材料分析方法在改性沥青研究中的应用

　　摘 要：阐述了在改性沥青研究中常用的材料分析方法及其基本原理，概述了不同分析方法的使用目的，并对多种分析方法进行了归纳。 

　　关键词：分析方法；改性沥青 

　　由于近年来道路交通运输行业的快速发展，道路交通量与车辆轴载增加迅猛，沥青及其混合料的性能要求也在逐步提高。在沥青混合料实际使用中既要求其高温稳定性优良，不易产生车辙，又要求其具有良好的低温抗裂性、耐疲劳性，以延长道路使用寿命。由于对沥青混合料的技术要求逐步提高，基质沥青越来越不适应实际使用的情形，因此，对沥青改性技术的研究亦成为研究热点之一。然而，由于作为混合物存在的沥青材料具有极强的结构复杂性和环境敏感性，人们对改性沥青研究的分析方法往往仅局限于传统的宏观的、表象的物理指标，如，美国ASTM标准、AASTO MP1规范中的各项指标。显然，当研究涉及到改性沥青的机理、微观形貌等问题时，这些对于改性沥青的实际使用性能研究具有重大指导意义的指标很难客观、准确的反映改性沥青的真实情况。 

　　故而，研究探讨现代材料分析方法在改性沥青中的应用方式、适用条件，对于改性沥青机理分析、改性沥青改性理论的建立、乃至形而上的解决道路沥青改性时的具体工艺问题，都具有重要的推进作用。 

　　一、常用分析方法的基本原理及其应用 

　　1、红外光谱法 

　　红外光谱是分子吸收红外区光波时，分子中原子的振动能级和转动能级发生跃迁而产生的吸收光谱。利用有机分子不同成键原子之间产生的键长或键角变化而形成的伸缩振动或弯曲振动所具有的不同红外吸收特征，我们可以根据吸收谱图定量或定性的研究有机物中的官能团组成。 

　　红外光谱法具有辨识度高、检测迅速、无损检测、痕量检测、操作简便、制样方便、灵敏度较高而定量分析时误差较大的特点。由于沥青材料化学组成复杂，变异性大，难以对其精确的定量分析，一般只需半定量即可，因而红外光谱法在改性沥青的研究中应用较广。 

　　由于红外光谱是对激发后的原子团所产生的特征振动的频率进行分析，其对不同基团的辨识度大，常被用来检验沥青中所含改性剂的种类。由于丁二烯反-1，4结构中碳氢键（C-H）及苯环上碳氢键（C-H）弯曲震动的特征峰值处于966cm-1和699cm-1处，当红外谱图在上述两处出现较明显的峰时，可认为改性沥青中所使用的改性剂为SBS。利用红外光谱判定改性剂的同时，可对改性剂在改性过程中的化学结构变化进行分析，借助Lambert-Bill 定律，若改性沥青与改性剂特征峰的强度近似，则可认为改性剂在改性过程中的结构稳定，没有发生变化，仍以交联结构形式存在。红外光谱亦可对改性沥青含量进行分析，同济大学道路与交通工程教育部重点实验室的孙大权等人，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR），采用TUKEY-KRAMER方法对影响SBS含量的特征峰比值进行了显著性检验，最终选取A699/A810值作为SBS含量的定量分析指标，并获得了较好的准确性[1]。借助红外光谱法，亦可对改性沥青的老化进行分析。当沥青发生老化时，由于氧化的作用，沥青中产生新的羰基，导致其特征峰（1699cm-1）强度升高；在产生新的羰基的同时，老化后的沥青中的部分活泼基团以自由基的形式氧化为羰基，此外，沥青中的不饱和键也会与氧结合，生成羰基。借助这一手段，哈尔滨工业大学的郝增恒等人对改性沥青的老化机理进行了研究，并得到了老化后沥青的含羰基组分显著上升，而SBS的相对分子量显著下降，低分子量的组分绝大部分氧化成高分子量的结果。[2] 

　　2、扫描电子显微镜 

　　扫描电子显微镜以电子代替可见光，利用电子与样品交互后产生的带有样品信息的二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，经数据处理还原信息后，还原样品表面的各种物理化学性质，譬如：表面形貌，化学组分，晶体结构以及内部存在的电场及磁场分布。 

　　将SEM直接应用于改性沥青形貌观察的情形甚少，其一般用于对无机改性剂的形貌的观察及其优选，以及通过对有机改性剂形貌的观察，利用聚合物断裂理论对改性沥青的力学性能进行分析。 

　　北京工业大学的张志清等人利用扫描电子显微镜对硅藻土改性沥青的硅藻土原料进行了优选，并利用其表征了硅藻土与基质沥青的界面结合状况以及硅藻土在沥青中的分散状况。其研究表明，作为多孔材料的硅藻土巨大的比表面使其与基质沥青之间具有极强的相互作用，因为当粘附功一定时，两项的接触面积越大则分离两项所需的可逆功越大。硅藻土个、发育优良的孔道结构有助沥青吸附和湿润，并当沥青进入孔道时能产生锚固作用，从而改善沥青的低温抗裂性，硅藻土作为一种无机填料，可以增加沥青的稠度，提高抗剪切性，因此有助于沥青的高稳定性。[3] 

　　内蒙古工业大学的崔亚楠等人，利用SEM对废橡胶颗粒在沥青基质中的分布进行了研究。表明：作为一种多相共存体系，在寒冷情况下，粒度低，数量大的橡胶颗粒的模量与沥青基质相差甚大，会发生强烈的应力集中现象，诱发银纹和剪切带，而两者的出现与生长需要外界做大量的功，所以增强了中国核心期刊遴选数据库沥青的抗冲性和塑性。大目数的改性剂阻止了银纹继续产生和发展，令缺陷无法迅速发育成为裂纹，提升了沥青的抗裂性。[4] 

　　3、x射线衍射分析 

　　X射线衍射，主要应用于晶态物质及非晶态物质的静态区域的分析。借助X射线穿透晶态区域后产生的衍射条纹，可对物质的晶体结构进行反演。 

　　XRD在改性沥青研究中的应用甚少，主要用于无机矿物-沥青纳米复合材料结构的研究。 

　　华南理工大学的肖新颜等人，借助x射线衍射，对有机蒙脱土改性沥青中的层状硅酸盐片层结构进行了分析，未发现衍射峰的存在，故认为有机蒙脱土在剪切作用下形成了剥离结构。武汉理工大学的徐剑英等人在对有计划累托石改性沥青的研究中利用布拉格方程计算得到，有机化累托石的层间距已扩大至4.4nm以上，表明有机化累托石与沥青复合形成了剥离型结构或插层/剥离复合结构的纳米复合材料。[5]