瀝青快速檢測(cè)技術(shù)在國(guó)道G360項(xiàng)目上的應(yīng)用

刁成偉，王東輝，左 浩

(中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司,遼寧 大連 116000)

0 引言

瀝青紅外光譜檢測(cè)儀是當(dāng)前用于瀝青結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析的主流技術(shù)。通過測(cè)量瀝青樣品不同官能團(tuán)的吸光率，形成特有的吸收光譜，使用這種光譜可以確定瀝青樣品的特征官能團(tuán)和混合物中特定官能團(tuán)的含量，因此可以通過紅外光譜技術(shù)進(jìn)行瀝青快速檢測(cè)。近年來，駱獻(xiàn)輝等[1]驗(yàn)證了紅外光譜儀壓片法測(cè)定SBS摻量的方法的可行性。原健安等[2]借助紅外光譜儀探究了改性瀝青的高低溫性質(zhì)與SBS摻量的關(guān)系。張銀博等[3]基于紅外光譜分析技術(shù)，采用偏最小二乘法建立了針入度、軟化點(diǎn)、蠟含量對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。黃爽[4]基于PG和紅外光譜建立復(fù)合改性瀝青宏觀流變特性與微觀化學(xué)官能團(tuán)指數(shù)的關(guān)系。

海南省國(guó)道G360文昌至定安、定安至臨高公路是國(guó)家發(fā)展改革委、交通運(yùn)輸部、國(guó)務(wù)院扶貧辦確定的“十三五”交通扶貧“雙百”工程項(xiàng)目之一。某標(biāo)段通過采用瀝青紅外光譜快速檢測(cè)技術(shù)建立基質(zhì)瀝青樣品標(biāo)準(zhǔn)圖譜，對(duì)新到場(chǎng)基質(zhì)瀝青進(jìn)行紅外光譜溯源比對(duì)，分析同批號(hào)基質(zhì)瀝青相似度變化波動(dòng)，進(jìn)行基質(zhì)瀝青快速檢測(cè)。并通過紅外光譜圖譜建立SBS改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)曲線，對(duì)SBS摻量進(jìn)行把控，進(jìn)行改性瀝青快速檢測(cè)。同時(shí)對(duì)瀝青改性前后紅外光譜進(jìn)行對(duì)比探究。分析SBS改性瀝青老化后主要特征官能團(tuán)變化波動(dòng)，根據(jù)主要官能團(tuán)指數(shù)變化波動(dòng)探究其老化性能變化，以確保瀝青供應(yīng)量以保證施工進(jìn)度、確保瀝青質(zhì)量，提高工程質(zhì)量。

1 試驗(yàn)方法及原理

1.1 試驗(yàn)用原材料

該項(xiàng)目所用瀝青檢測(cè)參數(shù)見表1，改性劑為中國(guó)石化SBS成品膠，穩(wěn)定劑為硫磺。

1.2 試驗(yàn)過程及原理

本項(xiàng)目紅外光譜儀產(chǎn)品類型為：Nicolet iS5 FT-IR 光譜儀，如圖1所示。功能校驗(yàn)符合ASTM E1421，標(biāo)準(zhǔn)電壓為100 V/240 V，射束分離器為KBr/Ge、激光器為溫控固態(tài)近紅外二極管激光器、源類型為：中紅外 Ever-Glo。其原理為朗勃-比爾定律[5-6]。

表1 瀝青檢測(cè)參數(shù)

選擇4 mm厚硅膠板作為原材進(jìn)行模具制作，模具示意圖如圖2所示。裁剪為80 mm×150 mm×4 mm(寬度×長(zhǎng)度×厚度)的底板及90 mm×150 mm×4 mm的模板，利用10×30沖子在模板上開出10×60的澆槽，左右交錯(cuò)開口將制作好的模具放入熱瀝青中，待瀝青冷卻后放入冰箱中，保溫2 h后將模具取出，重復(fù)2次～3次后，模具老化呈棕黃色后模具制作完成。

按照J(rèn)TGE20—2011中T0601—2011的要求進(jìn)行取樣。采用恒溫烘箱加熱，基質(zhì)瀝青的加熱溫度為145 ℃，SBS改性瀝青加熱溫度為175 ℃，保溫時(shí)間為30 min左右,瀝青加熱次數(shù)不超過3次，攪拌均勻后再進(jìn)行試驗(yàn)[7]。

攪拌均勻后取約600.0 g基質(zhì)瀝青，用加熱設(shè)備加熱并且保持溫度在(180±5)℃；通過高速剪切設(shè)備以2 000 r/min～3 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切10 min后；加入改性劑，以4 000 r/min～6 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切45 min，制作不同SBS含量的標(biāo)準(zhǔn)樣品[8]。標(biāo)準(zhǔn)樣品中SBS含量按下式計(jì)算：

其中，CSBS為改性劑摻量，%；mSBS為改性劑添加質(zhì)量，%；mBrr為基質(zhì)瀝青質(zhì)量，g；mADD為添加劑質(zhì)量，g。

加入其他添加劑(精確至0.1mg)，以4 000 r/min～6 000 r/min剪切45 min。

將融化后的瀝青樣品均勻澆在清洗干凈的模具上，室溫冷卻后將樣品輕輕揭下，過程中應(yīng)確保待測(cè)面未被污染，將待測(cè)面輕輕貼在ATR晶面上，確保晶面全覆蓋并無氣泡產(chǎn)生。貼合過程中小心緩慢，確保未污染晶體表面。樣品貼合完成后，設(shè)置紅外光譜儀的分辨率、掃描次數(shù)、掃描范圍等參數(shù)，將晶片放入紅外光譜儀進(jìn)行檢測(cè)。瀝青光譜圖測(cè)試完成后，保存紅外光譜圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 基質(zhì)瀝青溯源比對(duì)

以標(biāo)準(zhǔn)基質(zhì)瀝青樣品為基本，掃描10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品紅外光譜圖，建立基質(zhì)瀝青紅外光譜庫。對(duì)該項(xiàng)目的8月～9月中旬共77批基質(zhì)瀝青溯源比對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，基質(zhì)瀝青相似度分布圖如圖3所示。

其數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：最大值為99.9%，最小值為99.6%，相識(shí)度平均值為99.8%。標(biāo)準(zhǔn)差為0.681，變異系數(shù)為0.068 3%。因此該項(xiàng)目所用基質(zhì)瀝青穩(wěn)定可控，變異系數(shù)僅為0.068 3%，基質(zhì)瀝青整體質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2.2 SBS標(biāo)準(zhǔn)曲線定量分析

經(jīng)傅里葉紅外光譜儀檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理后，試驗(yàn)得到了含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為3.5%，4.0%，4.5%，5.0%，5.5%，6.0%的SBS改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)樣光譜圖A966與A1377的峰面積比值，檢測(cè)結(jié)果詳見表2。標(biāo)準(zhǔn)樣SBS含量與譜圖A966/A1377峰面積比值的關(guān)系如圖4所示。

表2 SBS改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)樣光譜圖A966/A1377的比值

由表2可知：相同SBS含量標(biāo)準(zhǔn)樣試驗(yàn)樣本的光譜圖A966/A1377的比值變化較小，5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣A966/A1377的比值的變異系數(shù)均不大于3.6%。

由圖4可知，改性瀝青SBS含量與S(A966/A1377)存在線性相關(guān)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后可以得到二者之間的關(guān)系式：Y=12.735×X-1.076 7，擬合程度達(dá)到99.05%。

為進(jìn)一步探究標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合公式計(jì)算得到的擬合值與不同摻量真實(shí)值之間的差異，對(duì)二者之間的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差進(jìn)行了分析，結(jié)果如表3所示。

表3 擬合值與真實(shí)值的誤差分析結(jié)果匯總表

由表3可知，通過比較擬合值與真實(shí)值的差異可知，二者的絕對(duì)誤差最大值為0.17%，相對(duì)誤差最大值為4.3%，相對(duì)偏差均小于5%。由此可知，利用改性瀝青紅外光譜圖A966/A1377與SBS含量關(guān)系之間的擬合公式計(jì)算SBS含量具有方法可行、試驗(yàn)快捷、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的特點(diǎn)。

該項(xiàng)目的8月20日～9月中旬檢測(cè)改性瀝青樣品23批，每個(gè)樣品平行試驗(yàn)5次，共試驗(yàn)115次，紅外光譜檢測(cè)結(jié)果詳見圖5。各樣品的紅外光譜檢測(cè)結(jié)果正常，主要官能團(tuán)與標(biāo)準(zhǔn)樣品一致，無異常雜質(zhì)出現(xiàn)。SBS摻量的標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y=12.735X-1.076 7(Y：SBS的含量；X：A966/A1377)，A966/A1377均在0.399 3(4.0%SBS摻量A966/A1377的比值)以上。波動(dòng)穩(wěn)定，改性劑分布均勻，改性效果較好[9]。

各樣品的改性瀝青SBS摻量結(jié)果見圖6，其SBS摻量均不小于4.5%，PG分級(jí)穩(wěn)定為PG76標(biāo)準(zhǔn)，符合改性瀝青中面層效果。

2.3 瀝青改性前后紅外光譜分析

圖7是70號(hào)A泰普克基質(zhì)瀝青紅外光譜圖。由圖7可看出石油基質(zhì)瀝青在多處波數(shù)處出現(xiàn)較為明顯的吸收峰，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)可知幾處具有代表性的吸收峰所代表的官能團(tuán)[10-11]：

在波數(shù)為2 950 cm-1～2 700 cm-1左右具有強(qiáng)烈的吸收雙波峰，該吸收峰與瀝青飽和烷烴的C-H振動(dòng)有關(guān)，兩處波峰分別為2 921 cm-1和2 851 cm-1處的-CH-伸縮振動(dòng)，其中2 920 cm-1處為瀝青中亞甲基-CH-的反式伸縮振動(dòng)引發(fā)，2 852 cm-1處為亞甲基-CH-的對(duì)稱伸縮振動(dòng)引發(fā)[12]。

1)1 600 cm-1處的波峰與苯環(huán)的伸縮振動(dòng)有關(guān)。

2)1 456 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰與-CH2-的甲基面內(nèi)伸縮振動(dòng)有關(guān)。

3)1 376 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰，為-CH3-的剪式振動(dòng)所引發(fā)。

4)1 032 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰，此為亞砜基的特征峰。

5)910 cm-1～600 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰較為微弱，此區(qū)域又可稱之為苯取代區(qū)，在這個(gè)區(qū)域上所出現(xiàn)的吸收峰均與苯環(huán)中C-H鍵有關(guān)。

根據(jù)圖7的解析，可以看出基質(zhì)瀝青中主要成分有：烷烴、環(huán)烷烴、芳香族以及雜原子衍生物等。

圖8是改性劑摻量為4.0%的SBS改性瀝青紅外光譜圖，圖9是SBS改性瀝青的紅外光譜圖與70號(hào)A泰普克基質(zhì)瀝青紅外光譜圖的差減圖。

結(jié)合圖8、圖9一并分析比較可以發(fā)現(xiàn)：

1)966 cm-1處的吸收峰，SBS聚合物中丁二烯振動(dòng)吸收峰。

2)699 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰，是苯乙烯的特征峰。

3)SBS改性瀝青紅外光譜圖與70號(hào)A泰普克基質(zhì)瀝青紅外光譜圖相減后剩余吸收峰為SBS特征官能團(tuán)吸收峰，說明SBS改性瀝青只是基質(zhì)瀝青和SBS改性劑的物理共混[13]，無新物質(zhì)產(chǎn)生。

2.4 SBS改性瀝青老化后紅外光譜分析

對(duì)紅外光譜圖進(jìn)行處理獲得特征官能團(tuán)的波峰面積。由于樣品的涂抹厚度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定影響，采用相對(duì)面積數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。選取2 920 cm-1波長(zhǎng)的特征官能團(tuán)面積數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)面積數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，則相對(duì)面積的計(jì)算公式為：

其中，ΔS2 920為2 920 cm-1波長(zhǎng)的瀝青特征官能團(tuán)面積數(shù)據(jù);ΔSi/2 920為各特征波峰的相對(duì)面積數(shù)據(jù)；ΔSi為各特征波峰的原始面積數(shù)據(jù)。

按相對(duì)面積的計(jì)算公式進(jìn)行各特征波峰面積數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理后，得到表4中的各瀝青特征官能團(tuán)相對(duì)波峰面積數(shù)據(jù)表。

表4 各瀝青特征官能團(tuán)相對(duì)波峰面積數(shù)據(jù)表

按照瀝青各特征官能團(tuán)指數(shù)公式進(jìn)行瀝青特征官能團(tuán)指數(shù)的計(jì)算?？梢缘玫饺绫?所示的老化前后改性瀝青各特征官能團(tuán)指數(shù)表。

其中，ΔIi/總為瀝青各特征官能團(tuán)指數(shù)。

表5 改性瀝青老化前后各特征官能團(tuán)指數(shù)表

改性瀝青短期老化前后各特征官能團(tuán)指數(shù)的變化如圖10所示，其中外環(huán)為改性瀝青短期老化后瀝青特征官能團(tuán)指數(shù)。除亞甲基外，其余瀝青特征官能團(tuán)含量均會(huì)降低[14]；亞甲基的含量變化與甲基苯、亞砜基完全相反，推測(cè)老化后甲基苯、亞砜基斷鏈成為小分子的亞甲基；改性瀝青中丁二烯短期老化前后瀝青特征官能團(tuán)指數(shù)幾乎無變化[15]。說明該改性瀝青具有較佳的抗老化性能。聚合物中丁二烯C=C雙鍵未發(fā)生斷裂，改性效果未發(fā)生改變[16-17]。

3 試驗(yàn)結(jié)論

1)該項(xiàng)目所用基質(zhì)瀝青穩(wěn)定可控，變異系數(shù)小,基質(zhì)瀝青整體質(zhì)量穩(wěn)定。

2)紅外光譜擬合計(jì)算SBS含量方法具有可行、試驗(yàn)快捷、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的特點(diǎn)、各瀝青樣品檢測(cè)均無異常雜質(zhì)出現(xiàn)。平均SBS含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在4.55%以上。變異系數(shù)小于3%，改性劑分布均勻，改性效果較好。

3)SBS改性瀝青的特征官能團(tuán)吸收峰除基質(zhì)瀝青和SBS特征官能團(tuán)吸收峰外并沒有新的吸收峰產(chǎn)生，且波峰的位置和數(shù)量沒有發(fā)生改變，說明SBS改性瀝青只是基質(zhì)瀝青和SBS改性劑的物理共混產(chǎn)物，無新物質(zhì)生成。

4)瀝青短期老化后，除亞甲基外，其余瀝青特征官能團(tuán)含量均會(huì)降低；改性瀝青中丁二烯短期老化前后瀝青特征官能團(tuán)指數(shù)幾乎無變化。說明該改性瀝青具有較佳的抗老化性能，聚合物中丁二烯C=C雙鍵未發(fā)生斷裂，改性效果改變幅度較小。