基于紅外光譜法的瀝青老化性能研究

（1.中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院，北京 100195）

瀝青生產(chǎn)和用量的不斷增加，已作為國家公路發(fā)展的重要標(biāo)志之一。瀝青廣泛用于我國經(jīng)濟(jì)的各個(gè)重大工程[1]，但它在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，使得瀝青的性能下降，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)各種路用病害，影響了其服務(wù)性能和使用壽命。紅外光譜法是有機(jī)物定性、定量分析應(yīng)用較為廣泛的方法，已有不同學(xué)者利用紅外光譜技術(shù)對(duì)瀝青老化進(jìn)行了研究，成果眾多，為瀝青老化機(jī)理研究和結(jié)構(gòu)表征奠定了基礎(chǔ)[2，3]。

本文模擬不同老化時(shí)間下的不同瀝青，研究其紅外譜圖的變化規(guī)律，選取羰基峰的相對(duì)面積來評(píng)價(jià)不同瀝青的老化性能；進(jìn)一步擬合瀝青老化時(shí)間與峰面積的關(guān)系，旨在為紅外光譜技術(shù)在路用瀝青抗老化性能研究中提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

選取瑪瑞90 號(hào)A 級(jí)和鎮(zhèn)海90 號(hào)A 級(jí)兩種不同產(chǎn)地的道路石油瀝青作為研究對(duì)象。試驗(yàn)選取的基質(zhì)瀝青具體性質(zhì)如表1所示。

1.2 老化試樣的制備

本研究采用薄膜烘箱試驗(yàn)，在163 ℃下，對(duì)兩種瀝青樣品加熱5 h、10 h、15 h，采用此試驗(yàn)方式得到3 種不同老化時(shí)間的瀝青樣品，取出試樣進(jìn)行紅外光譜采集，考察其瀝青羰基吸收峰的變化。

1.3 瀝青紅外光譜采集

本研究采用美國賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)的Nicolet iS5 紅外光譜儀，利用紅外光譜測(cè)試瀝青老化后的試樣，測(cè)試范圍1 720 ～1 660 cm-1，得到兩種瀝青標(biāo)準(zhǔn)的紅外譜圖和不同老化時(shí)間下的紅外譜圖。

表1 基質(zhì)瀝青的基本性質(zhì)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同老化時(shí)間紅外光譜圖分析

為了提高解析圖譜，把瀝青的紅外光譜按照波數(shù)范圍分為四大峰區(qū)[4]。本文測(cè)試了兩種不同產(chǎn)地瀝青的紅外光譜，選取1 700 cm-1左右羰基吸收峰為瀝青的老化特征峰，其圖譜如圖1、圖2所示。

圖1 瑪瑞90 號(hào)基質(zhì)瀝青紅外光譜

圖2 鎮(zhèn)海90 號(hào)基質(zhì)瀝青紅外光譜

從圖1和圖2紅外光譜圖可以看出，兩種瀝青樣品均隨著老化時(shí)間的增加，位于1 700 cm-1處的羰基峰面積不斷增大，由于瀝青老化過程中的C=C 鍵斷裂并與氧氣反應(yīng)生成羰基，并且老化程度越大，羰基峰面積變化越大。

2.2 不同瀝青老化程度對(duì)比分析

分別對(duì)兩種瀝青樣品羰基峰面積進(jìn)行校正。選取1 720 ～1 660 cm-1的羰基吸收峰為老化瀝青特征峰，選取基質(zhì)瀝青峰面積為內(nèi)部參照峰。使用OMNIC 軟件測(cè)定峰面積，并按照公式（1）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，從而進(jìn)行定量的老化分析。

式中：A—羰基相對(duì)峰面積；

AC=O—羰基吸收峰；

Aall—瀝青全波長吸收峰。

處理后的相對(duì)峰面積如表2所示。圖1、圖2放大后如圖3、4 所示。

圖3 瑪瑞90 號(hào)基質(zhì)瀝青羰基吸收峰紅外譜圖

圖4 瑪瑞90 號(hào)基質(zhì)瀝青羰基吸收峰紅外譜圖

表2 不同瀝青羰基吸收峰面積計(jì)算

從圖3和圖4可以看出，兩種瀝青在相同老化時(shí)間下，羰基吸收峰面積不同，其老化程度不同。采用校正后的羰基峰面積來進(jìn)行老化定量分析，從表2可以看出，瀝青羰基吸收峰峰面積隨著時(shí)間的增加而增大；但是兩種瀝青樣品在相同老化時(shí)間下表現(xiàn)出的老化程度不一樣，即羰基吸收峰面積增長幅度不同。參考表1中的針入度比，鎮(zhèn)海瀝青針入度比更小，更容易發(fā)生老化，這與瀝青紅外光譜的結(jié)果是一致的。

如圖5、6 所示，以瀝青老化時(shí)間t 為橫坐標(biāo)，瀝青羰基吸收峰面積為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合，即可結(jié)合瀝青的紅外光譜圖判斷不同瀝青老化程度。

圖5 瑪瑞90 號(hào)基質(zhì)瀝青老化程度曲線

圖6 鎮(zhèn)海90 號(hào)基質(zhì)瀝青老化程度曲線

由圖5和圖6可以看出，不同瀝青老化時(shí)間和羰基吸收峰面積具有線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2≥0.90。由此，可根據(jù)瀝青紅外光譜圖計(jì)算其羰基吸收峰面積，進(jìn)而可判斷相同瀝青在不同時(shí)間下的老化程度，以及不同瀝青相同時(shí)間下的老化程度。

3 結(jié)論

通過模擬瀝青老化試驗(yàn)，分析了不同老化時(shí)間下紅外光譜的特點(diǎn)，建立了羰基吸收峰面積與老化時(shí)間的關(guān)系，定量分析了兩種瀝青的抗老化性能。研究分析可以得出以下結(jié)論：

a）羰基官能團(tuán)可作為瀝青老化過程的表征參數(shù)之一，其峰面積越大，老化程度越嚴(yán)重。

b）利用紅外光譜不僅可以對(duì)羰基進(jìn)行定量分析，而且也可通過擬合老化程度曲線測(cè)定瀝青老化程度，從而更好地表征其抗老化性能。

c）用紅外光譜法進(jìn)行瀝青老化機(jī)理研究不僅具有分析檢測(cè)迅速、人為試驗(yàn)誤差小，且具備測(cè)試精度高的優(yōu)點(diǎn)，可為瀝青抗老化性能研究及質(zhì)量控制推廣應(yīng)用提供參考。