基于紅外光譜擬合分峰方法的聚磷酸改性瀝青老化行為研究

黃凌輝廣東省南粵交通龍懷高速公路管理中心英懷管理處

基于紅外光譜擬合分峰方法的聚磷酸改性瀝青老化行為研究

黃凌輝
廣東省南粵交通龍懷高速公路管理中心英懷管理處

改性劑對及基質瀝青進行改性是改善瀝青混合料的路用性能的重要方法。本研究通過FTIR試驗來對原樣、短期老化及長期老化后的基質瀝青及聚磷酸改性瀝青進行分析，結果表明聚磷酸改性瀝青較基質瀝青的抗老化性能更優。

瀝青；紅外光譜；老化；聚磷酸

引言

為了改善瀝青混合料的路用性能，改性劑對及基質瀝青進行改性成為了國內外公路修筑的普遍做法。前人研究表明，目前常用的改性劑主要是SBS、SBR及PE等聚合物改性劑[1]。近年來，人們對聚磷酸改性劑開展了大量的研究及實踐工作[2-4]，這是因為在基質瀝青中加入聚磷酸有助于改善基質瀝青的抗老化性能。目前，我國高速公路進入了高速發展的階段，巨大的維護費用促使人們給予了路面基質瀝青抗老化性能的高度關注。鑒于此，本文通過傅里葉紅外光譜試驗來對聚磷酸改性瀝青老化前后的官能團進行研究及分析，旨在為聚磷酸改性瀝青的深入研究及應用提供借鑒。

1　試驗材料和方法

所使用的聚磷酸為濃度大于105%的工業級聚磷酸，試驗方法按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行，基質瀝青滿足軟化點46.5℃、針入度比66.50%，質量損失0.44%等指標。對基質瀝青中摻加0.75%聚磷酸進行改性，改性工藝為加熱基質瀝青到130～140℃，再加入聚磷酸，攪拌20min。

分別對基質瀝青及聚磷酸改性瀝青進行旋轉薄膜烘箱加熱（縮寫為RTFOT）及壓力老化容器（縮寫為PAV）處理試驗，制取短期老化及長期老化試驗樣品。實驗用傅立葉變換紅外光譜儀的儀器掃描數為32，分辨率為2.0cm-1，光譜范圍為4000～400cm-1，采用ATR全反射模式進行試驗。

2　 FTIR分析

紅外光譜分析結果表明，基質瀝青的主要紅外光譜吸收峰位主要位于2923 cm-1，2854 cm-1，1606 cm-1，1458 cm-1，1375 cm-1，1034cm-1。基質瀝青在2923.18 cm-1和2854.81 cm-1處具有較強的吸收峰，分別為亞甲基的對稱伸縮振動（ns）和不對稱伸縮振動（nas），因此2923.18 cm-1和2854.81 cm-1處的吸收峰也正是-CH2基的伸縮振動。3000 cm-1～3100 cm-1之間無明顯吸收峰，這說明瀝青中僅有少量或者極少量不飽和C-H烴類化合物。基質瀝青在1606.06 cm-1處有較強的吸收峰，該吸收峰是苯環的骨架伸縮振動，表明了瀝青中芳烴的存在。指紋區1800（1300）～900 cm-1中1375.87 cm-1處的吸收峰是甲基-CH3dC-H面內對稱彎曲變形振動，1458.62 cm-1處則為亞甲基-CH2dC-H面內彎曲變形振動。在1034.69 cm-1處的吸收峰為亞砜S=O的振動，746.93 cm-1吸收峰為-C-(CH2)n-C-中有n≥4的存在，其余870.13 cm-1和814.32 cm-1處的吸收峰則為芳香烴面外變形振動。對比結果表明，老化后的瀝青（尤其是PAV后）在1700 cm-1附近羰基C=O存在較為明顯的吸收峰，而在原樣瀝青中羰基無明顯吸收峰，同時1030 cm-1附近的亞砜基吸收峰也有比較明顯的變化，其吸光度有著較為明顯的增加。

3　擬合分峰討論

3.1基質瀝青

采用相對吸光度比值以及吸收峰面積比值能夠比較準確地反應瀝青老化過程中官能團的變化情況。對于瀝青在1700 cm-1附近的羰基官能團，由于該官能團吸收峰峰頂較廣且比較平緩，是典型的疊加吸收峰，采用紅外軟件就無法準確分辨1700 cm-1附近的吸收峰。1700 cm-1～1600 cm-1波數內的分峰結果顯示，1600 cm-1附近的吸收峰是瀝青中芳香化合物苯環的骨架振動。

采用Voigt分峰方式對基質瀝青1500 cm-1～1850 cm-1之間的吸光度曲線進行分峰處理。研究表明，分峰1的平均波數是1675.8cm-1位于乙烯基碳碳雙鍵伸縮振動的范圍，分峰2的平均波數是1606.8 cm-1則位于瀝青中芳香族化合物中苯環骨架振動的范圍。統計結果表明，相對吸光度高度比和吸收峰積分面積比的方差以及標準差基本保持同一水平，方差較小。

短期老化及長期老化后的瀝青分峰結果表明，RTFOT后和PAV后的基質瀝青分峰波數1和分峰波數2的吸光度高度比以及積分面積比均有顯著的增加，分峰波數1的變化比較明顯，有增加的趨勢。這表明在老化過程中瀝青中1670 cm-1附近烯烴的-C=C-雙鍵有向著1700 cm-1羰基-C=O-轉化的趨勢，因此分峰波數1會有一定程度的增加；而瀝青中的芳香化合物所含有的苯環在熱氧環境中相對比較穩定，不會發生化學結構的改變，故分峰波數2所代表的1600 cm-1附近的苯環骨架振動也就無明顯改變。

3.2聚磷酸改性瀝青

分峰結果表明，聚磷酸改性瀝青具有較好的抗老化性能。對1600 cm-1～1700 cm-1吸光度曲線進行分峰擬合，不同老化程度瀝青分峰波數的變化可反映該波數范圍內瀝青化學成分的轉變，而采用分峰波數相對吸光度比值以及積分面積比值可區分瀝青的老化程度。本研究表明，聚磷酸的添加能有效改善基質瀝青的抗老化性能。

4　結論

（1）紅外光譜分析結果表明，基質瀝青的主要紅外光譜吸收峰位主要位于2923 cm-1，2854 cm-1，1606 cm-1，1458 cm-1，1375 cm-1，1034cm-1。

（2）聚磷酸改性瀝青較基質瀝青在經歷了長期老化后老化程度更低，表現出了更優越的抗老化性能。

[1]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]郝飛.多聚磷酸改性瀝青及其混合料技術性能研究(碩士學位論文)[D].西安:長安大學,2012.

[3]張銘銘.多聚磷酸改性瀝青微觀結構及技術性能研究(碩士學位論文)[D].西安:長安大學,2012.

[4]曹曉娟，張振興，郝培文，等.多聚磷酸對瀝青混合料高低溫性能影響研究[J].武漢理工大學學報.2014,36(06):47-53.