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        瀝青組分與結(jié)構(gòu)對路用性能的影響

        2018-07-04 03:09:36黃雪芳
        福建交通科技 2018年3期
        關(guān)鍵詞:路用分子量組分

        ■黃雪芳

        (福建路橋建設(shè)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(zhì),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(jié)構(gòu)及組成最為復(fù)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(jié)構(gòu)會有顯著的差異。因此,瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)分類研究很難用單質(zhì)還是化合物,又或者是采用研究石油低沸點餾分的化學(xué)組成的方法來實現(xiàn)。只能采用凝膠滲析色譜(GPC)、平均相對分子質(zhì)量分布、紅外光譜(FTIR)等方法來說明瀝青的化學(xué)組成成分及結(jié)構(gòu)[1]。而瀝青的組分與結(jié)構(gòu)的不同直接影響瀝青的后續(xù)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(chǎn)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(zhèn)海瀝青(以下簡稱ZH);臺塑瀝青(以下簡稱TS);韓國出產(chǎn)瀝青(以下簡稱GS);泰國出產(chǎn)瀝青(以下簡稱IRPC)。

        2.2 主要儀器設(shè)備

        在分析研究中主要采用了以下試驗設(shè)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(jié)構(gòu)、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(zhì)與工程參數(shù)所反應(yīng)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(guī)程》(JTGE20-2011)進行測試。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 瀝青工程參數(shù)試驗

        參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40-2004中石油瀝青的技術(shù)要求,見表1。

        表1 瀝青試驗表征標準

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

        表2 幾種不同瀝青試驗結(jié)果

        從試驗結(jié)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(huán)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(jié)合的—CH2、—CH3的多少有區(qū)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(tài)隨溫度變化而變化的趨勢,由此來對瀝青的性質(zhì)進行分析。當溫度產(chǎn)生變化,瀝青物理聚集態(tài)可以互相的轉(zhuǎn)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(tài)物質(zhì)與固態(tài)物質(zhì)的比例關(guān)系會有所不同,物理力學(xué)性質(zhì)方面就呈現(xiàn)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(xiàn)了瀝青的微觀性質(zhì)變化。吸熱峰越大,表明瀝青該溫度區(qū)間產(chǎn)生變化的組分越多,其中包含了結(jié)晶組分的熔融也有非晶組分的相轉(zhuǎn)變,這些組分處于不同的狀態(tài)時,其物理性質(zhì)是不相同的,比如從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),瀝青當中的可流動組分數(shù)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(zhì)產(chǎn)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(zhì)的改變程度也越大,這也可以從宏觀物理指標中佐證[4]。

        結(jié)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(shù)量和組分的相轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了變化最多,同時使部分組分的熔融溫度產(chǎn)生了改變,這些變化會導(dǎo)致瀝青微觀結(jié)構(gòu)的變化,瀝青組分膠體結(jié)構(gòu)則重新進行調(diào)整。也一定程度上說明了SL瀝青這個溫度范圍內(nèi)的化學(xué)活性高,更適合作為瀝青改性的基質(zhì)瀝青使用。

        表3 瀝青DSC吸熱峰數(shù)據(jù)

        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(jié)構(gòu)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(zhì)相近的物質(zhì)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(zhì)相近的Ⅱ種組分或者Ⅲ種組分物質(zhì)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(yīng)的數(shù)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(jié)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(wěn)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(dǎo)致,其殘余率也最低,是13.1%。上述七種瀝青當中,出現(xiàn)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(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

        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(shù)據(jù)。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(shù)聚集態(tài)物質(zhì)所具有的共性[6]。因此,瀝青是一個聚集態(tài)結(jié)構(gòu)體系。瀝青結(jié)構(gòu)當中,瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的分散度Mw/Mn分別1.18~2.83與1.23~1.40。試驗結(jié)果表明,SL瀝青分子量較大,分布較寬,可認為它瀝青質(zhì)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(shù)據(jù)數(shù)

        4 結(jié)論

        本文通過TG、DSC、GPC對七種瀝青結(jié)構(gòu)分析得出,進口雙龍A級-70號道路瀝青(簡稱SL),熱穩(wěn)定性好,化學(xué)活性相對更大,瀝青質(zhì)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(zhì),可獲得更優(yōu)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(jié)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(fā)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(yīng)用DSR評價瀝青膠漿路用性能的研究[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)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(xué)院學(xué)報,2002,18(2):29-31.

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

        [6]黃衛(wèi)東,呂偉民.瀝青及瀝青混合料流變性質(zhì)與動穩(wěn)定度的關(guān)系[J].同濟大學(xué)學(xué)報,2000,28(4):35-38.

        [7]邵顯智.基于微觀結(jié)構(gòu)瀝青膠漿路用性能的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2002.

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