基于紅外光譜技術測定SBS聚合物改性瀝青熱儲存穩定性的方法

楊喜英

(山西省交通建設工程質量檢測中心(有限公司) 太原市 030006)

1 測定SBS聚合物改性瀝青熱儲存穩定性的方法

國內外對于SBS聚合物改性瀝青熱儲存穩定性的測定方法為改性瀝青離析試驗，評價指標為離析軟化點差。美國ASTM標準中，分別對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)規定了不同的離析試驗方法。我國SBS改性瀝青離析試驗方法為JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0661-2011-聚合物改性瀝青離析試驗，通過離析軟化點差對改性瀝青儲存穩定性進行評價。對于SBS類改性瀝青，我國標準方法完全按照ASTM標準方法編寫。我國《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)已經對各類改性瀝青的儲存穩定性離析性能從軟化點這一參數角度提出了技術要求。

現行規范對SBS聚合物改性瀝青熱儲存穩定性的測定方法及評價指標存在如下局限：

(1)離析軟化點差僅是對改性瀝青熱儲存后高溫性能差異的評定，不足以代表改性瀝青其他物理性能及力學性能的改變，對于在熱儲存過程中離析管內改性劑與瀝青由交聯、融合到排斥、離析導致的不同部位其他性能差異目前并沒有相應的指標來反映與評定。

(2)對于目前市場上充斥的改性劑含量不合格的改性瀝青，不法商家可以通過添加輕質油分、填料及一些特殊助劑來改善改性瀝青的高溫性能，滿足改性瀝青熱儲存穩定性軟化點差的技術要求，但是由于無法準確檢測改性劑的含量是否滿足應用要求，給實際應用帶來巨大的影響。

SBS聚合物改性瀝青熱儲存穩定性的離析現象本質上就是改性瀝青體系出現了改性劑分布不均勻的現象，一般為改性劑上浮導致不同部位改性劑含量發生了變化。因此，快速準確地檢測體系不同部位的改性劑含量是真實反映改性瀝青離析現象最有效的手段。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物，紅外光譜技術作為有機化合物結構鑒定的重要手段之一，能夠從物質結構組成檢測SBS不飽和碳氫聚合物，其不飽和碳碳雙鍵可以在紅外光譜譜圖中出現特征吸收峰，且SBS改性劑含量不同其特征峰面積不同。所以，可以根據改性瀝青樣品不同部位改性劑特征峰面積變化來判斷改性劑含量的變化進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測定SBS聚合物改性瀝青熱儲存穩定性的方法。每種物質都有其特征紅外光譜，不同品牌和摻量的改性瀝青SBS改性劑的官能團是相同的，表現在紅外光譜圖中有對應的特征吸收峰，但是由于SBS的含量不同，特征吸收峰的峰高和峰面積會出現明顯的差異，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，由此可以根據紅外光譜圖中的SBS改性劑特征吸收峰面積與基質瀝青特征峰面積之比A966/A1377計算改性瀝青中SBS聚合物的含量，通過測定改性瀝青熱儲存試驗后上部和下部瀝青中改性劑的含量的差值，從本質上直接表征改性瀝青的熱儲存穩定性。

2 試驗部分

2.1 儀器與改性瀝青樣品

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

2.2 試驗參數

調整儀器狀態至穩定，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試瀝青薄膜試樣，掃描范圍為4000～650cm-1，掃描次數32次，分辨率為4cm-1。

2.3 試驗數據分析

2.4 SBS聚合物改性瀝青標準譜圖A值測定

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

(2)調整Nicolet iS5紅外光譜儀狀態至穩定，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，根據確定的試驗參數，利用紅外光譜儀多次反射測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行一系列分析。

(3)按照步驟(2)試驗方法對改性瀝青樣品進行重復性試驗3次，分別采集紅外譜圖，采用OMNIC處理軟件對譜圖進行分析，扣除背景后將重復性測試紅外譜圖進行譜圖的統計計算，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準紅外譜圖，見圖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，分別積分測量特征吸收峰面積(S966和S1377)，計算二者峰面積的比值(A)，作為此已知劑量(5.0%)的 SBS聚合物改性瀝青對應的標準A值。

2.5 SBS聚合物改性瀝青改性劑含量測定

(1)將5.0%的SBS聚合物改性瀝青進行48h的離析管熱儲存試驗(參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0661-2011):

①取約50gSBS聚合物改性瀝青樣品過篩、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(見圖2)和下部(見圖3)的紅外光譜圖進行OMNIC處理軟件扣除背景后按照2.4步驟(4)分別計算峰面積的比值A1、A2。

2.6 SBS聚合物改性瀝青熱儲存穩定性判定

計算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Δw%的值判定5.0%的SBS聚合物改性瀝青樣品熱儲存穩定性：

若△w ≤ 0.2%，說明此加熱條件下的改性瀝青熱儲存穩定性良好，基本未發生離析。

若0.2%<△w≤0.5%，說明此加熱條件下的改性瀝青熱儲存穩定性較好，發生輕度離析。

若0.5%<△ w ≤ 1.0%，說明此加熱條件下的改性瀝青熱儲存穩定性較差，發生中度離析。

若△w>1.0%，說明此加熱條件下的改性瀝青熱儲存穩定性差，發生重度離析。

經計算該5.0%的SBS聚合物改性瀝青樣品Δw%=|3.64%-6.56%|=2.92%>1.0%，說明此加熱條件下的改性瀝青熱儲存穩定性差，發生重度離析。

3 結論

從SBS聚合物改性瀝青微觀結構出發，通過計算改性瀝青熱儲存后上部和下部紅外譜圖中改性劑特征吸收峰面積/基質瀝青特征吸收峰面積比值，快速精確地測定改性瀝青上部和下部SBS的含量，從本質上直接表征SBS改性瀝青的離析情況，達到了準確監控SBS改性瀝青熱儲存穩定性的目的。