調和瀝青的紅外光譜與DSR相關性研究

曹青霞 魏定邦 張國宏 李曉民

（1甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術研究院有限公司，甘肅 蘭州 730203；2甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

動態(tài)剪切流變（DSR）是評價瀝青膠結料高溫和中低溫的性能指標，該試驗反映了表征瀝青粘彈性的兩個重要參數：復數剪切模量（G*）和相位角（δ）[1]。SHRP定義G*/sinδ為車轍因子，用來表征瀝青膠結料抵抗高溫下永久變形的能力。Superpave規(guī)范要求，基質瀝青的老化前G*/sinδ應不小于1.00kPa，RTFOT老化后應不小于2.2 kPa。可見，DSR指標已經有相應的規(guī)范做出規(guī)定，能夠定量表征瀝青的性能，但是與傅里葉紅外變換光譜技術相比，制樣與測試的時間均較長。

傅里葉紅外變換光譜（Fourier Transform Infrared Spectrometer，簡寫為FTIR）技術是分子吸收紅外光波時，分子中原子的振動能級和轉動能級發(fā)生躍遷而產生的吸收光譜。有機化合物的紅外光譜圖是以波數σ（或波長λ）為橫坐標，以透射比T為縱坐標的譜圖，不同的官能團對應的紅外吸收光譜不同，由此可以定性分析新舊瀝青調和前后發(fā)生的變化。紅外光譜具有用時短，定性表征瀝青微觀性能的特點，但是目前沒有相關規(guī)范規(guī)定瀝青官能團與宏觀性能之間的對應關系。

建立調和瀝青G*/sinδ與紅外光譜相關官能團之間的相關關系，可以結合兩者的優(yōu)點，快速、準確的表征調和瀝青的高溫性能，對于選取新瀝青的品牌及添加新瀝青摻量具有指導意義。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

表1 韓國SK90#瀝青性能指標

表2 中海油110#瀝青性能指標

表3 某舊料抽提老化瀝青A的性能指標

表4 某舊料抽提老化瀝青B的性能指標

1.2 試驗方案

1.2.1 老化瀝青

老化瀝青取得步驟如下：

溶劑回收：采用三氯乙烯浸泡獲得瀝青液。將銑刨料裝入可密封容器內，倒入三氯乙烯至沒過銑刨料，密封容器，浸泡30min，將三氯乙烯浸泡瀝青液倒入容量瓶中；

離心分離：采用TDL-5-A大容量離心機分離瀝青液中礦粉；

蒸發(fā)溶劑：采用旋轉蒸發(fā)儀去除瀝青液中三氯乙烯。將瀝青液倒入茄形瓶中，不超過其容量的2/3，打開旋轉蒸發(fā)儀，將水浴溫度設置為35℃，隨著三氯乙烯的減少，逐漸升高水浴溫度至三氯乙烯不再蒸發(fā)[2,3]。

1.2.2 試驗方案

分別采用韓國SK90#、中海油110#瀝青以不同比例與老化瀝青調和，并將新瀝青、調和瀝青、老化瀝青分別進行紅外光譜試驗和動態(tài)剪切流變試驗。對紅外試驗的羰基面積、亞砜基面積與動態(tài)剪切流變試驗的G*/sinδ進行統(tǒng)計，并建立羰基、亞砜基面積與G*/sinδ之間的相關關系。

2 試驗結果分析

2.1 韓國SK90#瀝青調和老化瀝青

2.1.1 紅外光譜分析

試驗采用SK90#瀝青與老化瀝青進行不同比例摻配。相關研究表明，瀝青在老化過程中發(fā)生了自由基反應，在氧氣的參與下，生成了大量的含羰基醛、酮、酯、或羧酸等基團[4,5]。同時，自由基反應的產物氫過氧化物與含硫化合物發(fā)生氧化反應，生成亞砜基。經過新瀝青調和后，老化瀝青性能恢復，其中羰基、亞砜基含量減少。圖1為SK90#瀝青、SK90#：老化瀝青A=2（質量比）、SK90#：老化瀝青A=0.5、老化瀝青A的紅外光譜圖。表4為圖1四種瀝青的羰基、亞砜基面積統(tǒng)計結果。

圖1 韓國SK90#瀝青調和老化瀝青紅外光譜圖

表5 韓國SK90#瀝青調和老化瀝青羰基、亞砜基譜圖面積積分結果

由圖1可見，隨著SK瀝青摻量的增大，調和瀝青的羰基、亞砜基面積呈減小的趨勢，表5數據證實了這一結論。

2.1.2 動態(tài)剪切流變試驗

將不同比例SK90#調和瀝青進行DSR試驗，試驗溫度為64℃、70℃、76℃、82℃，不同溫度下調和瀝青的G*/sinδ如表6所示。

表6 不同溫度下SK90#瀝青調和老化瀝青的G*/sinδ

圖2 SK90#調和羰基～64℃的G*/sinδ相關性

圖3 SK90#調和羰基～70℃的G*/sinδ相關性

由表6可見，隨著SK90#瀝青摻量的增加，調和瀝青的G*/sinδ減小，瀝青發(fā)生了軟化，瀝青性能向新瀝青狀態(tài)恢復。且隨著溫度的升高，四種瀝青的G*/sinδ均減小。

2.1.3 韓國SK90#調和瀝青G*/sinδ與其紅外光譜相關性分析

為了建立SK90#瀝青調和瀝青羰基、亞砜基分別與G*/sinδ之間的相關關系，本文將不同溫度下四種瀝青的G*/sinδ分別與其羰基面積、亞砜基面積進行相關性分析。如圖2-圖5為羰基面積與不同溫度下四種瀝青G*/sinδ的相關曲線。

圖4 SK90#調和羰基～76℃的G*/sinδ相關性

圖5 SK90#調和羰基～82℃的G*/sinδ相關性

圖6 SK90#調和亞砜基～64℃的G*/sinδ

圖7 SK90#調和亞砜基～70℃的G*/sinδ

由圖2-圖5可見，不同溫度下，SK90#瀝青調和老化瀝青的羰基與G*/sinδ之間均呈對數相關，且相關系數均達到0.99以上。

如圖6-圖9為SK90#調和瀝青的亞砜基基面積與不同溫度下四種瀝青G*/sinδ的相關曲線。

圖8 SK90#調和亞砜基～76℃的G*/sinδ

圖9 SK90#調和亞砜基～82℃的G*/sinδ

由圖6-圖9可見，不同溫度下，SK90#瀝青調和老化瀝青的亞砜基與G*/sinδ之間均呈對數相關，且相關系數均達到0.93以上。

2.2 中海油110#瀝青調和老化瀝青

2.2.1 紅外光譜分析

將中海油110#瀝青與老化瀝青按照質量比分別為2和1，進行老化瀝青調和，并對調和瀝青的紅外光譜進行對比分析。圖6為中海油110#瀝青、中海油110#：老化瀝青B=2（質量比）、中海油110#：老化瀝青B=1、老化瀝青B的紅外光譜圖。表7為圖10四種瀝青的羰基、亞砜基面積統(tǒng)計結果。

圖10 中海油110#新瀝青調和老化瀝青紅外光譜圖

表7 中海油110#新瀝青調和老化瀝青羰基、亞砜基譜圖面積積分結果

由圖10可見，隨著中海油110#瀝青摻量的增大，調和瀝青的羰基、亞砜基面積呈減小趨勢，表7數據證實了這一結論。

2.2.2 動態(tài)剪切流變

將不同比例中海油110#調和瀝青進行DSR試驗，試驗溫度為64℃、70℃、76℃、82℃，不同溫度下調和瀝青的G*/sinδ如表8所示。

表8 不同溫度下中海油110#瀝青調和老化瀝青的G*/sinδ

由表8可見，隨著中海油110#瀝青摻量的增加，調和瀝青的G*/sinδ減小，瀝青性能逐漸恢復。隨著溫度的升高，四種瀝青的G*/sinδ均減小。

圖11 中海油110#調和羰基～64℃的G*/sinδ

2.2.3 中海油110#調和瀝青G*/sinδ與其紅外光譜相關性分析

同樣，為了建立中海油110#瀝青調和瀝青羰基、亞砜基分別與G*/sinδ之間的相關關系，本文將不同溫度下四種瀝青的G*/sinδ分別與其羰基面積、亞砜基面積進行相關性分析。如圖11-圖14為羰基面積與不同溫度下四種瀝青G*/sinδ的相關曲線。

圖12 中海油110#調和羰基～70℃的G*/sinδ

圖13 中海油110#調和羰基～64℃的G*/sinδ

圖14 中海油110#調和羰基～70℃的G*/sinδ

圖15 中海油110#調和亞砜基～64℃的G*/sinδ

由圖11-圖14可見，不同溫度下，中海油110#瀝青調和老化瀝青的羰基與G*/sinδ之間均呈對數相關，且相關系數均達到0.98以上。

如圖15-圖18為SK90#調和瀝青的亞砜基基面積與不同溫度下四種瀝青G*/sinδ的相關曲線。

圖16 中海油110#調和亞砜基～70℃的G*/sinδ

圖17 中海油110#調和亞砜基～76℃的G*/sinδ

圖18 中海油110#調和亞砜基～82℃的G*/sinδ

由圖15-圖18可見，不同溫度下，中海油110#瀝青調和老化瀝青的亞砜基與其G*/sinδ之間均呈對數相關，且相關系數均達到0.86以上。

同時，對比羰基和亞砜基與G*/sinδ之間的相關性，發(fā)現(xiàn)羰基與G*/sinδ的相關系數大于亞砜基?？梢?，建立調和瀝青羰基與其G*/sinδ之間的相關關系，對老化瀝青中新瀝青摻量具有指導意義。

2.2.4 兩種不同品牌瀝青調和瀝青之間相關性

從2.1.3、2.2.3可見，SK90#調和瀝青和中海油110#調和瀝青的羰基和亞砜基與其G*/sinδ之間均具有很好的相關關系。為了進一步驗證調和瀝青羰基和亞砜基與其G*/sinδ的相關性，本文將SK90#和中海油110#瀝青的數據一起進行分析。如圖19-圖22為羰基面積與不同溫度下八種瀝青G*/sinδ之間的相關曲線。

圖19 調和瀝青羰基～64℃的G*/sinδ相關性

圖20 調和瀝青羰基～70℃G*/sinδ相關性

圖21 調和瀝青羰基～76℃的G*/sinδ相關性

圖22 調和瀝青羰基～82℃G*/sinδ相關性

由圖19-圖22可見，調和瀝青羰基與不同溫度下的G*/sinδ之間具有很好的線性相關關系，相關系數達到0.94以上。且64℃對應的相關系數最高，為0.96。

如圖23-圖26為SK90#調和瀝青的亞砜基基面積與不同溫度下四種瀝青G*/sinδ的相關曲線。

圖23 調和瀝青亞砜基～64℃的G*/sinδ相關性

圖24 調和瀝青亞砜基～70℃的G*/sinδ相關性

圖25 調和瀝青亞砜基～76℃的G*/sinδ相關性

圖26 調和瀝青亞砜基～82℃的G*/sinδ相關性

由圖23-圖26可見，調和瀝青亞砜基與不同溫度下的G*/sinδ之間具有指數相關關系，相關系數達到0.79以上。且82℃對應的相關系數最高，為0.84。

3 結 語

1）不同溫度下，SK90#瀝青調和老化瀝青的羰基與G*/sinδ之間均呈對數相關，且相關系數均達到0.99以上。中海油110#瀝青調和老化瀝青的羰基與G*/sinδ之間均呈對數相關，且相關系數均達到0.98以上。

2）SK90#瀝青調和老化瀝青的亞砜基與G*/sinδ之間均呈對數相關，且相關系數均達到0.93以上。中海油110#瀝青調和老化瀝青的亞砜基與其G*/sinδ之間均呈對數相關，且相關系數均達到0.86以上。

3）將SK90#瀝青和中海油110#瀝青的紅外光譜與DSR數據綜合分析，發(fā)現(xiàn)調和瀝青羰基與不同溫度下的G*/sinδ之間具有很好的線性相關關系，相關系數達到0.94以上。調和瀝青亞砜基與不同溫度下的G*/sinδ之間具有指數相關關系，相關系數達到0.79以上。且82℃對應的相關系數最高，為0.84。

4）兩種瀝青的羰基與G*/sinδ之間的相關性均高于亞砜基，建立調和瀝青羰基與其G*/sinδ之間的相關性，可以從微觀角度確定新瀝青對老化瀝青的性能恢復程度，從而知道新瀝青的摻量。

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