李卓琳 朱建平 周健楠 黃碩磊

（遼寧省交通科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

我國90%的高速公路都是瀝青路面，因此，瀝青路面在我國的公路建設中發(fā)揮著非常重要的作用。研究表明，瀝青路面在自然老化因素及交通荷載的作用下會發(fā)生不可逆作用，進而使瀝青發(fā)生老化，使瀝青路面出現不同程度的路面車轍、坑槽、裂縫等早期路面病害以及網裂、龜裂、TD 裂紋、縱向裂縫等中長期路面病害，病害的產生嚴重影響了行車舒適性和道路的使用性能，并提高了道路養(yǎng)護的難度、加大了道路養(yǎng)護的經費投入。

研究表明，熱、氧老化因素是使瀝青路面發(fā)生老化的重要因素，且因素長期作用于道路的使用過程中，因此，有必要對熱、氧老化因素對瀝青路面的作用機理進行研究。戴躍玲［1］通過旋轉薄膜烘箱研究了瀝青老化前后組分與性能的關系；秦利萍［2］通過紅外光譜技術，對老化前后的基質瀝青和SBS 改性瀝青進行化學成分分析；烏 蘭 等［3］通 過 紅 外 光 譜 、凝 膠 滲 透 色 譜（GPC）、熱重分析 （TG） 和動態(tài)剪切流變實驗（DSR） 試驗對比分析了瀝青老化后的成分變化及組分的分子量分布等，得出瀝青在老化過程中，大分子量物質逐漸增加，即瀝青質等含量增加，MOHAMMAD，NEGULESCU，GAO Ying等［4-6］利用紅外光譜和熱分析技術研究了回收的改性瀝青路面舊料中的瀝青，分析了其物理性能和化學成分。

綜合以上，瀝青的老化機理研究停留在組分和分子量變化方面，而具體的老化機理尚未得出。基于此，本文采用紅外光譜微觀分析技術，綜合旋轉薄膜老化方法，對熱、氧老化因素下瀝青的老化機理進行研究。

2 材料選擇和方法

2.1 材料選擇

本文采用遼寧省遼河90# 基質瀝青與盤錦生產的成品改性瀝青 （SBS 摻量為5%） 進行研究，根據 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》 （JTG E20-2011） 中的相關規(guī)定，測試基質瀝青與SBS 改性瀝青的性能，結果見表1 和表2。

表1 遼河90# 基質瀝青指標

由表1 可知，本研究所用的90# 基質瀝青，滿足規(guī)范要求，且為A 級瀝青。

表2 SBS 改性瀝青指標

根據表2，SBS 改性瀝青滿足規(guī)范要求，且瀝青屬于I-D 級SBS 改性瀝青。

2.2 瀝青老化模擬方案

由于旋轉薄膜老化烘箱可以使瀝青在熱氧因素下均勻老化，因此，本文采用旋轉薄膜烘箱試驗對瀝青在熱氧因素下的狀態(tài)進行模擬。將瀝青經旋轉薄膜老化的試驗時間分別設置為85min、3h、5h、7h 及 9h。老化試驗樣品如圖1 所示。

圖1 旋轉薄膜老化試驗樣品

2.3 紅外光譜技術

在有機物分子中，組成化學鍵或官能團的原子處于不斷振動的狀態(tài)，當用紅外光照射有機物分子時，分子的化學鍵或官能團可發(fā)生振動吸收，不同的化學鍵或官能團吸收頻率不同，其在紅外光譜中的位置也將不同，因此，通過紅外光譜技術可獲得分子中含有何種化學鍵或官能團的信息。

此外，根據朗伯-比爾定律：

其中：A—為吸光度，T 為透射比 （透光度）；K—為摩爾吸收系數，它與吸收物質的性質及入射光的波長λ 有關；c—為吸光物質的濃度；b—為吸收層厚度。

由式 （1） 可知，紅外光譜的吸光度值與物質濃度成正比。因此，可用老化前后基團的吸光度值對瀝青的老化機理進行分析。

3 試驗結果

3.1 瀝青原樣紅外光譜

使用OMNIC 軟件對老化前的瀝青紅外光譜進行采集，并通過基線校正、光滑、歸一化等操作后，得到以下原樣瀝青圖譜。

圖2 基質瀝青原樣 （藍） 與SBS 改性瀝青原樣 （紅）

由圖2 可知，未老化的基質瀝青與SBS 改性瀝 青 均 在 2920cm-1、2850cm-1、1580cm-1、1450cm-1、1375cm-1等波段處存在典型的特征峰，其中，2920cm-1和 2850cm-1處為飽和烷烴鏈端基CH2的反對稱和對稱伸縮振動引起，且兩者相差70cm-1左右，1580cm-1由苯環(huán)的骨架振動引起，1450cm-1和1375cm-1處為烷烴 CH3的不對稱變角振動和對稱變角振動引起。因此，基質瀝青與SBS 改性瀝青中均含有烷烴、苯成分，將 600cm-1～1500cm-1部分圖譜放大，得出圖3 光譜。

圖3 基質瀝青原樣 （a） 與 SBS 改性瀝青原樣 （b）

由圖3 可知，相對于基質瀝青，SBS 改性瀝青在966cm-1和698cm-1波數處有新峰出現，這是因為，SBS 改性劑是由苯乙烯 （硬段S） 和丁二烯 （構成軟段 B） 組成的，966cm-1為其中聚丁二烯的吸收峰，698cm-1為其中聚苯乙烯的特征峰，這也進一步證實了，可以用紅外光譜技術對物質的成分進行鑒定分析。

3.2 三大指標

圖4 基質瀝青老化后的三大指標試驗結果

圖5 SBS 改性瀝青老化后的三大指標試驗結果

由圖4、圖5 可知，基質瀝青與 SBS 改性瀝青隨著老化時間的增加均表現為針入度、延度下降，軟化點提高，因此，隨著瀝青老化的加重，其高溫性能提高、低溫性能下降。這是因為，瀝青隨著老化時間的增加，其輕質組分揮發(fā)，并在熱氧因素的作用下，瀝青內部發(fā)生氧化、聚合等反應，進而使瀝青逐漸變硬，高溫下耐變形能力增強，低溫下抗變形能力下降。而具體的老化機理，我們采用紅外光譜技術進行研究。

3.3 瀝青熱氧老化機理

使用島津牌紅外光譜儀對不同老化時間的瀝青樣品進行紅外光譜掃描，取樣標準為每個瀝青樣品取10 個點，且相鄰點距離在1cm 以上。用OMNIC 軟件對瀝青老化指標計算，進而分析瀝青在熱氧因素下的老化機理，基質瀝青隨老化時間的圖譜如圖6 所示。

圖6 基質瀝青旋轉薄膜老化不同時間的紅外光譜

由圖6 可知，基質瀝青經旋轉薄膜實驗老化不同時間后，圖譜的大致形狀相似。將圖譜分段放大，發(fā)現隨著老化時間的增加，1670cm-1～1730cm-1的羰基基團的峰吸光度值有規(guī)律性變化。

將羰基基團峰放大并用OMNIC 計算峰高，如圖7 所示。

圖7 基質瀝青羰基指數變化

根據圖7 可知，隨著老化時間的增加，羰基吸光度值呈增長趨勢，由式1 的朗伯—比爾定律可知，羰基吸光度值的增加，表明隨著老化時間的延長，瀝青中羰基基團含量不斷升高，這是瀝青中典型的氧化反應。這是因為，瀝青中含有C=C，碳碳雙鍵在熱、氧老化因素的作用下，與氧氣接觸，可以被氧化生成羰基，如圖8 所示。

圖8 熱氧老化羰基生成

同理，對SBS 改性瀝青老化后的紅外光譜進行分析，得出圖9 所示圖譜。

圖9 SBS 改性瀝青不同老化時間的紅外光譜圖

將1670cm-1～1730cm-1波段處的圖譜放大并計算，得到圖10。

圖10 SBS 改性瀝青羰基指數變化

由圖10 可知，SBS 改性瀝青經旋轉薄膜老化實驗后，其羰基指數的變化規(guī)律與基質瀝青相同，均隨老化時間的增加呈增長趨勢，且與基質瀝青中羰基的增加趨勢相似。

綜合以上，瀝青在熱氧老化因素的作用下，發(fā)生了典型的氧化反應，即瀝青中的碳碳雙鍵在熱的作用下，與氧氣接觸，被氧化生成羰基，且隨著老化時間的增長，瀝青中生成的羰基不斷增加，因此，羰基的生成是瀝青老化的重要標志。

4 結論

本文采用旋轉薄膜老化試驗對瀝青進行了熱氧老化模擬，采用紅外光譜技術綜合瀝青的性能對瀝青在熱氧老化因素下的老化機理進行了研究，得到以下結論：

（1） 基質瀝青與SBS 改性瀝青中均含有烷烴、苯成分，且SBS 改性瀝青相比于基質瀝青，在966cm-1、698cm-1處存在聚丁二烯和聚苯乙烯的特征峰。

（2） 基質瀝青與SBS 改性瀝青均隨著老化時間的增加，其高溫抗變形能力提高、低溫耐變形能力下降；

（3） 基質瀝青與SBS 改性瀝青在熱氧老化后，均出現瀝青中的碳碳雙鍵與氧氣接觸，被氧化生成羰基的現象，且羰基老化基團隨老化時間的增加而峰值增加，因此，羰基的生成是瀝青熱氧老化的重要標志。