基于FTIR 的公路沥青老化特性建模分析

杨 博

( 开封市建筑工程质量监督站，河南开封 475004)

沥青是应用于公路路面的重要材料之一，在沥青存储与施工过程中，由于氧气以及高温作用，使得沥青容易出现热氧老化情况，影响沥青的使用性能［1-2］。沥青作为路面使用时，同样受到氧化反应。因此，部分研究学者通过添加抗老化剂的方式提升沥青的抗老化性能。

公路的沥青路面养护受到众多人们重视，公路养护和维修是公路研究学者的主要研究方向［3］。高效与经济维护沥青路面，令公路快速恢复正常通行，保障车辆行驶过程中的舒适性以及安全性是研究人员的研究重点［4-6］。沥青老化性能预测为提升沥青的应用性能提供理论依据［7-8］。沥青老化过程中受到众多因素影响，氧气是造成沥青老化变质的重要原因。氧气与沥青形成的氧化反应加剧了沥青的老化，沥青结构与沥青组成同样影响沥青的老化性能。

目前针对沥青老化特性的研究较多，袁东东以及王淋等人分别针对沥青老化后的黏弹特性以及流变特性进行研究［9-10］，取得一定研究成果。但是通过权重等指标确定路面质量状况指数，利用所获取的路面质量状况指数指导路面养护与维修。路面出现局部结构性破坏严重时，容易造成路面性能受到损害。傅氏变换红外光谱（FTIR）技术是目前应用较为普遍的光谱测试方法，将FTIR 技术应用于沥青特征官能团分析中，具有方便快捷以及精准度高的特点，FTIR 技术可有效分析沥青的抗老化性能。

基于以上研究成果，研究基于FTIR 的公路沥青老化特性建模分析，利用灰色关联熵分析方法建立沥青老化特性分析模型，利用所建立模型确定沥青的老化特性，为沥青在公路中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取常应用于公路中的埃索70# 基质沥青作为研究对象，基质沥青物理性能见表1。

表1 基质沥青的物理性能Table 1 Physical properties of matrix asphalt

选取抗氧剂1076 作为基质沥青的抗老化剂，该抗氧剂属于大分子型［11］。制备加入2%、4%、6% 抗氧剂的改性沥青。抗氧剂质量指标见表2。

表2 抗氧剂质量指标Table 2 Antioxidant quality index

1.2 试验仪器与试验方法

选取广东晟泽科技有限公司的Nicolet Summit 傅里叶变换红外光谱仪作为试验仪器。选取沥青试样1g，将沥青试样溶解于甲苯溶剂中，制备比例为5% 的溶液，利用溴化钾晶体（KBr）涂片法制备沥青试样［12］。完成制备的试样需置于密封容器内保存于干燥器中。将KBr晶体研磨至粉末状，通过液压机将KBr 制备为规则圆形片状，将完成配比的沥青与甲苯混合液滴入所制备的KBr 中，直至甲苯溶液完全挥发时完成制备。将KBr 底片作为测试样品的空白背景［13］，完成制备后扫描所制备的空白背景［14］，将扫描的光谱结果输入老化特性分析模型中进行分析。

1.3 老化特性分析模型

利用灰色关联熵分析方法建立公路沥青老化特性分析模型，模型建立过程如下：

（1）确定参考序列以及比较序列

（2）初值化参考序列以及比较序列

将Yj与Y0序列中的全部列数据分别除以y0(1) 与yj(1)，获取初值化处理后的参考序列Xj与比较序列X0。

（3）计算灰色关联系数

灰色关联系数计算公式如下：

公式(1) 中，μ与分别表示分辨系数以及灰色关联系数；与分别表示两极最大差以及两级最小差。

（4）确定灰熵关联度

设存在∀Xj，j=1,2, …,n，此时x0（k）恒大于等于或恒小于等于xj（k），k=1,2, …,r。

公式（2）中，Ph与Pj分别表示分布密度值以及灰色关联系数分布映射；存在≥ ，同时Ph=1，此时，0存在灰关联熵函数如下：

2 结果分析

2.1 软化点变化

软化点指的是沥青受热软化而下垂时的温度，软化点数值越高，沥青抗老化性能越强。统计所制备基质沥青与加入不同抗氧剂沥青软化点伴随老化时间变化，结果如图1 所示。

图1 不同老化时间时软化点变化Fig.1 Change of softening point at different aging time

统计所制备基质沥青与加入不同抗氧剂沥青软化点伴随老化温度变化，结果如图2 所示。

图2 不同老化温度时软化点变化Fig.2 Change of softening point at different aging temperatures

分析图1、图2 试验结果可知，随着老化时间、老化温度的增加，样品软化点数值提升，加入抗氧剂的沥青软化点变化曲线相比于未加入抗氧剂的沥青提升幅度更大。试验结果可知，加入抗氧剂的沥青抗老化性能优于未加入抗氧剂的沥青。

2.2 FTIR 定性分析

利用FTIR 获取基质沥青、抗氧剂以及添加2%抗氧剂后的抗老化改性沥青红外光谱结果，如图3 所示。

企业价值共创体系的价值创造能力可分为基本价值创造能力和可持续价值创造能力两部分。前者对企业价值共创体系影响很大，是企业生存能力的综合体现，后者是企业价值共创体系的适应能力、协同感知能力、协同生产能力、未来竞争态势预测能力的综合体现。

图3 红外光谱图Fig.3 Infrared spectrogram

由图3 红外光谱结果可以看出，加入抗氧剂后的抗老化沥青的红外光谱图中，2685cm-1、1206cm-1以及926cm-1处存在极强的吸收峰情况，其中2685cm-1处的吸收峰强度较大，波峰呈现尖锐形状。主要原因是沥青中存在的酚烃基（O-H）伸缩振动情况造成。基质沥青与加入抗氧剂后的抗老化沥青在2685cm-1以及926cm-1处的特征吸收峰变化极为明显。抗老化改性沥青未出现新吸收峰情况，可知抗氧剂与基质沥青仅存在物理反应，将抗氧剂加入基质沥青时，未存在化学反应。红外光谱图结果可知，依据加入抗氧剂的抗老化沥青与基质沥青在红外光谱中的变化可明确沥青的老化特性。

加入不同质量分数的抗氧剂时，所制备沥青试样红外光谱结果如图4 所示。

图4 添加不同质量分数抗氧剂沥青的红外光谱Fig.4 Infrared spectra of asphalt with different mass fractions AO

图4 试验结果可以看出，红外光谱的波数为2687cm-1以及926cm-1时，酚烃基吸收峰与酯基吸收峰在掺入2%的抗氧化剂时，吸收峰未出现明显变化；而掺入4% 以及6% 的抗氧化剂后，吸收峰变化明显。进一步分析，1800cm-1处没有出现羰基吸收峰，1200cm-1处的亚砜基吸收峰极为明显。所出现的亚砜基吸收峰与酯基吸收峰伴随所加入抗氧化剂的分量的提升而更加明显，酚烃基吸收峰波动强度伴随所加入抗氧化剂的分量的增加改变较小。

2.3 FTIR 半定量分析

统计沥青老化过程中的特征官能团指数变化率，结果见表3。

表3 沥青官能团指数变化率Table 3 Index change rate of asphalt functional groups

由表3 试验结果可以看出，沥青存在老化现象后，亚砜基以及芳香官能团指数提升幅度明显，脂肪族官能团指数未存在明显波动。加入不同剂量抗氧剂的抗老化沥青的脂肪族长链指数变化较大。综合分析表3 试验结果，公路沥青老化过程中的芳香环通过断链反应以及缩聚反应形成，沥青老化过程中的吸收峰的峰面积以及峰强有所增加；沥青老化过程中形成稠芳环，所形成的稠芳环属于大分子。可见公路沥青的老化过程中，沥青渐渐转化为沥青质。沥青老化过程中的化学反应极为复杂，分析沥青老化特性时，需同时考虑羰基、亚砜基、脂肪族与芳香官能团的变化。

沥青老化前后的针入度以及延度分析结果如图5 所示。

图5 沥青老化程度分析Fig. 5 Analysis of asphalt aging degree

沥青呈现老化状态时，沥青中所包含的官能团存在差异的变化规律，沥青中所包含的官能团均具有缩聚和断链等反应。沥青的老化程度可利用沥青的氧化反应程度体现，沥青中官能团的氧化反应相比于化学反应更加明显，因此计算更加容易。由图5 试验结果可以看出，沥青中包含的亚砜基官能团指数伴随沥青老化提升幅度明显，针入度和延度均有所降低。结果表明沥青的亚砜基官能团波动与宏观性能的指标变化存在关联。

2.4 FTIR 的沥青老化分析

表4 参考序列与比较序列Table 4 Reference sequence and comparison sequence

无量纲化处理表4 中的数据，处理后的结果见表5。

表5 无量纲化处理结果Table 5 Results of dimensionless treatment

采用所建立模型利用表5 求解灰色关联系数，求解结果见表6。

表6 灰色关联系数计算值Table 6 Calculated value of grey correlation coefficient

采用本文模型依据表6 试验结果获取分布密度结果，见表7。

表7 分布密度结果Table 7 Distribution density results

所建立分析模型中涉及4 种特征官能团指数，采用本文模型计算灰熵关联度时，所设置的最大灰熵关联度为ln4，4 种特征官能团的灰熵关联度分析结果如图6 所示。

图6 灰熵分析结果Fig.6 Grey entropy analysis results

通过图6 试验结果可以看出，羰基官能团对公路沥青老化特性影响较大，芳香族官能团、脂肪族官能团次之，对沥青老化特性影响最小的是亚砜基官能团。公路沥青中的胶质、沥青质等芳香环组分的含量伴随芳香族官能团指数值的增加而有所增加，芳香族官能团指数值越高时，沥青具有越高的延度；沥青的饱和分子含量伴随脂肪族官能团指数值的增加而增加，脂肪族官能团指数值越高时，沥青具有越高的针入度。

分析以上试验结果可知，沥青的老化特性与沥青的延度和针入度关联程度较高。将抗氧剂加入路面沥青时，应重点考虑沥青的老化指标，沥青的老化的物理指标以及化学组分分别体现在延度、针入度以及羰基。

3 结论

沥青是应用于公路建设中的重要材料，沥青受到氧气作用出现老化情况，影响公路的使用性能。研究基于FTIR 的公路沥青老化特性建模分析，将FTIR 应用于公路沥青老化特性研究中，得出如下结论。

（1）利用FTIR 分析加入不同抗氧剂后公路沥青的老化特性，基质沥青与加入抗氧剂后的抗老化沥青在2685cm-1以及926cm-1处的特征吸收峰变化极为明显。

（2）影响公路沥青老化特性的特征官能团从大到小分别为羰基、芳香族化合物、脂肪族化物以及亚砜基。

（3）沥青的老化特性与沥青的延度和针入度关联程度较高。