基于紅外光譜擬合分峰方法的聚磷酸改性瀝青老化行為研究

黃凌輝廣東省南粵交通龍懷高速公路管理中心英懷管理處

基于紅外光譜擬合分峰方法的聚磷酸改性瀝青老化行為研究

黃凌輝
廣東省南粵交通龍懷高速公路管理中心英懷管理處

改性劑對(duì)及基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性是改善瀝青混合料的路用性能的重要方法。本研究通過(guò)FTIR試驗(yàn)來(lái)對(duì)原樣、短期老化及長(zhǎng)期老化后的基質(zhì)瀝青及聚磷酸改性瀝青進(jìn)行分析，結(jié)果表明聚磷酸改性瀝青較基質(zhì)瀝青的抗老化性能更優(yōu)。

瀝青；紅外光譜；老化；聚磷酸

引言

為了改善瀝青混合料的路用性能，改性劑對(duì)及基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性成為了國(guó)內(nèi)外公路修筑的普遍做法。前人研究表明，目前常用的改性劑主要是SBS、SBR及PE等聚合物改性劑[1]。近年來(lái)，人們對(duì)聚磷酸改性劑開(kāi)展了大量的研究及實(shí)踐工作[2-4]，這是因?yàn)樵诨|(zhì)瀝青中加入聚磷酸有助于改善基質(zhì)瀝青的抗老化性能。目前，我國(guó)高速公路進(jìn)入了高速發(fā)展的階段，巨大的維護(hù)費(fèi)用促使人們給予了路面基質(zhì)瀝青抗老化性能的高度關(guān)注。鑒于此，本文通過(guò)傅里葉紅外光譜試驗(yàn)來(lái)對(duì)聚磷酸改性瀝青老化前后的官能團(tuán)進(jìn)行研究及分析，旨在為聚磷酸改性瀝青的深入研究及應(yīng)用提供借鑒。

1　試驗(yàn)材料和方法

所使用的聚磷酸為濃度大于105%的工業(yè)級(jí)聚磷酸，試驗(yàn)方法按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，基質(zhì)瀝青滿足軟化點(diǎn)46.5℃、針入度比66.50%，質(zhì)量損失0.44%等指標(biāo)。對(duì)基質(zhì)瀝青中摻加0.75%聚磷酸進(jìn)行改性，改性工藝為加熱基質(zhì)瀝青到130～140℃，再加入聚磷酸，攪拌20min。

分別對(duì)基質(zhì)瀝青及聚磷酸改性瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱（縮寫為RTFOT）及壓力老化容器（縮寫為PAV）處理試驗(yàn)，制取短期老化及長(zhǎng)期老化試驗(yàn)樣品。實(shí)驗(yàn)用傅立葉變換紅外光譜儀的儀器掃描數(shù)為32，分辨率為2.0cm-1，光譜范圍為4000～400cm-1，采用ATR全反射模式進(jìn)行試驗(yàn)。

2　 FTIR分析

紅外光譜分析結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青的主要紅外光譜吸收峰位主要位于2923 cm-1，2854 cm-1，1606 cm-1，1458 cm-1，1375 cm-1，1034cm-1。基質(zhì)瀝青在2923.18 cm-1和2854.81 cm-1處具有較強(qiáng)的吸收峰，分別為亞甲基的對(duì)稱伸縮振動(dòng)（ns）和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)（nas），因此2923.18 cm-1和2854.81 cm-1處的吸收峰也正是-CH2基的伸縮振動(dòng)。3000 cm-1～3100 cm-1之間無(wú)明顯吸收峰，這說(shuō)明瀝青中僅有少量或者極少量不飽和C-H烴類化合物?；|(zhì)瀝青在1606.06 cm-1處有較強(qiáng)的吸收峰，該吸收峰是苯環(huán)的骨架伸縮振動(dòng)，表明了瀝青中芳烴的存在。指紋區(qū)1800（1300）～900 cm-1中1375.87 cm-1處的吸收峰是甲基-CH3dC-H面內(nèi)對(duì)稱彎曲變形振動(dòng)，1458.62 cm-1處則為亞甲基-CH2dC-H面內(nèi)彎曲變形振動(dòng)。在1034.69 cm-1處的吸收峰為亞砜S=O的振動(dòng)，746.93 cm-1吸收峰為-C-(CH2)n-C-中有n≥4的存在，其余870.13 cm-1和814.32 cm-1處的吸收峰則為芳香烴面外變形振動(dòng)。對(duì)比結(jié)果表明，老化后的瀝青（尤其是PAV后）在1700 cm-1附近羰基C=O存在較為明顯的吸收峰，而在原樣瀝青中羰基無(wú)明顯吸收峰，同時(shí)1030 cm-1附近的亞砜基吸收峰也有比較明顯的變化，其吸光度有著較為明顯的增加。

3　擬合分峰討論

3.1基質(zhì)瀝青

采用相對(duì)吸光度比值以及吸收峰面積比值能夠比較準(zhǔn)確地反應(yīng)瀝青老化過(guò)程中官能團(tuán)的變化情況。對(duì)于瀝青在1700 cm-1附近的羰基官能團(tuán)，由于該官能團(tuán)吸收峰峰頂較廣且比較平緩，是典型的疊加吸收峰，采用紅外軟件就無(wú)法準(zhǔn)確分辨1700 cm-1附近的吸收峰。1700 cm-1～1600 cm-1波數(shù)內(nèi)的分峰結(jié)果顯示，1600 cm-1附近的吸收峰是瀝青中芳香化合物苯環(huán)的骨架振動(dòng)。

采用Voigt分峰方式對(duì)基質(zhì)瀝青1500 cm-1～1850 cm-1之間的吸光度曲線進(jìn)行分峰處理。研究表明，分峰1的平均波數(shù)是1675.8cm-1位于乙烯基碳碳雙鍵伸縮振動(dòng)的范圍，分峰2的平均波數(shù)是1606.8 cm-1則位于瀝青中芳香族化合物中苯環(huán)骨架振動(dòng)的范圍。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，相對(duì)吸光度高度比和吸收峰積分面積比的方差以及標(biāo)準(zhǔn)差基本保持同一水平，方差較小。

短期老化及長(zhǎng)期老化后的瀝青分峰結(jié)果表明，RTFOT后和PAV后的基質(zhì)瀝青分峰波數(shù)1和分峰波數(shù)2的吸光度高度比以及積分面積比均有顯著的增加，分峰波數(shù)1的變化比較明顯，有增加的趨勢(shì)。這表明在老化過(guò)程中瀝青中1670 cm-1附近烯烴的-C=C-雙鍵有向著1700 cm-1羰基-C=O-轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，因此分峰波數(shù)1會(huì)有一定程度的增加；而瀝青中的芳香化合物所含有的苯環(huán)在熱氧環(huán)境中相對(duì)比較穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變，故分峰波數(shù)2所代表的1600 cm-1附近的苯環(huán)骨架振動(dòng)也就無(wú)明顯改變。

3.2聚磷酸改性瀝青

分峰結(jié)果表明，聚磷酸改性瀝青具有較好的抗老化性能。對(duì)1600 cm-1～1700 cm-1吸光度曲線進(jìn)行分峰擬合，不同老化程度瀝青分峰波數(shù)的變化可反映該波數(shù)范圍內(nèi)瀝青化學(xué)成分的轉(zhuǎn)變，而采用分峰波數(shù)相對(duì)吸光度比值以及積分面積比值可區(qū)分瀝青的老化程度。本研究表明，聚磷酸的添加能有效改善基質(zhì)瀝青的抗老化性能。

4　結(jié)論

（1）紅外光譜分析結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青的主要紅外光譜吸收峰位主要位于2923 cm-1，2854 cm-1，1606 cm-1，1458 cm-1，1375 cm-1，1034cm-1。

（2）聚磷酸改性瀝青較基質(zhì)瀝青在經(jīng)歷了長(zhǎng)期老化后老化程度更低，表現(xiàn)出了更優(yōu)越的抗老化性能。

[1]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]郝飛.多聚磷酸改性瀝青及其混合料技術(shù)性能研究(碩士學(xué)位論文)[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2012.

[3]張銘銘.多聚磷酸改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能研究(碩士學(xué)位論文)[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2012.

[4]曹曉娟，張振興，郝培文，等.多聚磷酸對(duì)瀝青混合料高低溫性能影響研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào).2014,36(06):47-53.