紅外光譜快速檢測瀝青質(zhì)量的試驗(yàn)方法分析

馬冠興

（泰安市公路事業(yè)發(fā)展中心第一工程部，山東 泰安 271000）

0 引言

瀝青路面是我國典型的道路結(jié)構(gòu)，在瀝青路面的組成中，瀝青作為黏結(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具有重要的影響，已有的工程經(jīng)驗(yàn)表明，車轍、開裂、松散等早期病害是由于瀝青本身存在質(zhì)量問題。因此，對瀝青質(zhì)量進(jìn)行有效的控制是保證路面使用性能的重要手段，由于瀝青的組成復(fù)雜，如何對瀝青進(jìn)行評價(jià)與鑒別，一直是道路工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

紅外光譜分析技術(shù)原理是基于瀝青紅外吸收峰位置、數(shù)目、相對強(qiáng)度和形狀等特征推斷分析瀝青的組成和各組分的含量，利用紅外光譜分析瀝青的微觀結(jié)構(gòu)方法成為瀝青質(zhì)量控制的有效手段之一[1，2]。該次采用紅外光譜試驗(yàn)儀器進(jìn)行瀝青質(zhì)量的評定，對紅外光譜試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，對試驗(yàn)流程、試驗(yàn)條件等進(jìn)行研究，分析不同試驗(yàn)參數(shù)對檢測結(jié)果的影響，以保證試驗(yàn)檢測結(jié)果的穩(wěn)定性，減少人為因素造成的誤差。

1 紅外光譜快速檢測試驗(yàn)方法研究

在室內(nèi)試驗(yàn)過程中，使用的儀器為賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）生產(chǎn)的Nicolet-iS5 型紅外光譜設(shè)備，配備了ATR 附件，采用該設(shè)備進(jìn)行瀝青質(zhì)量快速評定時(shí)，需要掌握基本的試驗(yàn)流程，并明確試驗(yàn)過程中的取樣、涂抹、光譜采集以及圖譜判讀過程中關(guān)鍵參數(shù)要求。

1.1 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程如下：1）采用紅外光譜儀進(jìn)行瀝青質(zhì)量快速評定時(shí)，首先打開紅外光譜儀預(yù)熱0.5 h，連接儀器和筆記本電腦，并保證電腦正常聯(lián)網(wǎng)。2）設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，對背景光譜進(jìn)行掃描，確定測樣晶體是否干凈。3）加熱刮刀，將瀝青樣品均勻地涂在ATR 測樣晶體表面，待瀝青冷卻后才可以進(jìn)行樣品的紅外光譜數(shù)據(jù)采集。4）根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)，對樣品進(jìn)行紅外光譜數(shù)據(jù)采集，并與背景光譜圖相減，獲得樣品最終的吸光度圖譜，通過與目前數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)樣品圖譜進(jìn)行比對，可以識別樣品的品牌、SBS 含量等數(shù)據(jù)。5）試驗(yàn)結(jié)束以后，將測試完的ATR 附件取下，下面墊鋪衛(wèi)生紙，將晶體放在上面，用潔凈的煤油浸泡2 min～ 3min，用棉簽沿著一面輕輕清洗晶體表面，然后用衛(wèi)生紙吸取表面溶劑，如此反復(fù)2～3 次，保證測試晶體清洗干凈。6）清洗結(jié)束以后，使用吹風(fēng)機(jī)烘干表面的溶劑，待表面干燥以后才可以進(jìn)行下一組瀝青性能的檢測。

1.2 取樣方式

為了保證樣品光譜采集結(jié)果具有最佳的代表性，需要在采集瀝青樣品的紅外光譜前，選取瀝青樣品的最佳取樣方式，使所取樣品能夠代表整個(gè)樣品的實(shí)際性能。

按照表1 所示的取樣方案，分別針對道路石油瀝青和SBS 改性瀝青進(jìn)行取樣，每種方案均取4 個(gè)樣品進(jìn)行紅外光譜檢測，通過每種取樣方法獲得的紅外光譜圖的最大標(biāo)準(zhǔn)誤差來評估取樣方案對結(jié)果的變異性影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

表1 取樣方案

圖1 不同取樣方式下2 種瀝青的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差圖

從圖中可以看出，對于道路石油瀝青和SBS 改性瀝青，取樣方案1 的試驗(yàn)結(jié)果變異性最大，針對基質(zhì)瀝青，方案2 和方案3 的變異性基本相當(dāng)，可以認(rèn)為采用這2 種方案均可以較好地反映瀝青樣品的整體狀況。針對SBS 改性瀝青，由于SBS 改性劑的存在或?qū)е聻r青中呈現(xiàn)一定程度的離析現(xiàn)象，因此經(jīng)過加熱攪拌以后，采用方案3 進(jìn)行取樣獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變異性最小，因此建議采用方案3 對SBS改性瀝青進(jìn)行取樣。

1.3 樣品的涂抹

將瀝青樣品涂抹于ATR 表面的晶體時(shí)，首先應(yīng)保證完全覆蓋晶體，此外，試驗(yàn)過程中的濕度以及樣品涂抹過程中是否混入空氣（特別是CO2）也會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。因此，為了進(jìn)一步規(guī)范樣品的涂抹方法，該項(xiàng)目對濕度、氣泡對紅外光譜的影響進(jìn)行了分析[3]。1）在潮濕環(huán)境下和干燥環(huán)境下進(jìn)行的同一種瀝青樣品的光譜進(jìn)行比較，在潮濕環(huán)境下，會(huì)導(dǎo)致在3 600cm-1～4 000cm-1波束范圍內(nèi)的光譜曲線出現(xiàn)顯著的波動(dòng)。因此，為了減少水氣對于試驗(yàn)結(jié)果的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中首先應(yīng)該保證ATR 表面干燥，另外，空氣的濕度不得高于60%。2）在涂抹過程中，如果樣品涂抹不夠均勻，導(dǎo)致空氣的混入，氣泡中的CO2將會(huì)對在紅外光譜曲線產(chǎn)生較為明顯的影響。在干燥條件下，有氣泡瀝青樣品紅外光譜圖，通過對比可以看出，在有氣泡存在的條件下，會(huì)導(dǎo)致紅外光譜在2 349cm-1位置處因?yàn)镃O2分子的不對稱伸縮而產(chǎn)生了明顯的吸收峰，從而出現(xiàn)下凹型曲線。因此，在試驗(yàn)過程中應(yīng)該盡可能地保證樣品一次均勻涂抹，避免氣泡進(jìn)入，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.4 紅外光譜數(shù)據(jù)的采集參數(shù)

為了提高紅外光譜采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，須確定和分析影響光譜測量精度的掃描次數(shù)與平行試驗(yàn)樣品的數(shù)量，傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法（ATR-FTIR）測量出的光譜一般經(jīng)過多次掃描、多次平行試驗(yàn)后獲得的平均光譜，這種方法的好處是可以有效地提高光譜測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，該文采用此方法進(jìn)行掃描分析。

1.4.1 掃描次數(shù)的確定

選取一種改性瀝青的樣品，然后在實(shí)驗(yàn)儀器中設(shè)置不同的掃描次數(shù)m（分別為8、16、32、64），然后再進(jìn)行連續(xù)的光譜測量，這樣獲得m張?jiān)技t外光譜，計(jì)算出m張光譜的標(biāo)準(zhǔn)偏差，為了更加清楚地表示出標(biāo)準(zhǔn)偏差隨掃描次數(shù)的變化趨勢，對最大標(biāo)準(zhǔn)偏差與掃描次數(shù)的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 SBS 改性瀝青在不同的掃描次數(shù)下最大標(biāo)準(zhǔn)偏差圖

由圖可知，隨著掃描次數(shù)的增加，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)逐漸降低。當(dāng)在掃描次數(shù)小于32 次時(shí)，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著掃描次數(shù)的增加而降低，并且降低的幅度明顯。當(dāng)掃描次數(shù)大于32 次時(shí)，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差也隨著掃描次數(shù)的增加而趨于不再變化，考慮到試驗(yàn)時(shí)間的影響，將掃描次數(shù)確定為32 次。

1.4.2 平行試驗(yàn)樣品數(shù)量的確定

圖3 SBS 改性瀝青在不同的平行試驗(yàn)樣品數(shù)量下最大標(biāo)準(zhǔn)偏差圖

對于同一種樣品選擇平行試驗(yàn)樣品數(shù)量m（m=2～5）次，這樣獲得m張?jiān)技t外光譜。與確定掃描次數(shù)一樣，計(jì)算出m張紅外光譜圖的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并做出最大標(biāo)準(zhǔn)偏差與平行試驗(yàn)樣品數(shù)量對應(yīng)關(guān)系圖，如圖3 所示。

從圖3 可知，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差隨平行試驗(yàn)樣品數(shù)量的增加而逐漸減小。當(dāng)樣品數(shù)量小于3 時(shí)，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著重復(fù)樣品數(shù)量的增加而明顯降低，而平行試驗(yàn)樣品數(shù)量大于3 個(gè)的時(shí)候，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著平行試驗(yàn)樣品數(shù)量的增加而趨于穩(wěn)定，因此將平行試驗(yàn)樣品數(shù)量設(shè)定為3 個(gè)。

2 試驗(yàn)條件對紅外光譜檢測結(jié)果的影響分析

考慮到實(shí)驗(yàn)過程的樣品制備、試驗(yàn)人員等參數(shù)可能對試驗(yàn)結(jié)果造成影響，因此，該項(xiàng)目分別針對道路石油瀝青和SBS 改性瀝青進(jìn)行了紅外光譜試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，查明關(guān)鍵的拐點(diǎn)位置，提出合適的試驗(yàn)參數(shù)[4]。

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

加熱溫度、加熱次數(shù)、試驗(yàn)時(shí)的人員等因素可能會(huì)對紅外光譜試驗(yàn)的結(jié)果造成影響，為了分析不同試驗(yàn)因素對紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，采用控制變量的方法，分別針對道路石油瀝青和SBS 改性瀝青進(jìn)行了試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，以探明關(guān)鍵的拐點(diǎn)位置，形成標(biāo)準(zhǔn)化的紅外光譜試驗(yàn)規(guī)程，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素與實(shí)驗(yàn)方案見表2。

表2 室內(nèi)紅外光譜試驗(yàn)考慮的影響因素

2.2 加熱次數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

重復(fù)加熱可能會(huì)導(dǎo)致瀝青出現(xiàn)一定程度的老化，考慮到基質(zhì)瀝青運(yùn)輸溫度在130 ℃～140 ℃，SBS 改性瀝青的運(yùn)輸溫度在160 ℃～170 ℃，為了分析運(yùn)輸以后瀝青到場時(shí)以及后期復(fù)測過程中紅外光譜檢測結(jié)果的穩(wěn)定性，分別在130 ℃和160 ℃溫度下，對1～5 次加熱循環(huán)的基質(zhì)瀝青和改性瀝青樣品進(jìn)行了紅外光譜檢測（樣品在加熱溫度保溫2 h 以及冷卻至室溫為1 個(gè)加熱循環(huán)），試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4 所示。

采用軟件，以加熱一次的樣品作為標(biāo)準(zhǔn)樣計(jì)算相似度指標(biāo)，分析加熱次數(shù)對2 種瀝青相似度指標(biāo)的影響情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

表3 相似度指標(biāo)（%）隨加熱次數(shù)的變化

在130 ℃和160 ℃溫度下，基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青的相似度指標(biāo)隨加熱次數(shù)的變化較小，加熱次數(shù)達(dá)到5 次以后，2 種瀝青的相似度指標(biāo)仍在99%以上，因此可以看出，在一定的溫度下，加熱次數(shù)對于相似度的影響較小，后期可以通過留樣瀝青的復(fù)測來評估瀝青到場時(shí)的實(shí)際狀態(tài)。

2.3 加熱溫度對試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

由于溫度對瀝青的老化有著重要的影響[5]，因此，為了分析加熱溫度對紅外光譜檢測數(shù)據(jù)的影響，在130 ℃、140 ℃、150 ℃以及160 ℃條件下對基質(zhì)瀝青進(jìn)行加熱，在160 ℃、170 ℃、180 ℃以及190 ℃下對SBS 改性瀝青進(jìn)行加熱，加熱一次保溫2 h 后進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。以加熱溫度130 ℃的基質(zhì)瀝青和160 ℃的SBS改性瀝青樣品作為標(biāo)準(zhǔn)樣，采用軟件計(jì)算相似度指標(biāo)，分析加熱溫度對2 種瀝青相似度指標(biāo)的影響情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

表4 相似度指標(biāo)（%）隨加熱溫度的變化

圖4 加熱次數(shù)對相似度指標(biāo)的影響

圖5 加熱溫度對相似度指標(biāo)的影響

從圖5 中可以看出，隨著加熱溫度的升高，與標(biāo)準(zhǔn)樣品相比，基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青樣品的相似度指標(biāo)均呈下降趨勢，在98%相似度閾值的要求下，基質(zhì)瀝青的加熱溫度不得超過150 ℃，SBS 改性瀝青的加熱溫度不得超過180 ℃，以此減少試驗(yàn)過程中瀝青的老化對結(jié)果的影響。

2.4 短期老化對試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

對A 和B 品牌的70#瀝青和SBS 改性瀝青進(jìn)行短期老化處理，并對老化后的瀝青的相似度與未老化瀝青進(jìn)行比對，相似度結(jié)果見表5。

表5 老化前后瀝青的相似度計(jì)算結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，短期老化會(huì)導(dǎo)致70#基質(zhì)瀝青以及SBS 改性瀝青的相識度指標(biāo)降低至80%以下，因此可以看出，紅外光譜試驗(yàn)對于短期老化的瀝青樣品具有較好的區(qū)分度，可以有效識別出由于運(yùn)輸時(shí)間過長、出廠時(shí)加熱溫度偏高等原因造成的瀝青短期老化現(xiàn)象[6]，從而保證瀝青的路用性能。

3 結(jié)論

通過對紅外光譜的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)結(jié)果影響參數(shù)等分析，得到以下3 點(diǎn)主要結(jié)論：1）為了保證所取樣品可以更好地反映整體瀝青樣品的實(shí)際狀態(tài)，筆者針對基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青分別提出了紅外光譜檢測過程中的取樣方式。2）為了減少試驗(yàn)結(jié)果的誤差，以最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為控制指標(biāo)，確定了試驗(yàn)過程中紅外光譜掃描次數(shù)為32 次，平行試樣不得少于3 個(gè)。3）通過不同試驗(yàn)參數(shù)對紅外光譜檢測結(jié)果的影響可以看出，為了減少加熱過程中的瀝青老化，基質(zhì)瀝青加熱溫度不得超過150 ℃，SBS改性瀝青加熱溫度不得超過180 ℃。此外，加熱次數(shù)、操作人員對于試驗(yàn)結(jié)果影響較小，因此在控制加熱溫度的前提下，紅外光譜試驗(yàn)的檢測結(jié)果較為穩(wěn)定。