基于红外光谱拟合分峰方法的聚磷酸改性沥青老化行为研究

黄凌辉广东省南粤交通龙怀高速公路管理中心英怀管理处

基于红外光谱拟合分峰方法的聚磷酸改性沥青老化行为研究

黄凌辉
广东省南粤交通龙怀高速公路管理中心英怀管理处

改性剂对及基质沥青进行改性是改善沥青混合料的路用性能的重要方法。本研究通过FTIR试验来对原样、短期老化及长期老化后的基质沥青及聚磷酸改性沥青进行分析，结果表明聚磷酸改性沥青较基质沥青的抗老化性能更优。

沥青；红外光谱；老化；聚磷酸

引言

为了改善沥青混合料的路用性能，改性剂对及基质沥青进行改性成为了国内外公路修筑的普遍做法。前人研究表明，目前常用的改性剂主要是SBS、SBR及PE等聚合物改性剂[1]。近年来，人们对聚磷酸改性剂开展了大量的研究及实践工作[2-4]，这是因为在基质沥青中加入聚磷酸有助于改善基质沥青的抗老化性能。目前，我国高速公路进入了高速发展的阶段，巨大的维护费用促使人们给予了路面基质沥青抗老化性能的高度关注。鉴于此，本文通过傅里叶红外光谱试验来对聚磷酸改性沥青老化前后的官能团进行研究及分析，旨在为聚磷酸改性沥青的深入研究及应用提供借鉴。

1　试验材料和方法

所使用的聚磷酸为浓度大于105%的工业级聚磷酸，试验方法按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行，基质沥青满足软化点46.5℃、针入度比66.50%，质量损失0.44%等指标。对基质沥青中掺加0.75%聚磷酸进行改性，改性工艺为加热基质沥青到130～140℃，再加入聚磷酸，搅拌20min。

分别对基质沥青及聚磷酸改性沥青进行旋转薄膜烘箱加热（缩写为RTFOT）及压力老化容器（缩写为PAV）处理试验，制取短期老化及长期老化试验样品。实验用傅立叶变换红外光谱仪的仪器扫描数为32，分辨率为2.0cm-1，光谱范围为4000～400cm-1，采用ATR全反射模式进行试验。

2　 FTIR分析

红外光谱分析结果表明，基质沥青的主要红外光谱吸收峰位主要位于2923 cm-1，2854 cm-1，1606 cm-1，1458 cm-1，1375 cm-1，1034cm-1。基质沥青在2923.18 cm-1和2854.81 cm-1处具有较强的吸收峰，分别为亚甲基的对称伸缩振动（ns）和不对称伸缩振动（nas），因此2923.18 cm-1和2854.81 cm-1处的吸收峰也正是-CH2基的伸缩振动。3000 cm-1～3100 cm-1之间无明显吸收峰，这说明沥青中仅有少量或者极少量不饱和C-H烃类化合物。基质沥青在1606.06 cm-1处有较强的吸收峰，该吸收峰是苯环的骨架伸缩振动，表明了沥青中芳烃的存在。指纹区1800（1300）～900 cm-1中1375.87 cm-1处的吸收峰是甲基-CH3dC-H面内对称弯曲变形振动，1458.62 cm-1处则为亚甲基-CH2dC-H面内弯曲变形振动。在1034.69 cm-1处的吸收峰为亚砜S=O的振动，746.93 cm-1吸收峰为-C-(CH2)n-C-中有n≥4的存在，其余870.13 cm-1和814.32 cm-1处的吸收峰则为芳香烃面外变形振动。对比结果表明，老化后的沥青（尤其是PAV后）在1700 cm-1附近羰基C=O存在较为明显的吸收峰，而在原样沥青中羰基无明显吸收峰，同时1030 cm-1附近的亚砜基吸收峰也有比较明显的变化，其吸光度有着较为明显的增加。

3　拟合分峰讨论

3.1基质沥青

采用相对吸光度比值以及吸收峰面积比值能够比较准确地反应沥青老化过程中官能团的变化情况。对于沥青在1700 cm-1附近的羰基官能团，由于该官能团吸收峰峰顶较广且比较平缓，是典型的叠加吸收峰，采用红外软件就无法准确分辨1700 cm-1附近的吸收峰。1700 cm-1～1600 cm-1波数内的分峰结果显示，1600 cm-1附近的吸收峰是沥青中芳香化合物苯环的骨架振动。

采用Voigt分峰方式对基质沥青1500 cm-1～1850 cm-1之间的吸光度曲线进行分峰处理。研究表明，分峰1的平均波数是1675.8cm-1位于乙烯基碳碳双键伸缩振动的范围，分峰2的平均波数是1606.8 cm-1则位于沥青中芳香族化合物中苯环骨架振动的范围。统计结果表明，相对吸光度高度比和吸收峰积分面积比的方差以及标准差基本保持同一水平，方差较小。

短期老化及长期老化后的沥青分峰结果表明，RTFOT后和PAV后的基质沥青分峰波数1和分峰波数2的吸光度高度比以及积分面积比均有显著的增加，分峰波数1的变化比较明显，有增加的趋势。这表明在老化过程中沥青中1670 cm-1附近烯烃的-C=C-双键有向着1700 cm-1羰基-C=O-转化的趋势，因此分峰波数1会有一定程度的增加；而沥青中的芳香化合物所含有的苯环在热氧环境中相对比较稳定，不会发生化学结构的改变，故分峰波数2所代表的1600 cm-1附近的苯环骨架振动也就无明显改变。

3.2聚磷酸改性沥青

分峰结果表明，聚磷酸改性沥青具有较好的抗老化性能。对1600 cm-1～1700 cm-1吸光度曲线进行分峰拟合，不同老化程度沥青分峰波数的变化可反映该波数范围内沥青化学成分的转变，而采用分峰波数相对吸光度比值以及积分面积比值可区分沥青的老化程度。本研究表明，聚磷酸的添加能有效改善基质沥青的抗老化性能。

4　结论

（1）红外光谱分析结果表明，基质沥青的主要红外光谱吸收峰位主要位于2923 cm-1，2854 cm-1，1606 cm-1，1458 cm-1，1375 cm-1，1034cm-1。

（2）聚磷酸改性沥青较基质沥青在经历了长期老化后老化程度更低，表现出了更优越的抗老化性能。

[1]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]郝飞.多聚磷酸改性沥青及其混合料技术性能研究(硕士学位论文)[D].西安:长安大学,2012.

[3]张铭铭.多聚磷酸改性沥青微观结构及技术性能研究(硕士学位论文)[D].西安:长安大学,2012.

[4]曹晓娟，张振兴，郝培文，等.多聚磷酸对沥青混合料高低温性能影响研究[J].武汉理工大学学报.2014,36(06):47-53.