[發明專利]一種基于組分層次上的瀝青熱分解行為研究方法

有效

• 申請號: 201310441313.6
• 申請日: 2013-09-26
• 公開（公告）號: CN103472091A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 許濤;石華泉;張超超;王璐露;許銀銀;王沫;高月
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N21/25
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明是一種深入到瀝青組分層次上研究瀝青熱分解行為的新方法，屬于瀝青材料技術領域。

背景技術

近年來，我國公路交通事業迅猛發展，隧道作為公路重要組成部分也得到同步發展。隧道在多山地區可用于克服地形與高程障礙，改善線形，縮短行車里程，提高行車速度，保護生態環境等。因此，隧道在公路工程中得到廣泛應用，我國已經成為世界上隧道工程最多、發展速度最快的國家之一。隧道向長大化方向發展，交通量增加，行駛速度提高，隧道成為交通事故多發路段，由此引起的火災事故率呈上升趨勢，隧道面臨著嚴峻的火災安全問題。

隨著人們對隧道路面安全使用性能要求提高及阻燃、抑煙技術進步，瀝青路面因其行車舒適、抗滑性能好、噪音小、建設周期短、維修方便等優點已成為隧道路面的發展趨勢。但是，瀝青在火災環境下會熱分解、燃燒，并釋放出大量有毒煙氣和熱量，這嚴重阻礙隧道交通，給被困人員逃生及火災救援帶來極大困難，造成大量人員傷亡。因此，探討瀝青材料的在高溫環境的熱分解機理日益顯得迫切。

眾所周知，瀝青是十分復雜的烴類與非烴類的混合物。利用瀝青在不同溶劑中的選擇性溶解或在不同吸附劑上的吸附，將其分離為若干個化學、物理性質相似，且與其膠體結構性質、路用性能有一定關系的組，這些組就稱為瀝青的組分。目前瀝青組成分離法中的四組分法已成為美國ASTM和國內的標準試驗方法，該法將瀝青分為飽和分、芳香分、膠質和瀝青質四種組分，如圖1。

飽和分是由直鏈烴、支鏈脂肪屬烴、烷基環烴和及一些烷基芳香烴組成，是一種非極性稠狀油類，呈稻草或白色。平均分子量類似于芳香分，其成分包括蠟質及非蠟質的飽和物，對溫度較為敏感，在瀝青中占5％～20％。芳香分是由瀝青中最低分子量的環烷芳香化合物組成，它是膠溶瀝青質的分散介質。芳香分在瀝青中占20％～50％，是深棕色的粘稠液體。平均相對分子量為300～2000。芳香分由非極性碳鏈組成，其中非飽和環體系占優勢，對其它高分子烴類具有很強的溶解能力。另外，芳香分和飽和分在瀝青中作為油分，主要使膠質-瀝青質軟化(塑化)，起著潤滑和溶劑的作用，使瀝青膠體體系保持穩定。油分對溫度較敏感，其含量越多，瀝青的軟化點越低，針入度越大，稠度降低。

膠質是溶于正庚烷的深褐色固體或半固體，主要是由碳和氫組成，還有少量氮、硫、氧。相對分子量在1000～50000之間，顆粒直徑為1～5nm。膠質是瀝青質的擴散劑或膠溶劑，膠質的特點之一就是化學穩定性差，在吸附劑的影響下，稍稍加熱，在有空氣、陽光存在時很容易氧化縮合，部分地變為瀝青質。瀝青質除了含有碳和氫之外還有一些氮、硫、氧，沒有固定的熔點，加熱時通常是先膨脹，加熱溫度到達300℃以上時，分解生成氣體和焦炭。相對分子質量在1000～100000之間，顆粒直徑為5～30nm。它是復雜的芳香分物質，有很強的極性。瀝青質含量在大多數瀝青中約為5％～25％。

由于火災現場不可再現性，本發明采用熱分析方法來研究瀝青材料熱分解行為。熱分析是在程序控溫下，利用熱分析儀測量物質的物理性質與溫度的關系的一類技術。其中，差示掃描量熱法(DSC)就是一種熱分析法，在程序控制溫度下，測量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度的關系。差示掃描量熱儀記錄到的曲線稱DSC曲線，它以樣品吸熱或放熱的速率，即熱流率dH/dt(單位毫焦/秒)為縱坐標，以溫度T或時間t為橫坐標，可以測定各種材料在熱分解過程的比熱容、反應熱、轉變熱、相圖、反應速率、結晶速率、結晶度、樣品純度等參數。該法使用溫度范圍寬、分辨率高、試樣用量少。適用于無機物、有機化合物及藥物分析。

但是，差示掃描量熱法對瀝青熱分解過程中氣體揮發分的釋放特性的了解仍然十分有限。為了深入揭示瀝青熱分解機理，本發明采用差示掃描量熱法-傅里葉變換紅外光譜(DSC-FTIR)聯用技術，該技術是一種研究材料熱穩定性和熱分解過程的重要試驗方法，能對瀝青熱分解過程中釋放出來的氣體揮發分進行快速的在線分析，了解瀝青熱分解過程產生的揮發物的成分。可見，DSC-FTIR最大的優勢在于它能進行多組分同時在線分析，實時監測瀝青熱分解產生煙氣成分的變化規律，深入揭示瀝青熱分解行為。