SBS改性沥青中SBS含量测试方法研究

孙大权，张立文

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

SBS改性沥青优良的路用性能已经得到广泛认可并已大量应用于高等级公路、机场道面、桥面铺装等工程的建设与养护［1－3］.SBS改性沥青是基质沥青与聚合物改性剂SBS（苯乙烯－丁二烯嵌段高聚物）的共混物，SBS含量是决定SBS改性沥青路用性能的重要因素之一［4－5］.为测试SBS改性沥青中的SBS含量，Diefenderfer［6］提出了以弹性恢复作为SBS含量表征指标，通过建立弹性恢复－SBS含量关系曲线来推测SBS含量的方法.但SBS含量并不是决定弹性恢复的唯一因素，SBS改性沥青制备方法、相态结构、添加剂等因素均对其弹性恢复影响显著，因此这种方法误差较大.Bahia［7］，Kim［8］等人以溶解－过滤方法来分析改性沥青中的聚合物含量，但仅适用于聚合物颗粒较大的橡胶沥青，同时溶剂种类严重影响测试结果.Loucks等［9］根据SBS与基质沥青相对分子质量的差异，采用凝胶渗透色谱技术（GPC）分析了改性沥青中的SBS含量，但沥青中大分子的沥青质以及在SBS 改性沥青加工过程中SBS的降解、SBS与沥青的交联同样影响测试结果.

SBS含量的准确测定是SBS 改性沥青生产与应用过程中质量控制的关键，但目前缺失简单、快速、准确的测试方法.本文研究了基质沥青、SBS及SBS改性沥青的红外光谱特征，分析了SBS含量对SBS改性沥青特征峰吸收面积的影响，试图建立基于傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术的SBS含量测试方法.

1 试验

1.1 原材料

SBS：韩国锦湖KTR－401，江苏宝利沥青股份有限公司提供；基质沥青：韩国SK70号A 级沥青，江苏宝利沥青股份有限公司提供；四氢呋喃：分析纯，国药集化学试剂有限公司生产.SBS为聚苯乙烯－聚丁二烯－聚苯乙烯的嵌段聚合物，它的结构组成如图1所示.SBS和基质沥青的技术指标见表1，2.

图1 SBS聚合物分子结构Fig.1 Molecular structure of SBS

表1 基质沥青主要技术指标Table 1 Basic properties of base asphalt

表2 SBS基本物理性能指标Table 2 Physical properties of SBS

1.2 SBS改性沥青样品制备

将基质沥青加热至180℃，启动高速剪切机，分别加入占基质沥青质量2%，3%，4%，5%，6%和7%的SBS，在低速状态下搅拌5min使SBS均匀分散于沥青中后，在（180±5）℃，3000r／min条件下剪切40min，制得6种SBS含量的SBS 改性沥青样品.

1.3 红外光谱分析

将基质沥青、SBS和SBS改性沥青分别完全溶解在四氢呋喃中（外掺，质量分数为10%），滴定到KBr盐片上，置于70℃烘箱中15min，待溶剂完全挥发后形成红外光谱样品.采用傅里叶变换红外光谱仪（美国Nicolet 380）进行测试，光谱采集区间400～4000cm－1，扫描次数32次，分辨率4cm－1.

2 结果与讨论

2.1 SBS改性沥青红外光谱解析

图2为基质沥青、SBS和SBS改性沥青的红外光谱图.由图2可见，SBS红外光谱图在966，911，699cm－1处出现明显特征吸收峰，其中966，911cm－1分别为聚丁二烯反式1，4和1，2结构特征吸收峰，而699cm－1处特征吸收峰归属于苯乙烯基苯环单取代峰［10］；基质沥青在810cm－1处出现区别于SBS的特征吸收峰，归属于沥青芳香族面外振动［11］；SBS改性沥青红外光谱为SBS和基质沥青的简单叠加，在966，699cm－1处保留了明显的SBS特征吸收峰，可作为SBS定性和定量分析依据.

图2 基质沥青、SBS和SBS改性沥青的红外光谱图Fig.2 FTIR spectra of asphalt，SBS and SBS modified asphalt

2.2 SBS改性沥青特征吸收峰的选择

表3为不同SBS含量的SBS改性沥青红外光谱特征吸收峰面积比测试结果，其中A966／A810和A699／A810分别代表红外光谱中966cm－1与810cm－1处、699cm－1与810cm－1处特征吸收峰的面积之比.6种SBS 含量的SBS 改性沥青其A966／A810和A699／A810的平均变异系数分别为5.90%和5.86%，表明测试结果具有较好的稳定性.

分别以A966／A810和A699／A810作为响应变量，以SBS含量作为影响因素，进行一维方差分析（显著性水平α＝0.05），结果见表4.可见，因素检验的显著性概率P 值均小于预设的显著性水平α.由此判断SBS含量对A966／A810和A699／A810均具有显著影响.采用TUKEY－KRAMER 方法对影响因素“SBS 含量”的6个水平进行相应均值比较，以确定6个水平间均值差异的显著性（显著性水平α＝0.05），结果见表5，6.可见，对于SBS含量为3%与4%，5%与6%以及6%与7%的A966／A810值并无显著差异，但6个水平的A699／A810值则存在显著差异.因此选择A699／A810作为SBS含量的定量分析指标.

表3 不同SBS含量下SBS改性沥青红外光谱特征吸收峰面积比Table 3 Area ratio of characteristic absorption peak of modified asphalt with different SBS content

表4 一维方差分析计算结果Table 4 Results for one－way analysis of variance

2.3 SBS含量定量测试方法

根据Lambert－Beer定律［12］，在相同的测试条件下，SBS特征吸收峰面积比与其含量成正比.因此可采用标准曲线法来实现改性沥青中SBS含量的定量测试，即首先对一系列已知SBS含量的改性沥青标准样品进行红外光谱测试，建立特征吸收峰面积比与SBS含量的标准曲线；然后对于未知SBS含量的改性沥青，在相同试验条件下测试其特征吸收峰面积比，依据标准曲线确定其SBS含量.

以A699／A810作为SBS含量定量分析指标，建立A699／A810与SBS 含量的标准曲线，见图3.可见，A699／A810与SBS含量呈现良好线性关系，相关系数达0.9983.根据标准曲线，对SBS含量测试值和实际值进行误差分析，结果见表7.SBS含量测试值的最大相对误差为2.44%，平均相对误差为1.65%，表明这种测试方法具有较好的准确性.

表5 SBS含量各水平间A966／A810均值比较Table 5 Significance testing for mean value of A966／A810

表6 SBS含量各水平间A699／A810均值比较Table 6 Significance testing for mean value of A699／A810

图3 A699／A810与SBS含量标准曲线Fig.3 A699／A810standard curve with SBS content

表7 SBS含量测试值和实际值误差分析Table 7 Error of SBS content between test value and actual value

3 结论

（1）在显著性水平α＝0.05条件下，SBS含量对A699／A810具有显著性影响且不同SBS含量的A699／A810值之间存在显著差异，A699／A810可作为SBS 含量定量分析指标.

（2）A699／A810与SBS 含量呈现良好线性关系，可作为SBS改性沥青中SBS含量定量测试的标准曲线.

（3）应用傅里叶变换红外光谱技术可实现SBS改性沥青中SBS含量的准确、快速测试.

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