改性瀝青SBS含量快速測定方法及應用研究

史文秀

(山西省交通建設工程質量檢測中心(有限公司) 太原市 030032)

0 引言

近年來,隨著道路工程建設和養護過程中對瀝青質量檢測要求不斷提高,在施工現場要對瀝青質量進行快速、準確的檢測和評價。研究人員從分子結構對瀝青性能進行分析,以微觀領域和計算機技術相結合,利用衰減全反射紅外光譜技術,對瀝青紅外光譜圖進行比對分析,從而實現了道路石油瀝青質量的定性和定量分析[1]。

瀝青紅外光譜檢測技術主要應用于基質瀝青和SBS改性瀝青的化學結構分析。陳穎娣等[2]利用該技術,對不同結構SBS改性劑制備的改性瀝青進行紅外光譜測試,發現SBS改性瀝青紅外光譜圖中仍存在SBS的-C=C-振動吸收峰,表明SBS改性瀝青在融合過程中沒有發生化學反應,只是進行了物理改性,形成了新的網狀結構。國外研究人員Melendez等[3]應用衰減全反射傅里葉紅外光譜結合數學統計方法分析,研究出了8個化學計量學模型,可實現對原油組分含量的測定,多次重復試驗發現,數學模型的相關性系數高達0.9以上。

文章利用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜法,通過對SBS改性瀝青紅外光譜中特征峰的峰位、峰型、峰面積進行分析研究,確定SBS改性瀝青中SBS改性劑的含量,實現SBS改性瀝青質量的快速檢測。該技術在工程實踐中進行了驗證,解決了SBS改性瀝青質量的快速檢測,確保原材料的合格供應,可為工程建設提供參考。

1 試驗方法及數據采集

1.1 試驗設備及材料

(1)試驗設備:借鑒國際、行業內其他省份有關紅外光譜分析道路瀝青的相關標準、規范,使用Thermo Fisher公司的Nicole iS 5 FT-IR光譜儀、ATR附件、ZnSe晶體板制樣器、OMNIC軟件進行數據采集及分析。ATR-FTIR采集樣品時制樣簡單,對樣品無破壞、可實現原位測試[4],且具有檢測靈敏度高的特點。

(2)試驗材料:基質瀝青(東海-90),SBS改性劑。

1.2 樣品制備

SBS改性劑的摻入使基質瀝青發生了改變,提高了瀝青的高低溫性能和彈性恢復性能,其中高溫性能的改善尤其明顯。根據實踐經驗,國內改性瀝青中SBS含量一般為2%～6%,試驗過程中制備6個不同摻量的SBS改性瀝青。

(1)稱取基質瀝青約500g至加熱容器中,將基質瀝青加熱至170℃左右。

(2)制作摻量分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的改性瀝青。根據稱取基質瀝青的質量,采用內摻法計算改性瀝青中SBS的含量。

(3)緩慢摻入SBS改性劑,開始時先采用低速攪拌機進行攪拌。

(4)將SBS改性瀝青加熱至170～180℃,然后更換高速剪切機,剪切轉速為4000～5000r/min,剪切40min至SBS改性劑與基質瀝青完全融合。

(5)將制作好的SBS改性瀝青在180℃左右的溫度下發育2h后,冷卻至室溫待用。

1.3 樣品的采集

(1)設備參數:工作條件為溫度16～25℃,相對濕度≤50%;光譜分辨率4cm-1,掃描次數32次。

(2)瀝青薄膜試樣制備:將處于半固體狀態的瀝青樣品轉移到ZnSe晶體板上,冷卻到室溫后,形成厚度約1mm的瀝青薄膜試樣。

(3)紅外光譜圖采集:扣除大氣背景后,采集待測樣品的紅外光譜圖。

2 試驗結果分析

2.1 SBS改性瀝青的定性分析

SBS為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物,常溫下具有橡膠彈性,加熱至一定溫度后,物理交聯作用消失,降溫后又恢復具有橡膠彈性。在SBS改性瀝青中,基質瀝青和SBS改性劑均有特征吸收峰,可以利用SBS特征吸收峰判定瀝青中是否有SBS改性劑的存在,實現SBS改性瀝青的定性分析。基質瀝青、SBS改性劑、改性瀝青在4000～650cm-1的譜圖見圖1。

圖1 基質瀝青、SBS改性劑、改性瀝青在4000～650cm-1譜圖

分析圖1的吸收峰和峰面積,查閱相關資料[4],可以得出:2800～3000cm-1吸收峰為飽和烷烴C-H鍵振動引起;1377cm-1處的吸收峰為芳香族化合物中-CH3的剪式振動吸收峰;966cm-1處吸收峰為SBS改性劑中聚丁二烯-CH=CH-鍵的特征吸收峰。SBS改性瀝青中所含有的聚丁二烯官能團沒有因為與基質瀝青的融合而發生變化,因此,SBS改性劑摻入到基質瀝青中是一種物理融合過程。因此,966cm-1處吸收峰是SBS改性劑的特征吸收峰,為SBS改性劑定性分析的依據。

2.2 SBS改性瀝青的定量分析

分別采集不同SBS摻量的改性瀝青紅外光譜圖。根據朗伯比爾定律,樣品的吸光度A與瀝青中SBS的濃度c成正比。選取966 cm-1處特征吸收峰作為改性瀝青的吸收峰,1377 cm-1處的吸收峰作為基質瀝青的特征吸收峰。在OMNIC軟件中,將采集的紅外圖譜縱坐標透過率(T)轉化為吸光度(A),分析和讀取特征峰的峰面積S966和S1377后進行計算,見圖2、圖3。

圖2 1377 cm-1處吸收峰面積

圖3 966 cm-1處吸收峰面積

采集SBS改性劑含量3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的改性瀝青的紅外光譜圖,測量966cm-1、1377cm-1處的特征吸收峰的峰面積,計算兩個特征吸收峰的峰面積比值A,得出表1。

表1 不同含量SBS改性瀝青峰面積及計算

利用回歸分析法建立SBS含量與峰面積比值的關系式:

A=S966/S1377

利用最小二乘法,將峰面積比A和SBS改性劑含量擬合回歸方程,得到SBS含量的定量分析模型Y= 0.0397X+ 0.0247(X為SBS改性劑含量(%),Y為峰面積比A=S966/S1377),回歸方程圖見圖4,相關系數R2= 0.9938,線性關系良好。

圖4 SBS改性瀝青回歸方程圖

2.3 定量分析結果驗證

為了驗證SBS改性瀝青定量分析模型的可靠性,對SBS改性劑含量為4.3%的改性瀝青進行10次重復性試驗,得到10個峰面積比值,計算平均A值和標準偏差。并將峰面積比A值帶到定量分析模型中,驗證分析模型的準確性。驗證結果如表2所示。

表2 SBS含量為4.3%的SBS改性瀝青結果驗證

由定量分析模型計算得出:實際4.3%SBS含量的SBS改性瀝青,峰面積比A=0.195。由表2可知,4.3%SBS改性劑含量的樣品10次測試結果的平均值為0.194,標準偏差為0.0086。測試樣品平均A值換算SBS含量為4.27%,實際SBS含量與測試SBS含量的絕對誤差為0.03%,數據穩定可靠。由此表明,采用該方法測得的SBS改性劑含量定量分析模型可靠,可用于實體工程的現場檢測。

3 實體工程應用

某高速公路路面施工過程中,采用紅外光譜法對改性瀝青進行了質量監測。檢測過程中,建立了定量分析模型,得到回歸方程Y=0.0363X+0.038(R2=0.992)。檢測SBS改性瀝青30余批次,送檢樣品的改性劑的含量為(4.5±0.2)%,符合SBS改性瀝青原材料的檢測要求。抽檢過程中測得的改性劑含量偏高或者偏低,可能是由于生產過程中改性劑添加不夠或過量導致,也可能是由于局部混合不均勻導致。紅外光譜快速檢測與瀝青物理性指標檢測相結合,為瀝青原材料質量上了“雙保險”。

4 結論與展望

改性瀝青SBS含量快速測定方法從瀝青微觀結構出發,通過對SBS改性瀝青紅外光譜的分析,建立了定性分析模型,并驗證了模型的準確性。抽檢樣品SBS改性劑含量超出誤差范圍,檢測單位可及時匯報施工單位,同時結合瀝青三大指標,檢測人員可對是否入罐使用提出意見和建議,實現了工地實驗室和施工現場對SBS改性瀝青質量的快速檢測和監控。