紅外光譜技術評價瀝青老化程度的方法研究

楊喜英

(1.山西省交通科學研究院 太原市 030006； 2.新型道路材料國家地方聯合工程實驗室 太原市 030006)

0 引言

瀝青由于其具有良好的可塑性、粘附性和粘彈性，在公路工程建設中得到非常廣泛的應用，但它在生產、運輸、使用及服役過程中會出現不同程度的老化現象，使得瀝青的性能衰減，粘結力下降，導致瀝青路面出現裂縫、坑槽及剝落病害，影響了其服務性能和使用壽命。

在對瀝青老化程度的評價方面，目前的研究多利用《公路瀝青路面施工技術規范》和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對瀝青的性能指標如針入度、軟化點、延度、粘度等宏觀性能進行分析，但是由于改性劑的加入采用這些常規性指標已經不能滿足瀝青本身的抗老化性能研究，因此需要利用化學微觀表征方法來對不同老化程度的瀝青分子結構和化學組成等進行分析，從本質上揭示瀝青老化前后的微觀結構變化。

傅里葉變換紅外光譜技術能夠根據物質的官能團從微觀領域確定物質的組成、結構等信息，其ATR附件更適用于研究采用傳統粉末壓片法無法制樣、溶劑法存在殘留組分干擾的瀝青試樣，此項技術無需穿透瀝青試樣，只需采集瀝青表面的信息，測試時間短、需要的瀝青試樣量少、在瀝青物質結構分析方面發揮著無可比擬的作用。研究表明瀝青在生命周期中由于人為加熱、自然光照和外界因素等的影響，會產生老化現象，瀝青本身的結構發生變化，微觀層面表現為瀝青的紅外譜圖中部分官能團發生變化，宏觀層面體現為瀝青的物理性能指標也相應變化。

已有不同學者利用紅外光譜技術對瀝青老化進行了研究，成果眾多，為瀝青老化機理研究和結構表征奠定了基礎，這些研究大多停留于瀝青老化過程中紅外光譜特征峰的變化上，尚未將特征峰的變化值與老化時間、老化程度間的數量關系明確，這些問題亟待研究解決。

通過模擬瀝青不同老化時間制備試樣，研究其紅外譜圖的變化規律，通過選取羰基、亞楓基峰面積與瀝青特征峰面積的比值變化來評價瀝青的老化性能；結合不同老化時間瀝青性能指標的數據，關聯瀝青老化時間和瀝青性能衰減的關系，為瀝青質量現場控制提出咨詢意見。

1 試驗部分

(1)試驗原材料

選取A級70#埃索基質瀝青作為研究對象，試樣來源于廈門華特集團有限公司代理的新加坡埃索瀝青。

(2)老化試樣的制備

基質瀝青采用薄膜烘箱進行加熱老化試驗，試驗溫度163℃，轉盤轉動速度為5.5r/min，將基質瀝青加熱，加熱時間分別為5h、10h、15h、20h、25h，其中10h后的加熱時間采用間斷型累積加熱方式，即每次加熱5h，待瀝青冷卻后再繼續加熱5h，以此重復的方式來模擬瀝青在實際使用過程中不斷進行反復加熱的狀態，由于瀝青老化是不可逆的過程，因此采用此試驗方式得到5種不同老化時間的瀝青樣品。

(3)紅外光譜的采集

調整Nicolet iS5紅外光譜儀狀態至穩定，采用衰減全反射(ATR)附件，將基質瀝青及瀝青老化樣品均勻涂抹覆蓋附件上的ZnSn晶體片，確定實驗參數，利用紅外光譜儀測試瀝青薄膜試樣分別得到該基質瀝青的標準紅外譜圖和不同老化時間的紅外光譜圖。

2 試驗原理

紅外光譜圖從物質的微觀結構入手分析物質的組成、結構及官能團的變化，基于基質瀝青在老化的過程中特征峰的變化情況，選取基質瀝青的特征吸收峰和老化特征吸收峰，確定峰面積，計算二者的峰面積比值I。以基質瀝青老化時間t作為橫坐標，特征峰面積比值I作為縱坐標，建立基質瀝青老化標準曲線，通過曲線擬合線性方程和相關系數，用于判斷待測瀝青樣品的老化程度。

3 試驗結果與分析

3.1 不同老化時間紅外光譜圖分析

圖1 70#埃索基質瀝青紅外譜圖

圖2 70#埃索基質瀝青老化5h紅外譜圖

圖3 70#埃索基質瀝青老化10h紅外譜圖

圖4 70#埃索基質瀝青老化15h紅外譜圖

圖5 70#埃索基質瀝青老化20h紅外譜圖

圖6 70#埃索基質瀝青老化25h紅外譜圖

圖7 70#埃索基質瀝青不同老化時間紅外光譜比對譜圖

由圖1～圖7紅外光譜圖可以看出，隨著瀝青老化時間的增加，基質瀝青特征峰(1377cm-1處飽和C-H官能團)的面積沒有變化，其含量相對不變，而位于1700cm-1處的羰基和1033cm-1處的亞峰基的峰面積逐漸增大，這是由于在瀝青老化試驗中，瀝青中的C=C鍵斷裂并與氧氣反應，生成羰基，R1-S-R2在高溫下與氧氣反應生成R1-S=0-R2亞砜基，且老化程度越大老化峰面積變化越大。

3.2 瀝青老化程度曲線的建立

分別對羰基和亞砜基峰面積進行校正，即用不同老化時間的羰基和亞砜基面積減去基質瀝青相對應的吸收峰面積，采用校正后的羰基和亞砜基分別對飽和C-H官能團的峰面積比值來進行老化定量分析，分別把兩個比值叫做羰基系數(CI)和亞砜基系數(SI)，CI和SI之和叫做老化系數AI。

CI=AC=O/AC-HSI=AS=O/AC-HAI=CI+SI

分別計算上述不同老化時間的羰基系數和亞砜基系數，得到老化系數，如表1所示。

表1 70#埃索瀝青不同老化時間老化系數計算表

以瀝青老化時間t為橫坐標，老化系數AI為縱坐標，擬合瀝青老化程度的工作曲線，即可結合瀝青的紅外光譜圖判斷瀝青的老化時間。

圖8 瀝青老化程度工作曲線

由上述瀝青老化程度工作曲線可以看出，不同老化時間和老化系數擬合的瀝青老化程度曲線方程線性關系良好，相關系數R2≥0.99，可根據瀝青的紅外光譜圖計算其老化系數進而由曲線方程計算瀝青老化時間。

3.3 瀝青不同老化時間性能指標的測定

為進一步關聯瀝青老化程度和瀝青性能指標的關系，分別測定了70#埃索瀝青不同老化時間的物理性能指標，如表2。

由表2可以看出，70#埃索基質瀝青老化前的各項性能指標均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》相關技術要求，隨著瀝青老化時間的增加，針入度降低，延度降低；老化5h的性能指標

表2 70#埃索瀝青不同老化時間性能指標

符合JTG F40-2004相關技術要求；老化10h的性能指標15℃延度處于技術要求的臨界點，殘留針入度比符合JTG F40-2004相關技術要求；而老化15h后的性能指標衰減嚴重，均不符合JTG F40-2004相關技術要求。

4 結論

通過模擬瀝青老化試驗，分析了不同老化時間紅外光譜圖的特點，建立了老化系數及老化時間的關系，通過測定不同老化時間的物理性能指標，關聯了瀝青老化的微觀結構和宏觀性能的關系。通過對上述研究結果進行分析，可以得出以下結論：

(1) 埃索瀝青老化系數≤0.3506，其間斷老化時間為10h以內，即163℃反復加熱兩次，瀝青性能指標基本符合JTG F40-2004相關技術要求；若埃索瀝青老化系數>0.3506，間斷老化為10h以上，瀝青老化性能衰減嚴重，不符合相關技術要求。

(2)埃索瀝青的老化系數中亞砜基系數占主導地位，隨著老化時間的增加，其增長幅度也逐漸增大，說明瀝青中的硫活性較大，較易發生老化反應，因此在瀝青生產調和及對瀝青改性過程中應適當控制硫的含量。

(3)根據基質瀝青的紅外光譜圖，計算其老化系數，即可得出對應的老化時間，進而大致判斷瀝青的物理性能指標是否符合相關技術要求，這樣即可省略做瀝青物理性能指標的過程，檢測時間縮短到10min左右，極大地提高了瀝青現場質量控制效率，也為瀝青使用過程中反復間斷加熱的控制時間提供了依據。