改性沥青中SBS、SBR各自掺量测定方法研究

俞喜兰,彭水根,刘 栋,张 恺

(江西省交通科学研究院,江西 南昌 330200)

0 引言

聚合物改性沥青性能受改性剂种类和掺量的影响，对其进行准确判别对于保证改性沥青质量具有积极工程意义。苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)是一种热塑性弹性体改性剂，兼具塑料和橡胶特性，能全面提升基质沥青的高低温性能以及黏韧性等指标，且热储存稳定。丁苯橡胶(SBR)是一种橡胶类改性剂，能显著提高基质沥青的低温性能，但SBR改性沥青在热储存时延度下降很快[1]，若SBS中混入SBR可能降低其热储存稳定性及高温性能[2-3]。因此，除寒冷地区外，SBS是一种更适宜的改性剂，被要求保质保量地添加进基质沥青中。而由于SBS价格高出SBR约20%以上[4]，且SBS、SBR分子化学组成极其相似(区别仅为苯乙烯和丁二烯单体的排列顺序)所造成的检测区分上的困难，改性沥青生产商为追求经济利益，可能会不惜牺牲改性沥青的性能，以SBR，尤其是颗粒状SBR产品代替或部分代替SBS。

综上，目前的检测方法较难直接分辨改性沥青中的SBS、SBR改性剂，无法有效判断SBS改性沥青中是否掺杂SBR，这对道路使用性能带来了风险及不确定性。本文采用红外光谱法，结合改性剂不同的溶解性，进行了SBR替代或部分替代SBS的改性沥青的试验研究，形成了一种改性沥青中SBS、SBR改性剂各自掺量的测定方法，可为工程实际中原料检测提供有效的参考。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

基质沥青采用中石油重交沥青70号，其基本性能指标检测结果见表1。SBS采用中石化岳化YH1301，线型，苯乙烯﹕丁二烯(S/B)质量比为3﹕7。SBR采用山东高氏颗粒1502，结合苯乙烯23.5%。两种改性剂的外观见图1。

表1 基质沥青基本性能Table1 Mainpropertiesofbaseasphalt指标针入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)针入度指数软化点/℃延度(10℃)/cm密度(15℃)/(g·cm-3)RTFOT后残留物质量变化/%针入度比(25℃)/%延度(10℃)/cm试验结果72-1.46548241.043-0.03972.212.0规范要求60～80-1.5～1.0≥46≥15—≤±1.0≥61.0≥15.0

(a)SBR (b)SBS

为使改性沥青体系稳定均一，往往加入助剂。本文采用硫磺作为稳定剂，添加量为基质沥青的0.15%(外掺，质量分数，下同)，糠醛抽出油作为增溶剂，添加量为基质沥青的1.0%。试验所用改性沥青组成材料和助剂掺量与待测改性沥青一致。为保证溶解适宜性和使用安全性，本文选用四氢呋喃(THF，分析纯)和正庚烷(分析纯)为试验所用溶剂，溴化钾(KBr，光谱纯)为红外基质材料。

1.2 试验方法

1.2.1待测样品中改性剂总掺量的测定

1.2.2改性沥青标准样品的制作

基于改性剂总掺量Cmod，将SBR占改性剂的比例(记为RSBR)分为5个不同梯度，得到各标准样品中应加改性剂的量如表2所示，各改性剂掺量间的关系见式(1)～式(3)。本文中，5个改性沥青标准样品所含改性剂分别为占基质沥青4%的SBS、占基质沥青3%的SBS和1%的SBR、占基质沥青2%的SBS和2%的SBR、占基质沥青1%的SBS和3%的SBR以及占基质沥青4%的SBR。基质沥青加热加入糠醛抽出油搅拌均匀；然后启动高速剪切机，分别加入相应量的SBS、SBR，在180 ℃条件下以4 000 r/min转速剪切40 min；随后加入硫磺，再以1 000 r/min转速搅拌1.5 h，即得到改性沥青。改性沥青的离析试验显示铝管上下改性沥青的软化点差均在0.5 ℃以内，表明体系稳定、改性剂分散良好。

RSBR=mSBR/(mSBR+mSBS)×100%

(1)

CSBR=mSBR/(mSBR+mSBS+mbit)×100%

(2)

Cmod=CSBS+CSBR

(3)

式中:mSBR为SBR质量;mSBS为SBS质量;mbit为基质沥青质量。

表2 标准样品改性剂掺量值Table2 Modifiercontentsofstandardsamples标准样品编号CSBS/%CSBR/%改性剂总掺量/%1#Cmod0Cmod2#0.75Cmod0.25CmodCmod3#0.5Cmod 0.5Cmod Cmod4#0.25Cmod0.75CmodCmod5#0CmodCmod

1.2.3标准方程的获得

正庚烷、SBR的溶解度参数分别为7.4、8.4(cal/cm3)1/2，而SBS有二相性，其中聚丁二烯链段、聚苯乙烯链段溶解度参数为8.4、9.1(cal/cm3)1/2。根据溶解度参数相近的物质更能相溶的原理，正庚烷能溶解SBR，但难以溶解SBS中的聚苯乙烯链段，也即难以溶解SBS[11-13]。将标准样品以m质/V剂为1/10(g/mL)的比例在常温下分散于正庚烷中得到悬浊液，用过滤装置(见图2，包括砂芯过滤器、慢速定量滤纸、滤液接收瓶和真空泵)过滤并收集全部滤液和滤纸上的滤渣，滤液和滤渣中所含改性剂的量将随改性沥青中SBS、SBR各自掺量的不同而不同。对滤液和滤渣分别进行红外分析，即为测定改性沥青中SBS、SBR各自掺量的滤液法和滤渣法。试验流程如图3所示。

图2 过滤装置图

图3 标准样品的处理及标准方程的获得

滤液法：将滤液滴加在KBr片上，待正庚烷挥发完全后，将覆有样品薄膜的KBr片放入红外光谱仪中进行红外扫描，扫描次数32次，分辨率4 cm-1，扫描范围400～4 000 cm-1，得到滤液样品红外光谱图。如式(4)所示计算滤液样品特征峰峰面积比值R液，以CSBR为自变量、R液为因变量进行线性拟合，即得到滤液法标准曲线和标准方程。

滤渣法：将滤渣样品以1/10(g/mL)的m质/v剂比例溶于THF中，如同滤液法对THF溶液进行红外扫描，计算得到特征峰峰面积比值R渣，进而得到滤渣法的标准曲线和标准方程。

R液=A966/A1 377

(4)

R渣=A966/A1 377

(5)

式中：A966为966 cm-1峰面积；A1 377为1 377 cm-1峰面积。

1.2.4SBS、SBR掺量的测算

同标准样品一致，将待测改性沥青样品以1/10(g/mL)的m质/V剂比例制备正庚烷悬浊液。过滤后收集滤液和滤渣。滤液法中，滤液进行红外光谱扫描获得谱图并测得R液，代入滤液法的标准方程中，即可得到基于滤液法的待测样品中改性剂中SBR的占比。滤渣法中，将滤渣溶于THF中，测得R渣，代入滤渣法的标准方程中，即可得到基于滤渣法的待测样品中改性剂中SBR的占比。将待测样品中改性剂中SBR的占比(基于滤液法或滤渣法)与改性剂总掺量Cmod相乘，即得到基于相应的SBR掺量及SBS掺量。

2 试验结果及分析

2.1 标准方程的可靠性分析

2.1.1滤液法

改性沥青标准样品的红外光谱图如图4所示。可见，随着改性剂中SBR占比的增加，基质沥青特征峰1 377 cm-1基本不变，966 cm-1的峰面积不断增加，而谱图其余部分基本一致。计算得到各样品的特征峰峰面积比值R液，结果如表3所示。表中数据表明，当SBR占改性剂总量的比例RSBR为0时，峰面积比值数值较小，平行试验数据离散性稍大。其余RSBR水平下，平行试验数据变异系数皆在5%以内，可重复性良好。

图4 改性沥青样品滤液的红外光谱图

表3 各样品正庚烷滤液的特征峰峰面积比值Table3 RatiosofcharateristicpeakareasofstandardsamplesfiltratesRSBR/%试件编号R液算术平均值As与As的相对偏差/%变异系数/%1-10.0316-12.9501-20.03400.0363-6.3411.621-30.03856.061-40.040912.672-10.1063-6.18252-20.11700.11333.274.192-30.11521.682-40.11451.063-10.1660-0.18503-20.16740.16630.660.483-30.16640.063-40.1655-0.484-10.22785.17754-20.21110.2166-2.543.514-30.2129-1.714-40.2147-0.885-10.28004.211005-20.26450.2687-1.562.835-30.2658-1.085-40.2643-1.64

进一步，以RSBR为自变量、R液为因变量进行线性回归计算，得到标准曲线和标准方程，如图5所示。该标准曲线的决定系数达0.989，证明RSBR与改性沥青正庚烷滤液测得的特征峰峰面积比值A966/A1 377有非常好的线性关系。基于前述溶解度参数的差异造成的溶解性差异的原理，在正庚烷中SBS的溶解性小，SBR的溶解性大，当改性沥青样品内SBR占比逐渐增大，更多SBR被滤出至滤液中，滤液中改性剂总量相应增大，而各样品中基质沥青滤过率基本不变，则红外光谱图显示相对更强的966 cm-1峰信号，导致峰面积比值A966/A1 377逐渐增大，且该比值随着SBR占比增大呈线性增加。

图5 SBR占比与峰面积比的标准曲线图(滤液法)

2.1.2滤渣法

改性沥青标准样品的正庚烷滤渣的THF溶液的红外光谱图如图6所示。与滤液的谱图(图4)相似，滤渣谱图中包括基质沥青特征峰1 377 cm-1的大部分基本不变，仅随着SBR占比的增加，966 cm-1的峰面积不断减小。各样品R渣如表4所示。

图6 改性沥青样品滤渣THF溶液的红外光谱图

表中数据表明，当RSBR为100%时，峰面积比值数值小，个别平行试验数据离散性大，其余RSBR水平下，平行试验数据变异系数皆在5%以内，可重复性良好。

以RSBR为自变量、R渣为因变量，线性回归计算后得到标准曲线和标准方程，如图7所示。该标准曲线的决定系数达0.983 0，证明改性沥青样品中改性剂中SBR占比与改性沥青正庚烷滤渣THF溶液测得的特征峰峰面积比值A966/A1 377有非常好的线性关系。正庚烷中SBS的溶解性小、SBR的溶解性大，当改性沥青样品内SBR占比逐渐增大时，更少SBS被留在滤渣中，滤渣中改性剂量减小，而基质沥青未滤过率基本不变，滤渣溶于THF所得溶液的红外光谱图显示相对较弱的966 cm-1峰信号，导致峰面积比值A966/A1 377逐渐减小，且随着SBR占比的增大呈线性减小。

图7 SBR占比与峰面积比的标准曲线图(滤渣法)

2.2 准确性验证

以相同原料制备两个改性沥青盲样。依前文所述试验流程，先测得盲样中改性剂总掺量，再分别依照滤液法和滤渣法测得盲样中改性剂中SBS和SBR的占比，最终求得SBS和SBR的各自掺量，结果见表5。可见，滤液法和滤渣法均能对改性沥青中SBS、SBR的各自掺量做出测定，但由于最终各自掺量的检测误差同时来自总掺量测试步骤和各自占比测试步骤，导致最终结果的误差稍大，但仍在10%以内，定量准确性良好。

表4 各样品滤渣THF溶液的特征峰峰面积比值Table4 RatiosofcharateristicpeakareasofstandardsamplesfiltrationresidueCSBR/%试件编号R液算术平均值As与As的相对偏差/%变异系数/%1-10.5446-0.9101-20.56070.54962.022.891-30.56382.571-40.5294-3.682-10.4059-3.39252-20.43190.42012.803.132-30.43072.522-40.4121-1.923-10.32621.91503-20.32090.32010.261.423-30.3162-1.203-40.3170-0.964-10.25780.38754-20.26190.25681.982.004-30.2496-2.794-40.25790.435-10.0837-27.931005-20.12610.11618.6118.635-30.127810.095-40.12689.23

表5 盲样测试结果Table5 Actualandtestresultsofblindsamples盲样编号参数实际值/%滤液法测试结果/%滤渣法测试结果/%1SBS掺量2.001.841.82SBR掺量2.502.622.612SBS掺量3.003.102.95SBR掺量1.001.021.10

3 结语

a.利用SBS、SBR在正庚烷中的不同溶解性，对改性沥青进行成分分离，基于滤液和滤渣分别进行红外光谱分析，通过计算A966/A1 377峰面积比值得到其与改性剂中SBR占比的线性关系，进而算得改性沥青待测样中改性剂的各自掺量。

b.滤液红外检测法和滤渣红外检测法的线性关系方程的决定系数皆大于0.98，盲样的掺量检测显示测试值与实际值误差在10%以内，定量准确性属于良好。

c.本文对改性沥青中SBS、SBR改性剂掺量测定方法进行了探索，形成了可操作性较好、结果较可靠、且硬件要求与现有改性沥青检测体系一致的红外光谱法。下一步将在更多实际应用中、利用更多规格种类的原料、考虑更多试验变量对本文方法进行验证。