0 引言

　　SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)改性沥青是基质沥青和SBS聚合改性剂的共混物。本项目改性沥青的基质沥青采用90号A级道路石油沥青(温州中石油燃料沥青有限责任公司)，改性剂采用CH1301-1HE型热塑性弹性体(苯乙烯类)(宁波长鸿高分子科技股份有限公司)。因其低温抗裂性、高温稳定性、抗疲劳性等优良路用性能均优于普通沥青而被广泛应用于高等级公路等道路工程。在实际工程中，SBS掺量是决定路面耐久性的重要因素;若掺量不足，SBS在基质沥青中无法形成网络状连续相，也就使得改性沥青的路用性能大打折扣^[1]。

　　在高速公路施工过程中，进场沥青主要依赖于工地实验室和委托的检测单位，通过测定传统的沥青物理指标(针入度、软化点、延度)来评价沥青质量，每车次检测周期3.5～4.0h，难以满足工程需求^[2]。曹贵等测量SBS掺量的特征峰值，提出基于红外光谱的改性沥青中SBS掺量测试分析方法^[3]。王超等发现改性沥青中SBS掺量与A₉₆₆/A₈₁₀(966cm^-1处与810cm^-1处特征吸收峰面积比)存在明显的线性相关^[4]。罗桑等选用966cm^-1的峰值面积与其和813cm^-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^[5]。刘鹏等研究结果表明，SBS改性剂掺量会对改性沥青红外吸收峰的位置造成影响;通过A₉₆₆/A_{1 377}，判断已知组成的SBS改性沥青中SBS改性剂掺量^[6]。田迎军等研究发现，不同掺量区间的SBS对改性沥青路用性能的影响程度不同，699cm^-1处特征峰是拟合标准曲线的最佳SBS特征峰，以A₆₉₉/A_{1 377}为变量因子进行线性回归的标准曲线的估算精度最高^[7]。刘薇等^[8]、陈志国等^[9]、徐志荣等^[10]均采用966cm^-1处的特征峰作为SBS改性剂定量和定性的特征参数。综合文献和现场实际情况，本文选用A₉₆₆/A_{1 377}作为评价沥青中SBS改性剂含量的特征参数。

　　1 试验原理

　　红外光谱作为“分子的指纹”被广泛应用于分子结构和物质的化学组成中。红外光谱是由分子的振动或转动跃迁引起。物质须满足2个条件才能产生红外吸收:(1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量;(2)辐射与物质间有相互耦合作用^[11]。

　　不同物质具有不同的分子结构，当红外光照射后，利用傅里叶变换红外光谱仪能得到不同的谱带，可实现对物质的定性分析^[12]。谱带的强度(峰值面积、峰高)与样品浓度成正比，其中稳定性好、能灵敏反映组分浓度的谱带又称为物质的特征谱带，通过测量特征谱带的强度可实现对物质的定量分析^[13,14]。SBS改性剂和基质沥青在热力学上不相容，因此可测定改性沥青的红外光谱来实现对SBS改性剂的定量分析。

　　根据Lambert-Beer定律，当红外光透过一定厚度的样品时，特征官能团在特定波长的吸收强度与物质的浓度成正比关系:

　　式中:A(v)为波数为v处的吸收强度;T(v)为波数为v处的透过率;a(v)为摩尔吸光系数;b为吸收层厚度;c为吸光物质的浓度。

　　为消除样品制备厚度对计算结果的影响，采用吸收强度比值(R)量化SBS改性沥青中SBS掺量:

　　由表1,2和图1可看出，SBS改性剂在699cm^-1和966cm^-1处有其特征峰，966cm^-1处的峰形要优于699cm^-1处的峰形，因此本文最终选用A₉₆₆/A_{1 377}作为评价沥青SBS改性剂含量的特征参数。

　　表1 基质沥青特征峰 

　　表1 基质沥青特征峰

　　表2 SBS改性沥青特征峰 

　　表2 SBS改性沥青特征峰

　　1.1 基质沥青特征峰选择(见表1)

　　基质沥青明显的吸收峰如2 924,2 853cm^-1处的强峰，这些吸收峰是脂肪族或芳香族C-H的伸缩振动引起。而在1 458cm^-1和1 377cm^-1处的吸收峰是CH₂的弯曲振动，在这一区域的吸收峰主要是C-CH₃不对称键或CH₂对称键的伸缩振动;1 540～1 700cm^-1较宽的吸收谱带为-N-H的面内变形振动，这是含氮化合物的特征峰。在指纹区，723cm^-1附近的吸收峰是苯环上C-H键面外振动吸收峰，这也是基质沥青共有的。1 377cm^-1附近存在的特征峰是C-H面内弯曲振动引起，可认为是仅归属于基质沥青的特征峰。

　　图1 基质沥青与SBS改性沥青特征峰红外光谱 

　　1.2 SBS改性沥青特征峰选择(见表2)

　　SBS改性剂的特征峰如下:2 924,2 853cm^-1处的-CH₂-的伸缩振动吸收峰，1 603,1 458cm^-1为苯环的振动吸收峰，699cm^-1为聚苯乙烯C=C伸缩振动吸收峰，746cm^-1为芳香支链弯曲振动吸收峰，966cm^-1为丁二烯C=C的伸缩振动吸收峰，911cm^-1为=CH₂面外摇摆振动吸收峰。在966cm^-1处出现较强的吸收峰，是反式丁二烯的特征吸收峰;在699cm^-1处出现较强的吸收峰，是苯环上C-H振动吸收峰，为苯乙烯的特征吸收峰，这两处的峰是SBS改性剂所特有的特征峰，且不受基质沥青中各成分的影响。综合考虑选择966cm^-1处的峰作为评价SBS改性剂掺量的特征峰。

　　1.3 基质沥青、SBS改性沥青红外光谱图剖析

　　基质沥青和SBS改性沥青特征峰红外光谱如图1所示。

　　通过红外光谱图可清楚看出，SBS改性沥青在699cm^-1和966cm^-1处出现基质沥青没有的特征峰;SBS改性沥青与基质沥青在1 377cm^-1处的峰无明显差异，这也进一步验证了该处峰仅归属于基质沥青。

　　1.4 SBS掺量的定量分析

　　结合现场实际情况，首先测定生产厂家提供的标准改性沥青的红外光谱图得到标准改性沥青的A⁰₉₆₆和A⁰_{1 377}，计算得到标准改性沥青的R₀=A⁰₉₆₆/A⁰_{1 377}。采用相同的试验条件和方法车检进场SBS改性沥青，处理得到各车SBS改性沥青的966cm^-1峰面积(A₉₆₆)和1 377cm^-1峰面积(A_{1 377})，计算R=A₉₆₆/A_{1 377}，比较R₀与R可分析进场SBS改性沥青的质量状况。

　　2 材料与方法

　　2.1 试验材料

　　原材料主要为生产厂家提供的标准SBS改性沥青、生产过程中进场的SBS改性沥青、三氯乙烯(纯度为分析纯)、一次性脱脂棉签、烧杯、红外烘干灯、玻璃棒，试验仪器采用FTIR-8400S岛津傅里叶红外光谱仪及配套的固定KBr窗片。

　　2.2 试验方法

　　1)取2g沥青溶于三氯乙烯中，制成10%质量浓度的溶液，搅拌使沥青充分溶解。

　　2)光谱仪采集区间设置为4 000～400cm^-1，扫描次数为64次，分辨率为4cm^-1;测试KBr窗片作为背景。

　　3)用脱脂棉签蘸取少量溶液，均匀涂抹在KBr窗片上。

　　4)将涂抹有沥青溶液的KBr窗片放在红外烘干灯下，待KBr窗片上三氯乙烯完全挥发且形成一层均匀的沥青薄膜。

　　5)用相同的参数测试样品。同一车次测试5次，若A₉₆₆/A_{1 377}相对偏差>5%，则此谱图作废须进行补测，对5个样品取平均值，每车次检测周期约10min。

　　3 试验结果与分析

　　本文以工程中4批次SBS改性沥青红外抽检结果为例，论证红外技术在沥青路面施工中的应用。

　　标准SBS改性沥青红外谱如图2a所示，4批次SBS改性沥青红外试验的红外光谱如图2b～2e所示。

　　由图2借助相关图形处理软件可计算得到SBS改性沥青红外谱图中SBS特征峰966cm^-1、基质沥青特征峰1 377cm^-1处的面积及其比值，如表3所示。

　　SBS改性剂特征峰面积(966cm^-1)影响R值大小，SBS改性剂特征峰面积的大小又取决于SBS改性剂的掺量，因此R值的大小直接反映了SBS改性剂的掺量。由表3可得抽检的4批改性沥青的R值与标准改性沥青的R值非常接近，这也就说明这4批样品的SBS改性剂掺量与标准改性沥青的掺量一致。

　　为了验证红外结果的可靠性，分别对4批改性沥青进行3大指标(针入度、延度、软化点)检测，上述4批次SBS改性沥青针入度、延度、软化点试验结果如表4所示。

　　图2 标准SBS改性沥青、1～4批沥青与标准SBS改性沥青红外光谱 

　　表3 各批次改性沥青峰面积 

　　表3 各批次改性沥青峰面积

　　表4 各批次改性沥青3大指标 

　　表4 各批次改性沥青3大指标

　　由图2b～2e可看出，各样品与标准改性沥青的红外光谱图在峰强、峰面积上略有差别，但采用峰面积比值的方法即可消除样品厚度的影响，由表3可看出各批次的R与R₀非常接近，结合红外光谱图可断定样品与标准改性沥青相似，通过进一步的3大指标试验说明4批样品均满足施工技术要求，与红外检测结果相一致。

　　通过红外检测，将结果进行反馈，对不符合设计及规范要求的改性沥青截留、退货，缩短了检测周期，减少了检测成本，有效控制改性沥青质量。红外光谱分析的方法可准确测定SBS改性剂掺量，以实现对进场改性沥青质量控制，保证了本工程沥青路面实体质量。

　　4 结语

　　1) 966cm^-1处(SBS的特征吸收峰)吸收峰面积和1 377cm^-1处(基质沥青的特征吸收峰)吸收峰面积的比值可定量分析SBS改性剂的掺量。

　　2)通过比较每车次沥青A_966/A_{1 377}的测试值与标准沥青的测试值，即可较快得出改性沥青的质量状况。

　　3)对SBS改性沥青性能评价，应采用常规物理指标和红外光谱相结合的方法，当红外检测结果偏差较大时应采用常规检测方法复检，以达到科学合理评价改性沥青路用性能的目的。