瀝青路面紅外光譜快速檢測技術研究

張發斌

（青海省交通規劃設計研究院有限公司,青海 西寧 810001）

在傳統瀝青檢測中主要依賴于三大指標來綜合評價瀝青質量,其存在設備龐大、檢測周期長等問題,這與實地快速檢測的要求存在沖突[1]。當前我國現行瀝青檢測規程的試驗主要集中于瀝青的宏觀物理性質上,其全套設備時所需占地面積達到了30 m2,而且樣本從取樣、送檢至出結果至少需要半天的周期,這也就對工程建設帶來了極大的不便。在這樣背景下,快速、準確的紅外光譜檢測技術也就應運而生,并逐步得到廣泛的關注與推廣。

1 基質瀝青的紅外光譜快速檢測

1.1 試驗方案

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

（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加熱至120 ℃,隨后將刮刀插進待檢測的瀝青標準樣品內,通過刮刀的高溫將與其接觸的樣本加熱成粘稠狀態,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。對樣本進行紅外光譜采集,待采集完成后即可清理晶體片。（4） 重復上述操作,對每個樣品做三次紅外光譜采集,取三次采樣結果的平均譜圖作為結果。

1.2 試驗結果與分析

1.2.1 基質瀝青標準樣品的獲取

由于本研究所選取瀝青品牌、規格、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瀝青后,即可聯系相應廠家進行實地考察并獲得對應標準樣品。

1.2.2 基質瀝青的重復性測試

對于相同的基質瀝青樣品按照上述試驗流程分別采樣、檢測三次,得到三次檢測的紅外光譜圖,并對其峰位、峰形及峰強進行比對。分別以4 000 cm-1～650 cm-1（全譜波數）、4 000 cm-1～1 350 cm-1（特征區）及1 350 cm-1～650 cm-1（指紋區）為研究區間開展靈敏度比對,以此來確定重復性誤差的范圍。通過對實測數據的比對,發現對于相同基質瀝青樣品而言,其重復性測試譜圖在上述研究區間內的相關性系數大于99.00%,且標準差不大于0.5%,部分測試結果見圖1。

圖1 不同品牌基質瀝青的重復性測試結果

1.2.3 基質瀝青的再現性測試

為此,本文提出一種基于高斯過程回歸的電力負荷預測算法。算法首先基于高斯模型設計電力負荷預測模型,然后采用遺傳算法對超參數進行優化。此外,為提高算法效率,算法還將輸入數據進行白化和歸一化處理。仿真數據顯示,與傳統神經網絡算法和支撐向量機算法相比,該算法收斂快,預測誤差小。

對于相同基質瀝青樣品,選用不同測試人員、測試時間進行取并按照上述試驗流程檢測,得到三次檢測的紅外光譜圖,并對其峰位、峰形及峰強進行比對。分別以4 000 cm-1～650 cm-1（全譜波數）、4 000 cm-1～1 350 cm-1（特征區）及1 350 cm-1～650 cm-1（指紋區）為研究區間開展靈敏度比對,以此來確定再現性誤差的范圍。通過對實測數據的比對,發現對于相同基質瀝青樣品而言,其再現性測試譜圖在上述研究區間內的相關性系數大于99.00%,且標準差不大于0.5%,部分測試結果見圖2。

圖2 不同品牌基質瀝青的再現性測試結果

1.2.4 基質瀝青標準譜圖的確定

根據上述對各品牌基質瀝青樣品重復性測試譜圖、再現性測試譜圖的比對分析可以發現,在4 000 cm-1～650 cm-1（全譜波數）、4 000 cm-1～1 350 cm-1（特征區）及1 350 cm-1～650 cm-1（指紋區）的研究區間內所得到的相關性系數均大于99.00%,且標準差均不大于0.5%,也即可認為借助紅外光譜法開展瀝青的快速檢測具有足夠的準確性。

選擇2 050～1 950 cm-1作為噪聲測試的研究區間,并將測試結果按照峰- 峰噪聲/均方根（RMS）噪聲進行表示,若這兩個數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中儀器選擇、參數設定及系統性能均處于良好狀態,因此得到的信噪比較大,其所對應的譜圖信息較為穩定,能夠有效區分出試驗研究中譜圖包含的特征及噪聲,可以把該品牌的基質瀝青歸入標準譜圖庫中,便于后續工程應用對基質瀝青做出比對。

通過以上對各品牌基質瀝青的標準譜圖研究可知,常見基質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瀝青在組成、性質上比較接近,但各其在部分波數區間內也存在一定差異。

2 改性劑含量的快速測定

2.1 試驗方案

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

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

檢測方案：（1） 啟動紅外光譜設備,并對設備運轉狀態進行檢測,選擇自動背景校正。（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為研究區間采集相應光譜。（3） 計算966 cm-1、1 377 cm-1位置處所對應的峰面積。基于我國現行瀝青試驗規程,對瀝青的三大指標展開檢測,其包括針入度、軟化點及延度[2]。

2.2 試驗結果與分析

對SBS 改性瀝青進行紅外光譜檢測得到的光譜圖反映了基質瀝青、SBS 改性劑兩者疊加后產生的紅外吸收峰光譜。在摻加了SBS 改性劑的瀝青中,試驗測得改性瀝青均表現出一致的特征吸收峰。其中,在2 800～3 000 cm-1的波數區間內,瀝青主要的吸收峰是飽和C-H 鍵通過振動產生的吸收峰,在這一區間內2 920 cm-1波數對應的是亞甲基-CH2-發生的反對稱伸縮振動；1 450 cm-1波數對應的是甲基-CH3和亞甲基-CH2- 內C-H 發生的面內伸縮振動；698 cm-1波數位置的吸收峰比較尖銳,對應的是苯環中C-H 鍵在面外所發1 375 cm-1波數位置存在較強的吸收峰,對應的是甲基-CH3發生的剪式振動；966 cm-1波數對應的是非飽和鍵CH=CH 所產生的特征吸收峰,同時也是SBS 改性劑所產生的特征吸收峰；698 cm-1波數對應的是苯環內C-H 在面外發生的搖擺振動,也是苯乙烯所產生的特征吸收峰。

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系,也即待測對象所含有的特征官能團在給定波數區間內的紅外吸收能力與物質濃度之間存在正比關系,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為入射光的強度,cd；It為透射光的強度cd；a 為物質的光衰減系數,L/(g·cm)；b 為光程長,cm；c 為樣品濃度,g/L。

對于不同的物質而言,其所對應的特征紅外光譜也存在一定差異,且特征峰的面積、物質含量之間存在正比關系。1 377 cm-1波數位置對應的是芳香族甲基-CH3所產生的特征吸收峰,同時也是基質瀝青所產生的特征吸收峰；966 cm-1波數對應的是非飽和鍵CH=CH 所產生的特征吸收峰,同時也是SBS 改性劑所產生的特征吸收峰。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,但由于其所包含官能團數量存在一定差異,因此吸收峰的峰高、峰面積也會存在一定的差異。當官能團的相對濃度變化時,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

該高速公路項目的瀝青質量檢測及控制主要采用ThermoFishNicoletiS5 紅外光譜儀開展檢測,并將設備與已建立的標準試樣檢測系統相連,以此來快速開展基質瀝青的微觀觀察、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了瀝青混用、老化等問題。在該技術下,完成單個樣品的檢測、分析,整個過程約耗時5 分鐘,可以快速得到檢測結果。

3.2 項目實施

3.2.1 基質瀝青的質量控制

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

圖4 送檢樣品及標準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區間內發生了較大的譜峰變化。同時,基于特征譜峰位置、面積的變化情況也可進一步推算得到SBS 改性劑的實際摻量。在該項目的中面層、上面層及粘層都選用SBS 改性瀝青。基于生產廠家提供的改性瀝青配比設計方案及基質瀝青、SBS 改性劑、技術工藝,在實驗室內制備了樣品,并對其改性劑摻量、改性瀝青性能展開評價。分別設定SBS 改性劑的摻量為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%及5.5%,制作相應的標準樣品,通過分析計算繪制相應標準曲線,其中R2=0.99,也即曲線表現出較好的線性關系,見圖5。

圖5 不同SBS 摻量的標準曲線

在項目實施全過程中,共計抽查、檢測改性瀝青約30 次。在檢測樣品中部分產品檢測到SBS 改性劑的摻量過高,導致這一現象的主要原因在于基質瀝青自身性質不穩定、技術工藝不成熟等。

4 結論

本研究借助紅外光譜檢測從基質瀝青質量、SBS改性劑摻量兩個方面對某高速公路項目所用基質瀝青及其改性瀝青的質量進行檢測。分別檢測基質瀝青、SBS 改性瀝青共計40、30 余批次。通過這一檢測技術開展標準化制樣、檢測及分析,能夠在五分鐘內得出檢測結果,并將其與標準樣品的結果進行比對,以此評價基質瀝青的質量及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為基礎,結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,與標準譜圖進行比對判斷基質瀝青與設計方案之間是否存在偏差。在該項目中,對基質瀝青40 余批次抽樣、檢測的相似度水平大于99.00%,認定其合格率達到了100%。