紅外光譜快速檢測技術在瀝青質量控制中的應用

【摘要】以海南某高速公路建設項目為依托，利用紅外光譜儀對進場瀝青進行檢測，并對紅外光譜儀檢測樣品進行瀝青指標試驗驗證，結果表明紅外光譜儀具有檢測快速、結果準確等優點，可作為瀝青進場檢測的手段，并用于瀝青質量控制。

【關鍵詞】紅外光譜儀； 瀝青； 快速檢測； 相似度

【中圖分類號】U416.06【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-08-25

［基金項目］2022年度交通運輸行業重點科技項目清單（項目編號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、試驗檢測和路面結構與材料研究工作；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檢測工作。

0 引言

近年來，隨著國民經濟的轉型，我國公路交通基礎設施建設也在不斷發展，公路建設品質要求也越來越高。瀝青作為公路建設中的重要原材料，其需求量也在不斷增加，已有工程經驗表明：瀝青質量的好壞直接關系到路面的使用質量和耐久性，因此對瀝青的質量控制和檢測也一直是工程技術人員重點關注的問題。目前我國現行進場瀝青原材料的檢測方法主要從試驗指標入手，通過將試驗結果與規范指標進行對比，以判定瀝青的質量。通過這種方式確實可以解決一些瀝青質量問題，但是隨著國家基礎設施建設規模的不斷擴大以及不斷上漲的原油價格，瀝青質量參差不齊、質量造假、常規指標檢測無法反映真實瀝青質量的現象層出不窮，全國每年因瀝青質量問題造成的工程質量返工事故時有發生，給國家帶來巨大的經濟損失。

紅外光譜儀檢測是目前道路瀝青檢測及質量監控推廣應用手段之一［1-2］，利用紅外光譜儀可以快速準確地對瀝青中的官能團進行識別并標記，從而確定瀝青樣品的分子結構和混合物中特定化合物的精確含量，進而對瀝青的符合性進行判斷，以達到快速檢測的目的，與傳統的瀝青指標檢測相比，紅外光譜檢測具有檢測快速、判別準確、智能識別和可溯源性等優點［3-5］。

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

1 紅外光譜儀檢測原理

構成物質的分子時刻處于平動、轉動、振動和電子運動狀態，當分子從低能級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。紅外光譜檢測技術就是利用分子內部的相對振動和分子轉動等信息來確定物質的分子結構以及鑒別化合物的（圖1）。

根據吸收光譜后分子能級的差別，紅外光譜通常可分為三個區域：0.75～2.5 μm的近紅外區，2.5～25 μm的中紅外區以及25～300 μm的遠紅外區。而根據吸收峰的來源，又可以將中紅外光譜區分為特征頻率區（2.5～7.7 μm，即4 000～1 330 cm-1）和指紋區（7.7～16.7 μm，即1 330～400 cm-1）兩個區域。特征頻率區中的吸收峰基本由基團的伸縮振動產生，數目雖然不多但具有很強的特征性，可以用來鑒定官能團；指紋區吸收峰多且復雜，主要是由一些單鍵的伸縮振動及含氫基團的彎曲振動，該區的吸收光譜與分子結構密切相關，分子結構稍有不同，就會導致該區的吸收光譜產生差異，猶如人體特定的指紋一樣，主要用來準確區別結構類似的化合物。

由于組成化學鍵或官能團的分子振動頻率與紅外光的振動頻率相當，當用紅外光照射時，化學鍵或官能團就會吸收光能量產生振動，由于不同的化學鍵或官能團吸收的頻率不同，就會導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鍵或官能團的具體信息，確定出該物質的分子結構以及化合物組成，進而對瀝青原材料作出合格判定。

2 紅外光譜儀

紅外光譜分析技術的關鍵在于硬件設備和軟件系統，硬件設備指的是發射光譜的設備，應具有較強的穩定性，并能獲得準確、可靠的光譜信息；軟件系統利用化學計量學進行模型的建立和未知樣品的預測。本次試驗所用的紅外光譜設備采用Nicole iS 5 FT-IR光譜儀，該儀器使用 Omnic軟件進行數據采集及分析，判定樣品合格相似度標準設定為96％（圖2）。

3 紅外光譜檢測工程應用

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口瀝青，50#-A級道路石油瀝青主要為進口瀝青，部分為國產瀝青。為保證瀝青質量，到場的每批次或車次瀝青均需取樣檢測，待試驗室瀝青指標和紅外光譜檢測均合格后方可卸載使用。

3.1 標準樣本圖譜的建立

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準樣本，分別對標準樣本進行30次紅外光掃描，通過采集這些樣本的紅外光譜圖，利用化學計量學和統計分析對樣本光譜圖譜進行預處理，建立瀝青樣本與光譜圖之間的定量關系，最終得到三種瀝青光譜圖模型（圖3～圖5）。

由上述標準樣本光譜圖可知：特征頻率區（4 000～1 330 cm-1）范圍內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律基本一致，表明這三種道路石油瀝青主要官能團結構相似；而在3 000～2 800 cm-1和1 600～1 330 cm-1區間范圍，波峰峰值通過率有較大區別，說明差異性官能團對紅外光的影響主要集中該波段；指紋區（1 330～400 cm-1）范圍內，三種瀝青光譜圖圖形波動規律差別明顯，且同樣本重復試驗條件下光譜圖雖然規律一致，但是仍有細微差距，說明該區域光譜波形與瀝青物質密切相關，瀝青物質稍有不同，該區的吸收光譜就會差生產生差異。

3.2 紅外光譜圖檢測

瀝青進場過程中，采用紅外光譜儀分別對進口50#-A級道路石油瀝青、70#-A級道路石油瀝青以及某國產50#-A級道路石油瀝青進行抽樣檢測。其中進口50#-A級道路石油瀝青檢測40次，進口70#-A級道路石油瀝青檢測40次，某國產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準樣本瀝青的紅外光譜進行對比，結合各吸收峰的重要程度及其容許的偏差范圍，從而給出檢測結論。如圖6所示即為某次進場瀝青的紅外光譜與光譜模型對比，紅外光譜檢測結果見表1。

為了確保試驗檢測的準確性，所有瀝青樣本同步進行軟化點、針入度、延度三大指標檢測；對于紅外光譜儀檢測不合格樣本除檢驗三大指標外，還需進行瀝青全套指標試驗，以驗證瀝青不合格指標；同時對于紅外光譜儀檢驗合格的瀝青則隨機進行全套指標試驗，用以驗證瀝青質量，試驗結果見表2。

由表1和表2結果對比可知：

（1）進口50#-A級道路石油瀝青和70#-A級道路石油瀝青質量相對穩定，紅外光譜儀檢測合格率為100％，瀝青指標檢測也是100％合格；某國產50#-A級道路石油瀝青質量不穩定，檢測合格率只有70％，瀝青老化后延度指標不滿足規范要求，存在一定的進場質量隱患。

（2）瀝青指標驗證試驗表明：對進場的瀝青進行三大指標檢測，樣品100％合格；而對紅外光譜儀檢測不合格的瀝青進行全套指標檢驗，其老化延度指標不滿足規范要求。表明若僅采用三大指標對瀝青進行質量控制，則存在將不合格瀝青被判定為合格瀝青的風險；對紅外光譜儀檢測合格的瀝青進行全套指標檢驗，其各項指標均滿足規范要求。

（3）試驗結果表明：紅外光譜儀檢測合格的瀝青各項指標均滿足規范要求；紅外光譜儀檢測不合格的瀝青指標也不合格；瀝青紅外光譜儀檢測與瀝青指標檢測相關性較好，紅外光譜儀檢測結果準確可靠。

4 紅外光譜試驗檢測應用評價

4.1 試驗方法簡單快速

利用紅外光譜儀對瀝青進行檢測，試驗樣品僅需幾克，樣品制備簡單易行，2～3 min即可完成；紅外光譜儀試驗操作相對固定且簡單，從開始試驗到結果判定不超過5 min；整個試驗過程不超過10 min。相較于傳統瀝青指標檢測，極大的縮短了原材的檢測時間，提高了試驗檢測效率，有利的保證了項目建設進度。

4.2 檢驗結果準確可靠

通過對紅外光譜儀檢測的瀝青試樣進行指標檢測，結果表明：僅采用三大指標對進場瀝青進行質量控制存在質量誤判的風險；而紅外光譜儀檢驗結果與瀝青指標檢驗具有較好的相關性，紅外光譜檢驗合格的瀝青樣品各項指標均合格，檢驗不合格瀝青樣品指標也不合格。因此可采用紅外光譜儀檢測作為瀝青進場檢測的手段，用于瀝青質量控制。

5 結束語

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

（2）紅外光譜檢測與瀝青指標檢測有較好的相關性，紅外光譜檢測技術可作為瀝青進場檢測的手段，用于瀝青質量控制。

參考文獻

［1］ ZOFKA A，CHRYSOCHOOU M，YUT I， et a. Evaluating applications of field spectroscopy devices to fingerprint commonly used construction materials［M］. Washington D C， USA：Transportation Ressarch Board， 2013： 113-114.

［2］ YAN Chuanqi，HUANG Weidong，LIN Peng，et a. Chemical and rheological evaluation of aging properties of high content SBS polymer modified asphalt［J］. Fuel，2019，252：417-426.

［3］ 劉建洋.基于紅外光譜技術的瀝青品牌辨識推廣應用［J］.公路交通科技（應用技術版），2018（9） ：136-137.

［4］ 溫肖博，王昊鵬.光譜分析技術在道路工程材料中的應用研究綜述［C］//中國公路學會養護與管理分會第七屆學術年會，2017.

［5］ 黃雅婷，葉超強. 紅外光譜瀝青檢測在高速公路項目中的應用［J］.西部交通科技，2018（10） ：49-52.