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，我國標(biāo)準(zhǔn)方法完全按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法編寫。我國《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有相應(yīng)的指標(biāo)來反映與評(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，不法商家可以通過添加輕質(zhì)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(chǔ)存穩(wěn)定性軟化點(diǎn)差的技術(shù)要求，但是由于無法準(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 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(見圖2)和下部(見圖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。