基于FTIR 的公路瀝青老化特性建模分析

楊 博

( 開封市建筑工程質量監督站，河南開封 475004)

瀝青是應用于公路路面的重要材料之一，在瀝青存儲與施工過程中，由于氧氣以及高溫作用，使得瀝青容易出現熱氧老化情況，影響瀝青的使用性能［1-2］。瀝青作為路面使用時，同樣受到氧化反應。因此，部分研究學者通過添加抗老化劑的方式提升瀝青的抗老化性能。

公路的瀝青路面養護受到眾多人們重視，公路養護和維修是公路研究學者的主要研究方向［3］。高效與經濟維護瀝青路面，令公路快速恢復正常通行，保障車輛行駛過程中的舒適性以及安全性是研究人員的研究重點［4-6］。瀝青老化性能預測為提升瀝青的應用性能提供理論依據［7-8］。瀝青老化過程中受到眾多因素影響，氧氣是造成瀝青老化變質的重要原因。氧氣與瀝青形成的氧化反應加劇了瀝青的老化，瀝青結構與瀝青組成同樣影響瀝青的老化性能。

目前針對瀝青老化特性的研究較多，袁東東以及王淋等人分別針對瀝青老化后的黏彈特性以及流變特性進行研究［9-10］，取得一定研究成果。但是通過權重等指標確定路面質量狀況指數，利用所獲取的路面質量狀況指數指導路面養護與維修。路面出現局部結構性破壞嚴重時，容易造成路面性能受到損害。傅氏變換紅外光譜（FTIR）技術是目前應用較為普遍的光譜測試方法，將FTIR 技術應用于瀝青特征官能團分析中，具有方便快捷以及精準度高的特點，FTIR 技術可有效分析瀝青的抗老化性能。

基于以上研究成果，研究基于FTIR 的公路瀝青老化特性建模分析，利用灰色關聯熵分析方法建立瀝青老化特性分析模型，利用所建立模型確定瀝青的老化特性，為瀝青在公路中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取常應用于公路中的埃索70# 基質瀝青作為研究對象，基質瀝青物理性能見表1。

表1 基質瀝青的物理性能Table 1 Physical properties of matrix asphalt

選取抗氧劑1076 作為基質瀝青的抗老化劑，該抗氧劑屬于大分子型［11］。制備加入2%、4%、6% 抗氧劑的改性瀝青。抗氧劑質量指標見表2。

表2 抗氧劑質量指標Table 2 Antioxidant quality index

1.2 試驗儀器與試驗方法

選取廣東晟澤科技有限公司的Nicolet Summit 傅里葉變換紅外光譜儀作為試驗儀器。選取瀝青試樣1g，將瀝青試樣溶解于甲苯溶劑中，制備比例為5% 的溶液，利用溴化鉀晶體（KBr）涂片法制備瀝青試樣［12］。完成制備的試樣需置于密封容器內保存于干燥器中。將KBr晶體研磨至粉末狀，通過液壓機將KBr 制備為規則圓形片狀，將完成配比的瀝青與甲苯混合液滴入所制備的KBr 中，直至甲苯溶液完全揮發時完成制備。將KBr 底片作為測試樣品的空白背景［13］，完成制備后掃描所制備的空白背景［14］，將掃描的光譜結果輸入老化特性分析模型中進行分析。

1.3 老化特性分析模型

利用灰色關聯熵分析方法建立公路瀝青老化特性分析模型，模型建立過程如下：

（1）確定參考序列以及比較序列

（2）初值化參考序列以及比較序列

將Yj與Y0序列中的全部列數據分別除以y0(1) 與yj(1)，獲取初值化處理后的參考序列Xj與比較序列X0。

（3）計算灰色關聯系數

灰色關聯系數計算公式如下：

公式(1) 中，μ與分別表示分辨系數以及灰色關聯系數；與分別表示兩極最大差以及兩級最小差。

（4）確定灰熵關聯度

設存在?Xj，j=1,2, …,n，此時x0（k）恒大于等于或恒小于等于xj（k），k=1,2, …,r。

公式（2）中，Ph與Pj分別表示分布密度值以及灰色關聯系數分布映射；存在≥ ，同時Ph=1，此時，0存在灰關聯熵函數如下：

2 結果分析

2.1 軟化點變化

軟化點指的是瀝青受熱軟化而下垂時的溫度，軟化點數值越高，瀝青抗老化性能越強。統計所制備基質瀝青與加入不同抗氧劑瀝青軟化點伴隨老化時間變化，結果如圖1 所示。

圖1 不同老化時間時軟化點變化Fig.1 Change of softening point at different aging time

統計所制備基質瀝青與加入不同抗氧劑瀝青軟化點伴隨老化溫度變化，結果如圖2 所示。

圖2 不同老化溫度時軟化點變化Fig.2 Change of softening point at different aging temperatures

分析圖1、圖2 試驗結果可知，隨著老化時間、老化溫度的增加，樣品軟化點數值提升，加入抗氧劑的瀝青軟化點變化曲線相比于未加入抗氧劑的瀝青提升幅度更大。試驗結果可知，加入抗氧劑的瀝青抗老化性能優于未加入抗氧劑的瀝青。

2.2 FTIR 定性分析

利用FTIR 獲取基質瀝青、抗氧劑以及添加2%抗氧劑后的抗老化改性瀝青紅外光譜結果，如圖3 所示。

企業價值共創體系的價值創造能力可分為基本價值創造能力和可持續價值創造能力兩部分。前者對企業價值共創體系影響很大，是企業生存能力的綜合體現，后者是企業價值共創體系的適應能力、協同感知能力、協同生產能力、未來競爭態勢預測能力的綜合體現。

圖3 紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrogram

由圖3 紅外光譜結果可以看出，加入抗氧劑后的抗老化瀝青的紅外光譜圖中，2685cm-1、1206cm-1以及926cm-1處存在極強的吸收峰情況，其中2685cm-1處的吸收峰強度較大，波峰呈現尖銳形狀。主要原因是瀝青中存在的酚烴基（O-H）伸縮振動情況造成。基質瀝青與加入抗氧劑后的抗老化瀝青在2685cm-1以及926cm-1處的特征吸收峰變化極為明顯。抗老化改性瀝青未出現新吸收峰情況，可知抗氧劑與基質瀝青僅存在物理反應，將抗氧劑加入基質瀝青時，未存在化學反應。紅外光譜圖結果可知，依據加入抗氧劑的抗老化瀝青與基質瀝青在紅外光譜中的變化可明確瀝青的老化特性。

加入不同質量分數的抗氧劑時，所制備瀝青試樣紅外光譜結果如圖4 所示。

圖4 添加不同質量分數抗氧劑瀝青的紅外光譜Fig.4 Infrared spectra of asphalt with different mass fractions AO

圖4 試驗結果可以看出，紅外光譜的波數為2687cm-1以及926cm-1時，酚烴基吸收峰與酯基吸收峰在摻入2%的抗氧化劑時，吸收峰未出現明顯變化；而摻入4% 以及6% 的抗氧化劑后，吸收峰變化明顯。進一步分析，1800cm-1處沒有出現羰基吸收峰，1200cm-1處的亞砜基吸收峰極為明顯。所出現的亞砜基吸收峰與酯基吸收峰伴隨所加入抗氧化劑的分量的提升而更加明顯，酚烴基吸收峰波動強度伴隨所加入抗氧化劑的分量的增加改變較小。

2.3 FTIR 半定量分析

統計瀝青老化過程中的特征官能團指數變化率，結果見表3。

表3 瀝青官能團指數變化率Table 3 Index change rate of asphalt functional groups

由表3 試驗結果可以看出，瀝青存在老化現象后，亞砜基以及芳香官能團指數提升幅度明顯，脂肪族官能團指數未存在明顯波動。加入不同劑量抗氧劑的抗老化瀝青的脂肪族長鏈指數變化較大。綜合分析表3 試驗結果，公路瀝青老化過程中的芳香環通過斷鏈反應以及縮聚反應形成，瀝青老化過程中的吸收峰的峰面積以及峰強有所增加；瀝青老化過程中形成稠芳環，所形成的稠芳環屬于大分子。可見公路瀝青的老化過程中，瀝青漸漸轉化為瀝青質。瀝青老化過程中的化學反應極為復雜，分析瀝青老化特性時，需同時考慮羰基、亞砜基、脂肪族與芳香官能團的變化。

瀝青老化前后的針入度以及延度分析結果如圖5 所示。

圖5 瀝青老化程度分析Fig. 5 Analysis of asphalt aging degree

瀝青呈現老化狀態時，瀝青中所包含的官能團存在差異的變化規律，瀝青中所包含的官能團均具有縮聚和斷鏈等反應。瀝青的老化程度可利用瀝青的氧化反應程度體現，瀝青中官能團的氧化反應相比于化學反應更加明顯，因此計算更加容易。由圖5 試驗結果可以看出，瀝青中包含的亞砜基官能團指數伴隨瀝青老化提升幅度明顯，針入度和延度均有所降低。結果表明瀝青的亞砜基官能團波動與宏觀性能的指標變化存在關聯。

2.4 FTIR 的瀝青老化分析

表4 參考序列與比較序列Table 4 Reference sequence and comparison sequence

無量綱化處理表4 中的數據，處理后的結果見表5。

表5 無量綱化處理結果Table 5 Results of dimensionless treatment

采用所建立模型利用表5 求解灰色關聯系數，求解結果見表6。

表6 灰色關聯系數計算值Table 6 Calculated value of grey correlation coefficient

采用本文模型依據表6 試驗結果獲取分布密度結果，見表7。

表7 分布密度結果Table 7 Distribution density results

所建立分析模型中涉及4 種特征官能團指數，采用本文模型計算灰熵關聯度時，所設置的最大灰熵關聯度為ln4，4 種特征官能團的灰熵關聯度分析結果如圖6 所示。

圖6 灰熵分析結果Fig.6 Grey entropy analysis results

通過圖6 試驗結果可以看出，羰基官能團對公路瀝青老化特性影響較大，芳香族官能團、脂肪族官能團次之，對瀝青老化特性影響最小的是亞砜基官能團。公路瀝青中的膠質、瀝青質等芳香環組分的含量伴隨芳香族官能團指數值的增加而有所增加，芳香族官能團指數值越高時，瀝青具有越高的延度；瀝青的飽和分子含量伴隨脂肪族官能團指數值的增加而增加，脂肪族官能團指數值越高時，瀝青具有越高的針入度。

分析以上試驗結果可知，瀝青的老化特性與瀝青的延度和針入度關聯程度較高。將抗氧劑加入路面瀝青時，應重點考慮瀝青的老化指標，瀝青的老化的物理指標以及化學組分分別體現在延度、針入度以及羰基。

3 結論

瀝青是應用于公路建設中的重要材料，瀝青受到氧氣作用出現老化情況，影響公路的使用性能。研究基于FTIR 的公路瀝青老化特性建模分析，將FTIR 應用于公路瀝青老化特性研究中，得出如下結論。

（1）利用FTIR 分析加入不同抗氧劑后公路瀝青的老化特性，基質瀝青與加入抗氧劑后的抗老化瀝青在2685cm-1以及926cm-1處的特征吸收峰變化極為明顯。

（2）影響公路瀝青老化特性的特征官能團從大到小分別為羰基、芳香族化合物、脂肪族化物以及亞砜基。

（3）瀝青的老化特性與瀝青的延度和針入度關聯程度較高。