沥青油蚀机理研究

李　浩， 李善强

(1.公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心， 广东 广州　510420；　2.广东华路交通科技有限公司， 广东 广州　510420)



沥青油蚀机理研究

李浩1，2， 李善强1，2

(1.公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心， 广东 广州510420；2.广东华路交通科技有限公司， 广东 广州510420)

[摘要]提出油蚀度这一评价油品对沥青油蚀效应的指标，设计了试验工具及试验方法，在此基础上，评价在20 ℃、60 ℃下柴油对70#基质沥青和PG-82改性沥青的油蚀效应，通过分析其规律，阐述沥青油蚀机理。

[关键词]沥青； 油蚀度； 油蚀机理； 柴油

0引言

高等级公路车速高、控制出入、不停车、路段封闭，部分重载货车车况不佳泄露柴油，而形成由点及线长达数十公里甚至数百公里的“油蚀带”，被油蚀的沥青路面软化、松散，在高温、雨水、行车荷载的综合作用下，出现油蚀性坑槽病害，“油蚀带”发展为“坑槽带”，其数量之多、对路面承载能力、耐久性、舒适性及行车安全的影响之大而备受关注。

针对此问题，众多学者做了大量的研究，其通过马歇尔稳定度试验[1-3]、劈裂试验[4]、车辙试验[5-7]及冻融劈裂试验[8，9]对比沥青混合料油蚀前后的指标值的变化以评价油蚀对沥青路面的影响程度，此外，还有通过表面能理论研究改性沥青与集料之间的接触角、粘附功[10]。可见，现有研究主要集中于沥青混合料油蚀前后的指标值的对比，对沥青油蚀机理的深入研究较少。

因此，本文通过设计油蚀试验工具，制定室内快速计算沥青油蚀度的试验方法，研究在20 ℃、60 ℃两个温度条件下油蚀度随时间的变化规律和特点，在此基础上，阐述沥青油蚀机理。

1沥青油蚀度试验方法

溶解度是在一定温度下，某固态物质在定量溶剂中达到饱和状态时所溶解的质量。在一定温度下，固态沥青溶于液态柴油中达到饱和状态时，沥青虽不能继续溶解，而溶解是动态平衡的过程，部分沥青会以半固态半液态且呈流动态的形式存在，该部分沥青虽没有被溶解，但已丧失粘附性，因此在考虑油品对沥青的油蚀时，应将此部分流动态的沥青予以考虑。

定义油蚀度为在一定温度下，固态沥青在100mL油品中经过一定时间油蚀后所损失的质量。

可见，油蚀度为溶解的沥青与呈流动态沥青的质量之和，在数值上，油蚀度大于溶解度。可以看出，油蚀度考虑了因油蚀丧失粘结性而呈流动态的部分沥青的质量，能更为准确的描述油品对沥青的油蚀效应。

1.1试验准备

需准备的仪器、工具有： ①烘箱：供加热沥青和恒温试验样品用； ②电子天平：能精确到0.1g； ③试验器皿：量筒，油蚀瓶。

如图1所示，油蚀瓶采用PC材质，耐腐蚀，内径Φ40mm，外径Φ48mm，高50mm，瓶身和瓶盖内外配合，密封性好。

图1　油蚀瓶设计图Figure 1　The design of oil corrosion bottle

1.2试验步骤

① 将固体状沥青试样置于烘箱中加热到145 ℃至流动状态；

② 小心倾倒m0沥青试样至质量为m1的油蚀瓶中放置常温至冷却；

③ 待瓶中沥青试样冷却完全后(约3h后)，向其中倒入100±1mL的油品，盖上瓶盖，再将装有沥青试样的油蚀瓶放入事先已设置好温度的烘箱中保温；

④ 当油品在预定的时间和温度下完成对沥青油蚀后，将瓶中溶解了沥青的油品倒尽，用抹布擦去沥青表面残留油品及流动态沥青，称该温度下剩余固态沥青及瓶重量m2。

1.3结果计算

通过测定在油蚀前后的固态沥青的质量差，从而确定质量损失，如式(1)：

(1)

2沥青油蚀度试验结果分析

依照上节沥青油蚀度试验方法，沥青选用70#基质沥青和PG-82改性沥青，溶剂为0#柴油，油蚀时间为不等间距时间序列，试验温度设定为20 ℃、60 ℃两个温度，旨在分析研究70#基质沥青和PG-82改性沥青于不同时间序列下的油蚀度变化规律。试验结果统计见表1～表3，绘制图见图2、图3。

表1 20℃、60℃下70#基质沥青油蚀度实测数据Table1 Measureddatefor70#matrixasphaltoilcorro-siondegreeunder20℃and60℃浸蚀时间/h油蚀度/g20℃60℃浸蚀时间/h油蚀度/g20℃60℃22.13.1241029.5434.24812.629.684.25.87215.529.812626.29616.130187.829.3

表2 20℃下PG-82改性沥青油蚀度实测数据Table2 MeasureddateformodifiedasphaltPG-82oilcorrosiondegreeunder20℃浸蚀时间/h油蚀度/g浸蚀时间/h油蚀度/g21.1205.442.5225.462.6245.482.6307.5103.2369124489.4144.27211.41659612.3185.4

表3 60℃下PG-82改性沥青油蚀度实测数据Table3 MeasureddateformodifiedasphaltPG-82oilcorrosiondegreeunder60℃浸蚀时间/h60℃油蚀度/g浸蚀时间/h60℃油蚀度/g2 2.52413.84 3.94816.48 7.1721712 7.39617.318.5 10.4

图2中，横向来看，70#基质沥青的油蚀度随油蚀时间增加而增加，前期增加快，后期慢，最后趋于稳定；纵向来看，温度越高，油蚀度越大，20、60 ℃的油蚀度分别为16.1、30g，增长速率随温度的升高而变大，20 ℃时，增长较为平缓，说明柴油对沥青油蚀慢，60 ℃时，增长速率大，并很快稳定，说明60 ℃下沥青油蚀快，丧失粘附能力，可以看出70#基质沥青油蚀度温度敏感性高。

图3中，横向来看，油蚀度随时间呈对数增大趋势；纵向来看，温度越高，油蚀度越大，20 ℃、60 ℃的油蚀度分别为12.3、17.3g；较70#基质沥青，20 ℃时，在4～8、12～14、18～24h时间段，60 ℃时，在8～12时间段，油蚀度随时间的变化出现停滞现象，是因为PG-82改性沥青吸收了沥青中大量的饱和分，形成复杂的聚合物互穿网络，油蚀时，聚合物互穿网络相当于“保护膜”将沥青包裹，柴油对其溶解必须突破这层“保护膜”，需要一定的时间，待将“保护膜”溶解后，有了新的浸蚀通道，迅速浸入沥青的内部的柴油又需溶解里面“保护膜”，反反复复，形成了图中特有的上升-停滞相互交替的现象；而60 ℃下，停滞时间少且短，这是因为温度的升高，分子运动加剧，柴油的油蚀能力增强。

相比而言，较70#基质沥青，PG-82改性沥青的油蚀度没有出现极速增大而后突然稳定的情况，说明PG-82改性沥青的抗油蚀能力较70#基质沥青要强很多。

图2　20 ℃、60 ℃下70#基质沥青油蚀度发展规律Figure 2　The development law for 70# matrix asphalt oil corrosion degree under 20 ℃and 60 ℃

图3　20 ℃、60 ℃下PG-82改性沥青油蚀度发展规律Figure 3　The development law for modified asphalt PG-82 oil corrosion degree under 20 ℃ and 60 ℃

3沥青油蚀机理分析

柴油和沥青均是原油加工过程中的产品，柴油的主要成分是含9到18个碳原子的链烷、环烷或芳烃，沥青是一种由多种复杂高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物，3组分分析法将沥青分离为油分、树脂和沥青质等3组分，沥青3组分分析法的各组分性状如表4所示。

从组成成分来看，根据相似相溶原理，沥青中的油分含量在45%～60%，能够溶于有机溶剂，因而在一定程度上柴油能够溶解沥青，沥青与集料之间的浸润角变大，粘附功变小，造成沥青粘聚力下降。

表4 沥青3组分分析法的各组分性状Table4 Characterofcomponentwiththethreecomponentpartsanalysisofasphalt性状外观特性平均分子量碳氢化含量/%物化特性油分淡黄色透明液体200～7000.5～0.745～60几乎溶于大部分有机溶剂,具有光学活性,常发现有荧光,相对密度0.7～1.0树脂红褐色粘稠半固体800～30000.7～0.815～30温度敏感性高,熔点低于100℃,相对密度1.0～1.1沥青质深褐色固体微粒1000～50000.8～1.05～30加热不熔化而碳化,相对密度1.1～1.5

从油蚀度规律来看， ①PG-82改性沥青的油蚀速率和油蚀度均要小于70#基质沥青，这是因为加入的改性剂吸收了部分的油分，使得沥青中的油分含量变少； ②改性沥青形成的空间网状结构能够起到“保护膜”的作用，可以使油蚀度短暂的停滞在一定水平； ③温度越高，油蚀度越大，温度越高，分子运动加剧，活性变强，柴油的油蚀能力变强，此外树脂的温度敏感性高，温度越高，沥青的性质越不稳定，抵抗柴油油蚀的能力变差。

沥青油蚀的机理可以阐述为：从组成成分上看，沥青中的油分能够溶于有机溶剂，致使柴油能部分溶解沥青，沥青与集料之间的浸润角变大，粘附功变小，致使沥青粘附力下降；从油蚀规律上看，改性沥青中添加的改性剂吸收了一部分油分使沥青含油量降低和空间网状结构“保护膜”的双重作用，使改性沥青的抗油蚀能力要优于基质沥青，同时“保护膜”可使油蚀度短暂的停滞在一定水平。此外，用油蚀度描述沥青油蚀影响，油蚀度对温度敏感，温度越高，沥青成分中的树脂越不稳定，抗油蚀能力越差，且柴油活性越强，油蚀能力越强。

4结语

本文首先提出油蚀度这一评价柴油对沥青油蚀效应的指标，从其定义分析得到油蚀度能较为准确的描述油品对沥青的油蚀效应；其次设计油蚀瓶这一试验工具并提出油蚀度试验方法，并对70#基质沥青和PG-82改性沥青在20 ℃、60 ℃两个温度下于不同时间序列下的油蚀度进行试验并分析其规律，PG-82改性沥青聚合物互穿网络的空间结构形成了特有的停滞现象；最后根据相似相溶原理指出沥青与柴油部分互溶，沥青与集料之间浸润角变大，粘附功变小，致使沥青粘附力下降，从油蚀度变化规律指出改性沥青的抗油蚀能力要优于基质沥青。

[参考文献]

[1]杜玉兵，侯进军.沥青混合料耐盐溶液浸蚀性能研究[J].公路工程，2014，39(06)：128-132.

[2]李明国，牛晓霞.沥青混合料抗油浸蚀能力分析[J].公路，2002(01)：75-77.

[3]王家主.沥青混合料抗柴油浸蚀试验研究[J].公路，2012(07)：229-232.

[4]张锐，黄晓明.沥青及沥青混合料抗油蚀性能分析[J].公路，2006(05)：174-176.

[5]徐伟，李孝旭.新型冷拌环氧改性合成沥青快速修补材料试验评价研究[J].公路工程，2014，39(05)：50-53.

[6]徐进.TLA改性沥青及其混合料的油蚀研究[D].长沙：长沙理工大学，2007.

[7]陈肯，袁继昂，章永超.油蚀对沥青混合料高温性能的影响[J].上海公路，2013(01)：59-61.

[8]査旭东，傅广文，徐进.油蚀对TLA改性沥青混合料水稳定性的影响[J].长沙理工大学学报，2009(04)：1-4.

[9]曹林涛，黄天元，李立寒.沥青混合料抗油蚀性能[A].上海市公路学会第六届年会学术论文集[C].2004，52-55.

[10]赵庆权.基于界面理论纤维改性沥青与集料粘附性研究[J].公路工程，2014，39(06)：283-288.

TheReasearchonAsphaltOilCorrosionMechanism

LIHao1，2，LIShanqiang1，2

(1.ResearchandDevelopmentCenteronRoadTransportSafetyandEmergencySupportTechnology&Equipment，MinistryofTransport，PRC，Guangzhou，Guangdong510420，China；2.GuangdongHualuCommunicationsTechnologyCo.LTD，Guangzhou，Guangdong510420，China)

[Abstract]Oil corrosion degree is proposed as a index for evaluating oil corrosion effect forasphalt in this paper，designing the test tool and test method，on this basis，evaluating oil corrosion effect of diesel for 70# matrix asphalt and modified asphalt PG-82 under both 20 ℃ and 60 ℃，discussing oil corrosion mechanism for asphalt through the analysis of the law.

[Key words]asphalt； oil corrosion degree； oil corrosion mechanism for asphalt； diesel

[收稿日期]2015-03-12

[基金项目]交通运输部建设科技计划项目(2014 318 J23 150)；广东省交通运输厅科技项目(科技-2012-02-009)

[作者简介]李浩(1988-)，男，湖北荆州人，工学硕士，工程师，主要从事道路工程材料的研究工作。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0229-03