调和沥青的红外光谱与DSR相关性研究

曹青霞 魏定邦 张国宏 李晓民

（1甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，甘肃 兰州 730203；2甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730030）

动态剪切流变（DSR）是评价沥青胶结料高温和中低温的性能指标，该试验反映了表征沥青粘弹性的两个重要参数：复数剪切模量（G*）和相位角（δ）[1]。SHRP定义G*/sinδ为车辙因子，用来表征沥青胶结料抵抗高温下永久变形的能力。Superpave规范要求，基质沥青的老化前G*/sinδ应不小于1.00kPa，RTFOT老化后应不小于2.2 kPa。可见，DSR指标已经有相应的规范做出规定，能够定量表征沥青的性能，但是与傅里叶红外变换光谱技术相比，制样与测试的时间均较长。

傅里叶红外变换光谱（Fourier Transform Infrared Spectrometer，简写为FTIR）技术是分子吸收红外光波时，分子中原子的振动能级和转动能级发生跃迁而产生的吸收光谱。有机化合物的红外光谱图是以波数σ（或波长λ）为横坐标，以透射比T为纵坐标的谱图，不同的官能团对应的红外吸收光谱不同，由此可以定性分析新旧沥青调和前后发生的变化。红外光谱具有用时短，定性表征沥青微观性能的特点，但是目前没有相关规范规定沥青官能团与宏观性能之间的对应关系。

建立调和沥青G*/sinδ与红外光谱相关官能团之间的相关关系，可以结合两者的优点，快速、准确的表征调和沥青的高温性能，对于选取新沥青的品牌及添加新沥青掺量具有指导意义。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

表1 韩国SK90#沥青性能指标

表2 中海油110#沥青性能指标

表3 某旧料抽提老化沥青A的性能指标

表4 某旧料抽提老化沥青B的性能指标

1.2 试验方案

1.2.1 老化沥青

老化沥青取得步骤如下：

溶剂回收：采用三氯乙烯浸泡获得沥青液。将铣刨料装入可密封容器内，倒入三氯乙烯至没过铣刨料，密封容器，浸泡30min，将三氯乙烯浸泡沥青液倒入容量瓶中；

离心分离：采用TDL-5-A大容量离心机分离沥青液中矿粉；

蒸发溶剂：采用旋转蒸发仪去除沥青液中三氯乙烯。将沥青液倒入茄形瓶中，不超过其容量的2/3，打开旋转蒸发仪，将水浴温度设置为35℃，随着三氯乙烯的减少，逐渐升高水浴温度至三氯乙烯不再蒸发[2,3]。

1.2.2 试验方案

分别采用韩国SK90#、中海油110#沥青以不同比例与老化沥青调和，并将新沥青、调和沥青、老化沥青分别进行红外光谱试验和动态剪切流变试验。对红外试验的羰基面积、亚砜基面积与动态剪切流变试验的G*/sinδ进行统计，并建立羰基、亚砜基面积与G*/sinδ之间的相关关系。

2 试验结果分析

2.1 韩国SK90#沥青调和老化沥青

2.1.1 红外光谱分析

试验采用SK90#沥青与老化沥青进行不同比例掺配。相关研究表明，沥青在老化过程中发生了自由基反应，在氧气的参与下，生成了大量的含羰基醛、酮、酯、或羧酸等基团[4,5]。同时，自由基反应的产物氢过氧化物与含硫化合物发生氧化反应，生成亚砜基。经过新沥青调和后，老化沥青性能恢复，其中羰基、亚砜基含量减少。图1为SK90#沥青、SK90#：老化沥青A=2（质量比）、SK90#：老化沥青A=0.5、老化沥青A的红外光谱图。表4为图1四种沥青的羰基、亚砜基面积统计结果。

图1 韩国SK90#沥青调和老化沥青红外光谱图

表5 韩国SK90#沥青调和老化沥青羰基、亚砜基谱图面积积分结果

由图1可见，随着SK沥青掺量的增大，调和沥青的羰基、亚砜基面积呈减小的趋势，表5数据证实了这一结论。

2.1.2 动态剪切流变试验

将不同比例SK90#调和沥青进行DSR试验，试验温度为64℃、70℃、76℃、82℃，不同温度下调和沥青的G*/sinδ如表6所示。

表6 不同温度下SK90#沥青调和老化沥青的G*/sinδ

图2 SK90#调和羰基～64℃的G*/sinδ相关性

图3 SK90#调和羰基～70℃的G*/sinδ相关性

由表6可见，随着SK90#沥青掺量的增加，调和沥青的G*/sinδ减小，沥青发生了软化，沥青性能向新沥青状态恢复。且随着温度的升高，四种沥青的G*/sinδ均减小。

2.1.3 韩国SK90#调和沥青G*/sinδ与其红外光谱相关性分析

为了建立SK90#沥青调和沥青羰基、亚砜基分别与G*/sinδ之间的相关关系，本文将不同温度下四种沥青的G*/sinδ分别与其羰基面积、亚砜基面积进行相关性分析。如图2-图5为羰基面积与不同温度下四种沥青G*/sinδ的相关曲线。

图4 SK90#调和羰基～76℃的G*/sinδ相关性

图5 SK90#调和羰基～82℃的G*/sinδ相关性

图6 SK90#调和亚砜基～64℃的G*/sinδ

图7 SK90#调和亚砜基～70℃的G*/sinδ

由图2-图5可见，不同温度下，SK90#沥青调和老化沥青的羰基与G*/sinδ之间均呈对数相关，且相关系数均达到0.99以上。

如图6-图9为SK90#调和沥青的亚砜基基面积与不同温度下四种沥青G*/sinδ的相关曲线。

图8 SK90#调和亚砜基～76℃的G*/sinδ

图9 SK90#调和亚砜基～82℃的G*/sinδ

由图6-图9可见，不同温度下，SK90#沥青调和老化沥青的亚砜基与G*/sinδ之间均呈对数相关，且相关系数均达到0.93以上。

2.2 中海油110#沥青调和老化沥青

2.2.1 红外光谱分析

将中海油110#沥青与老化沥青按照质量比分别为2和1，进行老化沥青调和，并对调和沥青的红外光谱进行对比分析。图6为中海油110#沥青、中海油110#：老化沥青B=2（质量比）、中海油110#：老化沥青B=1、老化沥青B的红外光谱图。表7为图10四种沥青的羰基、亚砜基面积统计结果。

图10 中海油110#新沥青调和老化沥青红外光谱图

表7 中海油110#新沥青调和老化沥青羰基、亚砜基谱图面积积分结果

由图10可见，随着中海油110#沥青掺量的增大，调和沥青的羰基、亚砜基面积呈减小趋势，表7数据证实了这一结论。

2.2.2 动态剪切流变

将不同比例中海油110#调和沥青进行DSR试验，试验温度为64℃、70℃、76℃、82℃，不同温度下调和沥青的G*/sinδ如表8所示。

表8 不同温度下中海油110#沥青调和老化沥青的G*/sinδ

由表8可见，随着中海油110#沥青掺量的增加，调和沥青的G*/sinδ减小，沥青性能逐渐恢复。随着温度的升高，四种沥青的G*/sinδ均减小。

图11 中海油110#调和羰基～64℃的G*/sinδ

2.2.3 中海油110#调和沥青G*/sinδ与其红外光谱相关性分析

同样，为了建立中海油110#沥青调和沥青羰基、亚砜基分别与G*/sinδ之间的相关关系，本文将不同温度下四种沥青的G*/sinδ分别与其羰基面积、亚砜基面积进行相关性分析。如图11-图14为羰基面积与不同温度下四种沥青G*/sinδ的相关曲线。

图12 中海油110#调和羰基～70℃的G*/sinδ

图13 中海油110#调和羰基～64℃的G*/sinδ

图14 中海油110#调和羰基～70℃的G*/sinδ

图15 中海油110#调和亚砜基～64℃的G*/sinδ

由图11-图14可见，不同温度下，中海油110#沥青调和老化沥青的羰基与G*/sinδ之间均呈对数相关，且相关系数均达到0.98以上。

如图15-图18为SK90#调和沥青的亚砜基基面积与不同温度下四种沥青G*/sinδ的相关曲线。

图16 中海油110#调和亚砜基～70℃的G*/sinδ

图17 中海油110#调和亚砜基～76℃的G*/sinδ

图18 中海油110#调和亚砜基～82℃的G*/sinδ

由图15-图18可见，不同温度下，中海油110#沥青调和老化沥青的亚砜基与其G*/sinδ之间均呈对数相关，且相关系数均达到0.86以上。

同时，对比羰基和亚砜基与G*/sinδ之间的相关性，发现羰基与G*/sinδ的相关系数大于亚砜基。可见，建立调和沥青羰基与其G*/sinδ之间的相关关系，对老化沥青中新沥青掺量具有指导意义。

2.2.4 两种不同品牌沥青调和沥青之间相关性

从2.1.3、2.2.3可见，SK90#调和沥青和中海油110#调和沥青的羰基和亚砜基与其G*/sinδ之间均具有很好的相关关系。为了进一步验证调和沥青羰基和亚砜基与其G*/sinδ的相关性，本文将SK90#和中海油110#沥青的数据一起进行分析。如图19-图22为羰基面积与不同温度下八种沥青G*/sinδ之间的相关曲线。

图19 调和沥青羰基～64℃的G*/sinδ相关性

图20 调和沥青羰基～70℃G*/sinδ相关性

图21 调和沥青羰基～76℃的G*/sinδ相关性

图22 调和沥青羰基～82℃G*/sinδ相关性

由图19-图22可见，调和沥青羰基与不同温度下的G*/sinδ之间具有很好的线性相关关系，相关系数达到0.94以上。且64℃对应的相关系数最高，为0.96。

如图23-图26为SK90#调和沥青的亚砜基基面积与不同温度下四种沥青G*/sinδ的相关曲线。

图23 调和沥青亚砜基～64℃的G*/sinδ相关性

图24 调和沥青亚砜基～70℃的G*/sinδ相关性

图25 调和沥青亚砜基～76℃的G*/sinδ相关性

图26 调和沥青亚砜基～82℃的G*/sinδ相关性

由图23-图26可见，调和沥青亚砜基与不同温度下的G*/sinδ之间具有指数相关关系，相关系数达到0.79以上。且82℃对应的相关系数最高，为0.84。

3 结 语

1）不同温度下，SK90#沥青调和老化沥青的羰基与G*/sinδ之间均呈对数相关，且相关系数均达到0.99以上。中海油110#沥青调和老化沥青的羰基与G*/sinδ之间均呈对数相关，且相关系数均达到0.98以上。

2）SK90#沥青调和老化沥青的亚砜基与G*/sinδ之间均呈对数相关，且相关系数均达到0.93以上。中海油110#沥青调和老化沥青的亚砜基与其G*/sinδ之间均呈对数相关，且相关系数均达到0.86以上。

3）将SK90#沥青和中海油110#沥青的红外光谱与DSR数据综合分析，发现调和沥青羰基与不同温度下的G*/sinδ之间具有很好的线性相关关系，相关系数达到0.94以上。调和沥青亚砜基与不同温度下的G*/sinδ之间具有指数相关关系，相关系数达到0.79以上。且82℃对应的相关系数最高，为0.84。

4）两种沥青的羰基与G*/sinδ之间的相关性均高于亚砜基，建立调和沥青羰基与其G*/sinδ之间的相关性，可以从微观角度确定新沥青对老化沥青的性能恢复程度，从而知道新沥青的掺量。

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