红外光谱沥青混合料快速识别检测技术的应用.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言随着公路施工技术的不断发展，将红外光谱分析技术引入沥青混合料检测鉴定领域，结合光谱中吸收峰位置、强弱及形状推断沥青材料的组成；还能测量出不同官能团吸光率，已形成吸收光谱，据此确定沥青材料中特征官能团的具体含量及老化性能变化，保证沥青性能质量。基于此，本文依托具体公路工程，应用红外光谱快速检测技术对沥青材料检测与鉴别进行分析探讨，为该技术在沥青路面检测中的推广应用提供借鉴。1 红外光谱沥青快速识别检测技术概述有机物分子结构中，构成官能团或化学键的原子始终处于持续振动状态，当应用红外光谱技术对沥青材料进行快速识别检测时，有机物分子受到红外光的照射后，官能团或化学键便会表现出振动吸收特征；因不同官能团和化学键具有不同的吸收频率，因此在红外光谱上也处于不同位置，根据具体位置便能判断出有机物分子中所包含的官能团和化学键信息。通过比较沥青扫描光谱并进行多元相关性分析，对沥青材料均匀性进行判断和评价。与传统光谱分析技术不同，沥青快速识别检测技术依托化学计量学多元校正思路，借助近红外或中红外与待测材料组成、性质之间的关联性，构建校正模型并施测；检测期间，通过测量待测材料光谱，并校正模型计算过程便能得出检测结果。该技术在石油化工领域原油及油品组成、物化性质及产品性能快速检测识别中得到广泛应用，因具有检测快速，结果准确，操作简便等优势，也可以应用于沥青混合料识别检测方面。2 沥青材料快速识别检测试验过程某高速公路改扩建项目里程 K112+046K200+613，线路全长 88.567km，设计行车速度为 120 km/h。此次改扩建拟将全线四车道24.5 m及28 m宽路基和六车道33.5 m宽路基两侧加宽为42 m宽八车道，并在原路面加铺薄层罩面。改扩建段线路长，车道宽，交通量大，工期紧，全线沥青需求量巨大，现场快速检测沥青材料对保证施工质量，加快施工进度具有积极意义。2.1 材料及仪器根据以上对红外光谱识别检测技术原理的概述，设计出适合公路工程现场应用的沥青混合料红外光谱快速识别检测方案。试验用沥青原材料性能参数取值情况见表1。以中石化生产的SBS成品胶为改性剂，并以硫磺为稳定剂。表1 试验用沥青原材料性能参数取值沥青类型25 针入度/（0.1 mm）软化点/低温延度/cm薄膜烘箱试验5 10 15 质量变化（%）针入度比（%）低温延度/cm5 10 15 50#沥青设计值4060491580-0.80.863410检测值56542280-0.2597181770#沥青设计值60804515100-0.80.861615检测值634964100-0.154721223改性沥青设计值40607520-1.01.06515检测值5489360.1167422所选用的Nicolet iS5 FT-IR型红外光谱仪功能校验满足美国测试和材料学会ASTM E1421标准，仪器电压收稿日期：2022-12-30作者简介：马明驰（1980），男，工程师，从事公路试验检测工作。红外光谱沥青混合料快速识别检测技术的应用马明驰（甘肃省兰州公路事业发展中心试验检测室，甘肃 兰州 730000）摘要：为探索红外光谱快速检测技术在沥青路面性能检测中应用的可行性，以某改扩建公路段为例，应用红外光谱仪对基质沥青质量及SBS改性沥青改性效果等进行检测；对改性前后红外光谱进行比较，并分析了改性沥青老化后特征官能团变动趋势。结果表明，红外光谱快速检测技术在检测工效、检测结果准确性等方面均比工地实验室传统检测技术优异，可大幅缩短公路工程备料周期，为工程质量提供保障。关键词：红外光谱仪；沥青混合料；快速检测；沥青官能团中图分类号：U414文献标识码：B31总660期2023年第30期（10月 下）100V/240V，采用KBr/Ge射束分离器及温控固态近红外二极管激光器；以朗伯比尔定律为原理进行检测1。2.2 试验过程选用4 mm厚的硅胶板制作模具，其中，底板长宽厚为 150 mm80 mm4 mm，其余模板长宽厚为150 mm90 mm4 mm；使用相应规格的冲子在模板上开设10 mm宽、60 mm深的浇槽，并将制成的模具置入热沥青内；待沥青冷却再移至冰箱，在1020 的环境内静置2 h后取出。以上操作重复进行23次，并使模具达到老化状态且呈棕黄色。按照 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）所要求的方法取样后，置入恒温烘箱加热，基质沥青和 SBS 改性沥青分别加热至 145 和175，持续保温30 min；沥青加热次数应控制在3次以内。搅拌均匀后取600 g基质沥青继续加热并保持在1805；使用高速剪切设备以 2 0003 000 r/min 的转速持续剪切 10 min；此后按比例掺加改性剂，再以4 0006 000 r/min 的转速剪切 45 min；掺加不同量SBS成品胶后制成标准样品，掺入其余添加剂后使用高速剪切设备以4 0005 000 r/min的转速剪切45 min。将模具清理干净后均匀浇洒融化的沥青样品，于常温下冷却后揭下沥青膜，并将沥青膜待测面轻贴于衰减全反射（attenuated total reflection，ATR）晶面；贴合时应避免污染晶面。贴合完成后设定红外光谱仪扫描次数、扫描范围、分辨率等参数，将晶片置入红外光谱仪进行检测；测试结束后保存红外光谱图。针对该工程标段 8（桩号 K112+046K144+235）、标段 9（桩号 K144+235K154+117）、标段 10（桩号K154+117K160+025）品牌沥青随机取样结果绘制标准红外光谱图，再进行样品软化点、延度、针入度等参数值的试验室检测，并做好记录。对光谱数据和参数值进行多元关联建模，使红外光谱图能对抽检沥青进行一致性检测，推算软化点、延度、针入度等指标数据2。根据试验规程，采用广口带密封的金属容器对进场基质沥青运输车随机取样，取样质量4L；取样后立即对样品进行红外光谱检测比较，且当检测结果和标准样图谱完全吻合时将沥青卸载至拌和站沥青储罐中；如检测结果与标准样图谱不一致，则应增加抽样数量重新检测，最终结果仍与标准样图谱不吻合，则必须清场退样。2.3 标准样制作采用布鲁克红外光谱仪检测基质沥青真实性，并分析红外光谱图中基质沥青官能团特征峰值，据此比对沥青官能团指数和图谱的相似度，并进行基质沥青真实性的定量判定。其中，沥青脂肪族官能团指数、芳香官能团及脂肪族长链指数分别用IB、IAR、In 4表示。各标段基质沥青技术指标取值见表2。表2 各标段基质沥青技术指标取值技术指标标段8标段9标段10沥青脂肪族官能团指数IB设计值0.1800.1830.205检测值0.1790.1820.203真实性判定一致芳香官能团指数IAR设计值0.0330.0300.047检测值0.0330.0310.045真实性判定一致脂肪族长链指数In 4设计值0.670.650.41检测值0.680.670.39真实性判定一致3 测试结果及分析3.1 基质沥青真实性各标段制作改性沥青时所用基质沥青真实性检测结果见表2。根据图谱分析及设计值与检测值的比对可以看出，标段8、标段9及标段10沥青混合料所用基质沥青的芳香化合物及脂肪烃比例均较为稳定，表明基质沥青组分稳定；脂肪族长链无明显变化，意味着基质沥青长链化合物组分稳定，且无明显的老化断链情况。由此也可以判定，所测样品与标准样品基本一致，基质沥青材料性能质量均稳定。3.2 基质沥青溯源比对扫描该公路工程相应标段10个标准基质沥青样本的红外光谱图，构建起基质沥青红外光谱库，进行基质沥青溯源比对结果的统计分析。根据对基质沥青相似度分布情况的分析，相似度最大值和最小值分别为99.9%和99.6%，均值为99.8%；标准差0.681，变异系数0.0683%。所以该公路工程所使用的基质沥青性能稳定可靠，整体质量有保证。3.3 SBS标准曲线定量分析对红外光谱仪检测结果处理后得出质量分数依次为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%时的SBS改性沥青标准样光谱图峰值面积与基质沥青光谱图峰值面积比，结果见表 3。由于 SBS 改性沥青基团在红外光谱图中的特征峰值为 966 cm-1，基质沥青特征峰值为 1 377 cm-1，故将 SBS 改性沥青标准样光谱图峰值面 积 与 基 质 沥 青 光 谱 图峰值面积比表示为 A966/A1377。根据表中结果可知，当SBS含量相同时，试样光谱图的A966/A1377值变化较小；除SBS含量为5.5%外，其余标准试样光谱图A966/A1377值的变异系数均小于3.60%的规范值。通过对标准试样 SBS含量与光谱图 A966/A1377值关系的分析看出，改性沥青中SBS成品胶含量和光谱图A966/A1377值存在较好的线性相关性，两者的拟合公式见式（1）：Y=12.735X-1.0767（1）32交通世界TRANSPOWORLD式（1）中：X为 SBS 成品胶含量，Y为光谱图 A966/A1377值；相关系数取0.9905。为进一步探究拟合结果与不同SBS掺量实际值之间的差异，必须对两者误差的绝对值和相对值进行分析，结果见表4。通过对拟合值与真实值误差的比较看出，两者绝对误差和相对误差最大值分别为0.16%和4.30%，均未超出5.0%的规范值。由此表明，通过改性沥青红外光谱图A966/A1377值和SBS含量的拟合公式，进行SBS含量确定的做法切实可行，结果准确且过程简单。表4 拟合结果与实际值误差SBS成品胶含量（质量分数）（%）3.54.04.55.05.56.0A966/A1377均值2.101.211.501.603.601.00变异系数（%）0.3560.4210.4320.4750.5140.559拟合值（%）3.454.184.404.975.456.04绝对误差（%）0.040.160.090.030.040.04相对误差（%）1.214.302.000.610.800.71该公路工程于2022年8月209月16日进行23批次改性沥青样品的检测，各样品均进行5次平行试验，共试验115次。红外光谱检测结果完全正常，官能团也和标准试样一致；根据对SBS掺量标准曲线的分析，A966/A1377值全部大于0.3993；沥青性能波动稳定，SBS改性剂分布均匀，改性效果有保证。根据对不同样品SBS掺量结果的分析，SBS掺量均在4.5%以上，PG分级满足PG76标准，性能完全符合改性沥青中面层效果。3.4 改性沥青老化后的红外光谱分析考虑到试样沥青涂抹厚度对试验结果的影响，通过特征官能团波峰相对面积进行试验数据的修正处理。选择波长为2 920 cm-1的特征官能团面积数据进行基准面积数据修正；同时采用沥青官能团指数公式进行特征官能团指数计算，以得出沥青老化前后改性沥青特征官能团指数3。相对面积及沥青特征官能团指数分别按照式（2）和（3）确定：Si 2920=SiS2920（2）Ii 总=Si 2920i=1i总Si 2920（3）式（2）和（3）中：Si 2920为波长2 920 cm-1的沥青特征官能团面积；Si为特征波峰原始面积；S2920为特征波峰相对面积；Ii 总为沥青特征官能团指数。应用式（2）对各特征波峰面积值实施规范化处理后，得出沥青特征官能团相对波峰面积结果；同时应用式（3）计算改性沥青老化前后特征官能团指数，结果见表5。表5 沥青特征官能团相对波峰面积及特征官能团指数结果沥青特征官能团相对面积均值特征官能团指数均值老化前老化后老化前老化后丁二烯0.0840.0820.350.36压砜基0.0540.0380.230.16甲基0.2080.1920.870.83甲基苯0.9760.9544.124.05亚甲基1.0541.7034.454.61通过分析改性沥青短期老化前后各特征官能团指数变动情况看出，除亚甲基外，其余特征官能团含量均呈降低趋势，由此推测，老化后的亚砜基、亚甲基均断链成小分子亚甲基；改性沥青短期老化前后特征官能团指数基本稳定，意味着工程所用改性沥青抗老化性能优异4；聚合物中丁二烯双键无断裂迹象，表明改性效果无任何改变。4 结束语综合以上分析结果看出，该公路改扩建工程所选用的基质沥青、改性沥青性能质量稳定可控，变异系数小。红外光谱拟合计算SBS含量的方法简便可行、数据准确，沥青样品均不存在异常杂质；改性剂分布均匀，具备较好的改性效果，改性沥青抗老化性能优异。与工地实验室针入度、软化点、延度三大指标常规检测过程相比，红外光谱法从制备试样到得出结果仅耗时8 min，检测工效及结果准确度有保证，其效果也得到施工方的一致认可。参考文献：1 黄雅婷，叶超强.红外光谱沥青检测在高速公路项目中的应用J.西部交通科技，2020，159（10）：49-52.2 陈飞，周游，席贵东，等.基于红外光谱的沥青快速分析方法及可靠性研究J.公路交通技术，2022，38（6）：7-12.3 张发斌.沥青路面红外光谱快速检测技术研究J.科学技术创新，2022（30）：85-88.4 胡国刚，梁天贵.红外光谱沥青快速识别检测在高速公路项目的应用J.公路，2019，64（9）：193-195.表3 SBS改性沥青标准样光谱图的A966/A1377值SBS成品胶含量（质量分数）（%）3.54.04.55.05.56.0试样10.3400.4110.4380.4630.5030.558试样20.3560.4130.4200.4680.5280.569试样30.3580.4020.4270.4760.8010.557试样40.3570.4130.4310.4780.5150.556试样50.3650.4120.4360.4810.5020.554试样60.3630.4170.4350.4850.5180.562试样70.3540.4140.4300.4720.560均值0.3560.4120.4310.4760.5140.557变异系数（%）2.101.211.501.603.601.0033