改性瀝青中SBS摻量的檢測(cè)方法研究與應(yīng)用

1、    改性瀝青中sbs摻量的檢測(cè)方法研究與應(yīng)用    戴征李煒光【摘要】通過(guò)對(duì)sbs改性機(jī)理及改性效果影響因素分析，闡述了現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法及存在的不足，提出了sbs測(cè)試新方法，并通過(guò)實(shí)際工程案例的應(yīng)用，得出新方法具有實(shí)驗(yàn)精度高、時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣?！娟P(guān)鍵詞】sbs；摻量；檢測(cè)；瀝青由于 sbs 改性劑具有顯著提高瀝青混合料抗高溫變形、抗低溫開裂、疲勞和老化等性能，因此，從上世紀(jì) 90 年代迄今，sbs 改性瀝青在機(jī)場(chǎng)道面工程及公路工程中得到了廣泛應(yīng)用。年消耗量從 1998 年的8 萬(wàn)噸增加到 2002 年的89 萬(wàn)噸，2005 年消耗了130 萬(wàn)噸，可

2、以說(shuō)，sbs 改性瀝青在我國(guó)機(jī)場(chǎng)道面工程和高速公路中得到了普遍應(yīng)用。為了確保瀝青路面使用質(zhì)量，改性瀝青混合料中的改性瀝青、集料及級(jí)配均有著嚴(yán)格的規(guī)定，但是，對(duì)改性效果影響顯著的改性劑部分的控制卻沒有，在采用路改方式加工改性瀝青中，還可通過(guò)數(shù)袋子的粗放式方式進(jìn)行控制，但是，目前改性瀝青加工以廠改方式為主流，對(duì)此方面的控制由加工企業(yè)自行控制，對(duì)于控制改性劑這一重要指標(biāo)卻無(wú)法進(jìn)行，缺乏有效地測(cè)試方法是造成此現(xiàn)象的主要原因。1 sbs改性機(jī)理及改性效果影響因素1.1 sbs改性機(jī)理sbs，熱塑性彈性體，是以1，3丁二烯和苯乙烯為單體，采用陰離子聚合制得的線型或星型嵌段共聚物，呈白色爆米花狀，質(zhì)輕多孔，

3、分子量一般在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)之間。sbs改性劑與瀝青作用機(jī)理如圖1-1所示。從作用機(jī)理示意圖可以看出，將sbs（黑色）投入瀝青（白色）中，剪切打碎sbs，對(duì)流作用使其分散。若sbs小塊沒有充分?jǐn)U散，那么從微觀來(lái)看，sbs和瀝青沒有充分混合，仍是兩種物質(zhì)微粒各自聚集在一起，相當(dāng)于圖ac階段宏觀混合階段。此后，瀝青中輕質(zhì)油分繼續(xù)向sbs擴(kuò)散、逐漸溶脹，邊緣模糊，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖f所示，圖cf階段穩(wěn)定混合階段1.2 sbs改性效果影響因素實(shí)踐證明，sbs 改性劑能否滿足最小摻量（見表1-1），加工質(zhì)量能否形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以及sbs 顆粒的磨細(xì)程度、均勻性（見表1-2）對(duì)改性瀝青質(zhì)量影響程度至關(guān)重

4、要。從表1-1中可以看出，sbs劑量在3%以上效果開始顯著，在3%5%之間軟化點(diǎn)大幅上升，在4%6%范圍內(nèi)抗車轍能力有較大提高，6%以上時(shí)，改性效果幾乎沒有變化。表1-2為改性劑在其改性瀝青中的空間分布圖，從該表可以看出，sbs改性劑溶脹率越高、體積分?jǐn)?shù)越高、破碎越細(xì)分散越均勻，sbs改性劑與瀝青的相容性就越好，越能較好地形成兩項(xiàng)連續(xù)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這說(shuō)明sbs改性劑的加工效果對(duì)改性瀝青的質(zhì)量影響同樣顯著。綜合以上觀點(diǎn)可以得出，要使sbs改性劑充分吸收瀝青中油分而溶脹形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使改性瀝青達(dá)到最佳使用性能，必須特別注意兩個(gè)方面：必須保證 sbs改性劑的摻加劑量以及對(duì)sbs改性劑的加工

5、質(zhì)量也要嚴(yán)格控制。2.現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法及存在的不足現(xiàn)有的sbs摻量測(cè)試常采用紅外光譜法（ir）、核磁共振儀測(cè)試法（nmr）及色譜儀測(cè)試法。紅外光譜法是基于lambert beer定律，sbs中丁二烯鏈節(jié)的特征吸收峰的吸收強(qiáng)度與濃度呈正比關(guān)系，可通過(guò)測(cè)試改性瀝青的特征吸收峰推算出改性劑摻量。而核磁共振儀法（nmr）同樣以丁二烯鏈節(jié)作為考察對(duì)象，通過(guò)質(zhì)子峰吸收強(qiáng)度比來(lái)測(cè)定改性瀝青中sbs摻量。色譜儀測(cè)試法則是通過(guò)測(cè)試改性前后基質(zhì)瀝青和改性瀝青分子量差異，進(jìn)而推算出改性劑摻量。課題組在研究初期，曾采用紅外光譜法對(duì)sbs摻量進(jìn)行分析研究，由于不同種類、不同產(chǎn)地及不同標(biāo)號(hào)的瀝青之間的差別，首先選取了天然瀝青

6、、石油瀝青和煤瀝青3類、6個(gè)標(biāo)號(hào)、8個(gè)品牌、16個(gè)樣品的基質(zhì)瀝青進(jìn)行分析比較，選用瀝青資料見表2-1。由圖、表可見，不同種類瀝青的紅外光譜之間存在明顯差異；而不同品牌、標(biāo)號(hào)的石油瀝青存在較明顯的相同吸收峰，且該吸收頻率處的吸光度值差別不大；石油瀝青公共紅外特征吸收峰分析結(jié)果顯示，反應(yīng)苯環(huán)結(jié)構(gòu)特征峰顯著。由于石油瀝青的紅外光譜沒有明顯差別，因此，選取某90#基質(zhì)石油瀝青，在常用sbs摻量5%兩側(cè)取5個(gè)變化較大的摻量2%、4%、6%、8%、10%，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線由圖2-3可以看出：965cm-1處吸光度值與sbs摻量存在明顯線性關(guān)系，即隨著sbs摻量的增加，吸光度逐漸增加。根據(jù)上述分析可知：利用紅外

7、光譜法來(lái)測(cè)定sbs改性瀝青中sbs摻量是可行的。但是，上述方法存在設(shè)備昂貴，實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)精度低及實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)性差等問題，這也是紅外光譜雖然早已出現(xiàn)，但是，并未被公路建設(shè)者廣泛采用的原因。此外，由于現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性以及廠改改性瀝青存在的離析現(xiàn)象，因此，長(zhǎng)期以來(lái)，廣大建設(shè)者希望能夠有方便、快捷且測(cè)試精度高的方法，便于現(xiàn)場(chǎng)使用。3 . sbs測(cè)試新方法為了得到一種能夠在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施便捷測(cè)試且精度高的方法以滿足工程需要，課題組在對(duì)比了不同測(cè)試方法基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多年的研究，創(chuàng)新性地提出了化學(xué)滴定法結(jié)合熒光顯微鏡分析法測(cè)試sbs摻量及加工質(zhì)量這一測(cè)試新方法。3.1 摻量化學(xué)滴定法化學(xué)滴定的測(cè)試方式是通過(guò)測(cè)試 sb

8、s中的c=c雙鍵，以確定 sbs 的摻量。 化學(xué)滴定摻量測(cè)定，就是采用簡(jiǎn)單的化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，于室內(nèi)建立不同改性劑摻量改性瀝青的標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過(guò)對(duì)比成品改性瀝青的滴定結(jié)果，從而確定改性劑摻量。該方法采用自動(dòng)滴定的方式，可在 510 分鐘內(nèi)測(cè)試出 sbs 改性劑摻量。在室內(nèi)選用的殼牌、埃索、sk、盤錦、東海等七個(gè)品牌、十三個(gè)代表性樣品，以及燕山、岳陽(yáng)石化、lg 生產(chǎn)的星型、線型改性劑及穩(wěn)定劑等組成材料，以及模擬不同改性方式及存儲(chǔ)條件模擬下的測(cè)試過(guò)程中，始終保持非常高的精度。3.2 加工質(zhì)量熒光顯微鏡分析法由于sbs改性劑加工質(zhì)量對(duì)改性瀝青質(zhì)量影響也非常顯著，為此，采用熒光顯微鏡結(jié)合圖像分析技術(shù)，評(píng)價(jià)改

9、性劑加工質(zhì)量。sbs在短波激發(fā)光下發(fā)射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光，而瀝青相不發(fā)任何光，通過(guò)熒光顯微鏡的藍(lán)光激發(fā)作用，sbs吸收芳烴而成的聚合物相發(fā)黃光，瀝青相呈黑色，可以清楚分辨聚合物相與瀝青相。 通過(guò)觀察改性瀝青的聚合物相態(tài)，達(dá)到監(jiān)測(cè)sbs與基質(zhì)瀝青的相容度和sbs的分散性，可快速判斷改性瀝青的加工效果。熒光顯微鏡測(cè)試改性劑加工質(zhì)量，采用涂片實(shí)驗(yàn)結(jié)合圖像處理（見圖2-4）。4工程應(yīng)用課題組采用盲樣檢測(cè)的方法，對(duì)拉薩貢嘎機(jī)場(chǎng)、陜西某高速公路路面、北京某盲樣改性瀝青進(jìn)行了測(cè)試。4.1工程案例1拉薩貢嘎機(jī)場(chǎng)地處高原，屬青藏高原季風(fēng)氣候區(qū)，且紫外線強(qiáng)度高，對(duì)瀝青道面的破壞嚴(yán)重，此次機(jī)場(chǎng)加鋪道面工程，采用殼牌90#

10、瀝青改性瀝青。添加了5%的sbs（岳化791-h），采用盲樣方式進(jìn)行sbs改性劑摻量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為4.91%，設(shè)計(jì)添加量為5.00%。4.2工程案例2陜西某高速是陜西省“十一五”重點(diǎn)公路建設(shè)項(xiàng)目，是省內(nèi)規(guī)劃高速公路“2367網(wǎng)”18條聯(lián)絡(luò)線的重要組成部分。采用殼牌90#瀝青作為基質(zhì)瀝青，添加4.5%燕山石化生產(chǎn)的4303-2型sbs改性劑，采用盲樣測(cè)試的方式對(duì)改性瀝青中sbs改性劑的具體摻量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為4.47%，實(shí)際測(cè)試結(jié)果為4.50%。4.3盲樣3測(cè)試結(jié)果結(jié)論 由圖可見，sbs未在瀝青中充分溶脹，并未形成較好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但磨細(xì)程度尚可。（測(cè)微尺在圖片右下部，一個(gè)單位長(zhǎng)度為0.

11、1mm）測(cè)試結(jié)果表明：1#樣品中sbs含量為3.82%，2#樣品中sbs含量為5.00%，測(cè)試結(jié)果完全正確。sbs 顆粒邊緣輪廓線均較清晰，表明改性劑溶脹效果欠佳，而且沒有形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。究其原因，可能是由于 sbs 顆粒未充分溶脹所致。1#樣品比2#樣品磨的細(xì)，前者個(gè)別粒徑在 2m，多數(shù)小于1m；與前者相比，2#樣品顆粒粒徑偏粗，出現(xiàn)了較多聚團(tuán)現(xiàn)象。上述三處實(shí)際驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果始終保持著非常高的精度，這表明采用化學(xué)滴定法和熒光顯微鏡分析法能非常精確客觀的sb的摻量及加工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，sbs改性劑測(cè)試方法不僅能填補(bǔ)改性劑控制方面的技術(shù)空白，且此測(cè)試技術(shù)的推廣對(duì)于改性瀝青質(zhì)量的控制與具有非常深

12、遠(yuǎn)的影響。結(jié)語(yǔ)sbs改性劑摻量和加工質(zhì)量對(duì)改性瀝青質(zhì)量有著顯著影響。由于缺少有效的測(cè)試方法，sbs改性劑并沒用相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系。現(xiàn)有的紅外光譜法（ir）、核磁共振儀測(cè)試法（nmr）及色譜儀測(cè)試法等摻量測(cè)試手段實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)精度低，很難大范圍推廣。課題組提出的通過(guò)化學(xué)滴定方式結(jié)合熒光顯微鏡分析法對(duì)sbs摻量及加工質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，不僅現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施便捷測(cè)試且精度高，是應(yīng)用技術(shù)前景非常廣闊的測(cè)試新方法。通過(guò)對(duì)拉薩貢嘎機(jī)場(chǎng)、陜西某高速公路以及某地盲樣測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：測(cè)試結(jié)果具有實(shí)驗(yàn)精度高、時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。sbs改性劑測(cè)試方法不僅能填補(bǔ)改性劑控制方面的技術(shù)空白，且此測(cè)試技術(shù)的推廣對(duì)于改性瀝青質(zhì)量的控制具

13、有非常深遠(yuǎn)的影響。參考文獻(xiàn)1李煒光、周巧英等 克拉瑪依90號(hào)瀝青在陜西使用九年之總結(jié) 石油瀝青 2009-10-252李煒光、榮慧等 sbs改性瀝青質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究 公路 2011-5-253李煒光、周巧英等 sbs測(cè)試方法及機(jī)理研究 石油瀝青 2010-10-254 guian wen， yong zhang， yinxi zhang， et al. vulcanization characteristics of asphalt/sbs blend in the presence of sulfur. journal of applied polymer science. 82（4）， 989-996， 20015 guian wen， yong zhang， yinxi zhang. improved properties of sbs-modified asphalts with dynamic vulcanization. polymer engineering & scie