改性瀝青SBS含量快速測(cè)定方法及應(yīng)用研究

史文秀

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司) 太原市 030032)

0 引言

近年來,隨著道路工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)過程中對(duì)瀝青質(zhì)量檢測(cè)要求不斷提高,在施工現(xiàn)場(chǎng)要對(duì)瀝青質(zhì)量進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)和評(píng)價(jià)。研究人員從分子結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青性能進(jìn)行分析,以微觀領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合,利用衰減全反射紅外光譜技術(shù),對(duì)瀝青紅外光譜圖進(jìn)行比對(duì)分析,從而實(shí)現(xiàn)了道路石油瀝青質(zhì)量的定性和定量分析[1]。

瀝青紅外光譜檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析。陳穎娣等[2]利用該技術(shù),對(duì)不同結(jié)構(gòu)SBS改性劑制備的改性瀝青進(jìn)行紅外光譜測(cè)試,發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青紅外光譜圖中仍存在SBS的-C=C-振動(dòng)吸收峰,表明SBS改性瀝青在融合過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng),只是進(jìn)行了物理改性,形成了新的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。國(guó)外研究人員Melendez等[3]應(yīng)用衰減全反射傅里葉紅外光譜結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析,研究出了8個(gè)化學(xué)計(jì)量學(xué)模型,可實(shí)現(xiàn)對(duì)原油組分含量的測(cè)定,多次重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),數(shù)學(xué)模型的相關(guān)性系數(shù)高達(dá)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(duì)SBS改性瀝青紅外光譜中特征峰的峰位、峰型、峰面積進(jìn)行分析研究,確定SBS改性瀝青中SBS改性劑的含量,實(shí)現(xiàn)SBS改性瀝青質(zhì)量的快速檢測(cè)。該技術(shù)在工程實(shí)踐中進(jìn)行了驗(yàn)證,解決了SBS改性瀝青質(zhì)量的快速檢測(cè),確保原材料的合格供應(yīng),可為工程建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)采集

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

(1)試驗(yàn)設(shè)備:借鑒國(guó)際、行業(yè)內(nèi)其他省份有關(guān)紅外光譜分析道路瀝青的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析。ATR-FTIR采集樣品時(shí)制樣簡(jiǎn)單,對(duì)樣品無破壞、可實(shí)現(xiàn)原位測(cè)試[4],且具有檢測(cè)靈敏度高的特點(diǎn)。

(2)試驗(yàn)材料:基質(zhì)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(zhì)瀝青發(fā)生了改變,提高了瀝青的高低溫性能和彈性恢復(fù)性能,其中高溫性能的改善尤其明顯。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),國(guó)內(nèi)改性瀝青中SBS含量一般為2%～6%,試驗(yàn)過程中制備6個(gè)不同摻量的SBS改性瀝青。

(1)稱取基質(zhì)瀝青約500g至加熱容器中,將基質(zhì)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(jù)稱取基質(zhì)瀝青的質(zhì)量,采用內(nèi)摻法計(jì)算改性瀝青中SBS的含量。

(3)緩慢摻入SBS改性劑,開始時(shí)先采用低速攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。

(4)將SBS改性瀝青加熱至170～180℃,然后更換高速剪切機(jī),剪切轉(zhuǎn)速為4000～5000r/min,剪切40min至SBS改性劑與基質(zhì)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(fā)育2h后,冷卻至室溫待用。

1.3 樣品的采集

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

(2)瀝青薄膜試樣制備:將處于半固體狀態(tài)的瀝青樣品轉(zhuǎn)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(cè)樣品的紅外光譜圖。

2 試驗(yàn)結(jié)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(lián)作用消失,降溫后又恢復(fù)具有橡膠彈性。在SBS改性瀝青中,基質(zhì)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(shí)現(xiàn)SBS改性瀝青的定性分析。基質(zhì)瀝青、SBS改性劑、改性瀝青在4000～650cm-1的譜圖見圖1。

圖1 基質(zhì)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(guān)資料[4],可以得出:2800～3000cm-1吸收峰為飽和烷烴C-H鍵振動(dòng)引起;1377cm-1處的吸收峰為芳香族化合物中-CH3的剪式振動(dòng)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(tuán)沒有因?yàn)榕c基質(zhì)瀝青的融合而發(fā)生變化,因此,SBS改性劑摻入到基質(zhì)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(jù)。

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(jù)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(zhì)瀝青的特征吸收峰。在OMNIC軟件中,將采集的紅外圖譜縱坐標(biāo)透過率(T)轉(zhuǎn)化為吸光度(A),分析和讀取特征峰的峰面積S966和S1377后進(jìn)行計(jì)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(cè)量966cm-1、1377cm-1處的特征吸收峰的峰面積,計(jì)算兩個(gè)特征吸收峰的峰面積比值A(chǔ),得出表1。

表1 不同含量SBS改性瀝青峰面積及計(jì)算

利用回歸分析法建立SBS含量與峰面積比值的關(guān)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(guān)系數(shù)R2= 0.9938,線性關(guān)系良好。

圖4 SBS改性瀝青回歸方程圖

2.3 定量分析結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證SBS改性瀝青定量分析模型的可靠性,對(duì)SBS改性劑含量為4.3%的改性瀝青進(jìn)行10次重復(fù)性試驗(yàn),得到10個(gè)峰面積比值,計(jì)算平均A值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。并將峰面積比A值帶到定量分析模型中,驗(yàn)證分析模型的準(zhǔn)確性。驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

表2 SBS含量為4.3%的SBS改性瀝青結(jié)果驗(yàn)證

由定量分析模型計(jì)算得出:實(shí)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(cè)試結(jié)果的平均值為0.194,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0086。測(cè)試樣品平均A值換算SBS含量為4.27%,實(shí)際SBS含量與測(cè)試SBS含量的絕對(duì)誤差為0.03%,數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。由此表明,采用該方法測(cè)得的SBS改性劑含量定量分析模型可靠,可用于實(shí)體工程的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

3 實(shí)體工程應(yīng)用

某高速公路路面施工過程中,采用紅外光譜法對(duì)改性瀝青進(jìn)行了質(zhì)量監(jiān)測(cè)。檢測(cè)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(cè)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(cè)要求。抽檢過程中測(cè)得的改性劑含量偏高或者偏低,可能是由于生產(chǎn)過程中改性劑添加不夠或過量導(dǎo)致,也可能是由于局部混合不均勻?qū)е隆＜t外光譜快速檢測(cè)與瀝青物理性指標(biāo)檢測(cè)相結(jié)合,為瀝青原材料質(zhì)量上了“雙保險(xiǎn)”。

4 結(jié)論與展望

改性瀝青SBS含量快速測(cè)定方法從瀝青微觀結(jié)構(gòu)出發(fā),通過對(duì)SBS改性瀝青紅外光譜的分析,建立了定性分析模型,并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。抽檢樣品SBS改性劑含量超出誤差范圍,檢測(cè)單位可及時(shí)匯報(bào)施工單位,同時(shí)結(jié)合瀝青三大指標(biāo),檢測(cè)人員可對(duì)是否入罐使用提出意見和建議,實(shí)現(xiàn)了工地實(shí)驗(yàn)室和施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)SBS改性瀝青質(zhì)量的快速檢測(cè)和監(jiān)控。