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岩沥青化学组成及微观结构特征研究
2022年04月15日    阅读量:19355     新闻来源:中网沥青 sinoasphalts.com    |  投稿

摘 要

岩沥青中胶质、沥青质含量较高,用其改性后有助于改善沥青的高温性能、粘附性和稳定性,同时岩沥青是一种天然沥青,岩沥青改性技术的研发有利于提高我国沥青资源利用效率。本文主要针对岩沥青的化学组成和微观结构,通过元素分析试验、四组分分析试验研究岩沥青的元素及组分组成,通过红外光谱试验、分子量测定试验研究岩沥青的微观结构特征,研究内容可为岩沥青改性技术的开发提供技术支撑。


关键词 硅烷SiO2 | 改性沥青 | TG分析 | 作用机理


我国利用国产原油炼制的沥青多存在沥青质低、石蜡含量高、胶质多、芳香酚酚少、饱和酚多的特点,不能满足重载交通石油沥青的路用性能要求,因而需要大量进口沥青沥青网sinoasphalt.com。岩沥青中胶质、沥青质含量较高,用其改性后有助于改善沥青的高温性能、粘附性和稳定性,同时岩沥青是一种天然沥青,岩沥青改性技术的开发可以提高我国沥青资源利用效率,其推广应用在我国具有重要的现实意义。

北美岩沥青在道路工程的应用较多,研究也较为深入。研究发现,岩沥青是由许多大分子、极性、多环分子结构的碳氢化合物及其非金属元素衍生物构成,用其改性可以提高沥青粘度、软化点、抗老化能力,降低温度敏感性。北美岩沥青在世界范围得到了广泛的使用,如美国、澳大利亚、挪威、日本、新加坡、德国、中国等。欧美许多国家的高速公路都使用北美岩沥青改性沥青,主要应用于重车车道、城市快速路与主干道、桥面铺装等路面。在国内,特立尼达湖沥青(TLA)使用最早也最广泛。主要应用于国内主干公路、城市道路、机场跑道与桥梁铺装等重点路段,此外,印尼布敦岩沥青在我国也开始试用,国内的青川岩沥青、新疆岩沥青也在多个省份也铺筑了试验路。

为了更加全面地掌握岩沥青性能,本文主要针对岩沥青的化学组成和微观结构,通过元素分析试验、四组分分析试验研究岩沥青的元素及组分组成,通过红外光谱试验、分子量测定试验研究岩沥青的微观结构,研究成果可为岩沥青改性技术的开发提供基础数据支撑。


岩沥青的元素组成分析

沥青主要由碳、氢、硫、氮、氧五种元素组成,此外还可能含有微量的镍、钒、铁、铜等金属元素。本节选择五种不同的岩沥青,编号分别为A、B、C、D、E,对比组为滨州90#沥青,试验中所用设备为美国热电公司FLASH-EA1112型元素分析仪,试验分析不同岩沥青的元素组成,测定结果见表1。

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岩沥青的组分分析

沥青属于胶体分散体系,沥青的许多物理化学性质和使用性能,很大程度上与其胶体性质相关,而沥青的胶体性质又与其化学组成及结构有着密切的内在联系。在道路工程中常把沥青的化学组成分为四组分,即饱和酚、芳香酚、胶质、沥青质。沥青中各组分之间的相互关系较为复杂,必须在数量和性质上都能较好的配伍,才能保证沥青胶体体系的稳定性,使其具有良好的使用性能。通过四组分试验测试基质沥青、A岩沥青和不同掺配比例的改性沥青四组分,测定结果见表2。

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分析试验数据可知:岩沥青与基质沥青的组分差别较大,岩沥青的饱和酚、芳香酚较低,胶质、沥青质较高,胶质和沥青质都是强极性组分,说明岩沥青本身具有硬度、软化点高、粘附性好的特性;掺加岩沥青后沥青的饱和酚、芳香酚含量降低,胶质、沥青质含量增多。沥青质含量增加,会提高沥青的软化点和粘度,同时会降低针入度、沥青温度敏感性;胶质的增加一方面会导致沥青感温性增加,另一方面会增加沥青的塑性变形能力和与集料的粘附性,表明加入岩沥青后能明显提高沥青的高温性能和粘附性。


岩沥青的化学结构与特征分析

红外光谱试验

对岩沥青与滨州90#沥青的四组分分别进行红外吸收光谱分析,所用仪器为德国Bruker公司的VECTOR22型布鲁克傅立叶红外光谱仪。图1~图3分别为岩沥青和滨州90#沥青饱和酚、芳香酚、沥青质3组分的红外光谱图对比。

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示,在2923cm^-1附近的强吸收峰是环烷与链烷亚甲基C-H的伸缩振动,以及甲基附近的伸缩振动;1714cm^-1处为芳烃共轭双键C=C骨架振动;在1459cm^-1及1376cm^-1附近的强吸收由C-CH3的不对称键和-CH2-对称键引起;726cm^-1的吸收表示芳香核上C-H的面外变形振动吸收。岩沥青和滨州90#的饱和酚谱图较为相似。养护管理投稿交流合作加微信627361748岩沥青样品在1714cm^-1附近的吸收为-(C=O)-基团引起,表明岩沥青的饱和酚在经历了复杂的地球化学过程后,杂原子基团含量比滨州90#的高。

岩沥青和滨州90#芳香酚的红外谱图如图2所示,在2924cm^-1及2855cm^-1处的强吸收是环烷与链烷亚甲基C-H的伸缩振动,以及甲基在2980cm^-1及2895cm^-1处的伸缩振动;在1700cm^-1附近的吸收可能是开链C=O结构的特征吸收;1700cm^-1处和1604cm^-1处附近有芳烃共轭双键C=C骨架振动引起的吸收峰;在1456cm^-1及1376cm^-1附近的强吸收是C-CH3的不对称键和-CH2-对称键引起的;1000cm^-1附近的弱吸收峰与芳烃族醚有关;731cm^-1附近的吸收表示芳香核上C-H的面外变形振动吸收,反映芳核上芳氢的振动。

岩沥青与滨州90#沥青质的红外光谱图如图3所示,其中3500~3750cm^-1处有N-H或者O-H键引起的吸收带;在3098cm^-1及2878cm^-1处的强吸收是环烷与链烷亚甲基C-H的伸缩振动;在1700cm^-1处及1735cm^-1处的吸收可能是开链C=O结构的特征吸收,而1735cm^-1处是芳烃基酮的特征吸收,这些吸收峰可用于鉴定沥青质结构;1601cm^-1-1456cm^-1处是芳环中的C=C双键的伸缩振动峰,岩沥青的沥青质吸收峰明显大于滨州90#沥青的沥青质,表明其芳香性更强。


分子量测定试验

使用美国UIC公司的833型VPO分子量测定仪对岩沥青和滨州90#的4组分进行分子量测定,分子量测定结果见表3。

从试验结果可知,岩沥青和滨州90#沥青的饱和烃、芳烃和胶质分子量相差不大,而沥青质的分子量相差较大。由于沥青质经历了较为复杂的地球化学过程后,其杂原子含量增加,分子极性大为增强,分子的缔合能力大大增强,导致分子量增加。普通沥青掺加岩沥青混合后,由于岩沥青的沥青质极性较强,它将与基质沥青的沥青质也缔合到一起,形成较大的胶核,从而改善其粘附性能和温度稳定性。

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结论

本文主要通过元素分析试验、4组分分析试验、红外光谱试验、分子量测定试验研究岩沥青的化学组成及微观结构特征,具体得到如下结论:

(1)岩沥青是一种天然产品,由于矿源的不同,其元素组成比例、化学成分有很大的区别。

(2)岩沥青中杂原子含量明显高于基质沥青,氧、氮、硫等杂原子都是较强的极性官能团,使天然岩沥青具有很强的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性,能在岩石表面产生强吸附力,增大沥青粘度、抗氧化性,改善沥青与集料粘附性及抗水剥离性。

(3)天然岩沥青中胶质、沥青质含量较高。用其改性后有助于改善沥青的高温性能、粘附性和稳定性。

(4)岩沥青杂原子基团含量高于滨州90#沥青。尤其是岩沥青沥青质,红外吸收光谱表明其包含N、O、S等的基团数量明显大于滨州90#沥青,其芳香性更强。

(5)岩沥青和滨州90#沥青的饱和烃、芳香烃和胶质分子量相差较小,而沥青质的分子量相差非常大。这是由于岩沥青沥青质的杂原子含量较多,分子极性大,分子的缔合能力增强,导致分子量增加。

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标签:改性沥青技术中心综合论文
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