紅外光譜快速檢測(cè)瀝青質(zhì)量的試驗(yàn)方法分析

張宗兵，戚智勇，鐘佑明，高永峰，常龍博

(云南建投路面工程有限公司，云南 昆明 650200)

0 引 言

瀝青路面是我國(guó)的典型道路結(jié)構(gòu)形式，而在瀝青路面的組成中，瀝青作為粘結(jié)材料，其本身的質(zhì)量對(duì)瀝青路面的使用性能的和服役壽命有著重要的影響，已有的工程經(jīng)驗(yàn)表明，車轍、開(kāi)裂、松散等早期病害往往是由于瀝青本身的質(zhì)量問(wèn)題所導(dǎo)致。因此對(duì)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，而由于瀝青的組成復(fù)雜，如何對(duì)瀝青進(jìn)行評(píng)價(jià)與鑒別，一直是道路工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

運(yùn)用紅外光譜分析瀝青的微觀結(jié)構(gòu)成為控制瀝青質(zhì)量的有效手段之一，紅外光譜分析技術(shù)是根據(jù)瀝青紅外光譜圖的紅外特征吸收峰位置、數(shù)目、相對(duì)強(qiáng)度和形狀等參數(shù)，推斷出瀝青的組成和各組分的含量。本次采用紅外光譜試驗(yàn)儀器開(kāi)展瀝青質(zhì)量的評(píng)定，進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)方法的研究，對(duì)試驗(yàn)流程、試驗(yàn)條件等展開(kāi)研究，分析不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，以保證試驗(yàn)檢測(cè)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(cè)試驗(yàn)方法研究

1.1 試驗(yàn)流程

(1)采用紅外光譜儀進(jìn)行瀝青質(zhì)量快速評(píng)定時(shí)，首先打開(kāi)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(duì)背景光譜進(jìn)行掃描，確定測(cè)樣晶體是否干凈。

(3)加熱刮刀，將瀝青樣品均勻的涂在ATR測(cè)樣晶體表面，待瀝青冷卻后方可進(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(duì)樣品進(jìn)行紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并與背景光譜圖相減，獲得樣品最終的吸光度圖譜，通過(guò)與目前數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品圖譜進(jìn)行比對(duì)，可以識(shí)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(cè)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2～3 min左右，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(cè)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，待表面干燥以后方可進(jìn)行下一組瀝青性能的檢測(cè)。

1.2 取樣方式

在采集瀝青樣品的紅外光譜前，需要研究瀝青樣品最佳取樣方式，使所取樣品能夠代表整個(gè)樣品的實(shí)際性能，從而保證樣品光譜采集結(jié)果的具有最佳的代表性。

按照表1所示的取樣方案，分別針對(duì)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(cè)，通過(guò)每種取樣方法獲得的紅外光譜圖的最大標(biāo)準(zhǔn)誤差來(lái)評(píng)估取樣方案對(duì)結(jié)果的變異性影響，試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

表1 取樣方案

圖1 不同取樣方式下兩種瀝青的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差圖

從圖中可以看出，對(duì)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(duì)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)為采用這兩種方案均可以較好的反映瀝青樣品的整體狀況；而針對(duì)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(guò)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(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行取樣。

1.3 樣品的涂抹

將瀝青樣品涂抹與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(guò)程中的濕度以及樣品涂抹過(guò)程中是否混入空氣(特別是CO2)也會(huì)對(duì)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，本項(xiàng)目對(duì)濕度、氣泡對(duì)紅外光譜的影響進(jìn)行了分析。

(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比較，從圖中可以看出，在潮濕環(huán)境下，會(huì)導(dǎo)致在3 600～4 000 cm-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(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先應(yīng)保證ATR表面干燥，另外空氣的濕度不得高于60%。

圖2 樣品在潮濕、均勻覆蓋ATR晶體條件下的紅外光譜圖

(2)在涂抹過(guò)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(duì)在紅外光譜曲線產(chǎn)生較為明顯的影響。如下圖所示，在干燥條件下，有氣泡瀝青樣品紅外光譜圖，通過(guò)對(duì)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2 349 cm-1位置處因?yàn)镃O2分子的不對(duì)稱伸縮而產(chǎn)生明顯的吸收峰，從而出現(xiàn)下凹型曲線。因此在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡可能的保證樣品一次均勻涂抹，避免氣泡的進(jìn)入，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 樣品在干燥、有氣泡條件下的紅外光譜圖

1.4 紅外光譜數(shù)據(jù)的采集參數(shù)

(1)掃描次數(shù)的確定

光譜數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要設(shè)置掃描次數(shù)和分辨率指標(biāo)。其中，傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)量物質(zhì)的光譜時(shí)，檢測(cè)器在接受樣品光譜信號(hào)的同時(shí)也接受了噪聲信號(hào)，輸出的光譜既包括樣品的信號(hào)也包括噪聲信號(hào)，信噪比與掃描次數(shù)的平方成正比，增加掃描次數(shù)可以減少噪聲、增加譜圖的光滑性。

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)，然后在進(jìn)行連續(xù)的光譜測(cè)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，為了更加清楚明了的表示出標(biāo)準(zhǔn)偏差隨掃描次數(shù)的變化趨勢(shì)，對(duì)最大標(biāo)準(zhǔn)偏差與掃描次數(shù)的關(guān)系，如下圖所示。

圖4 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，當(dāng)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。

(2)平行試驗(yàn)樣品數(shù)量的確定

對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系圖，如下圖所示。

圖5 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

從圖中可知，標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著平行試驗(yàn)樣品數(shù)量的增加而呈現(xiàn)一定的降低趨勢(shì)。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)量的增加而明顯的降低，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(duì)紅外光譜檢測(cè)結(jié)果的影響分析

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(duì)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(duì)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(duì)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)方案如表2所示。

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(duì)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(chǎng)時(shí)以及后期復(fù)測(cè)過(guò)程中紅外光譜檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性，分別在130 ℃和160 ℃溫度下，對(duì)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(cè)(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6所示。

圖6 加熱次數(shù)對(duì)相似度指標(biāo)的影響

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(duì)兩種瀝青相似度指標(biāo)的影響情況，試驗(yàn)結(jié)果如表3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，兩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(duì)于相似度的影響較小，后期可以通過(guò)留樣瀝青的復(fù)測(cè)來(lái)評(píng)估瀝青到場(chǎng)時(shí)的實(shí)際狀態(tài)。

2.3 加熱溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

加熱溫度對(duì)瀝青的老化有著重要的影響，因此，為了分析加熱溫度對(duì)紅外光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響，在130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃條件下對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行加熱，在160 ℃、170 ℃、180 ℃、190 ℃下對(duì)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)果如下圖所示。

采用軟件，以加熱溫度為130 ℃和160 ℃的基質(zhì)瀝青和改性瀝青樣品作為標(biāo)準(zhǔn)樣計(jì)算相似度指標(biāo)，分析加熱溫度對(duì)兩種瀝青相似度指標(biāo)的影響情況，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 相似度指標(biāo)(%)隨加熱溫度的變化

從圖7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(shì)，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(guò)150 ℃，SBS改性瀝青的加熱溫度不得超過(guò)180 ℃，減少試驗(yàn)過(guò)程中瀝青的老化對(duì)結(jié)果的影響。

圖7 加熱溫度對(duì)相似度指標(biāo)的影響

2.4 試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

考慮到試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)人員的操作手法，包括在ATR附件上的樣品涂抹方式、涂膜厚度等可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，為了評(píng)估實(shí)驗(yàn)過(guò)程中認(rèn)為因素為相似度指標(biāo)的影響結(jié)果，選擇3位不同的實(shí)驗(yàn)人員，在相同的加熱次數(shù)、加熱溫度下進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)。

采用軟件，以實(shí)驗(yàn)員A獲得的基質(zhì)瀝青和改性瀝青樣品作為標(biāo)準(zhǔn)樣計(jì)算相似度指標(biāo)，分析操作人員對(duì)兩種瀝青相似度指標(biāo)的影響情況，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同操作人員獲得的相似度指標(biāo)(%)比較

從表5中可以看出，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的條件下，相似度指標(biāo)隨操作人員的變化較小，可以認(rèn)為，紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定，受人為因素的干擾較小。

2.5 短期老化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

對(duì)A和B品牌的70#瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行短期老化，并對(duì)老化后的瀝青的相似度與未老化瀝青進(jìn)行比對(duì)，相似度結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 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(shí)度指標(biāo)降低至80%以下，因此可以看出，紅外光譜試驗(yàn)對(duì)于短期老化的瀝青樣品具有較好的區(qū)分度，可以有效識(shí)別出，由于運(yùn)輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、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，從而保證瀝青的路用性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)紅外光譜的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)結(jié)果影響參數(shù)等分析，得到以下幾點(diǎn)主要結(jié)論。

(1)為了保證所取樣品可以更好的反映整體瀝青樣品的實(shí)際狀態(tài)，分別針對(duì)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別提出了紅外光譜檢測(cè)過(guò)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(guò)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(guò)不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)紅外光譜檢測(cè)結(jié)果的影響可以看出，為了減少加熱過(guò)程中的瀝青老化，基質(zhì)瀝青加熱溫度不得超過(guò)150 ℃，SBS改性瀝青加熱溫度不得超過(guò)180 ℃，此外，加熱次數(shù)、操作人員對(duì)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(cè)結(jié)果較為穩(wěn)定。