基於紅外光譜分析的抗剝落劑現場質量快速評價方法研究

文章來源：微信公眾號“瀝青路面”

水損壞是瀝青路面病害的一種主要形式，各國的瀝青路面都存在不同程度的水損壞。這種損壞通常的表現是瀝青從集料表面剝落，瀝青混合料粘結力損失，路面強度和穩定性降低，伴之出現各種病害，嚴重影響了路面的使用效能與耐久效能。瀝青從集料表面剝落，在某些環境下先於其他路面病害發生，它是其他病害發生的誘因之一，因此，預防水損壞，改善瀝青混合料水穩定性已經上升到越來越重要的地位。瀝青混合料水穩定性可以透過材料選擇、混合料設計、路面結構設計、施工等方面來改善，其中材料選擇是基礎，在眾多材料配伍中，不改變原設計配合比，只新增抗剝落劑是簡而易行、價效比優良的一項措施。

瀝青抗剝落劑的研究始於20世紀40年代，主要包括無機類抗剝落劑、金屬皂化物類抗剝落劑、表面活性劑類抗剝落劑和高分子類抗剝落劑。高分子類抗剝落劑因為具有低劑量、高效能、易新增等優點，是目前使用最廣泛的抗剝落劑。高分子類抗剝落劑因成分複雜，目前並沒有直接有效的測試方法。《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20-2011）和《瀝青混合料改性新增劑第4部分：抗剝落劑》（JT/T860。4-2014）關於抗剝落劑的評價也都是對抗剝落劑改性後的瀝青及瀝青混合料抗水損害能力的間接評價，具有檢測週期長，測試方法複雜，工程現場難以開展等問題。因為缺乏直接快速的評價方法，抗剝落劑在工程現場的質量檢測機會為零，質量控制難以開展。

紅外光譜分析是有機化合物結構鑑定中的重要手段，紅外吸收峰的位置與強度反映了分子結構上的特點，可以用來鑑別未知物的結構組成或確定其化學基團；而吸收譜帶的吸收強度與化學基團的含量有關，可用於進行定量分析和純度鑑定。高分子類抗剝落劑作為有機化合物，其紅外光譜採集就像指紋採集一樣，將現場逐批採集到的材料紅外光譜與經第三方確認質量合格的該材料採集的紅外光譜進行比對，如果比對合格該批材料即可認定合格可予入庫，如果比對不合格，該批材料即為可疑產品，不予入庫。該方法具有檢測速度快、結果可信度高、操作簡單等優點，可有效服務於抗剝落劑現場質量控制工作中。

原材料及試驗方案

原材料效能

試驗瀝青膠結料為盤錦90號A級道路石油瀝青，石料為內蒙古花崗岩，抗剝落劑A和抗剝落B均為為市售不同生產廠家的高分子類抗剝落劑。

透過與石英和鈉長石XRD圖譜的比對，可以初步判定該石料中石英的含量不低於60%，因此該石料為典型酸性石料。

調製抗剝落劑

對抗剝落劑B進行調製。

試驗裝置

試驗採用美國安捷倫TechnologiesAgilent5500進行樣品紅外光譜的採集，測量模式為9次衰減全反射傅立葉型紅外光譜，波長範圍650～4000cm-1，掃描次數32次/s，解析度4cm-1。

試驗方案

依據《瀝青混合料改性新增劑第4部分：抗剝落劑》（JT/T860。4-2014）對抗剝落劑A、抗剝落劑B、抗剝落劑B-1、抗剝落劑B-2四種抗剝落劑的效能進行評價。

採用傅立葉紅外光譜儀對抗剝落劑A、抗剝落劑B、抗剝落劑B-1、抗剝落劑B-2四種抗剝落劑進行紅外光譜掃描。

紅外光譜測量原理

將一束不同波長的紅外射線照射到物質的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結構決定的獨有的紅外吸收光譜，據此可以對分子進行結構分析和鑑定。

抗剝落劑的主要成分為高分子類表面活性劑，屬有機物質，可以透過紅外光譜分析技術，探測其化學組成結構。當抗剝落劑的成分發生變化後，可以透過紅外譜圖的比對，明確其成分是否發生變化。此外依據朗白-比爾定律，可以對化學組成進行半定量分析，朗白-比爾定律表示如下：A-εlc式中，A為吸光度；ε為吸光係數或摩爾吸收率；l為光程，即光透過樣品的距離；c為為吸光組分在樣品中的濃度。

對於同一物質、同一裝置，ε和l為定值，c與A呈正比，因此當抗剝落劑被水等低成本物質稀釋後，可以透過吸光度的變化，來鑑別抗剝落劑中有效成分含量是否發生變化。

試驗結果分析

抗剝落劑常規效能評價

依據“JT/T860。4-2014”中的試驗方法對抗剝落劑的含水量、老化前與粗集料的粘附性、老化後與粗集料的粘附性進行評價。

可看出，老化前四種抗剝落劑對瀝青都有明顯的改性作用，加入抗剝落劑後瀝青與粗集料的粘附性由未改性的3級提高至4級或5級；老化後，因為胺類抗剝落劑的熱穩定性差，抗剝落劑A改性瀝青與粗集料的粘附性由老化前的4級降低至3級。由抗剝落劑B調製出的兩種低有效成分抗剝落劑B-1和B-2，因為有效成分含量降低，抗剝落劑B-1的有效成分含量為40%、抗剝落劑B-2的有效成分含量為20%，其改性瀝青與粗集料的粘附性為4級，低於抗剝落劑B改性瀝青與粗集料的粘附性。

此外，由表2可知，抗剝落劑B-1的含水量為30%、抗剝落劑B-2的含水量為50%。但表3中，抗剝落劑B-1的含水量測試結果僅為2。9%，抗剝落劑B-2的含水量測試結果僅為2。8%，遠低於實際的含水量。分析原因，應該是抗剝落劑B和乙二醇有很好的相溶性，二甲苯或甲苯等溶劑很難將水分帶出來。因此，該測試方法不能有效反映抗剝落劑中的有效成分含量，給廠家提供了偷工減料的可能。

紅外光譜測試結果分析

將由抗剝落劑B調製後抗剝落劑B-1、抗剝落劑B-2和抗剝落劑B進行紅外光譜測試。

可見，因為成分比例不同，3種抗剝落劑紅外光譜圖明顯不同，其中2900cm-1和3400cm-1波數下，3種抗剝落劑都出現了明顯的紅外吸收峰，但峰高不同。2900cm-1處為-CH吸收峰和3400cm-1處為-OH伸縮振動吸收峰，抗剝落劑B-1和抗剝落劑B-2較抗剝落劑B分別加入了不同含量的水和乙二醇，抗剝落劑B-2與抗剝落劑B-1相比，抗剝落劑B-2中的水分含量高，乙二醇含量相同，抗剝落劑B的含量低。已知的水和乙二醇中都含有大量的-OH官能團，抗剝落劑B為有機物，因此抗剝落劑B和乙二醇中都含有大量的-CH官能團。有表2的調製方案可知，-OH官能團的含量：抗剝落劑B-2＞抗剝落劑B-1＞抗剝落劑B；-CH官能團的含量：抗剝落劑B＞抗剝落劑B-1＞抗剝落劑B-2。這一結果與圖2中三種抗剝落劑在2900cm-1和3400cm-1處的吸光度大小相一致。

結論

（1）現有瀝青抗剝落劑的評價方法“JT/T860。4-2014”中，老化前後瀝青與粗集料的粘附性為間接測試方法，單個樣品的測試時間為5～6h，測試時間偏長，無法在現場實現逐桶檢查；含水量試驗為直接測試方法，但結果表明，該試驗結果不可靠，不能有效實現抗剝落劑直接的質量控制。

（2）紅外光譜測試，可以直接檢測出抗剝落劑中有效成分含量的變化，測試時間快，準確度高，可以在現場實現對抗剝落劑的逐桶檢查，具有很高的工程應用價值。

（3）依據紅外光譜的測試原理，該方法還能應用於溫拌劑、抗車轍劑等瀝青改性劑的現場質量控制工作中。