公路施工瀝青質量監管快檢新技術

張文宇，胡愛琴，忻欣，趙蔚，劉開瓊，李喆

(1.西派特（北京）科技有限公司，北京 100029；2.交通運輸部科學研究院, 北京 100013; 3.蘇交科集團股份有限公司道路養護中心 ,江蘇 南京 210019;4.內蒙古自治區交通建設工程質量監督局,內蒙古 呼和浩特 010000)

作為公路路面的主要材料，瀝青的優劣直接影響公路的質量和使用壽命，因而瀝青質量檢測在公路建設中具有重要作用。但目前的檢測技術測試周期長且面臨諸多挑戰，無法用于公路施工瀝青來料質量現場檢測。為此，西派特（北京）科技有限公司基于紅外光譜結合多元分析方法原理，研發了一種適合公路施工瀝青來料質量快速檢測的瀝青快速分析儀，有效地解決了現存檢測存在的難題。同時，建立了針入度、軟化點和延度的定量分析模型和真偽鑒別分析模型，實現了公路建設瀝青來料質量快速檢測，對于公路建設質量監督管理具有重要的實際意義。

一、實驗部分

（一）瀝青取樣器

瀝青取樣器由電源模塊和加熱器兩部分構成，兩者使用專用電源線連接。電源模塊內置交流降壓模塊和溫度調節控制板，外置溫度調節開關，通過調節開關可控制加熱器的溫度；加熱器內置陶瓷加熱棒和溫度傳感器，外置快插式銅質導熱接頭，導熱接頭可安裝定制的取樣銅管，取樣銅管為耗材，并且可以拆卸和清洗；電源模塊底部安裝附件支架，方便加熱器和耗材的放置。

（二）瀝青快速分析儀

1、儀器結構設計

對于深色和粘稠狀瀝青樣品，如利用紅外透射測量模式采集瀝青光譜，檢測結果極易受樣膜厚度影響，且存在瀝青進樣不便，清洗困難等問題。而衰減全反射測量模式（ATR）可以克服上述缺點（圖1為光路示意圖），不僅操作方便、容易清洗，還可以保證光程精度。硬件系統主要由ATR-FTIR光譜儀模塊、數據處理系統、顯示系統等構成。其中，FTIR光譜儀采譜范圍為650～-4000cm-1，分辨率為4cm-1，采用自動背景校正。ATR材料晶體為硒化鋅，晶體表面包一層金剛石膜，以增加耐磨性和抗酸堿腐蝕能力。

圖1.ATR附件光路示意圖

2、軟件結構設計

軟件采用模塊化設計，圖2為結構流程圖。

圖2.軟件結構流程圖

3、瀝青快速分析儀

圖3.瀝青快速分析儀

如圖3所示，使用瀝青取樣器將樣品涂在晶體表面，按下測量按鈕后，儀器會自動測定瀝青的針入度、軟化點等多項指標，檢測完成后，結果會自動顯示，同時也可以輸出報告或者將結果輸送至云端及相關質量監督部門。樣品檢測完畢后，用棉簽蘸少量溶劑，輕輕擦拭晶體至干凈后，即可檢測下一樣本。

4、瀝青關鍵指標定量檢測方法

收集在性質分布和統計數量上具有代表性的瀝青樣品，采集其光譜并組成校正樣品光譜集；使用現行標準檢測方法測定其性質數據，并作為建立模型的參考值；使用軟件內嵌的光譜處理方法處理樣品集光譜，消除影響分析的各種噪聲，使用偏最小二乘法關聯光譜和性質數據，建立光譜預測瀝青性質的模型。將待檢測的樣品光譜輸入至該模型后，能夠預測其性質，實現對瀝青樣本性質的快速分析。

測量精度使用重復6次裝樣測量結果的標準偏差表示，計算公式為：

Xi為第i次測量結果，X為6次測量結果的平均值，n為測量重復次數。

準確度使用SEP表示，計算公式為：

Ci為樣品性質的標準方法分析值，Ci為樣品性質的模型預測值，m為驗證集樣品數。

5、瀝青一致性檢驗方法

在公路建設中，施工現場每天需要檢測大量的瀝青來料，采用實驗室送檢的方法無法確保來料瀝青樣品與投標瀝青樣品一致。首先，要建立第三方檢驗認證合格的瀝青樣本光譜分子指紋數據庫，并建立一種特征光譜角向量空間。將待檢樣本光譜輸入軟件，經過信號處理，快速判別來料瀝青是否與認證樣本一致，實現了來料瀝青質量的快速準確判別。

二、應用分析

（一）針入度和軟化點的定量分析應用

本文從北京市政工程研究院和山東京博石油化工有限公司等收集了70個基質瀝青樣品，使用瀝青快速分析儀采集了其光譜，并通過GBT-4509-2010瀝青針入度測定法測定了其針入度，建立了光譜分析基質瀝青針入度和軟化點的定量分析模型。通過對比分析針入度、軟化點的儀器檢測值和標準方法測定值，表明瀝青快速分析儀檢測結果與國家標準方法取得的結果基本一致。儀器的檢測精度均符合國家規定。

（二）瀝青來樣與認證合格樣本一致性檢驗的應用

2017年，榮烏高速烏海段施工期間，該儀器被應用于施工來料瀝青（包括不同批次的基質瀝青和SBS改性瀝青樣品）質量監控中，并建立了一標改性瀝青標準庫和一標基質瀝青標準庫，分析實際效果發現，瀝青來樣檢測結果與瀝青標準庫完全一致性。

三、結語

西派特（北京）科技有限公司針對公路施工來料瀝青質量快速檢測難題，基于衰減全反射FT-IR模塊和化學計量學方法，研發了一種便攜式瀝青快速分析儀，實現了多種瀝青關鍵性質指標的快速定量檢測，來料樣品與認證合格樣品的一致性快速檢驗。單個樣本檢測時間從傳統的幾天縮短至5分鐘，針入度檢測結果與GBT-4509-2010測定值的平均絕對標準偏差小于1.5，軟化點的偏差小于0.2，其檢測精度分別為2.2和0.8。

該款瀝青快速分析儀具有便攜、操作方便、智能化和自動化程度高等優點，解決了瀝青質量快速檢測技術難題，對公路建設施工中來料瀝青質量監管具有重要實際意義，也適用于瀝青生產廠家和相關行業質檢部門的實驗分析。