基于紅外光譜技術(shù)測(cè)定SBS聚合物改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性的方法

楊喜英

(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 030006)

1 測(cè)定SBS聚合物改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性的方法

國(guó)內(nèi)外對(duì)于SBS聚合物改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性的測(cè)定方法為改性瀝青離析試驗(yàn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為離析軟化點(diǎn)差。美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中，分別對(duì)SBS、SBR類聚合物改性瀝青(I型及Ⅳ型，ASTM D 5976、D5892)和EVA類聚合物改性瀝青(Ⅲ型，ASTM D 5841)規(guī)定了不同的離析試驗(yàn)方法。我國(guó)SBS改性瀝青離析試驗(yàn)方法為JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T 0661-2011-聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)，通過(guò)離析軟化點(diǎn)差對(duì)改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于SBS類改性瀝青，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)方法完全按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法編寫。我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)已經(jīng)對(duì)各類改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性離析性能從軟化點(diǎn)這一參數(shù)角度提出了技術(shù)要求。

現(xiàn)行規(guī)范對(duì)SBS聚合物改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性的測(cè)定方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)存在如下局限：

(1)離析軟化點(diǎn)差僅是對(duì)改性瀝青熱儲(chǔ)存后高溫性能差異的評(píng)定，不足以代表改性瀝青其他物理性能及力學(xué)性能的改變，對(duì)于在熱儲(chǔ)存過(guò)程中離析管內(nèi)改性劑與瀝青由交聯(lián)、融合到排斥、離析導(dǎo)致的不同部位其他性能差異目前并沒(méi)有相應(yīng)的指標(biāo)來(lái)反映與評(píng)定。

(2)對(duì)于目前市場(chǎng)上充斥的改性劑含量不合格的改性瀝青，不法商家可以通過(guò)添加輕質(zhì)油分、填料及一些特殊助劑來(lái)改善改性瀝青的高溫性能，滿足改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性軟化點(diǎn)差的技術(shù)要求，但是由于無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)改性劑的含量是否滿足應(yīng)用要求，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)巨大的影響。

SBS聚合物改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性的離析現(xiàn)象本質(zhì)上就是改性瀝青體系出現(xiàn)了改性劑分布不均勻的現(xiàn)象，一般為改性劑上浮導(dǎo)致不同部位改性劑含量發(fā)生了變化。因此，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)體系不同部位的改性劑含量是真實(shí)反映改性瀝青離析現(xiàn)象最有效的手段。SBS屬于苯乙烯類熱塑性彈性體，是苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚不飽和有機(jī)物，紅外光譜技術(shù)作為有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定的重要手段之一，能夠從物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成檢測(cè)SBS不飽和碳?xì)渚酆衔?，其不飽和碳碳雙鍵可以在紅外光譜譜圖中出現(xiàn)特征吸收峰，且SBS改性劑含量不同其特征峰面積不同。所以，可以根據(jù)改性瀝青樣品不同部位改性劑特征峰面積變化來(lái)判斷改性劑含量的變化進(jìn)而反映改性瀝青的離析情況。

本文旨在提供一種基于紅外光譜技術(shù)測(cè)定SBS聚合物改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性的方法。每種物質(zhì)都有其特征紅外光譜，不同品牌和摻量的改性瀝青SBS改性劑的官能團(tuán)是相同的，表現(xiàn)在紅外光譜圖中有對(duì)應(yīng)的特征吸收峰，但是由于SBS的含量不同，特征吸收峰的峰高和峰面積會(huì)出現(xiàn)明顯的差異，其與SBS的含量成正比。SBS改性瀝青紅外譜圖中1377cm-1處的吸收峰為基質(zhì)瀝青芳香族-CH3的特征吸收峰，966cm-1為聚丁二烯CH=CH鍵的SBS改性劑特征吸收峰，由此可以根據(jù)紅外光譜圖中的SBS改性劑特征吸收峰面積與基質(zhì)瀝青特征峰面積之比A966/A1377計(jì)算改性瀝青中SBS聚合物的含量，通過(guò)測(cè)定改性瀝青熱儲(chǔ)存試驗(yàn)后上部和下部瀝青中改性劑的含量的差值，從本質(zhì)上直接表征改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)部分

2.1 儀器與改性瀝青樣品

Nicolet iS5紅外光譜儀(美國(guó) 賽默飛世爾)；改性瀝青為90#A級(jí)殼牌瀝青，摻加5.0%SBS聚合物的改性瀝青。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

調(diào)整儀器狀態(tài)至穩(wěn)定，采用衰減全反射(ATR)附件，將改性瀝青樣品均勻涂抹覆蓋附件上的ZnSn晶體片，利用紅外光譜儀多次反射測(cè)試瀝青薄膜試樣，掃描范圍為4000～650cm-1，掃描次數(shù)32次，分辨率為4cm-1。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.4 SBS聚合物改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)譜圖A值測(cè)定

(1)將已知SBS改性劑劑量為5.0%、基質(zhì)瀝青為90#A級(jí)殼牌瀝青的SBS聚合物改性瀝青樣品加熱到163℃±5℃攪拌均勻。

(2)調(diào)整Nicolet iS5紅外光譜儀狀態(tài)至穩(wěn)定，采用衰減全反射(ATR)附件，將改性瀝青樣品均勻涂抹覆蓋附件上的ZnSn晶體片，根據(jù)確定的試驗(yàn)參數(shù)，利用紅外光譜儀多次反射測(cè)試瀝青薄膜試樣得到紅外光譜圖。將改性瀝青樣品紅外譜圖采用OMNIC處理軟件扣除背景后進(jìn)行一系列分析。

(3)按照步驟(2)試驗(yàn)方法對(duì)改性瀝青樣品進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)3次，分別采集紅外譜圖，采用OMNIC處理軟件對(duì)譜圖進(jìn)行分析，扣除背景后將重復(fù)性測(cè)試紅外譜圖進(jìn)行譜圖的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，取其平均譜圖作為該SBS含量為5.0%的聚合物改性瀝青的標(biāo)準(zhǔn)紅外譜圖，見(jiàn)圖1。

(4)選取SBS改性瀝青紅外譜圖中1377cm-1處的吸收峰為基質(zhì)瀝青芳香族-CH3的特征吸收峰,966cm-1處的吸收峰為SBS改性劑聚丁二烯CH=CH鍵的特征吸收峰，分別積分測(cè)量特征吸收峰面積(S966和S1377)，計(jì)算二者峰面積的比值(A)，作為此已知?jiǎng)┝?5.0%)的 SBS聚合物改性瀝青對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)A值。

2.5 SBS聚合物改性瀝青改性劑含量測(cè)定

(1)將5.0%的SBS聚合物改性瀝青進(jìn)行48h的離析管熱儲(chǔ)存試驗(yàn)(參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T 0661-2011):

①取約50gSBS聚合物改性瀝青樣品過(guò)篩、加熱、攪拌，注入豎立的鋁制盛樣管中；

②將盛樣管口封閉連同架子一起放入163℃±5℃的烘箱中靜放48h±1h；

③加熱結(jié)束后，將盛樣管連支架一起從烘箱中取出，放入冰箱中，保持豎立狀態(tài)不少于4h，待改性瀝青樣品全部固化后將盛樣管從冰箱取出；

④將盛樣管剪成相等的3截，取上部和下部的各1/3試樣分別放入樣品盒或小燒杯中，再放入163℃±5℃的烘箱中融化，取出已剪斷的鋁制盛樣管。

稍加攪拌樣品按照2.4步驟(2)進(jìn)行改性瀝青樣品紅外光譜圖采集。

(2)將5.0%的SBS聚合物改性瀝青樣品上部(見(jiàn)圖2)和下部(見(jiàn)圖3)的紅外光譜圖進(jìn)行OMNIC處理軟件扣除背景后按照2.4步驟(4)分別計(jì)算峰面積的比值A(chǔ)1、A2。

2.6 SBS聚合物改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性判定

計(jì)算5.0%的SBS聚合物改性瀝青樣品上部和下部的改性劑含量差值，Δw%=∣w1%-w2%∣(w1%為SBS聚合物改性瀝青樣品上部改性劑含量，w2%為SBS聚合物改性瀝青樣品下部改性劑含量)。根據(jù)Δw%的值判定5.0%的SBS聚合物改性瀝青樣品熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性：

若△w ≤ 0.2%，說(shuō)明此加熱條件下的改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性良好，基本未發(fā)生離析。

若0.2%<△w≤0.5%，說(shuō)明此加熱條件下的改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性較好，發(fā)生輕度離析。

若0.5%<△ w ≤ 1.0%，說(shuō)明此加熱條件下的改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差，發(fā)生中度離析。

若△w>1.0%，說(shuō)明此加熱條件下的改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性差，發(fā)生重度離析。

經(jīng)計(jì)算該5.0%的SBS聚合物改性瀝青樣品Δw%=|3.64%-6.56%|=2.92%>1.0%，說(shuō)明此加熱條件下的改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性差，發(fā)生重度離析。

3 結(jié)論

從SBS聚合物改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)計(jì)算改性瀝青熱儲(chǔ)存后上部和下部紅外譜圖中改性劑特征吸收峰面積/基質(zhì)瀝青特征吸收峰面積比值，快速精確地測(cè)定改性瀝青上部和下部SBS的含量，從本質(zhì)上直接表征SBS改性瀝青的離析情況，達(dá)到了準(zhǔn)確監(jiān)控SBS改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性的目的。