紅外光譜快速檢測技術(shù)在瀝青質(zhì)量控制中的應(yīng)用

【摘要】以海南某高速公路建設(shè)項(xiàng)目為依托，利用紅外光譜儀對進(jìn)場瀝青進(jìn)行檢測，并對紅外光譜儀檢測樣品進(jìn)行瀝青指標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明紅外光譜儀具有檢測快速、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可作為瀝青進(jìn)場檢測的手段，并用于瀝青質(zhì)量控制。

【關(guān)鍵詞】紅外光譜儀； 瀝青； 快速檢測； 相似度

【中圖分類號】U416.06【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-08-25

［基金項(xiàng)目］2022年度交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目清單（項(xiàng)目編號2022-MS5-125）。

［作者簡介］張大斌（1985—）男，碩士，高級工程師，從事工程咨詢、試驗(yàn)檢測和路面結(jié)構(gòu)與材料研究工作；王模（1986—），男，碩士，高級工程師，從事工程管理和路面功能材料方面研究工作；沈江濤（1977—）男，本科，高級工程師，主要從事工程管理和試驗(yàn)檢測工作。

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，我國公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在不斷發(fā)展，公路建設(shè)品質(zhì)要求也越來越高。瀝青作為公路建設(shè)中的重要原材料，其需求量也在不斷增加，已有工程經(jīng)驗(yàn)表明：瀝青質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到路面的使用質(zhì)量和耐久性，因此對瀝青的質(zhì)量控制和檢測也一直是工程技術(shù)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。目前我國現(xiàn)行進(jìn)場瀝青原材料的檢測方法主要從試驗(yàn)指標(biāo)入手，通過將試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范指標(biāo)進(jìn)行對比，以判定瀝青的質(zhì)量。通過這種方式確實(shí)可以解決一些瀝青質(zhì)量問題，但是隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及不斷上漲的原油價格，瀝青質(zhì)量參差不齊、質(zhì)量造假、常規(guī)指標(biāo)檢測無法反映真實(shí)瀝青質(zhì)量的現(xiàn)象層出不窮，全國每年因?yàn)r青質(zhì)量問題造成的工程質(zhì)量返工事故時有發(fā)生，給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。

紅外光譜儀檢測是目前道路瀝青檢測及質(zhì)量監(jiān)控推廣應(yīng)用手段之一［1-2］，利用紅外光譜儀可以快速準(zhǔn)確地對瀝青中的官能團(tuán)進(jìn)行識別并標(biāo)記，從而確定瀝青樣品的分子結(jié)構(gòu)和混合物中特定化合物的精確含量，進(jìn)而對瀝青的符合性進(jìn)行判斷，以達(dá)到快速檢測的目的，與傳統(tǒng)的瀝青指標(biāo)檢測相比，紅外光譜檢測具有檢測快速、判別準(zhǔn)確、智能識別和可溯源性等優(yōu)點(diǎn)［3-5］。

本文依托海南某高速公路建設(shè)項(xiàng)目，基于傅立葉紅外光譜儀，對進(jìn)場的50#-A級和70#-A級道路石油瀝青進(jìn)行紅外光譜檢測，以對進(jìn)場瀝青進(jìn)行判定，具有一定的工程參考價值，可為后續(xù)瀝青質(zhì)量控制提供參考。

1 紅外光譜儀檢測原理

構(gòu)成物質(zhì)的分子時刻處于平動、轉(zhuǎn)動、振動和電子運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)分子從低能級E1吸收能量hv的光子，就可以躍遷到高能級E2，并且整個躍遷過程滿足能量守恒定律E1+hv=E2。能級之間相差越小，分子所吸收的光的頻率就越低，而波長就越長。紅外光譜檢測技術(shù)就是利用分子內(nèi)部的相對振動和分子轉(zhuǎn)動等信息來確定物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)以及鑒別化合物的（圖1）。

根據(jù)吸收光譜后分子能級的差別，紅外光譜通?？煞譃槿齻€區(qū)域：0.75～2.5 μm的近紅外區(qū)，2.5～25 μm的中紅外區(qū)以及25～300 μm的遠(yuǎn)紅外區(qū)。而根據(jù)吸收峰的來源，又可以將中紅外光譜區(qū)分為特征頻率區(qū)（2.5～7.7 μm，即4 000～1 330 cm-1）和指紋區(qū)（7.7～16.7 μm，即1 330～400 cm-1）兩個區(qū)域。特征頻率區(qū)中的吸收峰基本由基團(tuán)的伸縮振動產(chǎn)生，數(shù)目雖然不多但具有很強(qiáng)的特征性，可以用來鑒定官能團(tuán)；指紋區(qū)吸收峰多且復(fù)雜，主要是由一些單鍵的伸縮振動及含氫基團(tuán)的彎曲振動，該區(qū)的吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，分子結(jié)構(gòu)稍有不同，就會導(dǎo)致該區(qū)的吸收光譜產(chǎn)生差異，猶如人體特定的指紋一樣，主要用來準(zhǔn)確區(qū)別結(jié)構(gòu)類似的化合物。

由于組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的分子振動頻率與紅外光的振動頻率相當(dāng)，當(dāng)用紅外光照射時，化學(xué)鍵或官能團(tuán)就會吸收光能量產(chǎn)生振動，由于不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收的頻率不同，就會導(dǎo)致其在紅外光譜圖上顯示處于不同位置，從而就可以獲得該化學(xué)鍵或官能團(tuán)的具體信息，確定出該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)以及化合物組成，進(jìn)而對瀝青原材料作出合格判定。

2 紅外光譜儀

紅外光譜分析技術(shù)的關(guān)鍵在于硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，硬件設(shè)備指的是發(fā)射光譜的設(shè)備，應(yīng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，并能獲得準(zhǔn)確、可靠的光譜信息；軟件系統(tǒng)利用化學(xué)計(jì)量學(xué)進(jìn)行模型的建立和未知樣品的預(yù)測。本次試驗(yàn)所用的紅外光譜設(shè)備采用Nicole iS 5 FT-IR光譜儀，該儀器使用 Omnic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析，判定樣品合格相似度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為96％（圖2）。

3 紅外光譜檢測工程應(yīng)用

本文研究所依托高速公路中下面層均采用50#-A級道路石油瀝青，上面層采用SBS I-D改性瀝青，SBS改性瀝青基質(zhì)瀝青為70#-A級道路石油瀝青。其中70#-A級道路石油瀝青均為進(jìn)口瀝青，50#-A級道路石油瀝青主要為進(jìn)口瀝青，部分為國產(chǎn)瀝青。為保證瀝青質(zhì)量，到場的每批次或車次瀝青均需取樣檢測，待試驗(yàn)室瀝青指標(biāo)和紅外光譜檢測均合格后方可卸載使用。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)樣本圖譜的建立

從廠家瀝青庫分別抽取50#-A級道路石油瀝青和70#-A級道路石油瀝青為標(biāo)準(zhǔn)樣本，分別對標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行30次紅外光掃描，通過采集這些樣本的紅外光譜圖，利用化學(xué)計(jì)量學(xué)和統(tǒng)計(jì)分析對樣本光譜圖譜進(jìn)行預(yù)處理，建立瀝青樣本與光譜圖之間的定量關(guān)系，最終得到三種瀝青光譜圖模型（圖3～圖5）。

由上述標(biāo)準(zhǔn)樣本光譜圖可知：特征頻率區(qū)（4 000～1 330 cm-1）范圍內(nèi)50#-A級道路石油瀝青和70#-A級道路石油瀝青光譜圖圖形波動規(guī)律基本一致，表明這三種道路石油瀝青主要官能團(tuán)結(jié)構(gòu)相似；而在3 000～2 800 cm-1和1 600～1 330 cm-1區(qū)間范圍，波峰峰值通過率有較大區(qū)別，說明差異性官能團(tuán)對紅外光的影響主要集中該波段；指紋區(qū)（1 330～400 cm-1）范圍內(nèi)，三種瀝青光譜圖圖形波動規(guī)律差別明顯，且同樣本重復(fù)試驗(yàn)條件下光譜圖雖然規(guī)律一致，但是仍有細(xì)微差距，說明該區(qū)域光譜波形與瀝青物質(zhì)密切相關(guān)，瀝青物質(zhì)稍有不同，該區(qū)的吸收光譜就會差生產(chǎn)生差異。

3.2 紅外光譜圖檢測

瀝青進(jìn)場過程中，采用紅外光譜儀分別對進(jìn)口50#-A級道路石油瀝青、70#-A級道路石油瀝青以及某國產(chǎn)50#-A級道路石油瀝青進(jìn)行抽樣檢測。其中進(jìn)口50#-A級道路石油瀝青檢測40次，進(jìn)口70#-A級道路石油瀝青檢測40次，某國產(chǎn)50#-A級道路石油瀝青檢測10次；將抽樣檢測的紅外光譜圖與標(biāo)準(zhǔn)樣本瀝青的紅外光譜進(jìn)行對比，結(jié)合各吸收峰的重要程度及其容許的偏差范圍，從而給出檢測結(jié)論。如圖6所示即為某次進(jìn)場瀝青的紅外光譜與光譜模型對比，紅外光譜檢測結(jié)果見表1。

為了確保試驗(yàn)檢測的準(zhǔn)確性，所有瀝青樣本同步進(jìn)行軟化點(diǎn)、針入度、延度三大指標(biāo)檢測；對于紅外光譜儀檢測不合格樣本除檢驗(yàn)三大指標(biāo)外，還需進(jìn)行瀝青全套指標(biāo)試驗(yàn)，以驗(yàn)證瀝青不合格指標(biāo)；同時對于紅外光譜儀檢驗(yàn)合格的瀝青則隨機(jī)進(jìn)行全套指標(biāo)試驗(yàn)，用以驗(yàn)證瀝青質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表1和表2結(jié)果對比可知：

（1）進(jìn)口50#-A級道路石油瀝青和70#-A級道路石油瀝青質(zhì)量相對穩(wěn)定，紅外光譜儀檢測合格率為100％，瀝青指標(biāo)檢測也是100％合格；某國產(chǎn)50#-A級道路石油瀝青質(zhì)量不穩(wěn)定，檢測合格率只有70％，瀝青老化后延度指標(biāo)不滿足規(guī)范要求，存在一定的進(jìn)場質(zhì)量隱患。

（2）瀝青指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)表明：對進(jìn)場的瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)檢測，樣品100％合格；而對紅外光譜儀檢測不合格的瀝青進(jìn)行全套指標(biāo)檢驗(yàn)，其老化延度指標(biāo)不滿足規(guī)范要求。表明若僅采用三大指標(biāo)對瀝青進(jìn)行質(zhì)量控制，則存在將不合格瀝青被判定為合格瀝青的風(fēng)險；對紅外光譜儀檢測合格的瀝青進(jìn)行全套指標(biāo)檢驗(yàn)，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明：紅外光譜儀檢測合格的瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；紅外光譜儀檢測不合格的瀝青指標(biāo)也不合格；瀝青紅外光譜儀檢測與瀝青指標(biāo)檢測相關(guān)性較好，紅外光譜儀檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4 紅外光譜試驗(yàn)檢測應(yīng)用評價

4.1 試驗(yàn)方法簡單快速

利用紅外光譜儀對瀝青進(jìn)行檢測，試驗(yàn)樣品僅需幾克，樣品制備簡單易行，2～3 min即可完成；紅外光譜儀試驗(yàn)操作相對固定且簡單，從開始試驗(yàn)到結(jié)果判定不超過5 min；整個試驗(yàn)過程不超過10 min。相較于傳統(tǒng)瀝青指標(biāo)檢測，極大的縮短了原材的檢測時間，提高了試驗(yàn)檢測效率，有利的保證了項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度。

4.2 檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠

通過對紅外光譜儀檢測的瀝青試樣進(jìn)行指標(biāo)檢測，結(jié)果表明：僅采用三大指標(biāo)對進(jìn)場瀝青進(jìn)行質(zhì)量控制存在質(zhì)量誤判的風(fēng)險；而紅外光譜儀檢驗(yàn)結(jié)果與瀝青指標(biāo)檢驗(yàn)具有較好的相關(guān)性，紅外光譜檢驗(yàn)合格的瀝青樣品各項(xiàng)指標(biāo)均合格，檢驗(yàn)不合格瀝青樣品指標(biāo)也不合格。因此可采用紅外光譜儀檢測作為瀝青進(jìn)場檢測的手段，用于瀝青質(zhì)量控制。

5 結(jié)束語

（1）相較于傳統(tǒng)的瀝青指標(biāo)檢測，瀝青紅外光譜檢測具有高效快捷的特點(diǎn)，可大大縮短試驗(yàn)檢測周期，提高試驗(yàn)檢測效率。

（2）紅外光譜檢測與瀝青指標(biāo)檢測有較好的相關(guān)性，紅外光譜檢測技術(shù)可作為瀝青進(jìn)場檢測的手段，用于瀝青質(zhì)量控制。

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