基于傅里叶红外光谱的沥青质量快速检测试验方法分析
发布时间：2025-05-25作者：小编来源：点击：次
公路工程中，沥青路面是道路系统的重要组成部分，对交通运输和城市发展起着至关重要的作用。在沥青路面的构建中，沥青作为关键黏结材料，其质量直接影响路面的使用效能与长期耐久性。由于沥青成分的复杂性，如何科学地进行质量评估与鉴别，始终是公路工程建设领域的技术挑战与难点。21世纪，随着科学技术的飞跃，人们对沥青质量表征的要求日益提升。红外光谱识别技术作为一种高效工具，正吸引广大学者深入探究。陈志国等[1]提出了一种基于红外光谱法测定改性沥青苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene-butadiene-styrene modifier,SBS）含量的方法。朱亚明等[2]利用傅立叶转换红外线光谱结合分峰拟合的数学方法，准确定量分析净化沥青中各官能团的含量。成志强等[3]通过傅里叶红外光谱与化学计量学分析不同品牌沥青，发现特征峰位置相同但强度各异，有效区分了沥青光谱的细微差异。魏强等[4]采用傅里叶变换红外光谱仪采集混兑沥青的红外光谱图，发现不同混兑沥青的红外光谱图差异较大，随着混兑比例的变化，其特征峰有明显变化，从而验证可以通过红外光谱识别技术进行沥青质量评价。陈飞等[5]结合衰减全反射傅里叶变换红外光谱和化学计量学方法，建立了沥青指纹识别方法。通过对国内外研究现状的分析发现，目前在红外光谱样品的制备、试验条件、评价标准等方面缺乏统一的标准化的做法，限制了其在沥青质量快速评价方面的应用。
2 傅里叶红外光谱快速检测试验步骤
（1）红外光谱仪预热0.5 h。
（2）精确设定试验所需参数，并执行背景光谱扫描流程，确保衰减全反射（attenuated total reflection,ATR）检测晶体的清洁与无干扰状态。
（3）试验样本的制作，利用加热的刮刀，缓慢均匀地将沥青涂覆于ATR检测晶体的表面。待沥青温度降至室内温度，牢固地黏附于ATR检测晶体的表面后，方可启动红外光谱仪的数据采集程序。
（4）采集红外光谱数据，扣除背景光谱的影响，并与数据库中的标准样品图谱进行比对，从而精准识别沥青的品牌信息、SBS含量等关键数据。
（5）从设备上取下ATR附件，并将检测晶体轻轻放置于干净的清洁纸上。采用洁净的煤油进行多次（2～3次）浸泡与擦拭，每次处理后均需用纸巾吸干煤油残留，以确保晶体洁净。
（6）利用吹风机对晶体表面进行彻底干燥处理。待其完全干燥后，方可再次投入使用，进行下一轮沥青性能的精确检测与分析。
3 傅里叶红外光谱快速检测试验流程
3.1 确定最优取样方式
沥青在常温下的高黏度固体状态易因长时间暴露于空气中发生氧化而导致表面老化，这种老化过程可能引发样品表面与内部在性质上的显著不同。为保障光谱采集时取得的样品充分代表整体沥青的质量与特性，文章实施详尽的试验方案，对不同区域采集的沥青样品进行光谱分析，道路石油沥青/SBS改性沥青取样方案如表1所示，随后通过对比分析各测试结果的误差，科学评估并筛选最佳取样方法。
表1道路石油沥青/SBS改性沥青取样方案
根据表1，分别针对道路石油沥青与SBS改性沥青实施采样操作。针对每一种取样方案，选取四个样品，逐一进行红外光谱检测。为评估不同取样方法对检测结果的影响，计算每种取样方案下所得红外光谱图的最大标准误差，不同取样方式下两种沥青的最大标准偏差如图1所示。
对比道路石油沥青与SBS改性沥青的取样方案，方案1展示的结果变异性最为显著。这一现象可能归因于沥青在冷却静置后，特别是针对SBS改性沥青，其内部出现了较为明显的分层或离析现象，从而影响了取样的均匀性和代表性。道路石油沥青虽然没有离析的影响，但是其表面的沥青在与空气的接触过程中也会发生一定程度的氧化，从而导致所取得的样品难以反映整体沥青样品的实际状态，因此，不建议在整体沥青样品冷却状态下使用刮刀取得表面的沥青样品进行红外光谱检测。
图1不同取样方案下沥青的最大标准偏差
基质沥青的取样评估中方案2、方案3展现的变异性水平相近，表明两者均能有效且全面地反映沥青样品的特性。考虑到SBS改性剂的加入可能导致沥青内部发生相分离效应，采用方案3对沥青进行加热后搅拌，能显著减少数据结果的变异性。基于这一发现，推荐在针对SBS改性沥青的取样操作中优先采用方案3，以确保所采集样品准确代表整体沥青的性质。
3.2 红外光谱测试采集参数设置
红光谱数据的采集过程涉及关键参数的设置，包括扫描次数与分辨率的精确调整。在进行傅里叶红外光谱分析时，仪器不仅捕捉并处理样品的特征信号，还需有效区分并排除伴随的噪声信号，以确保光谱数据的纯净性和分析精度。增加扫描次数可提升信噪比，减少噪声可增强谱图平滑度。降低分辨率也能改善信噪比，减少水汽干扰，使光谱图曲线更平滑。基于现有研究成果和实践经验，在沥青红外光谱分析中，分辨率常设定为4 cm-1。
试验选取改性沥青样品，通过设定不同扫描次数（8次、16次、32次、64次）进行连续光谱测量，获取相应光谱数据并计算标准偏差。结果显示，随着扫描次数增加，最大标准偏差显著下降，至32次后趋于稳定。考虑试验效率，确定最佳扫描次数为32次。
4 试验条件对红外光谱检测结果的影响
运用控制变量法系统探究加热温度、加热频次等关键因素对道路石油沥青及SBS改性沥青红外光谱分析的影响。分别针对两种沥青材料进行试验设计，精准识别加热次数、加热温度对试验结果的具体影响，进而为制定一套标准化的试验操作流程提供科学依据。
4.1 加热次数对试验结果的影响
重复加热可能引发沥青老化，且基质沥青与SBS改性沥青的运输温度存在差异（基质沥青运输温度为130～140℃；SBS改性沥青运输温度为160～170℃）。试验在130℃与160℃条件下，针对基质沥青与SBS改性沥青样品，进行了1～5次的加热循环，每次循环均在预设温度下保持2 h，随后自然冷却至室温。利用红外光谱技术对各次加热后的样品进行检测，并以单次加热的样品为参照，计算相似度指数。通过对比，分析加热循环次数对基质沥青与SBS改性沥青间相似度变化的影响，相似度指标随加热次数的变化如表2所示。
表2相似度指标随加热次数的变化
由表2可知，对基质沥青与SBS改性沥青进行多次加热循环后，其相似度指标展现出了较高的稳定性，即便加热次数增至5次或以上，两者的相似度依然维持在99%以上的高水平。综上所述，在温度条件不变的情况下，加热次数的变化对基质沥青与SBS改性沥青两者相似度的影响并不显著。
4.2 加热温度对试验结果的影响
为研究加热温度对沥青老化特性及红外光谱数据的影响，设定不同的温度区间对基质沥青与SBS改性沥青进行加热处理。其中基质沥青在130～160℃加热，SBS改性沥青在160～190℃加热。每次加热后均保持恒温2 h，随后进行红外光谱相似度检测，评估加热温度对这两种沥青相似度的影响，相似度指标随加热温度的变化如表3所示。
由表3可知，加热温度上升时，基质沥青与SBS改性沥青相对于标准样品的相似度均下降。为确保相似度不低于98%，基质沥青加热应低于150℃，SBS改性沥青则不应超过180℃，以减少试验过程中沥青老化对结果的干扰。
表3相似度指标随加热温度的变化
5 结束语
文章设计了基质沥青与SBS改性沥青的红外光谱检测取样方法，显著提升了沥青样品的代表性。为确保试验结果的精准，将红外光谱扫描次数优化至32次，以最大标准偏差为控制标准，有效削减了试验误差，确保了数据的高度可靠性。为防沥青老化，基质沥青加热温度应控制在150℃以下，SBS改性沥青加热温度则不超过180℃。在严格控制加热温度的前提下，加热操作的重复次数对结果影响较小，体现了红外光谱试验方法的高稳定性。
