基于紅外光譜的瀝青常規(guī)物理指標(biāo)預(yù)測(cè)匹配性研究

張銀博, 馬蓮霞, 李耀業(yè)

(新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830026)

0 引言

瀝青因具有良好的黏性、防水性等性能而成為公路面層的重要組成材料，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響公路的使用性能和耐久性。在現(xiàn)在的公路瀝青檢測(cè)中，仍然廣泛采用“三大指標(biāo)”對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，但隨著瀝青調(diào)和水平的提高，這些指標(biāo)很容易達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致品牌造假、以次充好和勾兌造假等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，引進(jìn)新的檢測(cè)手段，對(duì)現(xiàn)有瀝青評(píng)價(jià)方法進(jìn)行補(bǔ)充具有重要的意義。本文采用高效無(wú)損且適用于在線實(shí)時(shí)分析的紅外光譜分析技術(shù)，通過(guò)瀝青的特征峰快速評(píng)價(jià)瀝青品質(zhì)。

1 技術(shù)原理

將一束連續(xù)紅外射線照射到物質(zhì)上，會(huì)引起物質(zhì)中分子振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率與紅外光輻射某一頻率的光相同時(shí)，分子會(huì)吸收該頻率的輻射，形成紅外吸收光譜。每種分子都有由其成分和結(jié)構(gòu)決定的、獨(dú)有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定，其化學(xué)鍵的特征波數(shù)見(jiàn)表1。

每種品牌型號(hào)的瀝青都有其特殊的官能團(tuán)，每種官能團(tuán)只吸收特定的紅外光，進(jìn)而產(chǎn)生特征吸收峰形成紅外譜圖，通過(guò)譜圖對(duì)比即可確定瀝青的品牌、型號(hào)，如圖1所示。

表1 化學(xué)鍵的特征波數(shù)化學(xué)鍵吸收波數(shù)/cm-1化學(xué)鍵吸收波數(shù)/cm-1N-H3 100～3 550C≡N2 100～2 400O-H3 000～3 750-SCN2 000～2 250C-H2 700～3 000S-H2 500～2 650C=O1 600～1 900C=C1 500～1 675C-O1 000～1 250C-CH2 900～3 300

圖1 瀝青紅外光譜

2 設(shè)備選擇

本文選用Nicolet iS5傅里葉變換紅外光譜儀，采用衰減全反射ATR進(jìn)行瀝青紅外光譜檢測(cè)，分辨率大于0.5 cm-1，波數(shù)精度大于0.01 cm-1。在瀝青測(cè)試前，通電預(yù)熱，待穩(wěn)定后，安裝ATR衰減全反射附件，采集背景，將刮刀加熱后在ATR晶體板上涂抹瀝青，采集樣品，得到扣除背景光譜后的瀝青樣品衰減全反射傅里葉變換紅外光譜圖。

3 特征區(qū)間確定

針入度、軟化點(diǎn)、蠟含量不僅是反映瀝青物理性質(zhì)的指標(biāo)，也是瀝青化學(xué)組成的一種體現(xiàn)，與組分含量密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，不同瀝青組分有不同的官能團(tuán)，在瀝青譜圖中表現(xiàn)出不同的特征(特征峰位置、峰面積等)；因此通過(guò)分子水平的譜圖分析，可以明確瀝青譜圖與瀝青性能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，其特征區(qū)間如表2所示。

表2 瀝青三大指標(biāo)光譜特征區(qū)間cm-1物理指標(biāo)區(qū)間1區(qū)間2區(qū)間3針入度3 138～2 7971 650～1 100965～721軟化點(diǎn)1 719～1 292907～711—蠟含量3 460～2 6581 719～1 096965～690

4 光譜檢測(cè)及對(duì)比分析

4.1 原材料取樣與光譜采集

本文依托阿勒泰至烏魯木齊第七合同段建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)展試驗(yàn)。瀝青運(yùn)輸?shù)綖r青拌和場(chǎng)后，從瀝青罐車(chē)中隨機(jī)取樣，然后在試驗(yàn)室測(cè)試瀝青三大指標(biāo)，并同步采集所有樣品的紅外光譜圖。

4.2 模型建立與驗(yàn)證

4.2.1預(yù)處理

本文選擇偏最小二乘法作為光譜多元校正分析，其原理是通過(guò)預(yù)估變量分析因變量和獨(dú)立變量相關(guān)關(guān)系。

偏最小二乘法模型基于大量樣本獲得較多的未知信息，在此過(guò)程中建模會(huì)變得繁雜、冗余，且模型穩(wěn)定性降低。為此，對(duì)于瀝青紅外光譜圖，把光譜作為變量X，瀝青試驗(yàn)指標(biāo)作為變量Y，采用扣除 CO2+選擇光譜區(qū)域+基線校正+扣除異常點(diǎn)+對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的方式對(duì)光譜圖進(jìn)行預(yù)處理，排除、減弱無(wú)關(guān)信息，建立穩(wěn)健、精確的分析模型，建模結(jié)果如表3所示。

表3 瀝青常規(guī)指標(biāo)值的建模結(jié)果預(yù)測(cè)參數(shù)因子數(shù)校正集預(yù)測(cè)集RCSECRPSEP針入度100.911.00.861.0軟化點(diǎn)80.760.30.630.4蠟含量80.920.160.890.19

在建立校正模型時(shí)，首先需要設(shè)定主因子數(shù)。本文采用Matlab軟件求RMSECV值以確定瀝青紅外光譜圖的最佳主因子數(shù)，如圖2所示，可得針入度、軟化點(diǎn)、蠟含量的主因子數(shù)分別為10、8、8。

圖2 瀝青常規(guī)指標(biāo)校正模型RMSECV值隨主因子數(shù)變化

4.2.2預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證偏最小二乘方法模型的有效性，隨機(jī)取3組瀝青重新檢測(cè)，并對(duì)得到的紅外光譜圖進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入基于最佳主因子模型中，得到對(duì)應(yīng)瀝青的常規(guī)物理指標(biāo)。另外，根據(jù)規(guī)范測(cè)試3組瀝青的常規(guī)物理指標(biāo)，通過(guò)預(yù)測(cè)絕對(duì)偏差率來(lái)比較指標(biāo)預(yù)測(cè)值和實(shí)際檢測(cè)值，如表4所示。

表4 預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比檢測(cè)項(xiàng)目針入度軟化點(diǎn)蠟含量數(shù)值/(0.1 mm)預(yù)測(cè)偏差/%數(shù)值/℃預(yù)測(cè)偏差/%數(shù)值/%預(yù)測(cè)偏差/%預(yù)測(cè)值87.446.51.8第1組實(shí)際值88.20.947.92.91.75.9均方差誤差1.10.71.2

續(xù)表4 預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比檢測(cè)項(xiàng)目針入度軟化點(diǎn)蠟含量數(shù)值/(0.1 mm)預(yù)測(cè)偏差/%數(shù)值/℃預(yù)測(cè)偏差/%數(shù)值/%預(yù)測(cè)偏差/%預(yù)測(cè)值85.746.71.7第2組實(shí)際值87.21.747.72.11.70均方差誤差0.80.60.7預(yù)測(cè)值8646.81.7第3組實(shí)際值88.32.646.50.61.85.6均方差誤差0.91.10.9

由表4均方差誤差可知，3組瀝青光譜圖預(yù)測(cè)值離散型較低，證明偏最小二乘法建立的預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確度高；通過(guò)對(duì)比瀝青預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間偏差，可知采用光譜快速測(cè)定瀝青常規(guī)物理指標(biāo)是可行的。

5 結(jié)論

以公路瀝青為研究對(duì)象，采用偏最小二乘(PLS)法對(duì)瀝青的衰減全反射傅里葉紅外光譜與瀝青常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了瀝青常規(guī)指標(biāo)的快速測(cè)定。結(jié)論如下：

1) 采用紅外光譜分析技術(shù)，從瀝青的微觀化學(xué)組成入手，通過(guò)特定官能團(tuán)的特征吸收峰確定瀝青物理指標(biāo)，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

2) 檢測(cè)操作簡(jiǎn)單快速，具有可同時(shí)測(cè)量多種物理指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)。為在施工現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)和分析瀝青質(zhì)量，解決公路建設(shè)中原材料瀝青的質(zhì)量控制問(wèn)題，提供一種新的技術(shù)手段。