摘要
基于傅里叶变换红外光谱法(FTIR)，对基质沥青、SBS及SBS改性沥青进行了透射光谱试验分析。研究结果表明：改性沥青红外光谱图中cm^-1处和cm^-1处的特征吸收峰可用于SBS掺量的定量分析，改性沥青中SBS掺量与A/A(cm^-1处与cm^-1处特征吸收峰面积比)存在明显的线性相关，相关系数可达0.以上。提出的检测方法能够快速、准确地测定SBS改性沥青中改性剂掺量，从而达到检测、监控工程材料质量的目的。
关键词
SBS改性沥青
SBS掺量
傅里叶变换红外光谱法(FTIR)
检测方法
前言
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青是基质沥青与聚合物改性剂SBS的共混物，因其具有高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性等优良路用性能，已广泛应用于高等级公路、机场道面等工程的建设与养护。实际工程中，改性剂SBS掺量是决定沥青路面路用性能的重要因素之一，一般情况下SBS掺量为3.5%~5%(质量分数)，若掺量不足，改性沥青中SBS无法形成网状连续相，达不到预期的改性效果。因此，准确测量改性沥青中SBS掺量，加强改性沥青生产过程中SBS掺量的监控对保证工程质量有着重要意义。目前，国内外对改性沥青SBS掺量的测试方法主要有两大类：①通过分析改性沥青的针入度、软化点、延度、弹性恢复、运动黏度等性能指标，得出改性沥青的各项性能指标与其SBS掺量之间的相关性，如Diefenderfer等提出的弹性回复表征法，武建民等提出的多指标与SBS含量灰色关联分析法等；②根据SBS的物理、化学特性，通过物理或化学分析测试方法，得出改性沥青中SBS含量与其理化特性之间的相关性，如荧光显微法、凝胶渗透色谱法、热失重法和化学滴定法等。以上方法均存在精度不高、辨识困难等不足。
该文采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)，对工程中常用的基质沥青、SBS及SBS改性沥青分别进行透射光谱分析，通过确定基质沥青、SBS的特征吸收峰，建立吸收强度比与SBS掺量之间的标准曲线，并校准验证FTIR检测方法的准确性，为SBS改性剂检测应用提供理论依据和应用基础。
FTIR原理
按照量子学理论，将一束连续的红外光照射到样品物质上，会引起物质的振动－转动能级跳跃，某些特定波长的红外光会被物质吸收，于是形成了反映不同波长处的吸光度变化的红外光谱图。有机结构分析应用最广的是中红外区(波数~cm^-1)，这一区段的光谱可以较为有效地描述化学组成与分子结构的关系，尤其是~cm^-1区段，当分子结构稍有不同，该区的吸收峰就有显著的差异，据此可作为判别物质存在的依据。
根据朗伯－比耳(LAmbert-Beer)原理，当一束红外光穿透样品时，某一波数(ν)处的吸收强度与样品中该波数处对应物质的含量和光程长有关，即：
不同样品的厚度不易保持一致，而吸收强度比值与样品的厚度无关，如式(2)所示。由式(2)可知：改性沥青中的SBS掺量与特征吸收峰面积比存在量化关系。因此，对若干份已知的不同SBS掺量的标准改性沥青样品进行红外光谱分析，测得各标准样品的SBS、沥青的特征吸收峰面积，即可作出特征吸收峰面积比与SBS掺量的标准曲线，利用该标准曲线可计算出被测改性沥青样品中的SBS掺量。
材料与试验
原材料
基质沥青采用中石化70＃A级沥青，基本性能指标如表1所示。SBS采用型和型，基本性能指标如表2所示。四氢呋喃的纯度为分析纯。
改性沥青制备
(1)将基质沥青加热到℃后掺入一定量的SBS改性剂，低速搅拌30min。
(2)将基质沥青和SBS改性剂混合物在℃下，采用0r/min的转速剪切45min。
(3)将经高速剪切后的改性沥青放入℃烘箱内静置溶胀1h，然后静置冷却至室温。
利用上述方法，制备型SBS改性沥青、型SBS改性沥青及型与型混合(质量分数为50%的型＋质量分数为50%的型)改性沥青共3种，其配方如表3所示。每个配方制备3份改性沥青样品用于红外光谱测试分析。
试验方法
利用四氢呋喃将样品溶解，制成10%质量浓度的溶液，将溶液滴加在预制的溴化钾窗片上，再将滴加了样品溶液的溴化钾窗片置于60℃的红外烘箱中20min，以保证四氢呋喃溶剂完全挥发，使样品在溴化钾窗片上形成一层均匀透光的薄膜。将Nicoletis10红外光谱仪采集区间设置为~cm^-1，扫描次数为32次，分辨率为4cm^-1，对SBS改性剂、基质沥青及改性沥青样品分别进行透射红外光谱测试分析，每份样品测试3次。改性沥青红外光谱特征吸收峰面积值取3次测试的平均值，如3个面积值中有超过平均值±5%的，则剔除该值后取平均值。
结果与分析
确定特征吸收峰
图1为SBS、基质沥青和改性沥青的红外光谱图。从图1中可以发现：
(1)两种SBS的光谱图线形几乎一致，在、、cm^-1处均出现明显吸收峰，其中、cm^-1分别为聚丁二烯反式1、4和1、2结构的特征吸收峰，cm^-1处吸收峰则归属于苯乙烯基苯环单取代峰；基质沥青在、cm^-1处出现不同于SBS的吸收峰，其中cm^-1归属于苯环上C-H面外摇摆振动，cm^-1处的吸收峰则由C-CH3面内伸缩振动形成。
(2)改性沥青红外光谱图近似于SBS与基质沥青红外光谱图的线性叠加。改性沥青红外光谱图中、cm^-1处SBS特征吸收峰与cm^-1处基质沥青特征吸收峰，cm^-1处SBS特征吸收峰与互干扰；cm^-1处SBS特征吸收峰和m^-1处基质沥青特征吸收峰较为明显。因此，选择m^-1处吸收峰作为改性沥青中沥青相的特征吸收峰，cm^-1处吸收峰作为改性沥青中SBS的特征吸收峰。
图2~4为3种改性沥青不同SBS掺量的红外光谱图。从图中可以看出：3种改性沥青cm^-1处特征峰的面积随改性剂掺量的增大而增大，而cm^-1处特征峰的面积变化不大，这表明cm^-1处(SBS的特征吸收峰)特征峰面积和cm^-1处(沥青相的特征吸收峰)吸收峰面积可用于改性沥青SBS掺量的定量分析。
绘制标准曲线
如图5所示，以特征吸收峰的峰面积来表征改性沥青的吸收强度，特征吸收峰面积的计算采用固定波数区间。各SBS改性沥青不同SBS掺量的A/A(cm^-1处与cm^-1处特征吸收峰面积比)如表4所示。根据式(2)可作出3种改性沥青的SBS掺量与A/A之间的标准曲线，如图6所示。
从图6可以看出：3种型号改性沥青的SBS掺量与A/A之间存在明显的线性相关，相关系数为0.以上。改性沥青的改性剂种类不同，其改性剂掺量与A/A的标准曲线也各不相同，工程应用中应根据各改性剂的种类分别作出标准曲线以检测其改性剂掺量。
校验标准曲线
SBS掺量检测值误差分析如表5所示。
从表5可以看出：3种改性沥青SBS掺量的检测值绝对误差为-0.%~0.%，相对误差为0.34%~0.56%，平均相对误差为0.44%，说明该检测方法可以用于改性沥青SBS掺量的精确测定，进而达到监控工程材料质量的目的。
结论
(1)cm^-1处(SBS的特征吸收峰)特征峰面积和cm^-11处(沥青相的特征吸收峰)吸收峰面积可用于改性沥青SBS掺量的定量分析。
(2)改性沥青的SBS掺量与A/A存在明显的线性相关，相关系数可达0.以上。不同SBS型号的改性沥青其SBS掺量与A/A之间的标准曲线各不相同，利用相应标准曲线可计算出被测改性沥青样品中的SBS掺量。
(3)红外光谱法可以快速、精确地检测出改性沥青中SBS改性剂的掺量。
全文完。首发于《中外公路》年第8月。作者简介：王超，男，硕士.E－Mail：sAmedhi＠.
