红外光谱快速检测沥青质量的试验方法分析
发布时间：2021-03-13作者：admin来源：点击：次
沥青路面是我国典型的道路结构，在沥青路面的组成中，沥青作为黏结材料，其本身的质量对沥青路面的使用性能的和服役寿命具有重要的影响，已有的工程经验表明，车辙、开裂、松散等早期病害是由于沥青本身存在质量问题。因此，对沥青质量进行有效的控制是保证路面使用性能的重要手段，由于沥青的组成复杂，如何对沥青进行评价与鉴别，一直是道路工程的重点和难点。
红外光谱分析技术原理是基于沥青红外吸收峰位置、数目、相对强度和形状等特征推断分析沥青的组成和各组分的含量，利用红外光谱分析沥青的微观结构方法成为沥青质量控制的有效手段之一[1,2]。该次采用红外光谱试验仪器进行沥青质量的评定，对红外光谱试验方法进行研究，对试验流程、试验条件等进行研究，分析不同试验参数对检测结果的影响，以保证试验检测结果的稳定性，减少人为因素造成的误差。
1 红外光谱快速检测试验方法研究
在室内试验过程中，使用的仪器为赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific）生产的Nicolet-i S5型红外光谱设备，配备了ATR附件，采用该设备进行沥青质量快速评定时，需要掌握基本的试验流程，并明确试验过程中的取样、涂抹、光谱采集以及图谱判读过程中关键参数要求。
1.1 试验流程
试验流程如下：1）采用红外光谱仪进行沥青质量快速评定时，首先打开红外光谱仪预热0.5 h，连接仪器和笔记本电脑，并保证电脑正常联网。2）设置试验参数，对背景光谱进行扫描，确定测样晶体是否干净。3）加热刮刀，将沥青样品均匀地涂在ATR测样晶体表面，待沥青冷却后才可以进行样品的红外光谱数据采集。4）根据设定的试验参数，对样品进行红外光谱数据采集，并与背景光谱图相减，获得样品最终的吸光度图谱，通过与目前数据库的标准样品图谱进行比对，可以识别样品的品牌、SBS含量等数据。5）试验结束以后，将测试完的ATR附件取下，下面垫铺卫生纸，将晶体放在上面，用洁净的煤油浸泡2 min～3min，用棉签沿着一面轻轻清洗晶体表面，然后用卫生纸吸取表面溶剂，如此反复2～3次，保证测试晶体清洗干净。6）清洗结束以后，使用吹风机烘干表面的溶剂，待表面干燥以后才可以进行下一组沥青性能的检测。
1.2 取样方式
为了保证样品光谱采集结果具有最佳的代表性，需要在采集沥青样品的红外光谱前，选取沥青样品的最佳取样方式，使所取样品能够代表整个样品的实际性能。
按照表1所示的取样方案，分别针对道路石油沥青和SBS改性沥青进行取样，每种方案均取4个样品进行红外光谱检测，通过每种取样方法获得的红外光谱图的最大标准误差来评估取样方案对结果的变异性影响，试验结果如图1所示。
表1 取样方案 下载原表
图1 不同取样方式下2种沥青的最大标准偏差图
从图中可以看出，对于道路石油沥青和SBS改性沥青，取样方案1的试验结果变异性最大，针对基质沥青，方案2和方案3的变异性基本相当，可以认为采用这2种方案均可以较好地反映沥青样品的整体状况。针对SBS改性沥青，由于SBS改性剂的存在或导致沥青中呈现一定程度的离析现象，因此经过加热搅拌以后，采用方案3进行取样获得的试验数据变异性最小，因此建议采用方案3对SBS改性沥青进行取样。
1.3 样品的涂抹
将沥青样品涂抹于ATR表面的晶体时，首先应保证完全覆盖晶体，此外，试验过程中的湿度以及样品涂抹过程中是否混入空气（特别是CO2）也会对试验结果进行分析。因此，为了进一步规范样品的涂抹方法，该项目对湿度、气泡对红外光谱的影响进行了分析[3]。1）在潮湿环境下和干燥环境下进行的同一种沥青样品的光谱进行比较，在潮湿环境下，会导致在3 600cm-1～4 000cm-1波束范围内的光谱曲线出现显著的波动。因此，为了减少水气对于试验结果的影响，在实验过程中首先应该保证ATR表面干燥，另外，空气的湿度不得高于60%。2）在涂抹过程中，如果样品涂抹不够均匀，导致空气的混入，气泡中的CO2将会对在红外光谱曲线产生较为明显的影响。在干燥条件下，有气泡沥青样品红外光谱图，通过对比可以看出，在有气泡存在的条件下，会导致红外光谱在2 349cm-1位置处因为CO2分子的不对称伸缩而产生了明显的吸收峰，从而出现下凹型曲线。因此，在试验过程中应该尽可能地保证样品一次均匀涂抹，避免气泡进入，影响实验结果。
1.4 红外光谱数据的采集参数
为了提高红外光谱采集数据的准确性，须确定和分析影响光谱测量精度的扫描次数与平行试验样品的数量，傅里叶变换衰减全反射红外光谱法（ATR-FTIR）测量出的光谱一般经过多次扫描、多次平行试验后获得的平均光谱，这种方法的好处是可以有效地提高光谱测量的准确性和重复性，该文采用此方法进行扫描分析。
1.4.1 扫描次数的确定
选取一种改性沥青的样品，然后在实验仪器中设置不同的扫描次数m（分别为8、16、32、64），然后再进行连续的光谱测量，这样获得m张原始红外光谱，计算出m张光谱的标准偏差，为了更加清楚地表示出标准偏差随扫描次数的变化趋势，对最大标准偏差与扫描次数的关系，如图2所示。
图2 SBS改性沥青在不同的扫描次数下最大标准偏差图
由图可知，随着扫描次数的增加，最大标准偏差会逐渐降低。当在扫描次数小于32次时，最大标准偏差随着扫描次数的增加而降低，并且降低的幅度明显。当扫描次数大于32次时，最大标准偏差也随着扫描次数的增加而趋于不再变化，考虑到试验时间的影响，将扫描次数确定为32次。
1.4.2 平行试验样品数量的确定
对于同一种样品选择平行试验样品数量m(m=2～5）次，这样获得m张原始红外光谱。与确定扫描次数一样，计算出m张红外光谱图的标准偏差，并做出最大标准偏差与平行试验样品数量对应关系图，如图3所示。
图3 SBS改性沥青在不同的平行试验样品数量下最大标准偏差图
从图3可知，最大标准偏差随平行试验样品数量的增加而逐渐减小。当样品数量小于3时，最大标准偏差随着重复样品数量的增加而明显降低，而平行试验样品数量大于3个的时候，最大标准偏差随着平行试验样品数量的增加而趋于稳定，因此将平行试验样品数量设定为3个。
2 试验条件对红外光谱检测结果的影响分析
考虑到实验过程的样品制备、试验人员等参数可能对试验结果造成影响，因此，该项目分别针对道路石油沥青和SBS改性沥青进行了红外光谱试验方案的设计，查明关键的拐点位置，提出合适的试验参数[4]。
2.1 试验方案设计
加热温度、加热次数、试验时的人员等因素可能会对红外光谱试验的结果造成影响，为了分析不同试验因素对红外光谱试验结果的影响程度，采用控制变量的方法，分别针对道路石油沥青和SBS改性沥青进行了试验方案的设计，以探明关键的拐点位置，形成标准化的红外光谱试验规程，实验方案设计时考虑的因素与实验方案见表2。
表2 室内红外光谱试验考虑的影响因素 下载原表
2.2 加热次数对试验结果的影响分析
重复加热可能会导致沥青出现一定程度的老化，考虑到基质沥青运输温度在130℃～140℃，SBS改性沥青的运输温度在160℃～170℃，为了分析运输以后沥青到场时以及后期复测过程中红外光谱检测结果的稳定性，分别在130℃和160℃温度下，对1～5次加热循环的基质沥青和改性沥青样品进行了红外光谱检测（样品在加热温度保温2 h以及冷却至室温为1个加热循环），试验数据如图4所示。
采用软件，以加热一次的样品作为标准样计算相似度指标，分析加热次数对2种沥青相似度指标的影响情况，试验结果如图4所示。
表3 相似度指标（%）随加热次数的变化 下载原表
在130℃和160℃温度下，基质沥青和SBS改性沥青的相似度指标随加热次数的变化较小，加热次数达到5次以后，2种沥青的相似度指标仍在99%以上，因此可以看出，在一定的温度下，加热次数对于相似度的影响较小，后期可以通过留样沥青的复测来评估沥青到场时的实际状态。
2.3 加热温度对试验结果的影响分析
由于温度对沥青的老化有着重要的影响[5]，因此，为了分析加热温度对红外光谱检测数据的影响，在130℃、140℃、150℃以及160℃条件下对基质沥青进行加热，在160℃、170℃、180℃以及190℃下对SBS改性沥青进行加热，加热一次保温2 h后进行红外光谱试验，试验结果见表4。以加热温度130℃的基质沥青和160℃的SBS改性沥青样品作为标准样，采用软件计算相似度指标，分析加热温度对2种沥青相似度指标的影响情况，试验结果如图5所示。
表4 相似度指标（%）随加热温度的变化 下载原表
从图5中可以看出，随着加热温度的升高，与标准样品相比，基质沥青和SBS改性沥青样品的相似度指标均呈下降趋势，在98%相似度阈值的要求下，基质沥青的加热温度不得超过150℃，SBS改性沥青的加热温度不得超过180℃，以此减少试验过程中沥青的老化对结果的影响。
图4 加热次数对相似度指标的影响
2.4 短期老化对试验结果的影响分析
对A和B品牌的70#沥青和SBS改性沥青进行短期老化处理，并对老化后的沥青的相似度与未老化沥青进行比对，相似度结果见表5。
表5 老化前后沥青的相似度计算结果 下载原表
从实验结果可以看出，短期老化会导致70#基质沥青以及SBS改性沥青的相识度指标降低至80%以下，因此可以看出，红外光谱试验对于短期老化的沥青样品具有较好的区分度，可以有效识别出由于运输时间过长、出厂时加热温度偏高等原因造成的沥青短期老化现象[6]，从而保证沥青的路用性能。
3 结论
通过对红外光谱的试验方法、试验结果影响参数等分析，得到以下3点主要结论：1）为了保证所取样品可以更好地反映整体沥青样品的实际状态，笔者针对基质沥青和SBS改性沥青分别提出了红外光谱检测过程中的取样方式。2）为了减少试验结果的误差，以最大标准偏差为控制指标，确定了试验过程中红外光谱扫描次数为32次，平行试样不得少于3个。3）通过不同试验参数对红外光谱检测结果的影响可以看出，为了减少加热过程中的沥青老化，基质沥青加热温度不得超过150℃，SBS改性沥青加热温度不得超过180℃。此外，加热次数、操作人员对于试验结果影响较小，因此在控制加热温度的前提下，红外光谱试验的检测结果较为稳定。
图5 加热温度对相似度指标的影响
