SBS改性瀝青中SBS含量測試方法研究

孫大權(quán)，張立文

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

SBS改性瀝青優(yōu)良的路用性能已經(jīng)得到廣泛認可并已大量應(yīng)用于高等級公路、機場道面、橋面鋪裝等工程的建設(shè)與養(yǎng)護［1－3］.SBS改性瀝青是基質(zhì)瀝青與聚合物改性劑SBS（苯乙烯－丁二烯嵌段高聚物）的共混物，SBS含量是決定SBS改性瀝青路用性能的重要因素之一［4－5］.為測試SBS改性瀝青中的SBS含量，Diefenderfer［6］提出了以彈性恢復作為SBS含量表征指標，通過建立彈性恢復－SBS含量關(guān)系曲線來推測SBS含量的方法.但SBS含量并不是決定彈性恢復的唯一因素，SBS改性瀝青制備方法、相態(tài)結(jié)構(gòu)、添加劑等因素均對其彈性恢復影響顯著，因此這種方法誤差較大.Bahia［7］，Kim［8］等人以溶解－過濾方法來分析改性瀝青中的聚合物含量，但僅適用于聚合物顆粒較大的橡膠瀝青，同時溶劑種類嚴重影響測試結(jié)果.Loucks等［9］根據(jù)SBS與基質(zhì)瀝青相對分子質(zhì)量的差異，采用凝膠滲透色譜技術(shù)（GPC）分析了改性瀝青中的SBS含量，但瀝青中大分子的瀝青質(zhì)以及在SBS 改性瀝青加工過程中SBS的降解、SBS與瀝青的交聯(lián)同樣影響測試結(jié)果.

SBS含量的準確測定是SBS 改性瀝青生產(chǎn)與應(yīng)用過程中質(zhì)量控制的關(guān)鍵，但目前缺失簡單、快速、準確的測試方法.本文研究了基質(zhì)瀝青、SBS及SBS改性瀝青的紅外光譜特征，分析了SBS含量對SBS改性瀝青特征峰吸收面積的影響，試圖建立基于傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術(shù)的SBS含量測試方法.

1 試驗

1.1 原材料

SBS：韓國錦湖KTR－401，江蘇寶利瀝青股份有限公司提供；基質(zhì)瀝青：韓國SK70號A 級瀝青，江蘇寶利瀝青股份有限公司提供；四氫呋喃：分析純，國藥集化學試劑有限公司生產(chǎn).SBS為聚苯乙烯－聚丁二烯－聚苯乙烯的嵌段聚合物，它的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.SBS和基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標見表1，2.

圖1 SBS聚合物分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of SBS

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標Table 1 Basic properties of base asphalt

表2 SBS基本物理性能指標Table 2 Physical properties of SBS

1.2 SBS改性瀝青樣品制備

將基質(zhì)瀝青加熱至180℃，啟動高速剪切機，分別加入占基質(zhì)瀝青質(zhì)量2%，3%，4%，5%，6%和7%的SBS，在低速狀態(tài)下攪拌5min使SBS均勻分散于瀝青中后，在（180±5）℃，3000r／min條件下剪切40min，制得6種SBS含量的SBS 改性瀝青樣品.

1.3 紅外光譜分析

將基質(zhì)瀝青、SBS和SBS改性瀝青分別完全溶解在四氫呋喃中（外摻，質(zhì)量分數(shù)為10%），滴定到KBr鹽片上，置于70℃烘箱中15min，待溶劑完全揮發(fā)后形成紅外光譜樣品.采用傅里葉變換紅外光譜儀（美國Nicolet 380）進行測試，光譜采集區(qū)間400～4000cm－1，掃描次數(shù)32次，分辨率4cm－1.

2 結(jié)果與討論

2.1 SBS改性瀝青紅外光譜解析

圖2為基質(zhì)瀝青、SBS和SBS改性瀝青的紅外光譜圖.由圖2可見，SBS紅外光譜圖在966，911，699cm－1處出現(xiàn)明顯特征吸收峰，其中966，911cm－1分別為聚丁二烯反式1，4和1，2結(jié)構(gòu)特征吸收峰，而699cm－1處特征吸收峰歸屬于苯乙烯基苯環(huán)單取代峰［10］；基質(zhì)瀝青在810cm－1處出現(xiàn)區(qū)別于SBS的特征吸收峰，歸屬于瀝青芳香族面外振動［11］；SBS改性瀝青紅外光譜為SBS和基質(zhì)瀝青的簡單疊加，在966，699cm－1處保留了明顯的SBS特征吸收峰，可作為SBS定性和定量分析依據(jù).

圖2 基質(zhì)瀝青、SBS和SBS改性瀝青的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of asphalt，SBS and SBS modified asphalt

2.2 SBS改性瀝青特征吸收峰的選擇

表3為不同SBS含量的SBS改性瀝青紅外光譜特征吸收峰面積比測試結(jié)果，其中A966／A810和A699／A810分別代表紅外光譜中966cm－1與810cm－1處、699cm－1與810cm－1處特征吸收峰的面積之比.6種SBS 含量的SBS 改性瀝青其A966／A810和A699／A810的平均變異系數(shù)分別為5.90%和5.86%，表明測試結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性.

分別以A966／A810和A699／A810作為響應(yīng)變量，以SBS含量作為影響因素，進行一維方差分析（顯著性水平α＝0.05），結(jié)果見表4.可見，因素檢驗的顯著性概率P 值均小于預設(shè)的顯著性水平α.由此判斷SBS含量對A966／A810和A699／A810均具有顯著影響.采用TUKEY－KRAMER 方法對影響因素“SBS 含量”的6個水平進行相應(yīng)均值比較，以確定6個水平間均值差異的顯著性（顯著性水平α＝0.05），結(jié)果見表5，6.可見，對于SBS含量為3%與4%，5%與6%以及6%與7%的A966／A810值并無顯著差異，但6個水平的A699／A810值則存在顯著差異.因此選擇A699／A810作為SBS含量的定量分析指標.

表3 不同SBS含量下SBS改性瀝青紅外光譜特征吸收峰面積比Table 3 Area ratio of characteristic absorption peak of modified asphalt with different SBS content

表4 一維方差分析計算結(jié)果Table 4 Results for one－way analysis of variance

2.3 SBS含量定量測試方法

根據(jù)Lambert－Beer定律［12］，在相同的測試條件下，SBS特征吸收峰面積比與其含量成正比.因此可采用標準曲線法來實現(xiàn)改性瀝青中SBS含量的定量測試，即首先對一系列已知SBS含量的改性瀝青標準樣品進行紅外光譜測試，建立特征吸收峰面積比與SBS含量的標準曲線；然后對于未知SBS含量的改性瀝青，在相同試驗條件下測試其特征吸收峰面積比，依據(jù)標準曲線確定其SBS含量.

以A699／A810作為SBS含量定量分析指標，建立A699／A810與SBS 含量的標準曲線，見圖3.可見，A699／A810與SBS含量呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.9983.根據(jù)標準曲線，對SBS含量測試值和實際值進行誤差分析，結(jié)果見表7.SBS含量測試值的最大相對誤差為2.44%，平均相對誤差為1.65%，表明這種測試方法具有較好的準確性.

表5 SBS含量各水平間A966／A810均值比較Table 5 Significance testing for mean value of A966／A810

表6 SBS含量各水平間A699／A810均值比較Table 6 Significance testing for mean value of A699／A810

圖3 A699／A810與SBS含量標準曲線Fig.3 A699／A810standard curve with SBS content

表7 SBS含量測試值和實際值誤差分析Table 7 Error of SBS content between test value and actual value

3 結(jié)論

（1）在顯著性水平α＝0.05條件下，SBS含量對A699／A810具有顯著性影響且不同SBS含量的A699／A810值之間存在顯著差異，A699／A810可作為SBS 含量定量分析指標.

（2）A699／A810與SBS 含量呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，可作為SBS改性瀝青中SBS含量定量測試的標準曲線.

（3）應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)可實現(xiàn)SBS改性瀝青中SBS含量的準確、快速測試.

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