雙控法在SBS改性瀝青質(zhì)量控制中的應(yīng)用分析

馮英濤

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)瀝青供應(yīng)市場(chǎng)復(fù)雜，存在魚目混珠、以次充好等諸多問(wèn)題，給公路建設(shè)的質(zhì)量和安全帶來(lái)諸多隱患，造成公路瀝青路面早期損害嚴(yán)重，增加了后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)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(jìn)一步加強(qiáng)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(huì)降低改性劑摻量或者采用外摻價(jià)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(duì)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(yán)重，路面耐久性不足，新建路面早早進(jìn)入養(yǎng)護(hù)修補(bǔ)階段，直接增加了路面建設(shè)成本，若養(yǎng)護(hù)又采用改性瀝青材料，則路面質(zhì)量將進(jìn)入另一個(gè)惡性循環(huán)，既造成不良社會(huì)影響，又造成另一個(gè)層面的國(guó)有資產(chǎn)流失。

在實(shí)際項(xiàng)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(duì)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(wèn)題。

上述幾方面說(shuō)明改性瀝青質(zhì)量缺陷對(duì)工程影響巨大，且瀝青監(jiān)控手段及方法較為局限，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，與現(xiàn)在日新月異的改性瀝青技術(shù)相比，較難滿足實(shí)際生產(chǎn)施工需求。因此，本文提出一種方便、快速、全過(guò)程檢測(cè)的方法，對(duì)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(jì)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(duì)路面質(zhì)量的影響占有絕對(duì)的比重。改性瀝青質(zhì)量有兩個(gè)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(huì)嚴(yán)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(wú)法發(fā)揮改性劑的作用，也會(huì)嚴(yán)重影響改性瀝青性能。

因此，只有同時(shí)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(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，課題組開發(fā)出一種雙控方法對(duì)瀝青進(jìn)行檢測(cè)。

第一個(gè)控制技術(shù)(簡(jiǎn)稱紅外法)：通過(guò)紅外光譜對(duì)基質(zhì)瀝青的吸收峰位置、波峰強(qiáng)度、特征峰面積等參數(shù)分析后可知基質(zhì)瀝青的功能團(tuán)是否與基準(zhǔn)瀝青樣品一致，同時(shí)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(duì)改性劑和基質(zhì)瀝青特征峰差異，通過(guò)紅外光譜分析對(duì)SBS改性瀝青966 cm-1(SBS改性劑的苯環(huán)與雙鍵等功能團(tuán)產(chǎn)生)和1 360 cm-1(基質(zhì)瀝青C-CH3的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生)處特征峰面積進(jìn)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(gè)控制技術(shù)(簡(jiǎn)稱熒光顯微法)：采用熒光顯微鏡等設(shè)備，通過(guò)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(huì)選擇性吸收和反射藍(lán)光，SBS通過(guò)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(zhǔn)確性驗(yàn)證

2.1 標(biāo)準(zhǔn)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(píng)價(jià)技術(shù)指南》(DBJT45/T 003-2019)制備不同SBS摻量的改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)輸材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與取樣和試驗(yàn)方法》(T302-2005)，對(duì)5個(gè)改性劑摻量的標(biāo)準(zhǔn)樣的960 cm-1和1 360 cm-1兩處特征峰的面積比進(jìn)行線性回歸。制備過(guò)程采用式(1)計(jì)算SBS摻量，制備完成后根據(jù)式(2)計(jì)算A值，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確性較高，可以作為標(biāo)準(zhǔn)曲線來(lái)計(jì)算SBS改性劑含量。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

2.2 樣品測(cè)試

為驗(yàn)證回歸方程的準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備的SBS摻量為4.4%的SBS改性瀝青進(jìn)行光譜分析，計(jì)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(cè)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方程。

2.3 準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)曲線的準(zhǔn)確性和可行性，測(cè)定依托廣西沿海某高速建設(shè)項(xiàng)目A標(biāo)，項(xiàng)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(chǎng)改性的方法進(jìn)行加工生產(chǎn)，課題組對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工廠15 d內(nèi)的瀝青生產(chǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)改性劑實(shí)際用量；再通過(guò)紅外檢測(cè)技術(shù)每天檢測(cè)改性瀝青樣品的改性劑摻量，通過(guò)15 d的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證雙控法的可行性和評(píng)價(jià)方法的穩(wěn)定性。

表2 不同時(shí)間段瀝青紅外檢測(cè)數(shù)據(jù)分析表

對(duì)檢測(cè)摻量與實(shí)際用量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者總體差值在±0.1%范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差依次為0.083和0.069，基本差別不大，檢測(cè)所得摻量與實(shí)際生產(chǎn)值接近，說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)曲線準(zhǔn)確性高，紅外光譜檢測(cè)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(dòng)，且改性劑紅外檢測(cè)值與項(xiàng)目要求摻量(4.5%)未發(fā)生較大偏離，因此可以說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)曲線可長(zhǎng)時(shí)間繼續(xù)使用，且時(shí)間可以達(dá)到15 d以上，側(cè)面反映了標(biāo)準(zhǔn)曲線的使用時(shí)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(guò)紅外光譜法測(cè)定待測(cè)改性瀝青的SBS摻量值，但是滿足設(shè)計(jì)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(xiàng)目過(guò)程中不同時(shí)間段隨機(jī)抽取的樣品，同時(shí)抽取樣品進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)。

表3 不同時(shí)段樣品的改性劑摻量和三大指標(biāo)數(shù)據(jù)分析表

如表3所示可知，4個(gè)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(biāo)準(zhǔn)差都>0.250，而樣品2-1和2-2標(biāo)準(zhǔn)差都在0.1以內(nèi)，結(jié)合三大指標(biāo)數(shù)據(jù)作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)樣品1-1、1-2的軟化點(diǎn)偏小，而針入度偏大。盡管4個(gè)樣品三大指標(biāo)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(biāo)和改性劑摻量存在離散性說(shuō)明瀝青微觀形態(tài)存在問(wèn)題。

如圖3所示是4個(gè)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(shuō)明改性劑摻量較多，但是改性劑存在團(tuán)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(shuō)明改性瀝青在加工和發(fā)育過(guò)程中存在問(wèn)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(guò)上述試驗(yàn)表明，單一地采用紅外光譜法、三大指標(biāo)法或者熒光顯微法檢測(cè)SBS改性瀝青的改性劑摻量以及三大指標(biāo)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(píng)價(jià)改性瀝青的加工效果和性能狀況。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)國(guó)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(rèn)為改性瀝青指標(biāo)滿足要求即可，會(huì)導(dǎo)致其質(zhì)量完全由企業(yè)來(lái)控制，而失去了對(duì)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(píng)估辦法顯得尤為重要。

(2)通過(guò)對(duì)紅外測(cè)試技術(shù)的原理解讀、定量的SBS摻量檢測(cè)分析，并且結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)證明紅外光譜法檢測(cè)改性劑摻量是可行的。除此之外，結(jié)合三大指標(biāo)、紅外法同步驗(yàn)證的熒光法是有效的微觀分析方法，對(duì)于單一采用紅外光譜法評(píng)價(jià)改性瀝青質(zhì)量是有效的補(bǔ)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(píng)價(jià)改性瀝青質(zhì)量的方法，是表觀和微觀結(jié)合，是優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的方法。因此，在采用紅外光譜法檢測(cè)瀝青摻量時(shí)，盡管其具有效率優(yōu)勢(shì)，但瀝青質(zhì)量仍需要綜合其他方面指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，不應(yīng)孤立地看待摻量指標(biāo)。