紅外光譜快速檢測瀝青質量的試驗方法分析

馬冠興

（泰安市公路事業發展中心第一工程部，山東 泰安 271000）

0 引言

瀝青路面是我國典型的道路結構，在瀝青路面的組成中，瀝青作為黏結材料，其本身的質量對瀝青路面的使用性能的和服役壽命具有重要的影響，已有的工程經驗表明，車轍、開裂、松散等早期病害是由于瀝青本身存在質量問題。因此，對瀝青質量進行有效的控制是保證路面使用性能的重要手段，由于瀝青的組成復雜，如何對瀝青進行評價與鑒別，一直是道路工程的重點和難點。

紅外光譜分析技術原理是基于瀝青紅外吸收峰位置、數目、相對強度和形狀等特征推斷分析瀝青的組成和各組分的含量，利用紅外光譜分析瀝青的微觀結構方法成為瀝青質量控制的有效手段之一[1，2]。該次采用紅外光譜試驗儀器進行瀝青質量的評定，對紅外光譜試驗方法進行研究，對試驗流程、試驗條件等進行研究，分析不同試驗參數對檢測結果的影響，以保證試驗檢測結果的穩定性，減少人為因素造成的誤差。

1 紅外光譜快速檢測試驗方法研究

在室內試驗過程中，使用的儀器為賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）生產的Nicolet-iS5 型紅外光譜設備，配備了ATR 附件，采用該設備進行瀝青質量快速評定時，需要掌握基本的試驗流程，并明確試驗過程中的取樣、涂抹、光譜采集以及圖譜判讀過程中關鍵參數要求。

1.1 試驗流程

試驗流程如下：1）采用紅外光譜儀進行瀝青質量快速評定時，首先打開紅外光譜儀預熱0.5 h，連接儀器和筆記本電腦，并保證電腦正常聯網。2）設置試驗參數，對背景光譜進行掃描，確定測樣晶體是否干凈。3）加熱刮刀，將瀝青樣品均勻地涂在ATR 測樣晶體表面，待瀝青冷卻后才可以進行樣品的紅外光譜數據采集。4）根據設定的試驗參數，對樣品進行紅外光譜數據采集，并與背景光譜圖相減，獲得樣品最終的吸光度圖譜，通過與目前數據庫的標準樣品圖譜進行比對，可以識別樣品的品牌、SBS 含量等數據。5）試驗結束以后，將測試完的ATR 附件取下，下面墊鋪衛生紙，將晶體放在上面，用潔凈的煤油浸泡2 min～ 3min，用棉簽沿著一面輕輕清洗晶體表面，然后用衛生紙吸取表面溶劑，如此反復2～3 次，保證測試晶體清洗干凈。6）清洗結束以后，使用吹風機烘干表面的溶劑，待表面干燥以后才可以進行下一組瀝青性能的檢測。

1.2 取樣方式

為了保證樣品光譜采集結果具有最佳的代表性，需要在采集瀝青樣品的紅外光譜前，選取瀝青樣品的最佳取樣方式，使所取樣品能夠代表整個樣品的實際性能。

按照表1 所示的取樣方案，分別針對道路石油瀝青和SBS 改性瀝青進行取樣，每種方案均取4 個樣品進行紅外光譜檢測，通過每種取樣方法獲得的紅外光譜圖的最大標準誤差來評估取樣方案對結果的變異性影響，試驗結果如圖1 所示。

表1 取樣方案

圖1 不同取樣方式下2 種瀝青的最大標準偏差圖

從圖中可以看出，對于道路石油瀝青和SBS 改性瀝青，取樣方案1 的試驗結果變異性最大，針對基質瀝青，方案2 和方案3 的變異性基本相當，可以認為采用這2 種方案均可以較好地反映瀝青樣品的整體狀況。針對SBS 改性瀝青，由于SBS 改性劑的存在或導致瀝青中呈現一定程度的離析現象，因此經過加熱攪拌以后，采用方案3 進行取樣獲得的試驗數據變異性最小，因此建議采用方案3 對SBS改性瀝青進行取樣。

1.3 樣品的涂抹

將瀝青樣品涂抹于ATR 表面的晶體時，首先應保證完全覆蓋晶體，此外，試驗過程中的濕度以及樣品涂抹過程中是否混入空氣（特別是CO2）也會對試驗結果進行分析。因此，為了進一步規范樣品的涂抹方法，該項目對濕度、氣泡對紅外光譜的影響進行了分析[3]。1）在潮濕環境下和干燥環境下進行的同一種瀝青樣品的光譜進行比較，在潮濕環境下，會導致在3 600cm-1～4 000cm-1波束范圍內的光譜曲線出現顯著的波動。因此，為了減少水氣對于試驗結果的影響，在實驗過程中首先應該保證ATR 表面干燥，另外，空氣的濕度不得高于60%。2）在涂抹過程中，如果樣品涂抹不夠均勻，導致空氣的混入，氣泡中的CO2將會對在紅外光譜曲線產生較為明顯的影響。在干燥條件下，有氣泡瀝青樣品紅外光譜圖，通過對比可以看出，在有氣泡存在的條件下，會導致紅外光譜在2 349cm-1位置處因為CO2分子的不對稱伸縮而產生了明顯的吸收峰，從而出現下凹型曲線。因此，在試驗過程中應該盡可能地保證樣品一次均勻涂抹，避免氣泡進入，影響實驗結果。

1.4 紅外光譜數據的采集參數

為了提高紅外光譜采集數據的準確性，須確定和分析影響光譜測量精度的掃描次數與平行試驗樣品的數量，傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法（ATR-FTIR）測量出的光譜一般經過多次掃描、多次平行試驗后獲得的平均光譜，這種方法的好處是可以有效地提高光譜測量的準確性和重復性，該文采用此方法進行掃描分析。

1.4.1 掃描次數的確定

選取一種改性瀝青的樣品，然后在實驗儀器中設置不同的掃描次數m（分別為8、16、32、64），然后再進行連續的光譜測量，這樣獲得m張原始紅外光譜，計算出m張光譜的標準偏差，為了更加清楚地表示出標準偏差隨掃描次數的變化趨勢，對最大標準偏差與掃描次數的關系，如圖2 所示。

圖2 SBS 改性瀝青在不同的掃描次數下最大標準偏差圖

由圖可知，隨著掃描次數的增加，最大標準偏差會逐漸降低。當在掃描次數小于32 次時，最大標準偏差隨著掃描次數的增加而降低，并且降低的幅度明顯。當掃描次數大于32 次時，最大標準偏差也隨著掃描次數的增加而趨于不再變化，考慮到試驗時間的影響，將掃描次數確定為32 次。

1.4.2 平行試驗樣品數量的確定

圖3 SBS 改性瀝青在不同的平行試驗樣品數量下最大標準偏差圖

對于同一種樣品選擇平行試驗樣品數量m（m=2～5）次，這樣獲得m張原始紅外光譜。與確定掃描次數一樣，計算出m張紅外光譜圖的標準偏差，并做出最大標準偏差與平行試驗樣品數量對應關系圖，如圖3 所示。

從圖3 可知，最大標準偏差隨平行試驗樣品數量的增加而逐漸減小。當樣品數量小于3 時，最大標準偏差隨著重復樣品數量的增加而明顯降低，而平行試驗樣品數量大于3 個的時候，最大標準偏差隨著平行試驗樣品數量的增加而趨于穩定，因此將平行試驗樣品數量設定為3 個。

2 試驗條件對紅外光譜檢測結果的影響分析

考慮到實驗過程的樣品制備、試驗人員等參數可能對試驗結果造成影響，因此，該項目分別針對道路石油瀝青和SBS 改性瀝青進行了紅外光譜試驗方案的設計，查明關鍵的拐點位置，提出合適的試驗參數[4]。

2.1 試驗方案設計

加熱溫度、加熱次數、試驗時的人員等因素可能會對紅外光譜試驗的結果造成影響，為了分析不同試驗因素對紅外光譜試驗結果的影響程度，采用控制變量的方法，分別針對道路石油瀝青和SBS 改性瀝青進行了試驗方案的設計，以探明關鍵的拐點位置，形成標準化的紅外光譜試驗規程，實驗方案設計時考慮的因素與實驗方案見表2。

表2 室內紅外光譜試驗考慮的影響因素

2.2 加熱次數對試驗結果的影響分析

重復加熱可能會導致瀝青出現一定程度的老化，考慮到基質瀝青運輸溫度在130 ℃～140 ℃，SBS 改性瀝青的運輸溫度在160 ℃～170 ℃，為了分析運輸以后瀝青到場時以及后期復測過程中紅外光譜檢測結果的穩定性，分別在130 ℃和160 ℃溫度下，對1～5 次加熱循環的基質瀝青和改性瀝青樣品進行了紅外光譜檢測（樣品在加熱溫度保溫2 h 以及冷卻至室溫為1 個加熱循環），試驗數據如圖4 所示。

采用軟件，以加熱一次的樣品作為標準樣計算相似度指標，分析加熱次數對2 種瀝青相似度指標的影響情況，試驗結果如圖4 所示。

表3 相似度指標（%）隨加熱次數的變化

在130 ℃和160 ℃溫度下，基質瀝青和SBS 改性瀝青的相似度指標隨加熱次數的變化較小，加熱次數達到5 次以后，2 種瀝青的相似度指標仍在99%以上，因此可以看出，在一定的溫度下，加熱次數對于相似度的影響較小，后期可以通過留樣瀝青的復測來評估瀝青到場時的實際狀態。

2.3 加熱溫度對試驗結果的影響分析

由于溫度對瀝青的老化有著重要的影響[5]，因此，為了分析加熱溫度對紅外光譜檢測數據的影響，在130 ℃、140 ℃、150 ℃以及160 ℃條件下對基質瀝青進行加熱，在160 ℃、170 ℃、180 ℃以及190 ℃下對SBS 改性瀝青進行加熱，加熱一次保溫2 h 后進行紅外光譜試驗，試驗結果見表4。以加熱溫度130 ℃的基質瀝青和160 ℃的SBS改性瀝青樣品作為標準樣，采用軟件計算相似度指標，分析加熱溫度對2 種瀝青相似度指標的影響情況，試驗結果如圖5 所示。

表4 相似度指標（%）隨加熱溫度的變化

圖4 加熱次數對相似度指標的影響

圖5 加熱溫度對相似度指標的影響

從圖5 中可以看出，隨著加熱溫度的升高，與標準樣品相比，基質瀝青和SBS 改性瀝青樣品的相似度指標均呈下降趨勢，在98%相似度閾值的要求下，基質瀝青的加熱溫度不得超過150 ℃，SBS 改性瀝青的加熱溫度不得超過180 ℃，以此減少試驗過程中瀝青的老化對結果的影響。

2.4 短期老化對試驗結果的影響分析

對A 和B 品牌的70#瀝青和SBS 改性瀝青進行短期老化處理，并對老化后的瀝青的相似度與未老化瀝青進行比對，相似度結果見表5。

表5 老化前后瀝青的相似度計算結果

從實驗結果可以看出，短期老化會導致70#基質瀝青以及SBS 改性瀝青的相識度指標降低至80%以下，因此可以看出，紅外光譜試驗對于短期老化的瀝青樣品具有較好的區分度，可以有效識別出由于運輸時間過長、出廠時加熱溫度偏高等原因造成的瀝青短期老化現象[6]，從而保證瀝青的路用性能。

3 結論

通過對紅外光譜的試驗方法、試驗結果影響參數等分析，得到以下3 點主要結論：1）為了保證所取樣品可以更好地反映整體瀝青樣品的實際狀態，筆者針對基質瀝青和SBS 改性瀝青分別提出了紅外光譜檢測過程中的取樣方式。2）為了減少試驗結果的誤差，以最大標準偏差為控制指標，確定了試驗過程中紅外光譜掃描次數為32 次，平行試樣不得少于3 個。3）通過不同試驗參數對紅外光譜檢測結果的影響可以看出，為了減少加熱過程中的瀝青老化，基質瀝青加熱溫度不得超過150 ℃，SBS改性瀝青加熱溫度不得超過180 ℃。此外，加熱次數、操作人員對于試驗結果影響較小，因此在控制加熱溫度的前提下，紅外光譜試驗的檢測結果較為穩定。