瀝青老化過程研究

彭 勃，張杰峰，應(yīng)徐昌

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，上海 200030)

隨著公路事業(yè)的發(fā)展，大量瀝青路面面臨翻修，如何利用瀝青再生技術(shù)實現(xiàn)有效再利用回收瀝青漸漸受到重視。但目前對瀝青再生(包括瀝青老化及再生過程)的機理研究尚不充分，故本文對瀝青老化過程進行研究和明確，從而為再生機理和技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法

為減少老化周期，本文采用模擬老化法替代自然老化法，利用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(RTFOT)對產(chǎn)自盤錦(PJ)的90#基質(zhì)瀝青(基本性能見表1)分別模擬老化到不同程度(針入度為50、30、10)，并采用相關(guān)分析方法對組分、化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、宏觀性能的變化進行分析，以研究老化過程。

表1 90#基質(zhì)瀝青三大指標

2 研究過程

2.1 瀝青老化時間與老化程度的關(guān)系

首先測定了瀝青針入度與老化時間的對應(yīng)關(guān)系并進行擬合，結(jié)果如下。

表2 針入度與老化時間的對應(yīng)關(guān)系

(1)

式中：P-針入度(0.1 mm)；t-旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化時間(min)。

由此可知：老化過程剛開始時，針入度下降得較快，隨后下降速度逐步放緩；針入度(0.1 mm)達到50，30和10對應(yīng)的老化時間分別為80 min，170 min和600 min，由此可以在試驗中獲得不同老化程度的瀝青。

2.2 組分分析

瀝青組分分離提取結(jié)果見表3(數(shù)字表示針入度，PJ50的組分變化不顯著、未測試組分情況)，可以看出，老化后瀝青質(zhì)明顯增加、膠質(zhì)少量增加、飽和分少量降低、芳香分明顯降低，可知在這個過程中發(fā)生了芳香分向膠質(zhì)轉(zhuǎn)化、并隨后繼續(xù)轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)的過程。

表3 瀝青組分分析結(jié)果

圖1 瀝青組分分析結(jié)果

2.3 化學(xué)組成分析

瀝青紅外光譜分析結(jié)果見圖2。圖中波數(shù)主要包含11種吸收峰：721 cm-1、745 cm-1、812 cm-1、869 cm-1、1 032 cm-1、1 376 cm-1、1 456 cm-1、1 602 cm-1、1 698 cm-1、2 851 cm-1和2 921 cm-1。參考標準圖譜進行的吸收峰識別結(jié)果見表4，1 698 cm-1處吸收峰在新瀝青、PJ50中不甚明顯，在PJ30、PJ10中則明顯加強；1 032 cm-1處吸收峰也出現(xiàn)類似情況，透射率隨著老化而明顯降低。

圖2 瀝青紅外光譜圖

表4 瀝青紅外光譜吸收峰分析情況

經(jīng)對比，可以發(fā)現(xiàn)1 032 cm-1處的亞砜基(S=O)以及1 698 cm-1處的羰基(C=O)有較為明顯的變化，對其吸收峰數(shù)據(jù)重新繪成圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著老化加深，亞砜基、羰基的吸收峰透射率降低，說明有亞砜基、羰基生成。

圖3 亞砜基、羰基紅外光譜圖

根據(jù)光譜圖中與對應(yīng)峰區(qū)總面積的比例，目前研究提出了亞砜基、羰基指數(shù)的量化指標，計算公式及結(jié)果如下所示。

IS=O=

(2)

IC=O=

(3)

由表5及圖4對比可得如下結(jié)論。

表5 亞砜基、羰基指數(shù)計算

圖4 亞砜基、羰基指數(shù)變化情況

(1)老化過程中，亞砜基、羰基的含量均上升，前者在老化初期變化不明顯、隨后明顯上升，后者變化則十分明顯。(2)老化過程中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)增加，飽和分、芳香分減少。可知芳香分發(fā)生氧化反應(yīng)生成了羰基、向瀝青質(zhì)和膠質(zhì)轉(zhuǎn)化。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用原子力顯微鏡(AFM)分析瀝青薄膜試樣，對老化前后的瀝青進行表面相位圖掃描，結(jié)果見圖5、圖6，不同顏色代表不同物質(zhì)，深色對應(yīng)黏度較大物質(zhì)，則發(fā)現(xiàn)老化過程中深色部分明顯增加(對應(yīng)以瀝青質(zhì)為核心、外裹膠質(zhì)的膠團結(jié)構(gòu))。

圖5 瀝青AFM相位圖20 μm×20 μm

圖6 瀝青AFM相位圖5 μm×5 μm

利用IPP軟件分析深色區(qū)域的變化趨勢(表6)可發(fā)現(xiàn)，隨著瀝青老化，膠團區(qū)域數(shù)量減少、單個面積增加、面積占比增加，其變化趨勢與羰基指數(shù)接近，表明羰基的增加與膠團的增加有關(guān)。

表6 AFM圖像分析結(jié)果

AFM分析也與組分分析結(jié)果一致，都顯示老化時瀝青質(zhì)和膠質(zhì)明顯增加，說明AFM相位圖可以較好地反映老化過程。此外，針入度為10的老化瀝青，其掃描結(jié)果相比其它差異明顯，也印證了規(guī)范對瀝青混合料再生的規(guī)定、即回收混合料的針入度不應(yīng)小于20。

2.5 宏觀性能分析

三種老化瀝青的指標見表7，可看出：

表7 老化瀝青指標試驗結(jié)果

(1)三大指標對應(yīng)性能在老化初期變化顯著，后變化速率逐漸放緩。

(2)老化后芳香分氧化向瀝青質(zhì)和膠質(zhì)轉(zhuǎn)化、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)增加，羰基和亞砜基增加、輕質(zhì)組分減少，導(dǎo)致針入度降低、軟化點提高、延度下降。

3 研究結(jié)論

經(jīng)對瀝青老化過程中各要素變化的研究，可總結(jié)如下。

(1)老化的本質(zhì)在于四組分比例的改變，即瀝青質(zhì)和膠質(zhì)增加、芳香分和飽和分減少。

(2)芳香分發(fā)生氧化形成羰基(C=O)并向瀝青質(zhì)和膠質(zhì)轉(zhuǎn)化是組分變化的原因。

(3)瀝青質(zhì)和膠質(zhì)形成的膠團在瀝青表面相位圖中對應(yīng)深色區(qū)域，由于瀝青質(zhì)和膠質(zhì)增加，膠團聚集、面積增大，說明四組分的變化改變了膠體結(jié)構(gòu)。

(4)瀝青老化后宏觀性能發(fā)生改變，針入度降低、軟化點提高、延度降低。