岩沥青化学组成及微观结构特征研究
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。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。
根据元素测定的试验数据分析可知:不同种类、不同矿源的天然岩沥青，元素组成比例差别较大，尤其是各种杂原子含量和氢碳比有明显差别;天然岩沥青中氮、氧、硫等元素往往高于基质沥青，且这些杂元素以官能团的形式存在，这种形式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，具体表现就是沥青粘度增大，抗氧化性增强，与集料的粘附性及抗剥离性得到明显改善。
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。
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。
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。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。
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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