双控法在SBS改性沥青质量控制中的应用分析

冯英涛

(1.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

目前国内沥青供应市场复杂，存在鱼目混珠、以次充好等诸多问题，给公路建设的质量和安全带来诸多隐患，造成公路沥青路面早期损害严重，增加了后期养护费用。因此，改性沥青、基质沥青的生产质量和技术水平的控制亟待进一步加强和规范[1]。

由于目前“三聚氰胺”式的改性沥青调配技术种类繁多，沥青厂家往往会降低改性剂掺量或者采用外掺价格较为便宜的SBR、废塑料、废橡胶粉等作为替代改性剂成分，而对于路面工程则采用了性能不稳、掺量不足的“低掺量SBS改性沥青”，造成路面早期损害严重，路面耐久性不足，新建路面早早进入养护修补阶段，直接增加了路面建设成本，若养护又采用改性沥青材料，则路面质量将进入另一个恶性循环，既造成不良社会影响，又造成另一个层面的国有资产流失。

在实际项目中，建设单位、施工单位以及质监部门等各方都明白沥青材料质量对路面工程的重要性，但往往在手段和方法上不能完全杜绝改性沥青质量问题。

上述几方面说明改性沥青质量缺陷对工程影响巨大，且沥青监控手段及方法较为局限，费时费力，与现在日新月异的改性沥青技术相比，较难满足实际生产施工需求。因此，本文提出一种方便、快速、全过程检测的方法，对改性沥青质量控制有着重要的意义。

1 双控法的原理

尽管路面质量与材料质量、配合比设计以及施工质量等有密不可分的关联，但SBS改性沥青的质量对路面质量的影响占有绝对的比重。改性沥青质量有两个主要影响因素：

(1)改性剂的掺加量是否足够。改性剂根据其与基质沥青的相容性为前提，偏多或者偏少都会严重影响改性沥青性能。

(2)剪切溶胀后的分散性。如果改性剂分散不均匀，无法发挥改性剂的作用，也会严重影响改性沥青性能。

因此，只有同时满足相容性、掺量和分布情况，所得的改性沥青才具有质量可靠、性能好的特点。针对上述问题，课题组开发出一种双控方法对沥青进行检测。

第一个控制技术(简称红外法)：通过红外光谱对基质沥青的吸收峰位置、波峰强度、特征峰面积等参数分析后可知基质沥青的功能团是否与基准沥青样品一致，同时结合四组分分析技术，综合分析判断基质沥青是否唯一而未被更换或者勾兑。针对改性剂和基质沥青特征峰差异，通过红外光谱分析对SBS改性沥青966 cm-1(SBS改性剂的苯环与双键等功能团产生)和1 360 cm-1(基质沥青C-CH3的伸缩振动产生)处特征峰面积进行积分处理，确定样品沥青的改性剂掺量[2-3]。如图1所示。

图1 红外光谱分析图

第二个控制技术(简称荧光显微法)：采用荧光显微镜等设备，通过微观手段分析改性沥青加工质量。沥青与改性剂由于分子特性，会选择性吸收和反射蓝光，SBS通过溶胀吸收沥青中的芳香烃而发黄光，沥青相自身不反射光，因此可以清晰分辨SBS相和沥青相，分析两者的相容性及分散均匀性情况，判断改性沥青加工质量状况。

2 红外法的定量分析及准确性验证

2.1 标准曲线绘制

采用沥青厂家制备成品沥青所用原材料(沥青、改性剂、稳定剂等)，参照《SBS改性沥青中改性剂掺量及分布均匀性评价技术指南》(DBJT45/T 003-2019)制备不同SBS掺量的改性沥青标准样品(包括2%、3%、4%、5%、6%)，改性沥青所用基质沥青为壳牌70#道路石油沥青，SBS改性剂为茂名F503，稳定剂为硫磺粉。根据《AASHTO运输材料标准规范与取样和试验方法》(T302-2005)，对5个改性剂掺量的标准样的960 cm-1和1 360 cm-1两处特征峰的面积比进行线性回归。制备过程采用式(1)计算SBS掺量，制备完成后根据式(2)计算A值，测试结果如表1所示。

表1 标准曲线制作表

(1)

式中：CSBS——样品中SBS掺量(%)；

MSBS——样品中SBS质量(g)；

MSIT——样品中基质沥青质量(g)；

MADD——样品中稳定剂质量(g)。

(2)

式中：A——吸收峰960 cm-1、1 377 cm-1的峰面积比；

S960——960 cm-1吸收峰的峰面积；

S1 460——1 460 cm-1吸收峰的峰面积。

如图2所示可知，线性回归方程为：A=0.029 0C+0.119 212，相关系数R2=0.998 2>0.95，线性关系好，准确性较高，可以作为标准曲线来计算SBS改性剂含量。

图2 标准曲线图

2.2 样品测试

为验证回归方程的准确性，对实验室制备的SBS掺量为4.4%的SBS改性沥青进行光谱分析，计算得出4.4%的SBS改性沥青峰高比(0.246 8)带入回归的方程中，反推出SBS含量为4.41%，与理论值基本一致。表明该回归方程可作为SBS改性沥青SBS含量检测的标准计算方程。

2.3 准确性验证

为了验证标准曲线的准确性和可行性，测定依托广西沿海某高速建设项目A标，项目要求SBS改性沥青改性剂用量不能<4.5%，其改性沥青采用现场改性的方法进行加工生产，课题组对现场加工厂15 d内的沥青生产进行统计改性剂实际用量；再通过红外检测技术每天检测改性沥青样品的改性剂掺量，通过15 d的生产数据和检测数据进行对比，验证双控法的可行性和评价方法的稳定性。

表2 不同时间段沥青红外检测数据分析表

对检测掺量与实际用量对比，发现两者总体差值在±0.1%范围内，标准差依次为0.083和0.069，基本差别不大，检测所得掺量与实际生产值接近，说明标准曲线准确性高，红外光谱检测手段可靠。

由于15 d内生产原材料，如沥青、改性剂及稳定剂等材料未发生更换或者较大质量波动，且改性剂红外检测值与项目要求掺量(4.5%)未发生较大偏离，因此可以说明标准曲线可长时间继续使用，且时间可以达到15 d以上，侧面反映了标准曲线的使用时效性主要受原材料影响。

3 荧光显微法的定性分析

尽管可以通过红外光谱法测定待测改性沥青的SBS掺量值，但是满足设计改性剂掺量的改性沥青不一定就是发育良好、分布均匀的改性沥青。表3为课题组在项目过程中不同时间段随机抽取的样品，同时抽取样品进行三大指标试验。

表3 不同时段样品的改性剂掺量和三大指标数据分析表

如表3所示可知，4个样品的改性剂含量平均值都>4.5%，但是样品1-1和1-2的改性剂掺量离散性较大，其标准差都>0.250，而样品2-1和2-2标准差都在0.1以内，结合三大指标数据作对比，发现样品1-1、1-2的软化点偏小，而针入度偏大。尽管4个样品三大指标都满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中I-D规范要求，但是其指标和改性剂掺量存在离散性说明沥青微观形态存在问题。

如图3所示是4个样品的400倍下荧光显微照片，图中可知样品1-1、1-2改性剂有明显光，说明改性剂掺量较多，但是改性剂存在团聚情况，改性剂颗粒粒径>1μm，与沥青相为分散相，不能成为有效的交联网状结构，说明改性沥青在加工和发育过程中存在问题；样品2-1、2-2不能直观看到沥青或者改性剂的相态，改性剂在沥青中分散均匀，并成为均匀的互穿网状交联结构。

(a)样品1-1

通过上述试验表明，单一地采用红外光谱法、三大指标法或者荧光显微法检测SBS改性沥青的改性剂掺量以及三大指标或者微观图分析不能全面分析改性沥青的质量。只有采用综合的双控法，才能较好地评价改性沥青的加工效果和性能状况。

4 结语

(1)国内现有的改性沥青加工以厂改改性沥青为主，多数建设者认为改性沥青指标满足要求即可，会导致其质量完全由企业来控制，而失去了对关键原材料的完全控制，因此，采用有效可行的沥青质量评估办法显得尤为重要。

(2)通过对红外测试技术的原理解读、定量的SBS掺量检测分析，并且结合现场大量数据证明红外光谱法检测改性剂掺量是可行的。除此之外，结合三大指标、红外法同步验证的荧光法是有效的微观分析方法，对于单一采用红外光谱法评价改性沥青质量是有效的补充。

(3)双控法是结合红外光谱技术和荧光显微技术综合评价改性沥青质量的方法，是表观和微观结合，是优势互补的方法。因此，在采用红外光谱法检测沥青掺量时，尽管其具有效率优势，但沥青质量仍需要综合其他方面指标进行综合评价，不应孤立地看待掺量指标。