瀝青的化學(xué)組成和結構
【摘要】：由于瀝青的組成極其復雜，并且存在有機化合物的同分異構現象，許多瀝青的化學(xué)元素組成即使十分相似，他們的性質(zhì)也往往差別很大，將其瀝青的化學(xué)元素的含量與瀝青的性能之間建立起直接的聯(lián)系，目前還有一定困難。因此國內外學(xué)者通常采用組分分離法將瀝青分離為化學(xué)性質(zhì)相近而且與技術(shù)有一定聯(lián)系的幾個(gè)組分。
1、瀝青的組分
瀝青不是單一的物質(zhì)，而是由多種化合物組成的混合物，成分極其復雜，但從化學(xué)元素分析，其主要由碳、氫兩種化學(xué)元素組成，所以也稱(chēng)為碳氫化合物，另外還有少量的硫、氮、氧以及一些金屬元素等，通常以無(wú)機鹽或者是氧化物的形式存在。在瀝青中，碳和氫的含量約占98～99%，其中碳的含量83～87%，氫的含量11～14% 在研究瀝青對不同溶劑的融合性，將瀝青分離成幾個(gè)化學(xué)成分和物理性質(zhì)相似的部分，這些部分成為瀝青的組分。瀝青中各組分的含量和性質(zhì)與瀝青的粘滯性、感溫性、粘附性等化學(xué)性質(zhì)有直接的聯(lián)系，在一定程度上能說(shuō)明他的路用性能，國內外研究者通常采用的有以下幾種方法：
1） 二組分
瀝青分為瀝青質(zhì)和可溶質(zhì)（軟瀝青質(zhì)）兩種組分
2） 三組分
瀝青分為瀝青質(zhì)、油分和樹(shù)脂三種組分
3） 四組分
瀝青分為瀝青質(zhì)、飽和分、芳香分和膠質(zhì)四種組分
4） 五組分
按照羅斯特勒提出的分離法，瀝青可分為瀝青質(zhì)、氨基、第一酸性分、第二酸性分和鏈烷分五種組分。
三組分分析法
四組分分析法
瀝青采用不同的分析方法可得到不同的組分。我國常用的是三組分分析法和四組分分析法。
三組分分析法（又稱(chēng)溶解-吸附分析法）是用規定的溶劑及吸附劑，采用抽提法將瀝青分成瀝青質(zhì)、膠質(zhì)和油分（包含蠟）三個(gè)組分。優(yōu)點(diǎn)是組分分解限明確，缺點(diǎn)是分析流程復雜，分析時(shí)間長(cháng)。
四組分分析法（又稱(chēng)SARA分析法）用規定的溶劑及吸附劑，采用溶劑沉淀及色譜柱法將瀝青試樣分成瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、飽和分及芳香分。我國目前廣泛采用四組分分析法，常用的石油瀝青四組分分析方法有Corbett法和SARA法，美國ASTM D4124采用Corbett法，它將瀝青分為瀝青質(zhì)（Asphaltenes）、飽和分（Saturates）、環(huán)烷芳香分（Naphthene aromatics）和極性芳香分（Polar aromatics）。SARA法所指的四組分為飽和分（Saturates）、芳香分（Aromatics）、膠質(zhì)（Resin）和瀝青質(zhì)（Asphaltene），取四個(gè)詞的詞頭簡(jiǎn)寫(xiě)成SARA，該法已于1978年列入美國材料與試驗協(xié)會(huì )（ASTM）推薦方法。
SARA分析法流程
2、瀝青的膠體結構
現代膠體理論研究發(fā)現，由于瀝青的苯溶液具有丁鐸爾現象，怎么瀝青容易也是一種膠體溶液。丁鐸爾現象（光學(xué)性質(zhì)） 實(shí)驗：用激光筆垂直照射淀粉膠體，膠體，溶液。 現象：膠體內部存在一條光路而溶液沒(méi)有。 結論：這種由于膠體微粒對光的散射作用形成的一條光亮的通道的現象叫丁鐸爾現象。瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、油分構成了瀝青的膠體結構。根據瀝青膠體閥構中膠團粒子大小以及在分散介質(zhì)中的分散狀態(tài)，瀝青被分為溶膠結構性、凝膠結構型、溶-凝膠結構型。
第一類(lèi)瀝青為溶膠型結構，瀝青中瀝青質(zhì)含量很少，同時(shí)由于膠質(zhì)作用，瀝青質(zhì)完全膠溶分散于油分介質(zhì)中。膠團之間沒(méi)有吸引力或吸引力很小。這類(lèi)瀝青完全符合牛頓流體，剪切力與剪變速率呈直線(xiàn)關(guān)系，彈性效應很小或完全沒(méi)有，液體瀝青和渣油瀝青屬于這類(lèi)。
第二類(lèi)瀝青為溶-凝膠型結構，瀝青中瀝青質(zhì)含量適當，并有很多膠質(zhì)作為保護物質(zhì)。它所形成的膠團相互之間有一定的吸引力。這類(lèi)瀝青在常溫時(shí)，在變形的最初階段，表現為非常明顯的彈性效應，但在變形增加到一定數值后，則表現為牛頓流體。大多數優(yōu)質(zhì)的路用瀝青都屬于溶－凝膠型瀝青，它具有粘彈性和觸變性，也稱(chēng)彈性溶膠。
第三類(lèi)瀝青為凝膠型結構，瀝青中瀝青質(zhì)含量很高。形成空間網(wǎng)格結構，油分分散在網(wǎng)格結構中，這種瀝青具有明顯的彈性效應，平常見(jiàn)到的湖瀝青或頁(yè)巖瀝青屬于凝膠型瀝青。
瀝青膠體結構示意圖
不同的膠體結構具有明顯不同的力學(xué)及路用性能，尤其是對溫度的敏感性不同，要判斷瀝青的質(zhì)量就必須了解瀝青所具有的膠體結構狀態(tài)。石油瀝青膠體結構的評價(jià)方法有很多種，如：針入度指數(PI)法、絮凝比－稀釋度法等。
針入度指數(PI)是在1936年由Pfeiffer和Doormaal提出的，認為它能很好的反映瀝青的感溫性，也就針入度指數(PI)是在1936年由Pfeiffer和Doormaal提出的，認為它能很好的反映瀝青的感溫性，也就是瀝青的粘度或稠度隨溫度改變而變化的程度。PI是目前廣泛使用的瀝青感溫性能指標，針入度指數PI與瀝青的膠體結構、化學(xué)組分有密切的關(guān)系。用PI值表示瀝青的膠體類(lèi)型是現在最常用的方法。我國的瀝青路面施工技術(shù)規范已明確將針入度指數 (PI)列入技術(shù)指標。
針入度實(shí)驗示意圖
一般來(lái)說(shuō)，直餾瀝青多為溶膠型，氧化瀝青多為凝膠型或者容凝膠型，殼牌公司是根據瀝青的針入度指數將瀝青結構分為三類(lèi)。
PI＜-2，純粘性的溶膠型瀝青，也稱(chēng)為焦油型瀝青（因為大多數煤焦油的PI值均小于-2)，具有較大的感溫性。
PI＝+2～-2，溶-凝膠型瀝青。這類(lèi)瀝青有一些彈性及不十分明顯的觸變性，大多數的優(yōu)質(zhì)瀝青（如：溶劑瀝青、調和瀝青）屬于這一類(lèi)。
PI＞+2，凝膠型瀝青，有很強的彈性和觸變性。大部分的氧化瀝青屬于這一類(lèi)，具有較低的溫度感應性，但低溫變形能力差。
有些學(xué)者認為，采用溶液的膠體理論尚不能很好的解釋瀝青的各種現象，而應采用高分子溶液理論進(jìn)行研究。若將瀝青作為高分子溶液看待，既可以認為瀝青是以瀝青質(zhì)為分散相，軟瀝青質(zhì)（油分＋膠質(zhì)）為分散介質(zhì)，兩者親和而形成分子溶液。這種高分子溶液的特點(diǎn)是對電解質(zhì)穩定性較大，而且是可逆的。也就是說(shuō)在瀝青高分子溶液中，加入電解質(zhì)并不能破壞瀝青的結構。當軟瀝青質(zhì)減少，瀝青質(zhì)增加時(shí)，為濃溶液即凝膠型瀝青，反之瀝青質(zhì)較少，軟瀝青質(zhì)含量較多為稀溶液。溶凝膠型瀝青則介于兩者之間。我們的一切幸福，我們的一切希望，都只和生活聯(lián)系在一起。
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