基于红外光谱法对于SBS改性沥青掺量的分析

基于红外光谱法对于SBS改性沥青掺量的分析 朱辉,赵佃宝',曲恒辉,张圣涛,朱树青2 (1.齐鲁交通材料技术开发有限公司,山东济南,250014:2.济南城建集团有限公司设计研究院,山东济南,250101) 擴要:为了评价傅里叶变换红外光谱测定SBS改性剂含量技术在公路工程中的应用意义, 以科学合理的表征改性沥青性能,本文通过对三种道路石油沥青和一种SBS改性剂在不同掺 量条件下进行改性沥青标准样品制备,并利用TENSΩRⅡ红外光谱分析仪对三种改性沥青进 行分子结构信息分析,并对实验室标样和工厂化产品分别依照标准曲线进行标定分析。结果 表明:特征吸收峰的绝对峰高和峰面积没冇明显的规律性,而特定条件下沥青谱图中各特征 吸收峰的相对值存在一定的规律性;工厂化成品与室内制作的标准样品相比,红外光谱检测 SBS改性剂掺量存在±0.冫%以内的误差;为保证改性沥青在工程中的优良路用性能,建议綜 合考虑常规物理技术指标检测方法和红外光谱检测技术。 关镳词:改性沥青;SBS改性剂含量;红外光谱检测技术;路用性能 Analysis of sbs modifiercontent in modified asphalt based on infrared spectrosco hui, Zhao dianbao, Qu henghui, Zhang shengtao, Zhu shuging (1.Qilu Transportation Materials Technology Development Co, Ltd, Jinan, Shandong, 250014; 2. Design& Research of Jinan Urban Construction Group Co Ltd, Jinan, Shandong, 250101) Abstract:In order to evaluate the application significance of Fourier transform infrared spectroscopy(ftir)in determining SBS modifier contentin highway engineering, to meet requirement of evaluating the properties of modified asphalt scientifically and reasonably. In this paper, Standard samples of modified asphalt were prepared with three kinds of paving asphalt asphalt and one kind of SBs modifier in different dosage conditions, it's molecular structure informationwas analyzed by using TENSOR Il infrared spectrum analyzer, Laboratory samples and factory products were respectively calibrated and analyzed according to the standard curve.The experiment results show that: The absolute peak height and peak area of characteristic absorption peak have no obvious regularity, while the relative value of each characteristic absorption peak in asphalt spectrogram has certain regularity under certain conditions; Compared with the standard samples made in the laboratory and factory, there is an error within +0. 2% in the content of SBs modifier detected by infrared spectroscopy; In order to ensure the excellent pavement performance of modified asphalt in engineering, it is suggested to using the conventional physical specifications test method and Infrared spectrum detection technology in combination Keyword: modified asphalt; SBS modifiercontent; Infrared pectrum detection technology; pavement performance (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

基于红外光谱法对于 SBS 改性沥青掺量的分析 朱辉 1 ,赵佃宝 1 ,曲恒辉 1 ,张圣涛 1 ,朱树青 2 (1.齐鲁交通材料技术开发有限公司，山东济南，250014 ；2.济南城建集团有限公司设计研究院，山东济南，250101) 摘要：为了评价傅里叶变换红外光谱测定 SBS 改性剂含量技术在公路工程中的应用意义， 以科学合理的表征改性沥青性能，本文通过对三种道路石油沥青和一种 SBS 改性剂在不同掺 量条件下进行改性沥青标准样品制备，并利用 TENSORⅡ红外光谱分析仪对三种改性沥青进 行分子结构信息分析，并对实验室标样和工厂化产品分别依照标准曲线进行标定分析。结果 表明：特征吸收峰的绝对峰高和峰面积没有明显的规律性，而特定条件下沥青谱图中各特征 吸收峰的相对值存在一定的规律性；工厂化成品与室内制作的标准样品相比，红外光谱检测 SBS 改性剂掺量存在±0.2%以内的误差；为保证改性沥青在工程中的优良路用性能，建议综 合考虑常规物理技术指标检测方法和红外光谱检测技术。 关键词：改性沥青；SBS 改性剂含量；红外光谱检测技术；路用性能 Analysis of SBS modifiercontent in modified asphalt based on infrared spectroscopy Zhu hui1 ,Zhao dianbao1 ,Qu henghui1 ,Zhang shengtao1 ,Zhu shuqing2 (1.Qilu Transportation Materials Technology Development Co.,Ltd., Jinan,Shandong,250014; 2. Design&Research of Jinan Urban Construction Group Co.Ltd., Jinan,Shandong,250101) Abstract:In order to evaluate the application significance of Fourier transform infrared spectroscopy (ftir) in determining SBS modifier contentin highway engineering, to meet requirement of evaluating the properties of modified asphalt scientifically and reasonably.In this paper, Standard samples of modified asphalt were prepared with three kinds of paving asphalt asphalt and one kind of SBS modifier in different dosage conditions,it’s molecular structure informationwas analyzed by usingTENSOR Ⅱ infrared spectrum analyzer, Laboratory samples and factory products were respectively calibrated and analyzed according to the standard curve.The experiment results show that: The absolute peak height and peak area of characteristic absorption peak have no obvious regularity, while the relative value of each characteristic absorption peak in asphalt spectrogram has certain regularity under certain conditions; Compared with the standard samples made in the laboratory and factory, there is an error within ±0.2% in the content of SBS modifier detected by infrared spectroscopy; In order to ensure the excellent pavement performance of modified asphalt in engineering, it is suggested to using the conventional physical specifications test method and Infrared spectrum detection technology in combination. Keyword:modified asphalt;SBS modifiercontent;Infrared spectrum detection technology; pavement performance

、前言 SBS因其优异的路用性能而在公路建设和养护工程中得以大面积的使用,随着其需求量 的增加,改性工艺日趋成熟和完善。SBS改性沥青是由道路石油沥青和热塑性弹性体(SBS) 在特定温度条件下经过胶体磨剪切分散、溶胀和发育,或经一定时长的混合热熔,使得SBS 改性剂充分吸收沥青中油分而溶胀形成空间网络结构,而形成的具有较好高低温和疲劳性能 的改性沥青。研究表明,SBS改性剂的充分溶胀是获得良好改性效果的前提叫,SBS改性剂 在剪切过程中的细化程度和均匀性是改性沥青技术的关键P。SBS改性剂与改性沥青的综合 物理性能指标在一定的掺量范围内呈现正相关的变化趋势,只有当改性剂掺量在最佳掺比时, SBS颗粒互相接触,使体系内聚力增大,从而具备良好的路用性能。SBS改性沥青经过多 年的发展,技术指标和试验方法已经形成了较通用的行业规范,建立了以物理指标为基础的 质量检测体系,然而经过大量的工程实践验证,技术指标符合规范要求的改性剂掺量与最佳 掺量具有一定的偏差。 本文主要针对三种道路石油沥青(齐鲁石化70#、京博70#和加德士70#)和一种SBS改 性剂(岳化791H)进行实验室标准样品制备,利用 TENSORⅡ红外光谱分析仪进行分子结 构信息分析,绘制各成品改性沥青所对应的标准曲线,以实验室标样和工厂化产品分别标定 通过对不同原材制备的改性沥青所建立的标准曲线及在966cm和1377cm处吸收光谱进行 分析比对,以明确不同原材制备改性沥青标准曲线的区别及工厂化产品与标准曲线对应检测 数据之间的误差。 二、试验安排 试验所用三种70#道路石油沥青各项技术指标(如表1)均符合我国行业技术规范要求 SBS改性剂为中国石化巴陵石化公司所产的YH-79H(SBS1301-1),分子结构为线型,性 能指标符合相关标准要求(如表2)。以至少五种不同SBS改性剂掺量制备改性沥青,准确 称量基质沥青600g加温至175-185℃,采用高速剪切设备预剪切10min,转速为2500r/min 加入准确称量的不同掺量条件下的SBS改性剂,高速剪切设备在转速为4000r/min条件下 剪切35min,按比例加入稳定剂,搅拌l5min,制成SBS改性沥青标准样品。称取2g标准样 品溶于30ml四氯化碳溶剂中,待充分溶解后采用傅里叶红外光谱仪分别测定不同标样 4000~400cm范围的红外吸收光谱 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

一、前言 SBS 因其优异的路用性能而在公路建设和养护工程中得以大面积的使用，随着其需求量 的增加，改性工艺日趋成熟和完善。SBS 改性沥青是由道路石油沥青和热塑性弹性体（SBS） 在特定温度条件下经过胶体磨剪切分散、溶胀和发育，或经一定时长的混合热熔，使得 SBS 改性剂充分吸收沥青中油分而溶胀形成空间网络结构，而形成的具有较好高低温和疲劳性能 的改性沥青。研究表明，SBS 改性剂的充分溶胀是获得良好改性效果的前提[1]，SBS 改性剂 在剪切过程中的细化程度和均匀性是改性沥青技术的关键[2]。SBS 改性剂与改性沥青的综合 物理性能指标在一定的掺量范围内呈现正相关的变化趋势，只有当改性剂掺量在最佳掺比时， SBS 颗粒互相接触，使体系内聚力增大，从而具备良好的路用性能。SBS 改性沥青经过多 年的发展，技术指标和试验方法已经形成了较通用的行业规范，建立了以物理指标为基础的 质量检测体系，然而经过大量的工程实践验证，技术指标符合规范要求的改性剂掺量与最佳 掺量具有一定的偏差。 本文主要针对三种道路石油沥青(齐鲁石化 70#、京博 70#和加德士 70#)和一种 SBS 改 性剂（岳化 791H）进行实验室标准样品制备，利用 TENSORⅡ红外光谱分析仪进行分子结 构信息分析，绘制各成品改性沥青所对应的标准曲线，以实验室标样和工厂化产品分别标定， 通过对不同原材制备的改性沥青所建立的标准曲线及在966cm-1和1377cm-1处吸收光谱进行 分析比对，以明确不同原材制备改性沥青标准曲线的区别及工厂化产品与标准曲线对应检测 数据之间的误差。 二、试验安排 试验所用三种 70#道路石油沥青各项技术指标（如表 1）均符合我国行业技术规范要求， SBS 改性剂为中国石化巴陵石化公司所产的 YH-791H（SBS1301-1），分子结构为线型，性 能指标符合相关标准要求（如表 2）。以至少五种不同 SBS 改性剂掺量制备改性沥青，准确 称量基质沥青 600g,加温至 175-185℃，采用高速剪切设备预剪切 10min，转速为 2500r/min， 加入准确称量的不同掺量条件下的 SBS 改性剂，高速剪切设备在转速为 4000 r/min 条件下 剪切 35min，按比例加入稳定剂，搅拌 15min,制成 SBS 改性沥青标准样品。称取 2g 标准样 品溶于 30ml 四氯化碳溶剂中，待充分溶解后采用傅里叶红外光谱仪分别测定不同标样 4000~400cm-1 范围的红外吸收光谱

通过利用红外光谱处理软件对位于96cm和1377cm处的吸光度特征峰进行峰面积测 定,计算A值,根据不同SBS掺量与对应的A值绘制标准曲线。分析由三种不同基质沥青 和特定的SBS改性剂所制备的改性沥青标准曲线之间的差异。 表1道路石油沥膏性能指标 检验项目 试验结果 技术要求 齐鲁7京博70#加德士7 针入度25℃,5s,100g(0.1mm) 60-80 针入度指数PI 1.5-1.0 软化点(℃) 47,5 46. 47.0 +46 0℃动力黏度(Pa.s) 246 180 10℃延度(cm) 37 +2 15℃延度(cm) >100>100 100 蜡含量(蒸馏法)(%) 1.2 1.1 1.3 闪点(℃) 溶解度(%) 99.9299.92 99.91 +99.5 密度(15℃)(g/cm3) 1.033 测记录 TFOT 质量变化(%) 0.084-0.0860.01 ≯±0.8 残留针入度比(%) 残留延度(10℃)(cm) 6 表288s(mH791H)性能指标 检测项目 试验结果 技 术要求 外观 白色,不含机械杂质及油污等。白色或浅色,不含机械杂质及油污 挥发分/% 灰分/% 0.l1 熔体质量流动速率/(g/l0min) 0.10 0.01-0.5 300%定伸应力/MPa ≥2.0 扯断伸长率/% 798 拉伸强度/MPa ≥18.0 硬度/邵尔A 扯断永久变形/% 40 结合苯乙烯含量/% 28.0-32.0 黄色指数 0.8 ≤8.0 三、试验结果与分析 (一)红外圾收光谱 红外光谱法是利用物质分子对红外辐射的吸收,并由其振动或转动运动引起偶极矩的精 变化,产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,得到由分子振动能级和转动能级变 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

通过利用红外光谱处理软件对位于966cm-1和1377cm-1处的吸光度特征峰进行峰面积测 定，计算 A 值，根据不同 SBS 掺量与对应的 A 值绘制标准曲线。分析由三种不同基质沥青 和特定的 SBS 改性剂所制备的改性沥青标准曲线之间的差异。 表 1 道路石油沥青性能指标 检验项目 试验结果 技术要求 齐鲁 70# 京博 70# 加德士 70# 针入度 25℃,5s,100g(0.1mm) 64 62 74 60-80 针入度指数 PI -1.1 -1.2 -1.1 -1.5-1.0 软化点（℃） 47.5 46.5 47.0 ≮46 60℃动力黏度（Pa.s） 276 256 246 ≮180 10℃延度（cm） 50 37 44 ≮20 15℃延度（cm） ＞100 ＞100 ＞100 ≮100 蜡含量（蒸馏法）（%） 1.2 1.1 1.3 ≯2.2 闪点（℃） 306 296 302 ≮260 溶解度（%） 99.92 99.92 99.91 ≮99.5 密度（15℃）（g/cm3 ） 1.032 1.033 1.032 实测记录 TFOT 质量变化（%） -0.084 -0.086 0.01 ≯±0.8 残留针入度比（%） 66 62 67 ≮61 残留延度（10℃）（cm） 6 11 7 ≮6 表 2SBS（YH-791H）性能指标 检测项目 试验结果 技术要求 外观 白色，不含机械杂质及油污等。 白色或浅色，不含机械杂质及油污 等。 挥发分/% 0.11 ≤1.00 灰分/% 0.11 ≤0.20 熔体质量流动速率/（g/10min） 0.10 0.01-0.5 300%定伸应力/MPa 2.8 ≥2.0 扯断伸长率/% 798 ≥700 拉伸强度/MPa 20.8 ≥18.0 硬度/邵尔 A 71 ≥68 扯断永久变形/% 16 ≤40 结合苯乙烯含量/% 29.6 28.0-32.0 黄色指数 0.8 ≤8.0 三、试验结果与分析 （一）红外吸收光谱 红外光谱法是利用物质分子对红外辐射的吸收，并由其振动或转动运动引起偶极矩的精 变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，得到由分子振动能级和转动能级变

化产生的振动一转动光谱。它是一种鉴别化合物和确定物质分子结构的常用分析手段,可 对物质进行定性分析及对混合物各组分进行定量分析 结合工程实际,对齐鲁70#、京博70#和加德士70#基质沥青和SBS改性剂(791H)分 别制备的三种改性沥青,编号依次为1#、2#和3#,分别在不同掺量条件下利用红外光谱仪 进行了红外光谱谱图分析,并进行了SBS改性剂含量检测用标准曲线的绘制。 基质沥青 1000 2000 3000 4000 波数(cm) 图1基质沥青红外光谱图 3% 3.5% 3 4.5% 02 0.0 5001000150020002500300035004000 波数(cm) 图2.1齐鲁70#制备SBs改性沥背红外光谱图 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

化产生的振动—转动光谱[3]。它是一种鉴别化合物和确定物质分子结构的常用分析手段，可 对物质进行定性分析及对混合物各组分进行定量分析。 结合工程实际，对齐鲁 70#、京博 70#和加德士 70#基质沥青和 SBS 改性剂（791H）分 别制备的三种改性沥青，编号依次为 1#、2#和 3#，分别在不同掺量条件下利用红外光谱仪 进行了红外光谱谱图分析，并进行了 SBS 改性剂含量检测用标准曲线的绘制。 1000 2000 3000 4000 2 3 4 吸光度 波数 (cm-1) 基质沥青 图 1 基质沥青红外光谱图 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 1340 1350 1360 1370 1380 1390 0.02 0.03 0.04 0.05 吸吸吸 波波 (cm-1) 3% 3.5% 4% 4.5% 5% 920 930 940 950 960 970 980 990 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020 吸吸吸 波波 (cm-1) 3% 3.5% 4% 4.5% 吸光度 5% 波数 (cm-1) 3% 3.5% 4% 4.5% 5% 图 2.1 齐鲁 70#制备 SBS 改性沥青红外光谱图

0.5 04 23456 %%%%% 0.3 三 02+1 0.0 5001000150020002500300035004000 波数(cm) 图2.2京博70制备SBS改性沥青红外光谱图 3% 1.5 3.5% 三 4.5% 5001000150020002500300035004000 波数(cm) 图2.3加德士70#制备SBS改性沥青红外光谱图 表3不同沥膏红外谱图吸收谱带 沥青种类 SBS改性沥青 2# 3# 特征吸收峰 齐鲁70#+791H 京博70#+79lH 加德士70#+79IH 721cm 698cm 99 cm 761cml 722cm 724cm 24 cm 788cm 745cm 744cm1 762cm2 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1330 1340 1350 1360 1370 1380 1390 1400 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 吸吸吸 波波 (cm-1) 2% 3% 4% 5% 6% 930 940 950 960 970 980 990 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 吸吸吸 波波 (cm-1) 2% 3% 4% 5% 吸光度 6% 波数 (cm-1) 2% 3% 4% 5% 6% 图 2.2 京博 70#制备 SBS 改性沥青红外光谱图 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0.0 0.5 1.0 1.5 920 930 940 950 960 970 980 990 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 吸吸吸 波波 (cm-1) 3% 3.5% 4% 4.5% 5% 1340 1350 1360 1370 1380 1390 0.02 0.03 0.04 0.05 吸吸吸 波波 (cm-1) 3% 3.5% 4% 4.5% 5% 吸光 度 波数 (cm-1) 3% 3.5% 4% 4.5% 5% 图 2.3 加德士 70#制备 SBS 改性沥青红外光谱图 表 3 不同沥青红外谱图吸收谱带 沥青种类 特征吸收峰 石油沥青 SBS 改性沥青 1# 2# 3# 齐鲁 70#+791H 京博 70#+791H 加德士 70#+791H 1 721cm-1 698cm-1 698 cm-1 699 cm-1 2 761cm-1 722cm-1 724 cm-1 724 cm-1 3 788cm-1 745cm-1 744 cm-1 762 cm-1