瀝青快速檢測技術在國道G360項目上的應用

刁成偉，王東輝，左 浩

(中國鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司,遼寧 大連 116000)

0 引言

瀝青紅外光譜檢測儀是當前用于瀝青結構鑒定和定量分析的主流技術。通過測量瀝青樣品不同官能團的吸光率，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和混合物中特定官能團的含量，因此可以通過紅外光譜技術進行瀝青快速檢測。近年來，駱獻輝等[1]驗證了紅外光譜儀壓片法測定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與SBS摻量的關系。張銀博等[3]基于紅外光譜分析技術，采用偏最小二乘法建立了針入度、軟化點、蠟含量對應的預測模型。黃爽[4]基于PG和紅外光譜建立復合改性瀝青宏觀流變特性與微觀化學官能團指數的關系。

海南省國道G360文昌至定安、定安至臨高公路是國家發展改革委、交通運輸部、國務院扶貧辦確定的“十三五”交通扶貧“雙百”工程項目之一。某標段通過采用瀝青紅外光譜快速檢測技術建立基質瀝青樣品標準圖譜，對新到場基質瀝青進行紅外光譜溯源比對，分析同批號基質瀝青相似度變化波動，進行基質瀝青快速檢測。并通過紅外光譜圖譜建立SBS改性瀝青標準曲線，對SBS摻量進行把控，進行改性瀝青快速檢測。同時對瀝青改性前后紅外光譜進行對比探究。分析SBS改性瀝青老化后主要特征官能團變化波動，根據主要官能團指數變化波動探究其老化性能變化，以確保瀝青供應量以保證施工進度、確保瀝青質量，提高工程質量。

1 試驗方法及原理

1.1 試驗用原材料

該項目所用瀝青檢測參數見表1，改性劑為中國石化SBS成品膠，穩定劑為硫磺。

1.2 試驗過程及原理

本項目紅外光譜儀產品類型為：Nicolet iS5 FT-IR 光譜儀，如圖1所示。功能校驗符合ASTM E1421，標準電壓為100 V/240 V，射束分離器為KBr/Ge、激光器為溫控固態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 瀝青檢測參數

選擇4 mm厚硅膠板作為原材進行模具制作，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2次～3次后，模具老化呈棕黃色后模具制作完成。

按照JTGE20—2011中T0601—2011的要求進行取樣。采用恒溫烘箱加熱，基質瀝青的加熱溫度為145 ℃，SBS改性瀝青加熱溫度為175 ℃，保溫時間為30 min左右,瀝青加熱次數不超過3次，攪拌均勻后再進行試驗[7]。

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

其中，CSBS為改性劑摻量，%；mSBS為改性劑添加質量，%；mBrr為基質瀝青質量，g；mADD為添加劑質量，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，過程中應確保待測面未被污染，將待測面輕輕貼在ATR晶面上，確保晶面全覆蓋并無氣泡產生。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，設置紅外光譜儀的分辨率、掃描次數、掃描范圍等參數，將晶片放入紅外光譜儀進行檢測。瀝青光譜圖測試完成后，保存紅外光譜圖。

2 試驗結果分析

2.1 基質瀝青溯源比對

以標準基質瀝青樣品為基本，掃描10個標準樣品紅外光譜圖，建立基質瀝青紅外光譜庫。對該項目的8月～9月中旬共77批基質瀝青溯源比對結果進行統計分析，基質瀝青相似度分布圖如圖3所示。

其數理統計結果為：最大值為99.9%，最小值為99.6%，相識度平均值為99.8%。標準差為0.681，變異系數為0.068 3%。因此該項目所用基質瀝青穩定可控，變異系數僅為0.068 3%，基質瀝青整體質量穩定可靠。

2.2 SBS標準曲線定量分析

經傅里葉紅外光譜儀檢測、數據處理后，試驗得到了含量(質量分數)分別為3.5%，4.0%，4.5%，5.0%，5.5%，6.0%的SBS改性瀝青標準樣光譜圖A966與A1377的峰面積比值，檢測結果詳見表2。標準樣SBS含量與譜圖A966/A1377峰面積比值的關系如圖4所示。

表2 SBS改性瀝青標準樣光譜圖A966/A1377的比值

由表2可知：相同SBS含量標準樣試驗樣本的光譜圖A966/A1377的比值變化較小，5個標準樣A966/A1377的比值的變異系數均不大于3.6%。

由圖4可知，改性瀝青SBS含量與S(A966/A1377)存在線性相關，對數據進行擬合后可以得到二者之間的關系式：Y=12.735×X-1.076 7，擬合程度達到99.05%。

為進一步探究標準曲線擬合公式計算得到的擬合值與不同摻量真實值之間的差異，對二者之間的絕對誤差和相對誤差進行了分析，結果如表3所示。

表3 擬合值與真實值的誤差分析結果匯總表

由表3可知，通過比較擬合值與真實值的差異可知，二者的絕對誤差最大值為0.17%，相對誤差最大值為4.3%，相對偏差均小于5%。由此可知，利用改性瀝青紅外光譜圖A966/A1377與SBS含量關系之間的擬合公式計算SBS含量具有方法可行、試驗快捷、數據精準的特點。

該項目的8月20日～9月中旬檢測改性瀝青樣品23批，每個樣品平行試驗5次，共試驗115次，紅外光譜檢測結果詳見圖5。各樣品的紅外光譜檢測結果正常，主要官能團與標準樣品一致，無異常雜質出現。SBS摻量的標準曲線為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。波動穩定，改性劑分布均勻，改性效果較好[9]。

各樣品的改性瀝青SBS摻量結果見圖6，其SBS摻量均不小于4.5%，PG分級穩定為PG76標準，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A泰普克基質瀝青紅外光譜圖。由圖7可看出石油基質瀝青在多處波數處出現較為明顯的吸收峰，結合相關文獻可知幾處具有代表性的吸收峰所代表的官能團[10-11]：

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

1)1 600 cm-1處的波峰與苯環的伸縮振動有關。

2)1 456 cm-1附近出現的吸收峰與-CH2-的甲基面內伸縮振動有關。

3)1 376 cm-1處出現的吸收峰，為-CH3-的剪式振動所引發。

4)1 032 cm-1附近出現的吸收峰，此為亞砜基的特征峰。

5)910 cm-1～600 cm-1附近出現的吸收峰較為微弱，此區域又可稱之為苯取代區，在這個區域上所出現的吸收峰均與苯環中C-H鍵有關。

根據圖7的解析，可以看出基質瀝青中主要成分有：烷烴、環烷烴、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A泰普克基質瀝青紅外光譜圖的差減圖。

結合圖8、圖9一并分析比較可以發現：

1)966 cm-1處的吸收峰，SBS聚合物中丁二烯振動吸收峰。

2)699 cm-1處出現的吸收峰，是苯乙烯的特征峰。

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

2.4 SBS改性瀝青老化后紅外光譜分析

對紅外光譜圖進行處理獲得特征官能團的波峰面積。由于樣品的涂抹厚度對試驗數據存在一定影響，采用相對面積數據進行數據修正。選取2 920 cm-1波長的特征官能團面積數據作為基準面積數據進行修正，則相對面積的計算公式為：

其中，ΔS2 920為2 920 cm-1波長的瀝青特征官能團面積數據;ΔSi/2 920為各特征波峰的相對面積數據；ΔSi為各特征波峰的原始面積數據。

按相對面積的計算公式進行各特征波峰面積數據的規范化處理后，得到表4中的各瀝青特征官能團相對波峰面積數據表。

表4 各瀝青特征官能團相對波峰面積數據表

按照瀝青各特征官能團指數公式進行瀝青特征官能團指數的計算。可以得到如表5所示的老化前后改性瀝青各特征官能團指數表。

其中，ΔIi/總為瀝青各特征官能團指數。

表5 改性瀝青老化前后各特征官能團指數表

改性瀝青短期老化前后各特征官能團指數的變化如圖10所示，其中外環為改性瀝青短期老化后瀝青特征官能團指數。除亞甲基外，其余瀝青特征官能團含量均會降低[14]；亞甲基的含量變化與甲基苯、亞砜基完全相反，推測老化后甲基苯、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指數幾乎無變化[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雙鍵未發生斷裂，改性效果未發生改變[16-17]。

3 試驗結論

1)該項目所用基質瀝青穩定可控，變異系數小,基質瀝青整體質量穩定。

2)紅外光譜擬合計算SBS含量方法具有可行、試驗快捷、數據精準的特點、各瀝青樣品檢測均無異常雜質出現。平均SBS含量(質量分數)在4.55%以上。變異系數小于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吸收峰除基質瀝青和SBS特征官能團吸收峰外并沒有新的吸收峰產生，且波峰的位置和數量沒有發生改變，說明SBS改性瀝青只是基質瀝青和SBS改性劑的物理共混產物，無新物質生成。

4)瀝青短期老化后，除亞甲基外，其余瀝青特征官能團含量均會降低；改性瀝青中丁二烯短期老化前后瀝青特征官能團指數幾乎無變化。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雙鍵未發生斷裂，改性效果改變幅度較小。