道路沥青水损害组分及其影响因素

宋艳茹，王成秀，张玉贞

(中国石油大学重质油国家重点实验室，山东青岛 266555)

道路沥青水损害组分及其影响因素

宋艳茹，王成秀，张玉贞

(中国石油大学重质油国家重点实验室，山东青岛 266555)

采用溶剂萃取法富集沥青中的水敏组分，用红外分析方法确定水敏性组分的结构组成，考察沥青水损害组分的影响因素，模拟路面铺筑过程和路面使用中的老化过程，测定沥青组成，考察沥青中水敏性组分变化规律。结果表明:以二硫化碳为萃取剂可以充分富集水敏性组分;水敏组分主要含有羧酸、脂肪胺、酰胺、酯类，脂肪族烃等官能团分子;对同一种油源，蒸馏工艺生产的沥青含有较少水敏性组分;在沥青路面长期使用过程中，水敏性组分含量呈下降趋势。

道路沥青;水损害;压力老化;剥离;路用性能

沥青路面在南方多雨地区水损害比较严重，导致路面强度下降，发生剥离、冲刷、掉粒等现象［1-5］。沥青中富集了原油中80%以上的杂原子和大部分的缩合芳烃等物质。沥青混凝土路面经日晒和雨淋，其中的水敏性组分与水作用，沥青从集料表面剥落下来，造成水损害。沥青水敏性组分是指沥青中对水敏感并与水有乳化作用的组分，其含量可间接反映沥青路面发生水剥离的趋势［6-8］。笔者考察沥青水敏性组分，为克服水损害提供依据。

1试验

1.1 试验原料

选取分别由3种油源和2种加工工艺生成的4种沥青为考察对象，满足AH-90、AH-30(A)高等级道路沥青标准。样品命名为 S90、S30、Y90、K90，其基本性质见表1，其中针入度、延度、软化点、蜡含量、薄膜烘后质量变化的检验标准分别为 GB/T4509、GB/T4508、 GB/T4507、 SH/T0425、 GB/T5304。

1.2 试验方法

1.2.1 沥青中水敏性组分富集

沥青中水敏组分按图1所示富集。称量最后脱除萃取溶剂所得的水敏性组分，其含量用其占原料沥青的质量分数来表示。在本试验中，取25 g沥青溶于600 mL甲苯，溶解时间为4 h，尔后加450 mL蒸馏水后磁力搅拌10 min，倒入分液漏斗静置一段时间。

表1 沥青的基本性质Table 1 Basic properties of asphalts

图1 沥青中水敏组分的富集流程Fig.1 Enriching process of water sensitive component in asphalt

1.2.2 不同老化阶段沥青样品的制备

未经过老化的沥青为新鲜沥青。按GB/T 5304-2001石油沥青薄膜烘箱试验法(TFOT)，模拟沥青在拌和及铺筑过程中的老化。将4种沥青原料经过TFOT试验，制备新铺路面沥青样品，分别命名为 S90T、S30T、Y90T、K90T。

按SH/T 0774-2005压力老化容器加速沥青老化试验法(PAV)，模拟路面多年使用中的老化。将4种沥青样品经过PAV试验，得到4种模拟路面使用8～10 a后的沥青样品，分别命名为S90P、S30P、Y90P、K90P。

1.2.3 沥青组成分析方法

采用SH/T0509沥青族组成分析方法，测定各沥青样品的饱和分、芳香分、胶质、沥青质，即SARA。

1.2.4 水敏性组分官能团化合物的确定

红外光谱主要是定性分析化合物上的官能团。采用美国NEXUS FT-IR型红外光谱仪，分辨率为0.09 cm-1，精度为0.01 cm-1，测试范围 400～4 000 cm-1。

2 试验结果分析

2.1 沥青中水敏性组分富集条件

2.1.1 静置时间

沥青甲苯溶液加水搅拌后，静置数分钟，形成油相、乳化层、水相3部分。静置10 min或20 min，油层和乳化层之间没有清晰的分界面，静置30 min有清晰的油层和乳化层分界面。乳化层的出现表明该沥青中有水敏性物质存在。但乳化层极不稳定，随静置时间延长，形成的乳化层发生破乳，乳化层变薄，其中的水敏性组分重新分配到油相中。表2为不同静置时间下S90水敏性组分的含量。可以看出，随着静置时间的延长，沥青水敏性组分含量降低，为最大限度获取沥青水敏性组分，静置时间选择为30 min。

表2 不同静置时间下沥青(S90)水敏性组分含量Table 2 Water sensitive component value of S90 at different time

2.1.2 萃取溶剂

以对萃取物有很好的选择性和溶解性为标准选择萃取溶剂，尽可能多地将乳化液中的水敏性组分提取出来。试验中以甲苯、石油醚、三氯甲烷、三氯乙烯、二硫化碳、四氯化碳等萃取剂为考察对象。

若萃取剂的密度大于水的密度，萃取液从下层分出，操作方便，减小操作误差;萃取剂不溶于水，这样水和萃取液能够完全分层，界面清晰;萃取后水相清澈，萃取剂能够充分将水敏性组分从水乳液中萃取出来。从表3中可以看出:因石油醚和甲苯的相对密度小于水，萃取剂在上层，含有絮状物的水相在下方，分离过程操作不方便，而且甲苯的沸点高于水的沸点，甲苯不能用水浴回收，电加热回收的方式可使局部过热，影响沥青水敏性组分的性质;三氯化碳、三氯乙烯和四氯化碳的沸点都小于水的沸点，可以采用水浴的方式回收溶剂，避免局部过热，它们的相对密度大于水的密度，分离操作比较简单，但是它们微溶于水的性质影响了溶剂的萃取效果;二硫化碳的沸点比较低，密度大于水，不溶于水，萃余液清澈，能将水敏性组分最大限度地从水中萃取出。因此，二硫化碳是最佳萃取溶剂。

表3 萃取溶剂的筛选Table 3 Selection of extractants

2.2 水敏性组分官能团的确定

采用红外光谱法分析水敏性组分的官能团结构，结果见图2。

图2 沥青水敏性组分的红外光谱图Fig.2 Infrared reflectance spectrums of water sensitive

由图2可以看出:水敏性组分的光谱图中特征峰的位置几乎是同样的，说明不同沥青中与水相互作用的组分类似;在3 550～3 110 cm-1有一个由于N—H或O—H键引起的宽而弱的吸收峰，这是由于组分分子间的相互作用所致;在3 200～2 500 cm-1有宽而散的吸收峰，这是典型羧酸存在的特征;在1640～1560 cm-1的吸收带是N—H变形振动，900～650 cm-1的吸收带是N—H面外弯曲振动引起的，1280～1 030 cm-1的吸收带是脂肪族胺C—N伸缩振动引起的，由此可以判断含有脂肪胺官能团;在1 695 cm-1是C O伸缩振动引起的吸收峰，1420～1 400 cm-1是 C—N伸缩振动引起的吸收峰，这些是酰胺的特征吸收峰，说明有酰胺官能团存在;在2920和2850 cm-1强吸收峰是烷烃和环烷烃的C—H伸缩振动;甲基的2个振动位于2950及2885 cm-1，次甲基—CH2—吸收最强，位于2 920 cm-1，它的另一吸收是2 850 cm-1，在720 cm-1的吸收峰可以判断是脂肪族烃官能团。

在2820 cm-1和2720 cm-1的C—H伸缩振动吸收峰是醛类化合物的特征峰;在1740 cm-1有峰，这是酯类的羰基振动吸收峰，和1220 cm-1是酯类的不对称的C—O—C伸缩振动吸收峰，说明酯类化合物存在;在1650～1750 cm-1处有强吸收峰，是C O的伸缩振动吸收的特征峰;1500～1600 cm-1是芳环骨架C C振动吸收特征峰，说明有芳香环存在;3 030和1665～1700 cm-1有吸收峰，是含芳环羰基化合物的特征峰。

从4种沥青的水敏性组分的红外谱图可以判断水敏性组分中含有羧酸、脂肪胺、酰胺、酯类、脂肪族烃等官能团化合物，这也说明沥青中存在水敏性组分，使得沥青有结合和运输水的能力，一定数量的水通过扩散并留在沥青黏结剂或沥青胶浆膜中，路面在使用过程中经过冻融循环，水导致沥青膜微开裂，水在微开裂的空隙中产生间隙压力增加了开裂的生长，通过开裂末端形成较高压力，并且通过沥青的黏结键和沥青与集料之间的黏附键的弱化，加剧水损害。

2.3 水敏组分含量的影响因素

道路沥青只能从某些种类的原油中制取，由于沥青的油源和加工工艺不同，原始沥青的性质也不同。沥青性质的优劣主要取决于原料性质，其次是生产工艺及条件选择。

道路沥青在加工、贮存、施工及使用过程中由于长时间暴露于空气中，在高温及自然条件如风雨、光照、温度变化等作用下，会发生一系列物理及化学变化，使得沥青变硬变脆、易开裂，严重影响了道路沥青的使用性能。沥青路面的水损害是导致沥青老化的原因之一。从红外光谱图来看，沥青老化后相应化学官能团羰基和亚砜基发生了变化，相应官能团峰面积的变化显示了其老化程度。波数在1 700和1030 cm-1对应于羰基(C O)和亚砜基(S 0)的振动，老化使得沥青的这两类峰振动加强［9］，这些官能团的形成有可能增加沥青的极性，从而改变沥青中各组分的含量。因此，考察老化程度对沥青组成以及水敏性组分的影响，可以得到老化对沥青路面水损害性能的影响，结果见表4。

S90、K90和Y90系列都是直馏工艺加工生产的沥青，其沥青水乳液的颜色随着沥青老化程度的加深而变深，静置30 min后的水乳液破乳现象减弱;S30沥青氧化程度较高，老化过程中轻组分挥发、重组分氧化，再进一步老化，沥青中水乳化的活性组分可降低乳化活性，随老化程度加深，沥青水乳液的颜色变浅;不同油源生成的沥青颜色差别比较大，K90和Y90系列沥青水乳液的颜色较深，而同种油源不同工艺生产的沥青S90与S30系列沥青水乳液的颜色较浅。

表4 沥青组成和水敏性组分含量Table 4 Content of asphalt constituents and water sensitive components

从表4可以看出:随着老化程度的加深，饱和分、芳香分含量降低，沥青质的含量增加;S90、S30和Y90沥青胶质的含量随着老化程度加深而增加，而K90沥青胶质含量随老化程度加深而降低;胶质+沥青质的含量随着老化程度的加深而增加;沥青的水敏性组分含量随沥青老化程度加深而减少。胶质的结构介于芳香分和沥青质之间，更接近于沥青质，在老化过程中，可能会因为氧化作用，芳香分转变为胶质，胶质转变为沥青质，胶质含量的变化取决于芳香分向胶质的转化速度与胶质向沥青质转化的相对速度。沥青中所含胶质、沥青质、有机酸、蜡组分都是天然乳化剂［10-12］，沥青不同，胶质、沥青质和饱和分中活性乳化组分含量也不同，随着老化程度的加深，沥青中的活性乳化组分含量减少，其水敏性组分含量降低。这说明老化对沥青路面的水损害影响是减小的。

从表4中还可以看出，不同沥青水敏性组分含量差别比较大。相同油源的S90和S30沥青只是加工工艺不同，氧化工艺生产的S30沥青中其沥青质和胶质的含量高于蒸馏工艺生产的S90沥青，而沥青质和胶质形成的乳化液比较稳定，这可能是S30沥青水敏性组分含量高于S90沥青的原因，这也说明加工工艺对沥青水敏性组分也有一定的影响。蒸馏工艺生产沥青的水敏性组分结构与原油中原有的水敏性组分相同，而氧化工艺生产的沥青其氧化物含量增加，从而也增加了水敏性官能团，使得水敏性组分相对增加。同时蒸馏工艺加工生产的 S90，Y90，K90沥青，其水敏性组分的差别也比较大，3种沥青是用3种不用原油生产的，原油的性质对沥青水敏性组分的影响也比较大，K90沥青的水敏性组分含量较高，而S90沥青水敏性组分含量较低。这说明沥青水敏性组分含量与油源有很大关系。

3 结论

(1)沥青水损害组分富集选择的静置时间为30 min，用二硫化碳作为水乳液的萃取剂。

(2)导致水损害的水敏性组分中主要含有羧酸、脂肪胺、酰胺、酯类、脂肪族烃等官能团化合物。

(3)沥青水损害组分——水敏性组分含量的影响因素是沥青的老化、加工工艺和油源。随着老化程度增加，沥青质含量增加，而水敏性组分的含量减少。氧化工艺生产的沥青水敏性组分含量相对增加。相同工艺不同油源沥青的水敏性组分差别也比较大。

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Moisture damage-component of road asphalt and its influencing factors

SONG Yan-ru，WANG Cheng-xiu，ZHANG Yu-zhen

(State Key Laboratory of Heavy Oil in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

The solvent extraction method was adopted to enrich the water sensitive component in asphalt.Using the method of infrared spectroscopy，the structural units in the water sensitive components were identified，and the influencing factors for moisture damage-component were investigated.By simulating the pavement serving process and the aging in the construction process，the changing rules of water sensitive component in asphalt were studied.The results show that CS2could completely extract water sensitive components from asphalt-water emulsion.The water sensitive components include the carboxylic acid，

aliphatic amine，amide，ester and aliphatic hydrocarbons.With the same source petroleum，the water sensitive components amount in asphat prepared by distillation method is lower.The amount of the water-sensitive components shows descending tendency during the long pavement service.

road asphalt;moisture damage;pressurized aging;stripping;road service performance

TE 626

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.033

1673-5005(2011)04-0172-05

2011-02-20

宋艳茹(1975-)，女(汉族)，河南鹿邑人，工程师，博士研究生，研究方向为道路沥青水损害及其预防。

(编辑 刘为清)