基于红外光谱分析的改性沥青SBS含量快速测定技术

为研究改性沥青中SBS改性剂含量的快速测定技术,基于红外光谱分析法,采用Bruker Alpha红外光谱设备获得不同改性剂含量的SBS改性沥青红外光谱图,利用OPUS处理软件测定966、1 456、1 602、2 852、2 921 cm~(-1)等特征吸收峰处的峰值面积与峰高值,并建立上述特征参数与SBS改性剂含量关系的回归模型,并对回归模型的准确性进行验证。同时,为了进一步消除溴化钾压片厚度对试验结果的影响,选用基质沥青的2个特征吸收峰813、1 377 cm~(-1),采用吸光度比值的方法(SBS改性剂的特征吸收峰参数与其和基质沥青的特征吸收峰参数之和的比值作为回归变量)进行回归分析。研究结果表明:966 cm~(-1)特征峰为SBS改性剂中碳碳双键上碳氢键的专属弯曲振动峰,与SBS含量之间具有高度的线性相关性;无论是813还是1 377 cm~(-1),采用特征吸收峰值面积均比峰高度值回归的精度更高,而且813 cm~(-1)比1 377 cm~(-1)作为特征吸收峰的相关性更好;最终选用966 cm~(-1)的峰值面积与其和813 cm~(-1)峰值面积之和的比值作为回归参数,与SBS改性剂含量之间的回归精度高达0.992 5,检测结果误差仅为0.1%。此外,通过改变SBS改性沥青种类、改性剂类型和稳定剂类型,验证该检测方法的适用性,其相对误差同样可以控制在5%以内。研究结果可为实际工程中SBS改性沥青中SBS的含量快速、准确测定提供参考。     

改性沥青SBS含量的红外光谱分析

为了准确检测改性沥青中SBS改性剂的含量,采用傅里叶变换红外光谱仪对基质沥青、SBS改性剂和SBS改性沥青进行透射光谱分析,根据波数966.1cm-1和698cm-1处出现的特征吸收峰,可定性判别改性沥青中SBS改性剂的存在状况,同时根据改性沥青中SBS改性剂含量与其波数966.1cm-1处的特征吸收峰的吸光度关系,建立了SBS改性剂含量与特征吸收峰处吸光度的线性回归模型,以此来定量分析改性沥青中SBS改性剂含量。研究结果表明:SBS改性剂含量检测结果与实际SBS改性剂掺量基本一致,红外光谱分析法能有效检测改性沥青中SBS改性剂的含量,从而实现对SBS改性沥青质量的监控。     

老化时间对SBS改性剂与沥青胶结料官能团的影响

采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和弯曲梁流变(BBR)试验,对老化0h、1h、5h、8h、24h、48h和72h条件下的2种沥青胶结料进行低温性能试验并与SBS改性剂进行官能团分析,探究基质沥青、SBS改性剂与其改性沥青的官能团随老化时间变化趋势,分析其老化方式,建立2种沥青胶结料官能团与其低温性能之间的关系。结果表明：SBS改性剂的老化是由聚丁二烯和聚苯乙烯的共同作用导致的,其老化方式主要是以烯烃和烷烃发生降解为主;基质沥青和改性沥青老化方式均是轻质油份挥发并与空气中氧气发生交联反应。SBS改性剂与其改性沥青在特征红外吸收峰处变化趋势不同,因此仅采用SBS改性剂特征红外吸收峰变化趋势不足以反应其改性沥青的特征峰变化。2种沥青胶结料的羰基指数与蠕变柔量导数指标存在良好的线性相关,可反映沥青低温变形能力。     

外加剂对FTIR测定改性沥青SBS含量影响

为了研究外加剂对傅里叶红外光谱法(FTIR)测定改性沥青中SBS含量(质量分数)检测精度的影响,采用Nicolet iS10红外光谱仪对基质沥青、SBS改性剂、SBS改性沥青、橡胶油和硫磺2种外加剂进行红外光谱扫描,并结合OMNIC软件读取各材料红外光谱图的特征峰面积,包括SBS在699、966 cm~(-1)处与基质沥青在1 377 cm~(-1)处的特征峰面积,建立SBS与基质沥青特征峰面积的比值A(分别记为A_(699)和A_(966))与SBS含量关系的标准曲线。同时为了考虑硫磺掺量和橡胶油掺量对SBS含量检测的影响,设计了三因素三水平正交试验,用F检验对正交试验结果进行了方差分析,并依据标准曲线对正交试验结果进行反算求得SBS预测含量。研究结果表明:A值与SBS含量具备良好的正相关关系;外加剂对SBS含量检测精度影响较大,3种因素对SBS含量检测的影响程度不同,因素主次顺序依次为SBS含量、硫磺掺量和橡胶油掺量,且除了以A_(966)为指标计算的橡胶油掺量因素F值小于F临界值外,其余因素对试验结果均有显著影响,硫磺的加入使A值减少,橡胶油的加入降低了A值的增幅;利用标准曲线对正交试验结果反算得到的SBS预测含量与实际含量之间的相对误差普遍超过10%,最大值甚至超过15%;外加剂对FTIR检测改性沥青SBS含量的影响不可忽略,实际工程中采用FTIR检测SBS含量时应考虑外加剂的影响。     

基于红外光谱法的SBS改性沥青共混机理

采用高速剪切工艺在实验室制备了SBS物理和化学改性沥青，基于红外光谱法对SBS改性沥青中沥青的杂原子化合物及SBS中特征官能团进行分析，通过比较基质沥青、SBS、SBS物理改性沥青及SBS化学改性沥青的四种红外光谱图，揭示了SBS改性沥青的共混机理．结果表明SBS物理改性沥青的红外光谱图为基质沥青与SBS红外光谱图的简单叠加，说明SBS与基质沥青只是简单的物理共混共容．而SBS化学改性沥青的红外光谱图却有略微变化，说明由于SBS与基质沥青在强剪切力作用下的溶混炼以及稳定剂的添加，其中少量的SBS发生断裂，产生大分子自由基，从而与基质沥青发生化学反应，SBS之间发生交联反应而SBS与基质沥青之间发生了接枝反应．利用红外光谱法还可以测定SBS改性沥青中SBS的含量，从而评价SBS改性沥青的技术性能．     

SBS与沥青相容性的研究

改性剂与沥青的相容性是决定改性效果和改性沥青制作工艺的关键因素,而聚合物改性沥青的相容性与基质沥青的组成、聚合物的剂量、聚合物成分结构以及贮存温度密切相关。利用热贮存稳定性试验系统研究了SBS与基质沥青的相容性。结果表明,线形SBS普遍比星型SBS具有较好的相容性,SBS含量小于3%时的改性沥青的稳定性也较好,沥青质含量适中、芳香分含量越小的基质沥青与SBS相容性也越好。     

SBS含量对沥青老化性能的影响

为了提高SBS改性沥青的路用性能,延长路面使用寿命,本文通过物理指标试验、流变测试、傅里叶红外光谱法（FTIR）和凝胶色谱法（GPC）对比分析了不同含量SBS改性沥青老化前后的性能差异,探究了SBS含量对沥青老化性能的影响。结果表明：短期老化后,随着SBS含量的增加,沥青粘度和复数模量增大,针入度减小,延度迅速下降,沥青显示出脆性;改性剂发生降解,GPC图谱中改性沥青SBS特征峰峰面积均有所减小;改性沥青的红外光谱图在1696 cm-1（C=O伸缩振动）处出现新的特征吸收峰。长期老化后,改性沥青中大分子物质几乎完全降解,SBS特征峰均消失;红外光谱图中1696 cm-1处吸收峰强度加强,BI指数减小一半;随着SBS含量的增加,CI指数和SI指数变化不大,而BI指数持续增加并与SBS含量呈现良好的线性关系。     

SBS含量对沥青老化性能的影响

为提高苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS)改性沥青的路用性能，延长路面使用寿命，通过物理指标试验、流变测试、傅里叶红外光谱法和凝胶色谱法（GPC）对比分析不同含量SBS改性沥青老化前后的性能差异，探究SBS含量对沥青老化性能的影响. 结果表明：短期老化后，随着SBS含量的增加，沥青粘度和复数模量增大，针入度减小，延度迅速下降，沥青显示出脆性；改性剂发生降解，GPC图谱中改性沥青SBS特征峰峰面积均有所减小；改性沥青的红外光谱图在1696cm^-1（C=O伸缩振动）处出现新的特征吸收峰. 长期老化后，改性沥青中大分子物质几乎完全降解，SBS特征峰均消失；红外光谱图中1696cm^-1处吸收峰强度加强，丁二烯指数（BI）减小一半；随着SBS含量的增加，羰基指数和亚砜基指数变化不大，而BI指数持续增加,并与SBS含量呈现良好的线性关系.     

SBS改性沥青性能及显微形态结构分析

为探索改性沥青宏观性能与显微形态结构的关系,选取3类、4种剂量的SBS改性剂与2种基质沥青分别制备改性沥青,通过环球软化点、布氏黏度、动态剪切流变试验及荧光显微镜分析技术,从宏观性能与微观形态结构方面同时探讨比较了各类SBS改性沥青。结果表明：改性沥青性能是改性剂在沥青中的相态、形状、大小、百分率含量和均匀性等微观形态共同作用的结果。一般地,改性剂粒子面积百分率越大、长短轴之比及其标准差越小、平均面积越小,改性沥青的改性效果越好。研究成果为后续根据改性沥青微观形态参数定量改性沥青的性能研究奠定了基础。     

改性剂对SBS改性沥青低温性能的影响

以动态剪切流变仪（dynamic shear rheometer）实测的玻璃化转变温度（Tg）为评价指标，针对同一种油源、不同标号的基质沥青，分析了改性剂结构和掺量对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青低温性能的影响．结果表明，改性剂结构对SBS改性沥青的低温性能影响不大；而改性剂掺量对SBS改性沥青的低温性能有重要影响，这种影响受到基质沥青标号的限制，基质沥青的标号越大，掺量对低温性能的影响越大．     

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性沥青中改性剂含量的检测方法

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)掺量是决定SBS改性沥青路用性能的重要因素之一。为了抵制市场上SBS改性沥青中改性剂掺假现象,通过国内外文献研究,对目前市场上常用的SBS改性剂含量的检测方法进行了整理总结,其中主要包括物理方法和化学方法,即红外光谱法、荧光显微法、凝胶渗透色谱法、热重分析法、提取分离法、双键滴定法以及电位滴定法。系统梳理了各种方法的基本原理以及实验过程中存在的问题,总结出化学检测方法比传统的物理方法精确度高。由于SBS含量易受到其他因素的干扰,采用单一的检测方法并不能完全地反映出改性剂的含量,因此结合各方法的优点,提出了一种新型的交叉检测方法理念:红外光谱法作为基础的定性判断,采用化学方法进行改性剂含量测定,最终通过其他物理手段排除一切干扰因素。     

低温敏性高黏弹沥青冲击隔离防护材料研制及其黏弹性研究

通过分析改性剂和增塑剂在沥青改性中的作用机理,确定了采用高掺量线型SBS、高掺量芳烃油和氧化剂复配改性沥青的技术路线和高温高速剪切共混的改性工艺,制备了低温敏性高黏弹沥青冲击隔离防护材料,系统测试了高黏弹沥青不同时温条件下的微观结构和剪切模量等.研究表明：研制的高黏弹沥青在充分溶胀、交联后,沥青与改性剂形成了相与相互穿的半互穿网络结构,与10%线型SBS改性沥青相比,其动态剪切模量和温敏性大幅度降低;与针入度温敏性表征方法相比,采用动态剪切模量温敏性表征方法更能准确反映沥青材料的温敏性.     

苯乙烯-丁二烯共聚物在沥青中的分散性

对苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS)改进沥青性能进行了实验研究.用Brook fieled旋转黏度计测定了SBS对两种沥青进行改性后样品的系列黏度.实验发现SBS在含芳烃较高的沥青中分散性能好,增黏效果显著,尤其是当其质量分数大于3%后芳烃含量较高的沥青黏度增大幅度较大;SBS对沥青的针入度、软化点、延度等物理性能的影响也非常明显.通过对SBS改性沥青性能的机理分析,表明SBS在沥青中的分散性是提高改性沥青性能的重要因素.适当添加芳烃有助于提高SBS改性沥青的物理性能.     

SBS剂量对改性沥青性质的影响

应用BBR和DSR流变仪，测定了同一种SBS以不同剂量对相同的沥青进行改性后样品的流变性质。通过对流变性质与SBS剂量之间关系的分析研究，发现改性沥青的高、低温性质随着SBS剂量的增大而改善，而这些均与改性沥青的亚微观结构有关。结果表明，改性沥青宏观性质的不同在很大程度上是由其亚微观结构所决定。     

接枝杜仲胶改性沥青路用性能

为了进一步完善SBS改性沥青性能,降低合成高分子改性剂受原油价格和产量的影响程度,在天然高分子材料杜仲胶上接枝能与沥青氮基反应的官能团马来酸酐,形成一种新的天然沥青改性剂接枝杜仲胶.分析了接枝杜仲胶的生成方法与改性沥青的机理,根据杜仲胶接枝产物的红外光谱,确定了接枝产物的物理表征.将接枝杜仲胶与SBS复合后改性沥青,进行了沥青和沥青混合料的高低温和老化性能试验.试验结果表明:当小于2%掺量的接枝杜仲胶加入SBS改性沥青后能提高其高温和抗老化性能,不降低低温性能,而且1.5%掺量接枝杜仲胶对SBS改性沥青性能提高最为明显;接枝杜仲胶取代一部分SBS后,沥青混合料除了低温性能相当外,强度、高温和水稳性能均得到不同程度的提高.接枝杜仲胶取代一部分SBS后不降低而是增强了改性沥青的使用品质,也减少了合成高分子材料的用量.