雙控法在SBS改性瀝青質(zhì)量控制中的應用分析

馮英濤

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

目前國內(nèi)瀝青供應市場復雜，存在魚目混珠、以次充好等諸多問題，給公路建設(shè)的質(zhì)量和安全帶來諸多隱患，造成公路瀝青路面早期損害嚴重，增加了后期養(yǎng)護費用。因此，改性瀝青、基質(zhì)瀝青的生產(chǎn)質(zhì)量和技術(shù)水平的控制亟待進一步加強和規(guī)范[1]。

由于目前“三聚氰胺”式的改性瀝青調(diào)配技術(shù)種類繁多，瀝青廠家往往會降低改性劑摻量或者采用外摻價格較為便宜的SBR、廢塑料、廢橡膠粉等作為替代改性劑成分，而對于路面工程則采用了性能不穩(wěn)、摻量不足的“低摻量SBS改性瀝青”，造成路面早期損害嚴重，路面耐久性不足，新建路面早早進入養(yǎng)護修補階段，直接增加了路面建設(shè)成本，若養(yǎng)護又采用改性瀝青材料，則路面質(zhì)量將進入另一個惡性循環(huán)，既造成不良社會影響，又造成另一個層面的國有資產(chǎn)流失。

在實際項目中，建設(shè)單位、施工單位以及質(zhì)監(jiān)部門等各方都明白瀝青材料質(zhì)量對路面工程的重要性，但往往在手段和方法上不能完全杜絕改性瀝青質(zhì)量問題。

上述幾方面說明改性瀝青質(zhì)量缺陷對工程影響巨大，且瀝青監(jiān)控手段及方法較為局限，費時費力，與現(xiàn)在日新月異的改性瀝青技術(shù)相比，較難滿足實際生產(chǎn)施工需求。因此，本文提出一種方便、快速、全過程檢測的方法，對改性瀝青質(zhì)量控制有著重要的意義。

1 雙控法的原理

盡管路面質(zhì)量與材料質(zhì)量、配合比設(shè)計以及施工質(zhì)量等有密不可分的關(guān)聯(lián)，但SBS改性瀝青的質(zhì)量對路面質(zhì)量的影響占有絕對的比重。改性瀝青質(zhì)量有兩個主要影響因素：

(1)改性劑的摻加量是否足夠。改性劑根據(jù)其與基質(zhì)瀝青的相容性為前提，偏多或者偏少都會嚴重影響改性瀝青性能。

(2)剪切溶脹后的分散性。如果改性劑分散不均勻，無法發(fā)揮改性劑的作用，也會嚴重影響改性瀝青性能。

因此，只有同時滿足相容性、摻量和分布情況，所得的改性瀝青才具有質(zhì)量可靠、性能好的特點。針對上述問題，課題組開發(fā)出一種雙控方法對瀝青進行檢測。

第一個控制技術(shù)(簡稱紅外法)：通過紅外光譜對基質(zhì)瀝青的吸收峰位置、波峰強度、特征峰面積等參數(shù)分析后可知基質(zhì)瀝青的功能團是否與基準瀝青樣品一致，同時結(jié)合四組分分析技術(shù)，綜合分析判斷基質(zhì)瀝青是否唯一而未被更換或者勾兌。針對改性劑和基質(zhì)瀝青特征峰差異，通過紅外光譜分析對SBS改性瀝青966 cm-1(SBS改性劑的苯環(huán)與雙鍵等功能團產(chǎn)生)和1 360 cm-1(基質(zhì)瀝青C-CH3的伸縮振動產(chǎn)生)處特征峰面積進行積分處理，確定樣品瀝青的改性劑摻量[2-3]。如圖1所示。

圖1 紅外光譜分析圖

第二個控制技術(shù)(簡稱熒光顯微法)：采用熒光顯微鏡等設(shè)備，通過微觀手段分析改性瀝青加工質(zhì)量。瀝青與改性劑由于分子特性，會選擇性吸收和反射藍光，SBS通過溶脹吸收瀝青中的芳香烴而發(fā)黃光，瀝青相自身不反射光，因此可以清晰分辨SBS相和瀝青相，分析兩者的相容性及分散均勻性情況，判斷改性瀝青加工質(zhì)量狀況。

2 紅外法的定量分析及準確性驗證

2.1 標準曲線繪制

采用瀝青廠家制備成品瀝青所用原材料(瀝青、改性劑、穩(wěn)定劑等)，參照《SBS改性瀝青中改性劑摻量及分布均勻性評價技術(shù)指南》(DBJT45/T 003-2019)制備不同SBS摻量的改性瀝青標準樣品(包括2%、3%、4%、5%、6%)，改性瀝青所用基質(zhì)瀝青為殼牌70#道路石油瀝青，SBS改性劑為茂名F503，穩(wěn)定劑為硫磺粉。根據(jù)《AASHTO運輸材料標準規(guī)范與取樣和試驗方法》(T302-2005)，對5個改性劑摻量的標準樣的960 cm-1和1 360 cm-1兩處特征峰的面積比進行線性回歸。制備過程采用式(1)計算SBS摻量，制備完成后根據(jù)式(2)計算A值，測試結(jié)果如表1所示。

表1 標準曲線制作表

(1)

式中：CSBS——樣品中SBS摻量(%)；

MSBS——樣品中SBS質(zhì)量(g)；

MSIT——樣品中基質(zhì)瀝青質(zhì)量(g)；

MADD——樣品中穩(wěn)定劑質(zhì)量(g)。

(2)

式中：A——吸收峰960 cm-1、1 377 cm-1的峰面積比；

S960——960 cm-1吸收峰的峰面積；

S1 460——1 460 cm-1吸收峰的峰面積。

如圖2所示可知，線性回歸方程為：A=0.029 0C+0.119 212，相關(guān)系數(shù)R2=0.998 2>0.95，線性關(guān)系好，準確性較高，可以作為標準曲線來計算SBS改性劑含量。

圖2 標準曲線圖

2.2 樣品測試

為驗證回歸方程的準確性，對實驗室制備的SBS摻量為4.4%的SBS改性瀝青進行光譜分析，計算得出4.4%的SBS改性瀝青峰高比(0.246 8)帶入回歸的方程中，反推出SBS含量為4.41%，與理論值基本一致。表明該回歸方程可作為SBS改性瀝青SBS含量檢測的標準計算方程。

2.3 準確性驗證

為了驗證標準曲線的準確性和可行性，測定依托廣西沿海某高速建設(shè)項目A標，項目要求SBS改性瀝青改性劑用量不能<4.5%，其改性瀝青采用現(xiàn)場改性的方法進行加工生產(chǎn)，課題組對現(xiàn)場加工廠15 d內(nèi)的瀝青生產(chǎn)進行統(tǒng)計改性劑實際用量；再通過紅外檢測技術(shù)每天檢測改性瀝青樣品的改性劑摻量，通過15 d的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)進行對比，驗證雙控法的可行性和評價方法的穩(wěn)定性。

表2 不同時間段瀝青紅外檢測數(shù)據(jù)分析表

對檢測摻量與實際用量對比，發(fā)現(xiàn)兩者總體差值在±0.1%范圍內(nèi)，標準差依次為0.083和0.069，基本差別不大，檢測所得摻量與實際生產(chǎn)值接近，說明標準曲線準確性高，紅外光譜檢測手段可靠。

由于15 d內(nèi)生產(chǎn)原材料，如瀝青、改性劑及穩(wěn)定劑等材料未發(fā)生更換或者較大質(zhì)量波動，且改性劑紅外檢測值與項目要求摻量(4.5%)未發(fā)生較大偏離，因此可以說明標準曲線可長時間繼續(xù)使用，且時間可以達到15 d以上，側(cè)面反映了標準曲線的使用時效性主要受原材料影響。

3 熒光顯微法的定性分析

盡管可以通過紅外光譜法測定待測改性瀝青的SBS摻量值，但是滿足設(shè)計改性劑摻量的改性瀝青不一定就是發(fā)育良好、分布均勻的改性瀝青。表3為課題組在項目過程中不同時間段隨機抽取的樣品，同時抽取樣品進行三大指標試驗。

表3 不同時段樣品的改性劑摻量和三大指標數(shù)據(jù)分析表

如表3所示可知，4個樣品的改性劑含量平均值都>4.5%，但是樣品1-1和1-2的改性劑摻量離散性較大，其標準差都>0.250，而樣品2-1和2-2標準差都在0.1以內(nèi)，結(jié)合三大指標數(shù)據(jù)作對比，發(fā)現(xiàn)樣品1-1、1-2的軟化點偏小，而針入度偏大。盡管4個樣品三大指標都滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中I-D規(guī)范要求，但是其指標和改性劑摻量存在離散性說明瀝青微觀形態(tài)存在問題。

如圖3所示是4個樣品的400倍下熒光顯微照片，圖中可知樣品1-1、1-2改性劑有明顯光，說明改性劑摻量較多，但是改性劑存在團聚情況，改性劑顆粒粒徑>1μm，與瀝青相為分散相，不能成為有效的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，說明改性瀝青在加工和發(fā)育過程中存在問題；樣品2-1、2-2不能直觀看到瀝青或者改性劑的相態(tài)，改性劑在瀝青中分散均勻，并成為均勻的互穿網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

(a)樣品1-1

通過上述試驗表明，單一地采用紅外光譜法、三大指標法或者熒光顯微法檢測SBS改性瀝青的改性劑摻量以及三大指標或者微觀圖分析不能全面分析改性瀝青的質(zhì)量。只有采用綜合的雙控法，才能較好地評價改性瀝青的加工效果和性能狀況。

4 結(jié)語

(1)國內(nèi)現(xiàn)有的改性瀝青加工以廠改改性瀝青為主，多數(shù)建設(shè)者認為改性瀝青指標滿足要求即可，會導致其質(zhì)量完全由企業(yè)來控制，而失去了對關(guān)鍵原材料的完全控制，因此，采用有效可行的瀝青質(zhì)量評估辦法顯得尤為重要。

(2)通過對紅外測試技術(shù)的原理解讀、定量的SBS摻量檢測分析，并且結(jié)合現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)證明紅外光譜法檢測改性劑摻量是可行的。除此之外，結(jié)合三大指標、紅外法同步驗證的熒光法是有效的微觀分析方法，對于單一采用紅外光譜法評價改性瀝青質(zhì)量是有效的補充。

(3)雙控法是結(jié)合紅外光譜技術(shù)和熒光顯微技術(shù)綜合評價改性瀝青質(zhì)量的方法，是表觀和微觀結(jié)合，是優(yōu)勢互補的方法。因此，在采用紅外光譜法檢測瀝青摻量時，盡管其具有效率優(yōu)勢，但瀝青質(zhì)量仍需要綜合其他方面指標進行綜合評價，不應孤立地看待摻量指標。