基于FT-IR譜圖分區(qū)的彩色瀝青性能對比分析

徐 鵬，陳華鑫，牛冬瑜，郭彥強(qiáng)，樊 濤

1)長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710061；2)西安公路研究院，陜西西安 710065

熱熔型彩色瀝青越來越多地用于公交車道及城市景觀道路，并逐漸用于等級公路．常見熱熔型彩色瀝青主要由石油樹脂、輕質(zhì)油分及改性劑等共混制備而成，與傳統(tǒng)道路石油瀝青的生產(chǎn)工藝完全不同．因此，彩色瀝青的微觀結(jié)構(gòu)組成及性能是否與傳統(tǒng)的道路石油瀝青相似，能否滿足工程耐久性亟待研究．傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR)是最常用的瀝青分析方法之一，能表征瀝青的官能團(tuán)及其變化．官能團(tuán)是決定有機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)的原子或原子團(tuán)[1]．近年來FT-IR方法用于瀝青研究的相關(guān)成果主要集中在道路石油瀝青及SBS改性瀝青老化前后官能團(tuán)的變化及改性劑含量的定量分析，對瀝青的微觀結(jié)構(gòu)組成分析及性能評價起到了重要作用，但幾乎未見彩色瀝青的相關(guān)研究成果[2-3]．為正確認(rèn)識彩色瀝青與傳統(tǒng)瀝青材料的結(jié)構(gòu)組成及性能差異，指導(dǎo)彩色瀝青的生產(chǎn)及應(yīng)用，彩色瀝青的主要官能團(tuán)特性以及彩色瀝青老化前后官能團(tuán)的衰變規(guī)律亟待研究．本研究基于FT-IR試驗(yàn)，對比彩色瀝青與道路石油瀝青的主要官能團(tuán)及老化前后官能團(tuán)的變化，分析瀝青4組分及常規(guī)性能，探索彩色瀝青的微觀組成及宏觀性能．

1 原材料

試驗(yàn)選用工程中常見的彩色瀝青CA70、CA90和道路石油瀝青A70、A90. 彩色瀝青為自行制備產(chǎn)品，道路石油瀝青為瀝青庫取樣，均在實(shí)際工程中使用，具有代表性. 其主要技術(shù)指標(biāo)如表1．

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法及評價指標(biāo)

采用Avatar360E.S.P.型傅立葉變換紅外光譜儀，通過液膜法制樣，在400～4 000 cm-1的范圍內(nèi)采用衰減全反射紅外對試樣進(jìn)行測試，并采用基線法計算峰的面積．

瀝青常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)包括瀝青的針入度、軟化點(diǎn)及延度3大指標(biāo)試驗(yàn)；短期老化試驗(yàn)采用瀝青薄膜加熱試驗(yàn)[4-5]．采用溶劑沉淀及色譜柱法進(jìn)行瀝青的4組分分析[5]．

3 結(jié)果與討論

3.1 彩色瀝青與道路石油瀝青的FT-IR圖譜

3.1.1 彩色瀝青與道路石油瀝青FT-IR結(jié)果

圖1 彩色瀝青與道路石油瀝青的FT-IR譜圖Fig.1 FT-IR spectra of road petroleum asphalt and colored asphalt

瀝青類型指紋區(qū)相對面積650～920920～1160特征區(qū)相對面積1160～17001700～3100A90129113220894937A70121411721804681CA9064417915984180CA7055019219344273

結(jié)合表2峰值面積計算結(jié)果可知，彩色瀝青和道路石油瀝青相比，兩個特征區(qū)主要峰形表現(xiàn)一致，無明顯差異，而指紋區(qū)區(qū)別較大．650～920 cm-1范圍道路石油瀝青面積約為彩色瀝青的2倍，而920～1 160 cm-1范圍彩色瀝青面積約為道路石油瀝青的2倍．

3.1.2 短期老化后彩色瀝青與道路石油瀝青的FT-IR結(jié)果

圖2 彩色瀝青與道路石油瀝青短期老化后的FT-IR圖Fig.2 FT-IR spectra of road petroleum asphalt and colored asphalt after short-term aging

瀝青類型指紋區(qū)相對面積650～920920～1160特征區(qū)相對面積1160～17001700～3100A90177614328536588A70160918218775328CA9064624216314122CA7093429018805310

3.2 老化后彩色瀝青和道路石油瀝青衰變

彩色瀝青和道路石油瀝青短期老化后FT-IR分區(qū)相對面積衰變率見表4，組分的變化率見表5，常規(guī)性能指標(biāo)的變化率見表6．

由表4至表6可知，短期老化后，彩色瀝青和道路石油瀝青的老化呈現(xiàn)出基本相似的變化規(guī)律．瀝青紅外光透射率有一定程度提高，組分比例發(fā)生變化，芳香分含量明顯減少，樹脂含量增加，瀝青變硬，針入度降低到老化前的60%～75%，基質(zhì)瀝青延度值下降至老化前的30%左右，彩色瀝青延度下降到老化前的70%左右[12-14]．

表4 彩色瀝青與道路石油瀝青短期老化后的FT-IR分區(qū)面積衰變率Table 4 FT-IR partition contrast for road petroleum asphalt and colored asphalt before & after short-term aging %

表5 彩色瀝青與道路石油瀝青短期老化后的組分變化率Table 5 Changing ratio of road petroleum asphalt & colored asphalt components before & after short-term aging %

表6 彩色瀝青與道路石油瀝青短期老化后的性能變化率Table 6 Performance changing ratio of road petroleum asphalt & colored asphalt before & after short-term aging %

瀝青的老化是瀝青分子中活性基團(tuán)裂解產(chǎn)生的自由基與氧反應(yīng)的自氧化過程．瀝青的雙鍵在氫過氧化物的作用下與硫醇官能團(tuán)反應(yīng)生成硫醚官能團(tuán)，瀝青中的硫醚、硫醇官能團(tuán)被氧化成亞砜官能團(tuán)[15-16]．瀝青在短期老化前便在1 030 cm-1處出現(xiàn)了較弱的亞礬官能團(tuán)，這與瀝青本身是一個混合物以及瀝青在使用過程中的加熱有關(guān)，經(jīng)過老化后其峰更加尖銳．此外瀝青中的不穩(wěn)定成分在老化過程中易發(fā)生分解，轉(zhuǎn)化生成含碳基官能團(tuán)的組分，瀝青中的烷烴、烯烴支鏈以及芳香苯環(huán)等指紋區(qū)的相關(guān)官能團(tuán)的變化多是此因素造成的[17]．

綜上所述，老化后彩色瀝青指紋區(qū)面積的變化與瀝青的組分變化及性能衰變相關(guān)，研究彩色瀝青指紋區(qū)與性能變化規(guī)律對進(jìn)一步研究和評價其性能具有現(xiàn)實(shí)意義．

4 結(jié) 論

1)彩色瀝青與道路石油瀝青的主要官能團(tuán)相同，峰值變化主要集中在兩個區(qū)域：1 160～3 100 cm-1特征區(qū)，主要是環(huán)烷烴和烷烴的C—H鍵伸縮振動及—CH3和—CH2—面內(nèi)伸縮振動的結(jié)果；650～1 160 cm-1指紋區(qū)，主要是烷烴、烯烴支鏈以及苯環(huán)外面不同的C—H鍵彎曲震動的結(jié)果．

2)彩色瀝青和道路石油瀝青的特征區(qū)主要峰值老化前后表現(xiàn)一致，無明顯規(guī)律；指紋區(qū)區(qū)別較大；650～920 cm-1范圍道路石油瀝青面積約為彩色瀝青的2倍，而920～1 160 cm-1范圍彩色瀝青面積約為道路石油瀝青的2倍．

3)短期老化后，瀝青紅外光透射率有一定程度增加，組分比例發(fā)生變化，針入度降低，延度值下降；彩色瀝青指紋區(qū)的衰變與瀝青的常規(guī)性能及組分變化相關(guān)；研究彩色瀝青指紋區(qū)、組成及性能的關(guān)系，有助于從微觀結(jié)構(gòu)行為上進(jìn)一步分析其性能衰變行為．

/

[1] MARSAC P, PIERARD N, POROT L, et al．Potential and limits of FT-IR methods for reclaimed asphalt characterization[J]. Materials and Structures, 2014, 47(8)：1273-1286.

[2] LI P, DING Z, ZOU P, et al. Analysis of physicochemical properties for crumb rubber in process of asphalt modification[J]. Construction and Building Materials, 2017, 138: 418-426.

[3] 蔡 健，石鵬程，韓靜云，等．基于FT-IR的改性瀝青中SBS含量精確測試研究[J]．公路，2016，61(3)：176-181．

CAI Jian, SHI Pengcheng, HAN Jingyun, et al. Measurement and analysis of SBS content for modified asphalt based on FTIR[J]. Highway, 2016, 61(3): 176-181.(in Chinese)

[4] CJJ/T 218—2014 城市道路彩色瀝青混凝土路面技術(shù)規(guī)程[S]．

CJJ/T 218—2014 Technical specification for colored asphalt concrete pavement of urban road[S].(in Chinese)

[5] JTG E20—2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S]．

JTG E20—2011 Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering[S].(in Chinese)

[6] 龐 琦，孫國強(qiáng)，孫大權(quán)．FT-IR在瀝青熱氧老化研究中的應(yīng)用[J]．石油瀝青，2016，30(3)：54-60．

PANG Qi, SUN Guoqiang, SUN Daquan. Application of Fourier transforms infrared spectroscopy for the research on thermo oxidative aging of asphalt[J]. Petroleum Asphalt, 2016, 30(3): 54-60.(in Chinese)

[7] 李煒光，段炎紅，顏錄科，等．利用石油瀝青紅外光譜圖譜特征測定瀝青的方法研究[J]．石油瀝青，2012，26(4)：9-14．

LI Weiguang, DUAN Yanhong, YAN Luke, et al. Study on measuring method of asphalt using infrared spectrum characteristic of petroleum pitch[J]. Petroleum Asphalt, 2012, 26(4): 9-14.(in Chinese)

[8] 徐志榮，陳忠達(dá)，常艷婷，等. 改性瀝青SBS含量的紅外光譜分析[J]．長安大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2015，35(2)：7-12．

XU Zhirong, CHEN Zhongda, CHANG Yanting, et al. Application of infrared spectroscopy to detect the dosage of SBS in modified asphalt[J]. Journal of Chang’an University Natural Science, 2015, 35(2): 7-12.(in Chinese)

[9] 陳靜云，邱隆亮．SBS改性瀝青老化與再生機(jī)理的紅外光譜[J]．沈陽建筑大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2012，28(5)：859-864.

CHEN Jingyun, QIU Longliang. Analysis of the mechanism of aging and regeneration of SBS modified asphalt based on the infrared spectrum[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University Natural Science, 2012, 28(5): 859-864.(in Chinese)

[10] 李 晶，劉 宇，張肖寧. 瀝青老化微觀機(jī)理分析[J].硅酸鹽通報，2014，33(6)：1275-1281.

LI Jing, LIU Yu, ZHANG Xiaoning. Microscopic analysis on the aging mechanism of asphalt[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2014, 33(6): 1275-1281.(in Chinese)

[11] FENG Z, BIAN H, LI X, et al. FT-IR analysis of UV aging on bitumen and its fractions[J]. Materials and Structures, 2016, 49(4): 1381-1389.

[12] 萬 淼，吳少鵬，王子鵬，等．基于組分揮發(fā)與基團(tuán)變化的瀝青老化機(jī)制研究[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報交通科學(xué)與工程版，2017，41(4)：673-677．

WAN Miao, WU Shaopeng, WANG Zipeng, et al. Investigation on bitumen ageing mechanism by components volatilization and functional group changes[J]. Journal of Wuhan University of Technology Transportation Science & Engineering, 2017, 41(4): 673-677.(in Chinese)

[13] MOUILLET V F F, CHAILLEUX E. Evolution of bituminous mix behavior submitted to UV rays in laboratory compared to field exposure[J]. Materials and Structures, 2014, 47(8): 1287-1299.

[14] 尹 麒．SBS改性瀝青熱老化過程中四組分變化規(guī)律研究[J]．化學(xué)工程與裝備，2013(7)：18-20．

YI Qi. Study on the changing law of four components of SBS modified asphalt in the process of thermal aging[J]. Chemical Engineering & Equipment, 2013(7): 18-20.(in Chinese)

[15] 秦利萍．基于紅外光譜分析方法的瀝青老化機(jī)理研究[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化,2011(15)：75-79．

QIN Liping. Reclaimed mechanism of aging asphalt based on infrared spectrum method[J]. Transport Standardization, 2011(15): 75-79.(in Chinese)

[16] GAO Y, GU F, ZHAO Y. Thermal oxidative aging characterization of SBS modified asphalt[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Material Science, 2013, 28(1): 88-91.

[17] 陳華鑫，賀孟霜，紀(jì)鑫和，等．瀝青性能與瀝青組分的灰色關(guān)聯(lián)分析[J]．長安大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2014，34(3)：1-6．

CHEN Huaxin, HE Mengshuang, JI Xinhe. Gray correlation analysis of sphalt performance and four fractions[J]. Journal of Chang’an University Natural Science, 2014, 34(3): 1-6.(in Chinese)