基于多種ATR附件的瀝青紅外光譜對比分析

楊光昊

(江蘇百盛工程咨詢有限公司 江蘇南京 210046)

瀝青路面是我國的典型道路結(jié)構(gòu)形式，其中，瀝青作為膠結(jié)材料，其本身的質(zhì)量對瀝青路面的使用性能的和服役壽命有著重要的影響。并且，瀝青市場較為混亂，質(zhì)量差異巨大，常出現(xiàn)運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的瀝青被隨意調(diào)換品牌、國內(nèi)基質(zhì)瀝青充當進口瀝青[1]以及改性瀝青中SBS摻假[2]等情況。在公路建設過程中對瀝青質(zhì)量傳統(tǒng)的檢測方法，主要采用我國現(xiàn)有傳統(tǒng)的瀝青指標檢測體系和國際上的流變試驗方法，通過標準試驗來判定瀝青各項質(zhì)量指標是否符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求[3]。目前，在施工現(xiàn)場常用瀝青三大指標以及SHRP的指標體系來檢驗瀝青質(zhì)量。這些方法存在試驗頻率高、周期長、價格昂貴、評價指標較多、試驗結(jié)果存在一定誤差以及無法準確識別性能接近或相似的瀝青等問題[4-5]，導致檢測結(jié)果不能及時真實地反映到場瀝青的真實質(zhì)量，瀝青路面的建設質(zhì)量無法得到充分保證。

瀝青紅外光譜識別技術(shù)，是一種依據(jù)瀝青分子內(nèi)部化學官能團的相對振動、轉(zhuǎn)動等信息來鑒別分子結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施[5]，具有快速無損、檢測效率高、準確性好等特點。通過化學、數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機等學科的結(jié)合，對紅外光譜的測試數(shù)據(jù)進行處理與分析，可得到瀝青紅外光譜圖中的特征吸收峰位置、數(shù)目、相對強度和形狀等參數(shù)，從而可推斷出物質(zhì)的組成和各組分的含量[6]。

紅外光譜作為瀝青質(zhì)量快速檢測有效手段已經(jīng)得到較為廣泛的研究與應用，主要集中在瀝青相似度分析[5]、瀝青老化[7-8]、SBS 含量檢測[9]等方面。紅外光譜分析一般分為透射分析法和反射分析法（ATR）。目前，在施工現(xiàn)場應用較多的是是單點ATR 法，而《SBS改性瀝青改性劑含量測試方法 紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）中采用的是透射法。因此，該文通過測試基質(zhì)瀝青相似度以及改性瀝青SBS 含量的準確性，對比分析了單點ATR 法、多點ATR 法以及透射法這3 種方法的優(yōu)缺點。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用韓國雙龍70 號道路石油瀝青。經(jīng)檢測，基質(zhì)瀝青各項技術(shù)指標均能滿足要求，檢測結(jié)果具體見表1。該文所用SBS改性瀝青則根據(jù)《SBS改性瀝青改性劑含量測試方法 紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）要求在室內(nèi)進行制備。

表1 基質(zhì)瀝青檢測結(jié)果

1.2 試驗方法

采用昌吉SYD-0673M便攜瀝青紅外光譜儀，采集范圍600～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)為64次。試驗方法按照所用ATR 附件的不同，分為單點ATR法、多點ATR 法以及透射法（見圖1）。兩種ATR 法制樣較為簡單，對樣品大小、形狀沒有特殊要求。其中，單點ATR 法是在測試時將瀝青加熱后直接均勻涂抹在單點ATR 附件（ZnSe 晶體）上；多點ATR 法則是將瀝青涂抹在附件晶體板上進行測試（見圖2）；透射法制樣更為復雜。根據(jù)《SBS 改性瀝青改性劑含量測試方法紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）要求，先制作KBr壓片，涂抹熱瀝青后再進行試驗檢測，整個過程需耗時大約5 min。透射法對環(huán)境要求高，必須保證KBr樣品處于干燥狀態(tài)，并且KBr粉末應進行充分研磨，確保分散成微米級的粉末。在每次數(shù)據(jù)采集完成后，用三氯乙烯對晶體進行清洗并風干，然后進行下一次測試。

圖1 不同紅外光譜檢測方法

圖2 將被測瀝青涂抹于附件晶體板（多點ATR法）

2 基質(zhì)瀝青相似度

比對基質(zhì)瀝青相似度時，用單點ATR 法、多點ATR 法以及透射法對基質(zhì)瀝青分別進行4 次平行試驗，以第1 次試驗的紅外光譜圖為標準圖譜，用第2～4次的圖譜進行對比，查看每種測試方法的檢測相似度平均值。3 種測試方法都較為穩(wěn)定，相似度平均值在0.98 以上，透射法相似度平均值最高，可達0.999 591。具體結(jié)果如表2所示。

表2 基質(zhì)瀝青相似度對比結(jié)果

3 改性瀝青SBS含量

測試改性瀝青SBS 含量時，根據(jù)《SBS 改性瀝青改性劑含量測試方法 紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）要求，制作5 個標準樣。5 個標準樣中SBS 添加量分別為：1.068%、1.966%、2.960%、4.047%、5.044%。此外，采用同樣的方法制備1 個待測樣，SBS 添加量為1.97%。下面以透射法為例對測試過程進行說明：（1）采用透射法測試5 個標準樣的紅外光譜，具體情況如圖3 所示；（2）利用化學計量軟件分別測量吸收峰966 cm-1、1 377 cm-1的峰面積S966、S1377，具體如圖4所示；（3）按式A=S966/S1377 計算各標準樣的吸收峰966 cm-1與吸收峰1 377 cm-1的峰面積之比，并建立標準曲線；（4）測試待測樣品。計算待測樣品紅外光譜中吸收峰966 cm-1與1 377 cm-1的峰面積之比，并通過標準曲線，計算出待測樣品SBS 含量。采用單點ATR 法和多點ATR 法，通過相同流程得出待測樣品的SBS 含量，結(jié)題如表3 所示。根據(jù)測試結(jié)果，3 種方法的標準曲線相關(guān)性好，均在0.996 以上。其中，透射法測試結(jié)果為1.968 87，與真實值最為接近。

表3 改性瀝青SBS含量檢測結(jié)果

圖3 透射法測試各標準樣的紅外圖譜

圖4 將被測瀝青涂抹于晶體板（多點ATR法）

4 結(jié)語

根據(jù)測試結(jié)果，單點ATR法是利用全反射原理來對樣品進行測定，操作最為快捷簡便，可在施工現(xiàn)場實現(xiàn)瀝青質(zhì)量的快速鑒別，并且測試晶體不容易損壞，但單點ATR 的測試能量低，譜圖噪聲反應明顯，精確度相對更低；與單點ATR 法相比，多點ATR 法的光路經(jīng)過了多次反射，顯著提高了紅外光譜的靈敏度，但多點ATR 法所用晶體板易磨損，維修成本高；透射法得到的紅外光譜圖相似度最高，SBS 含量的測試結(jié)果最接近真實值，但該方法樣品制備時間長，且對測試環(huán)境有較高要求。在施工現(xiàn)場等條件簡陋的環(huán)境，適用性不強。