态，与外磁场逆向排列的核能比顺向排列核能更高。在自旋核外磁场中可接收一定频率的电磁波辐射，辐射与两个能态之间的差值相同。低能态自旋和再吸收电磁辐射后可以跃升为高能态，这一现象被称为核磁共振。核磁共振波谱主要包括氢谱与碳谱，在实际应用中可以识别谱图中的原子化学位移以及基本曲线，从而计算吸收峰的面积。对不同种类的原子归属和原子含量进行区分和判断。因此，在对沥青材料组分进行识别和研究时，可通过核磁共振仪进行研究。利用谱图掌握沥青分子结构的具体情况[2]。

2.2 沥青材料组分识别与表征分析

沥青是组分比较复杂的烃类和非烃类物质的混合物，内部含有大量的有机分子，主要组成为碳原子与氢原子。对沥青的具体组成和性能进行研究是确定沥青使用性能的重要环节。核磁共振检测法的主要优势是可以同时对混合物中的不同组分进行研究，还可以对混合物中脂肪族和芳香族氢的相对含量进行准确评估。在具体的研究工作中，对人工沥青、特立尼达湖沥青进行综合对比可发现，特立尼达湖沥青中的含氧化合物与含质子碳芳香化合物含量更高，且烷基链很容易出现硫化和氧化情况。在对石油沥青与天然沥青进行对比后，发现天然沥青中的脂肪族氢浓度比石油沥青中的更高。这说明天然沥青中的高度支化分子含量更高。

在对沥青性质进行深入研究时，需要精确识别沥青的分子组成和分子结构。但在传统的检测过程中难度相对较大，一般会利用分馏法对沥青进行四组分测试，之后利用核磁共振法进行谱图分析。这样可以对沥青组分分子之间的相互作用进行深入掌握，同时也可掌握油源沥青中蜡化学成分以及具体的结构特征。此外，开发薄层扫描色谱法可以分离沥青组分，并开展定量分析和鉴定工作，能更准确地了解沥青组分中的分子结构变化特征。利用核磁共振对不同来源的油源沥青组分进行研究，可使用多元线性回归法对不同归属氢含量以及沥青宏观性质之间的联系进行全面掌握。利用灰色关联分析法能够将沥青四组分的不同归属氢含量与黏度进行有效关联。经过研究可以确定沥青四组分的归属氢含量与黏度之间的相关性较低[3]。

3 热分析技术应用

3.1 应用原理

热分析技术是指在程序温度的条件下，对物质的物理性质与温度之间的关系进行研究的检测技术。在对沥青表征进行研究时，利用热分析技术可通过热量直接反映沥青性质的变化情况。热分析技术可通过温度与物质的相态、质量、能量以及力学之间的关系分析，对物质的具体特点进行全面掌握。热分析技术的检测精度相对较高、操作过程也比较简单方便，特别是对具有较强热敏感性的复杂沥青体系进行研究时，具有突出优势。目前，比较常用的热分析法主要包括差示扫描量热法、热分析技术、热重分析技术、微分热重分析技术、动态机械分析技术等。在实际研究中热分析技术在高分子聚合物材料性能检测中的应用比较普遍。例如，通过热力学参数可对玻璃转变温度、熔点、分解温度、熔融热以及结晶热等进行研究。此外，还可研究动力学的相关理论，对聚合物的热稳定性进行研究，分析添加剂对热稳定性的影响。

3.2 沥青材料组分识别与表征分析

沥青组分识别，主要利用差示扫描量热法与热重分析技术进行研究。在实际研究中，需要分析沥青随着温度变化产生的热效应，从不同角度出发掌握沥青材料的具体性质。

对不同来源的生物沥青进行热重分析时，可通过图谱对温度变化进行研究，从而掌握沥青性质。在热重分析中，沥青的温度变化越高，沥青的高温稳定性越强。

在对沥青四组分进行差示扫描量热法分析后，可发现与芳香分、饱和分相比，沥青质及胶质的差示扫描量热法的曲线稳定性更强，性质较稳定。饱和分吸热峰值能量比沥青吸热峰值能量更大，并且吸热的温度范围比较广。这会对沥青的热性能产生极大的影响。蜡在一定程度上能够增加沥青的温度敏感性，导致沥青高温黏度降低，而低温很容易出现脆裂情况。这也会对沥青的生产质量和使用性能产生影响。将不同类型的商业蜡加到基质沥青后开展差示扫描量热法分析实验，与基质沥青相比，加入蜡后沥青的吸热量有明显的增加趋势，在原有基质沥青中分别加入2.5%、5%的蜡开展沥青分析作业，可以发现原有基质沥青的差示扫描量热法图谱有一个吸热峰，而加入5%的蜡后的图谱中有两个吸热峰，吸热量和峰值温度都有明显的升高情况。由此可以确定，蜡可增加沥青的总体吸热量，会在一定程度上影响软化点的高温评价试验结果，导致结果偏大。

利用热重分析技术对沥青四组分的热裂解过程进行研究。在研究中，沥青热解主要包括轻组分挥发、主反应两个过程、沥青与组分主反应阶段产生的气体产物具有较强的相似性，主要包括CO、CO2、CH4、C2H4以及其他轻质脂肪烃与烯烃等。

近些年来，利用差示扫描量热法和热重分析法联合检测沥青的具体组分和分子结构具有一定的优势，可通过该测定程序对温度变化过程中沥青的热量以及质量变化等进行全面掌握，并且在检测过程中还可以对沥青加热过程中溢出的介质成分进行研究，从而更加全面地掌握沥青受热分解的全过程[4]。

4 扫描电镜技术分析

4.1 应用原理

利用扫描电子显微镜在对沥青材料表征进行研究，其分辨率比较高，可以对材料的微观形貌、结构成分进行全面观察，能够从纳米层面上对沥青结构进行研究。扫描电子显微镜可利用聚焦形成细度极高的高能电子束，在沥青材料上进行扫描的沥青电子与原子相互作用可以激发沥青原则衍射，电子本身一部分作为逆向电流，引出另一部分作为散射电子，从沥青材料上弹性反射出来。沥青原子激发产生的信号存在二次电子核、特征X 射线特点，对信号进行检测，放大后在镜体外的显像管形成沥青表面形貌。扫描电子显微镜的主要特点是能将扫描的图像放大几十倍甚至几十万倍，二次电子图像的立体感相对较强，电子像分辨频率较高，是一般光学显微镜达不到的。在扫描电子显微镜应用中，还可以配合能谱仪，在观察沥青微观结构的同时，对具体的元素进行定性定量分析。

4.2 沥青材料组分识别与表征分析

利用扫描电子显微镜技术可以对沥青的微观结构进行深入研究，对沥青的具体性能变化进行全面了解。在扫描电子显微镜技术应用过程中，可能会对沥青表面造成损伤、对导电涂层产生一定影响。但是随着显微镜技术的不断发展，环境扫描电镜技术的应用越来越广泛，可有效防止沥青遭受电子损伤以及涂层对实验结果产生的负面影响，提高实验分析结果的可靠性。在实际研究中，通过扫描图像可以了解改性剂在沥青中的分散性，从而确定不同聚合物在沥青中形成稳定网络结构的最合适含量。在分析时，可以通过不同的处理方法对沥青的微观形貌进行深入研究，了解沥青材料微观结构的变化情况。经研究发现，老化问题会直接影响沥青微观结构，与基质沥青相比，老化沥青纤维结构更加紧密和粗糙。通过环境电镜与图像处理软件结合的方法，可以对沥青材料断口裂缝进行量化分析，提高沥青低温断裂性能评价的可靠性。