瀝青路面紅外光譜快速檢測技術(shù)研究

張發(fā)斌

（青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,青海 西寧 810001）

在傳統(tǒng)瀝青檢測中主要依賴于三大指標(biāo)來綜合評價(jià)瀝青質(zhì)量,其存在設(shè)備龐大、檢測周期長等問題,這與實(shí)地快速檢測的要求存在沖突[1]。當(dāng)前我國現(xiàn)行瀝青檢測規(guī)程的試驗(yàn)主要集中于瀝青的宏觀物理性質(zhì)上,其全套設(shè)備時(shí)所需占地面積達(dá)到了30 m2,而且樣本從取樣、送檢至出結(jié)果至少需要半天的周期,這也就對工程建設(shè)帶來了極大的不便。在這樣背景下,快速、準(zhǔn)確的紅外光譜檢測技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生,并逐步得到廣泛的關(guān)注與推廣。

1 基質(zhì)瀝青的紅外光譜快速檢測

1.1 試驗(yàn)方案

本研究采用傅里葉紅外光譜儀開展試驗(yàn),以目前瀝青市場常見品牌、型號的瀝青作為樣品展開檢測。設(shè)定工作溫度為10～25 ℃,且相對濕度不大于50%。試驗(yàn)步驟：

（2） 選擇空白背景采樣、生成光譜圖。

（3） 用電爐對采樣刮刀持續(xù)加熱至120 ℃,隨后將刮刀插進(jìn)待檢測的瀝青標(biāo)準(zhǔn)樣品內(nèi),通過刮刀的高溫將與其接觸的樣本加熱成粘稠狀態(tài),并將所刮去的瀝青移至制樣器上,按照均勻涂抹的原則覆蓋制樣器。待瀝青冷卻至室溫后晶體片即被瀝青薄膜所包裹。對樣本進(jìn)行紅外光譜采集,待采集完成后即可清理晶體片。（4） 重復(fù)上述操作,對每個(gè)樣品做三次紅外光譜采集,取三次采樣結(jié)果的平均譜圖作為結(jié)果。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1 基質(zhì)瀝青標(biāo)準(zhǔn)樣品的獲取

由于本研究所選取瀝青品牌、規(guī)格、組分均存在一定差異,以此檢測所得到的紅外譜圖也就不盡相同。在選定研究所用的待研究基質(zhì)瀝青后,即可聯(lián)系相應(yīng)廠家進(jìn)行實(shí)地考察并獲得對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)樣品。

1.2.2 基質(zhì)瀝青的重復(fù)性測試

對于相同的基質(zhì)瀝青樣品按照上述試驗(yàn)流程分別采樣、檢測三次,得到三次檢測的紅外光譜圖,并對其峰位、峰形及峰強(qiáng)進(jìn)行比對。分別以4 000 cm-1～650 cm-1（全譜波數(shù)）、4 000 cm-1～1 350 cm-1（特征區(qū)）及1 350 cm-1～650 cm-1（指紋區(qū)）為研究區(qū)間開展靈敏度比對,以此來確定重復(fù)性誤差的范圍。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的比對,發(fā)現(xiàn)對于相同基質(zhì)瀝青樣品而言,其重復(fù)性測試譜圖在上述研究區(qū)間內(nèi)的相關(guān)性系數(shù)大于99.00%,且標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.5%,部分測試結(jié)果見圖1。

圖1 不同品牌基質(zhì)瀝青的重復(fù)性測試結(jié)果

1.2.3 基質(zhì)瀝青的再現(xiàn)性測試

為此,本文提出一種基于高斯過程回歸的電力負(fù)荷預(yù)測算法。算法首先基于高斯模型設(shè)計(jì)電力負(fù)荷預(yù)測模型,然后采用遺傳算法對超參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。此外,為提高算法效率,算法還將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行白化和歸一化處理。仿真數(shù)據(jù)顯示,與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和支撐向量機(jī)算法相比,該算法收斂快,預(yù)測誤差小。

對于相同基質(zhì)瀝青樣品,選用不同測試人員、測試時(shí)間進(jìn)行取并按照上述試驗(yàn)流程檢測,得到三次檢測的紅外光譜圖,并對其峰位、峰形及峰強(qiáng)進(jìn)行比對。分別以4 000 cm-1～650 cm-1（全譜波數(shù)）、4 000 cm-1～1 350 cm-1（特征區(qū)）及1 350 cm-1～650 cm-1（指紋區(qū)）為研究區(qū)間開展靈敏度比對,以此來確定再現(xiàn)性誤差的范圍。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的比對,發(fā)現(xiàn)對于相同基質(zhì)瀝青樣品而言,其再現(xiàn)性測試譜圖在上述研究區(qū)間內(nèi)的相關(guān)性系數(shù)大于99.00%,且標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.5%,部分測試結(jié)果見圖2。

圖2 不同品牌基質(zhì)瀝青的再現(xiàn)性測試結(jié)果

1.2.4 基質(zhì)瀝青標(biāo)準(zhǔn)譜圖的確定

根據(jù)上述對各品牌基質(zhì)瀝青樣品重復(fù)性測試譜圖、再現(xiàn)性測試譜圖的比對分析可以發(fā)現(xiàn),在4 000 cm-1～650 cm-1（全譜波數(shù)）、4 000 cm-1～1 350 cm-1（特征區(qū)）及1 350 cm-1～650 cm-1（指紋區(qū)）的研究區(qū)間內(nèi)所得到的相關(guān)性系數(shù)均大于99.00%,且標(biāo)準(zhǔn)差均不大于0.5%,也即可認(rèn)為借助紅外光譜法開展瀝青的快速檢測具有足夠的準(zhǔn)確性。

選擇2 050～1 950 cm-1作為噪聲測試的研究區(qū)間,并將測試結(jié)果按照峰- 峰噪聲/均方根（RMS）噪聲進(jìn)行表示,若這兩個(gè)數(shù)值所得到的信噪比高于光譜儀的信噪比,那么也就表明在以上試驗(yàn)中儀器選擇、參數(shù)設(shè)定及系統(tǒng)性能均處于良好狀態(tài),因此得到的信噪比較大,其所對應(yīng)的譜圖信息較為穩(wěn)定,能夠有效區(qū)分出試驗(yàn)研究中譜圖包含的特征及噪聲,可以把該品牌的基質(zhì)瀝青歸入標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫中,便于后續(xù)工程應(yīng)用對基質(zhì)瀝青做出比對。

通過以上對各品牌基質(zhì)瀝青的標(biāo)準(zhǔn)譜圖研究可知,常見基質(zhì)瀝青的紅外譜圖具有較為類似的出峰位置、峰形等。這也表明各品牌基質(zhì)瀝青在組成、性質(zhì)上比較接近,但各其在部分波數(shù)區(qū)間內(nèi)也存在一定差異。

2 改性劑含量的快速測定

2.1 試驗(yàn)方案

在本研究中采用傅里葉紅外光譜儀開展試驗(yàn),基質(zhì)瀝青選用東海-90、殼牌-90。

試驗(yàn)步驟：（1） 持續(xù)加熱基質(zhì)瀝青至160～170℃,并在其中按照不同摻量加入SBS 改性劑,借助低速攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。（2） 保持170～180 ℃的溫度,借助高速剪切機(jī)以4 000～5 000 r/min 的速度持續(xù)剪切瀝青40 min。（3） 在170～180 ℃的溫度下發(fā)育2 h,隨后使其自然冷卻至室溫。

檢測方案：（1） 啟動(dòng)紅外光譜設(shè)備,并對設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測,選擇自動(dòng)背景校正。（2） 采集摻加SBS 的瀝青樣品,并使用加熱后的鏟子在晶體片上均勻涂抹瀝青樣品。以4 000 cm-1～650 cm-1為研究區(qū)間采集相應(yīng)光譜。（3） 計(jì)算966 cm-1、1 377 cm-1位置處所對應(yīng)的峰面積?；谖覈F(xiàn)行瀝青試驗(yàn)規(guī)程,對瀝青的三大指標(biāo)展開檢測,其包括針入度、軟化點(diǎn)及延度[2]。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對SBS 改性瀝青進(jìn)行紅外光譜檢測得到的光譜圖反映了基質(zhì)瀝青、SBS 改性劑兩者疊加后產(chǎn)生的紅外吸收峰光譜。在摻加了SBS 改性劑的瀝青中,試驗(yàn)測得改性瀝青均表現(xiàn)出一致的特征吸收峰。其中,在2 800～3 000 cm-1的波數(shù)區(qū)間內(nèi),瀝青主要的吸收峰是飽和C-H 鍵通過振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰,在這一區(qū)間內(nèi)2 920 cm-1波數(shù)對應(yīng)的是亞甲基-CH2-發(fā)生的反對稱伸縮振動(dòng)；1 450 cm-1波數(shù)對應(yīng)的是甲基-CH3和亞甲基-CH2- 內(nèi)C-H 發(fā)生的面內(nèi)伸縮振動(dòng)；698 cm-1波數(shù)位置的吸收峰比較尖銳,對應(yīng)的是苯環(huán)中C-H 鍵在面外所發(fā)1 375 cm-1波數(shù)位置存在較強(qiáng)的吸收峰,對應(yīng)的是甲基-CH3發(fā)生的剪式振動(dòng)；966 cm-1波數(shù)對應(yīng)的是非飽和鍵CH=CH 所產(chǎn)生的特征吸收峰,同時(shí)也是SBS 改性劑所產(chǎn)生的特征吸收峰；698 cm-1波數(shù)對應(yīng)的是苯環(huán)內(nèi)C-H 在面外發(fā)生的搖擺振動(dòng),也是苯乙烯所產(chǎn)生的特征吸收峰。

典型SBS 改性瀝青的紅外光譜圖見圖3。

圖3 典型SBS 改性瀝青的紅外光譜圖

基于朗伯- 比爾定律,對于穿過溶液的平行單色光而言,溶液濃度、厚度之積與溶液吸光度之間存在正比關(guān)系,也即待測對象所含有的特征官能團(tuán)在給定波數(shù)區(qū)間內(nèi)的紅外吸收能力與物質(zhì)濃度之間存在正比關(guān)系,通過這一理論即可完成SBS 還原劑含量的測定[3]。

式中：A 為吸光度,L/（mol·cm）；IO為入射光的強(qiáng)度,cd；It為透射光的強(qiáng)度cd；a 為物質(zhì)的光衰減系數(shù),L/(g·cm)；b 為光程長,cm；c 為樣品濃度,g/L。

對于不同的物質(zhì)而言,其所對應(yīng)的特征紅外光譜也存在一定差異,且特征峰的面積、物質(zhì)含量之間存在正比關(guān)系。1 377 cm-1波數(shù)位置對應(yīng)的是芳香族甲基-CH3所產(chǎn)生的特征吸收峰,同時(shí)也是基質(zhì)瀝青所產(chǎn)生的特征吸收峰；966 cm-1波數(shù)對應(yīng)的是非飽和鍵CH=CH 所產(chǎn)生的特征吸收峰,同時(shí)也是SBS 改性劑所產(chǎn)生的特征吸收峰。在不同SBS 改性劑摻量下所得到的改性瀝青具有相同的官能團(tuán),但由于其所包含官能團(tuán)數(shù)量存在一定差異,因此吸收峰的峰高、峰面積也會(huì)存在一定的差異。當(dāng)官能團(tuán)的相對濃度變化時(shí),樣品的紅外譜圖所顯示的吸收峰吸光度也將不同[4-5]。因此,紅外光譜檢測能夠通過譜圖計(jì)算出A966/A1377來判斷SBS 改性劑的含量。

3 工程案例

3.1 工程概況

該高速公路項(xiàng)目的瀝青質(zhì)量檢測及控制主要采用ThermoFishNicoletiS5 紅外光譜儀開展檢測,并將設(shè)備與已建立的標(biāo)準(zhǔn)試樣檢測系統(tǒng)相連,以此來快速開展基質(zhì)瀝青的微觀觀察、分析。通過紅外光譜圖給出的出峰位置、峰高以及峰面積來總體定性分析材料是否出現(xiàn)了瀝青混用、老化等問題。在該技術(shù)下,完成單個(gè)樣品的檢測、分析,整個(gè)過程約耗時(shí)5 分鐘,可以快速得到檢測結(jié)果。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施

3.2.1 基質(zhì)瀝青的質(zhì)量控制

該項(xiàng)目的路面結(jié)構(gòu)中上面層、封層及透層三部分均采用倫特-70 作為基質(zhì)瀝青,該基質(zhì)瀝青在出場初期已完成試樣采集、檢測,將其檢測結(jié)果與本研究分析所得的標(biāo)準(zhǔn)譜圖做出比對。該項(xiàng)目檢測的部分基質(zhì)瀝青送檢樣品及標(biāo)準(zhǔn)樣品的紅外譜圖見圖4。

圖4 送檢樣品及標(biāo)準(zhǔn)樣品的紅外譜圖對比

3.2.2 改性瀝青SBS 摻量檢測

建立起該項(xiàng)目的典型SBS 改性瀝青紅外譜圖如圖3 所示。由紅外譜圖可以看出,在改性瀝青的4 000-650 cm-1區(qū)間內(nèi)發(fā)生了較大的譜峰變化。同時(shí),基于特征譜峰位置、面積的變化情況也可進(jìn)一步推算得到SBS 改性劑的實(shí)際摻量。在該項(xiàng)目的中面層、上面層及粘層都選用SBS 改性瀝青?；谏a(chǎn)廠家提供的改性瀝青配比設(shè)計(jì)方案及基質(zhì)瀝青、SBS 改性劑、技術(shù)工藝,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備了樣品,并對其改性劑摻量、改性瀝青性能展開評價(jià)。分別設(shè)定SBS 改性劑的摻量為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%及5.5%,制作相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣品,通過分析計(jì)算繪制相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線,其中R2=0.99,也即曲線表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,見圖5。

圖5 不同SBS 摻量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

在項(xiàng)目實(shí)施全過程中,共計(jì)抽查、檢測改性瀝青約30 次。在檢測樣品中部分產(chǎn)品檢測到SBS 改性劑的摻量過高,導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因在于基質(zhì)瀝青自身性質(zhì)不穩(wěn)定、技術(shù)工藝不成熟等。

4 結(jié)論

本研究借助紅外光譜檢測從基質(zhì)瀝青質(zhì)量、SBS改性劑摻量兩個(gè)方面對某高速公路項(xiàng)目所用基質(zhì)瀝青及其改性瀝青的質(zhì)量進(jìn)行檢測。分別檢測基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青共計(jì)40、30 余批次。通過這一檢測技術(shù)開展標(biāo)準(zhǔn)化制樣、檢測及分析,能夠在五分鐘內(nèi)得出檢測結(jié)果,并將其與標(biāo)準(zhǔn)樣品的結(jié)果進(jìn)行比對,以此評價(jià)基質(zhì)瀝青的質(zhì)量及SBS 改性劑的摻量,具有較為突出效率及精度；對改性瀝青的檢測則以三大指標(biāo)為基礎(chǔ),結(jié)合微觀手段判斷瀝青的改性效果。綜合譜圖中峰形、出峰位置以及峰面積,與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比對判斷基質(zhì)瀝青與設(shè)計(jì)方案之間是否存在偏差。在該項(xiàng)目中,對基質(zhì)瀝青40 余批次抽樣、檢測的相似度水平大于99.00%,認(rèn)定其合格率達(dá)到了100%。