沥青路面红外光谱快速检测技术研究

张发斌

（青海省交通规划设计研究院有限公司,青海 西宁 810001）

在传统沥青检测中主要依赖于三大指标来综合评价沥青质量,其存在设备庞大、检测周期长等问题,这与实地快速检测的要求存在冲突[1]。当前我国现行沥青检测规程的试验主要集中于沥青的宏观物理性质上,其全套设备时所需占地面积达到了30 m2,而且样本从取样、送检至出结果至少需要半天的周期,这也就对工程建设带来了极大的不便。在这样背景下,快速、准确的红外光谱检测技术也就应运而生,并逐步得到广泛的关注与推广。

1 基质沥青的红外光谱快速检测

1.1 试验方案

本研究采用傅里叶红外光谱仪开展试验,以目前沥青市场常见品牌、型号的沥青作为样品展开检测。设定工作温度为10～25 ℃,且相对湿度不大于50%。试验步骤：

（2） 选择空白背景采样、生成光谱图。

（3） 用电炉对采样刮刀持续加热至120 ℃,随后将刮刀插进待检测的沥青标准样品内,通过刮刀的高温将与其接触的样本加热成粘稠状态,并将所刮去的沥青移至制样器上,按照均匀涂抹的原则覆盖制样器。待沥青冷却至室温后晶体片即被沥青薄膜所包裹。对样本进行红外光谱采集,待采集完成后即可清理晶体片。（4） 重复上述操作,对每个样品做三次红外光谱采集,取三次采样结果的平均谱图作为结果。

1.2 试验结果与分析

1.2.1 基质沥青标准样品的获取

由于本研究所选取沥青品牌、规格、组分均存在一定差异,以此检测所得到的红外谱图也就不尽相同。在选定研究所用的待研究基质沥青后,即可联系相应厂家进行实地考察并获得对应标准样品。

1.2.2 基质沥青的重复性测试

对于相同的基质沥青样品按照上述试验流程分别采样、检测三次,得到三次检测的红外光谱图,并对其峰位、峰形及峰强进行比对。分别以4 000 cm-1～650 cm-1（全谱波数）、4 000 cm-1～1 350 cm-1（特征区）及1 350 cm-1～650 cm-1（指纹区）为研究区间开展灵敏度比对,以此来确定重复性误差的范围。通过对实测数据的比对,发现对于相同基质沥青样品而言,其重复性测试谱图在上述研究区间内的相关性系数大于99.00%,且标准差不大于0.5%,部分测试结果见图1。

图1 不同品牌基质沥青的重复性测试结果

1.2.3 基质沥青的再现性测试

为此,本文提出一种基于高斯过程回归的电力负荷预测算法。算法首先基于高斯模型设计电力负荷预测模型,然后采用遗传算法对超参数进行优化。此外,为提高算法效率,算法还将输入数据进行白化和归一化处理。仿真数据显示,与传统神经网络算法和支撑向量机算法相比,该算法收敛快,预测误差小。

对于相同基质沥青样品,选用不同测试人员、测试时间进行取并按照上述试验流程检测,得到三次检测的红外光谱图,并对其峰位、峰形及峰强进行比对。分别以4 000 cm-1～650 cm-1（全谱波数）、4 000 cm-1～1 350 cm-1（特征区）及1 350 cm-1～650 cm-1（指纹区）为研究区间开展灵敏度比对,以此来确定再现性误差的范围。通过对实测数据的比对,发现对于相同基质沥青样品而言,其再现性测试谱图在上述研究区间内的相关性系数大于99.00%,且标准差不大于0.5%,部分测试结果见图2。

图2 不同品牌基质沥青的再现性测试结果

1.2.4 基质沥青标准谱图的确定

根据上述对各品牌基质沥青样品重复性测试谱图、再现性测试谱图的比对分析可以发现,在4 000 cm-1～650 cm-1（全谱波数）、4 000 cm-1～1 350 cm-1（特征区）及1 350 cm-1～650 cm-1（指纹区）的研究区间内所得到的相关性系数均大于99.00%,且标准差均不大于0.5%,也即可认为借助红外光谱法开展沥青的快速检测具有足够的准确性。

选择2 050～1 950 cm-1作为噪声测试的研究区间,并将测试结果按照峰- 峰噪声/均方根（RMS）噪声进行表示,若这两个数值所得到的信噪比高于光谱仪的信噪比,那么也就表明在以上试验中仪器选择、参数设定及系统性能均处于良好状态,因此得到的信噪比较大,其所对应的谱图信息较为稳定,能够有效区分出试验研究中谱图包含的特征及噪声,可以把该品牌的基质沥青归入标准谱图库中,便于后续工程应用对基质沥青做出比对。

通过以上对各品牌基质沥青的标准谱图研究可知,常见基质沥青的红外谱图具有较为类似的出峰位置、峰形等。这也表明各品牌基质沥青在组成、性质上比较接近,但各其在部分波数区间内也存在一定差异。

2 改性剂含量的快速测定

2.1 试验方案

在本研究中采用傅里叶红外光谱仪开展试验,基质沥青选用东海-90、壳牌-90。

试验步骤：（1） 持续加热基质沥青至160～170℃,并在其中按照不同掺量加入SBS 改性剂,借助低速搅拌机进行搅拌。（2） 保持170～180 ℃的温度,借助高速剪切机以4 000～5 000 r/min 的速度持续剪切沥青40 min。（3） 在170～180 ℃的温度下发育2 h,随后使其自然冷却至室温。

检测方案：（1） 启动红外光谱设备,并对设备运转状态进行检测,选择自动背景校正。（2） 采集掺加SBS 的沥青样品,并使用加热后的铲子在晶体片上均匀涂抹沥青样品。以4 000 cm-1～650 cm-1为研究区间采集相应光谱。（3） 计算966 cm-1、1 377 cm-1位置处所对应的峰面积。基于我国现行沥青试验规程,对沥青的三大指标展开检测,其包括针入度、软化点及延度[2]。

2.2 试验结果与分析

对SBS 改性沥青进行红外光谱检测得到的光谱图反映了基质沥青、SBS 改性剂两者叠加后产生的红外吸收峰光谱。在掺加了SBS 改性剂的沥青中,试验测得改性沥青均表现出一致的特征吸收峰。其中,在2 800～3 000 cm-1的波数区间内,沥青主要的吸收峰是饱和C-H 键通过振动产生的吸收峰,在这一区间内2 920 cm-1波数对应的是亚甲基-CH2-发生的反对称伸缩振动；1 450 cm-1波数对应的是甲基-CH3和亚甲基-CH2- 内C-H 发生的面内伸缩振动；698 cm-1波数位置的吸收峰比较尖锐,对应的是苯环中C-H 键在面外所发1 375 cm-1波数位置存在较强的吸收峰,对应的是甲基-CH3发生的剪式振动；966 cm-1波数对应的是非饱和键CH=CH 所产生的特征吸收峰,同时也是SBS 改性剂所产生的特征吸收峰；698 cm-1波数对应的是苯环内C-H 在面外发生的摇摆振动,也是苯乙烯所产生的特征吸收峰。

典型SBS 改性沥青的红外光谱图见图3。

图3 典型SBS 改性沥青的红外光谱图

基于朗伯- 比尔定律,对于穿过溶液的平行单色光而言,溶液浓度、厚度之积与溶液吸光度之间存在正比关系,也即待测对象所含有的特征官能团在给定波数区间内的红外吸收能力与物质浓度之间存在正比关系,通过这一理论即可完成SBS 还原剂含量的测定[3]。

式中：A 为吸光度,L/（mol·cm）；IO为入射光的强度,cd；It为透射光的强度cd；a 为物质的光衰减系数,L/(g·cm)；b 为光程长,cm；c 为样品浓度,g/L。

对于不同的物质而言,其所对应的特征红外光谱也存在一定差异,且特征峰的面积、物质含量之间存在正比关系。1 377 cm-1波数位置对应的是芳香族甲基-CH3所产生的特征吸收峰,同时也是基质沥青所产生的特征吸收峰；966 cm-1波数对应的是非饱和键CH=CH 所产生的特征吸收峰,同时也是SBS 改性剂所产生的特征吸收峰。在不同SBS 改性剂掺量下所得到的改性沥青具有相同的官能团,但由于其所包含官能团数量存在一定差异,因此吸收峰的峰高、峰面积也会存在一定的差异。当官能团的相对浓度变化时,样品的红外谱图所显示的吸收峰吸光度也将不同[4-5]。因此,红外光谱检测能够通过谱图计算出A966/A1377来判断SBS 改性剂的含量。

3 工程案例

3.1 工程概况

该高速公路项目的沥青质量检测及控制主要采用ThermoFishNicoletiS5 红外光谱仪开展检测,并将设备与已建立的标准试样检测系统相连,以此来快速开展基质沥青的微观观察、分析。通过红外光谱图给出的出峰位置、峰高以及峰面积来总体定性分析材料是否出现了沥青混用、老化等问题。在该技术下,完成单个样品的检测、分析,整个过程约耗时5 分钟,可以快速得到检测结果。

3.2 项目实施

3.2.1 基质沥青的质量控制

该项目的路面结构中上面层、封层及透层三部分均采用伦特-70 作为基质沥青,该基质沥青在出场初期已完成试样采集、检测,将其检测结果与本研究分析所得的标准谱图做出比对。该项目检测的部分基质沥青送检样品及标准样品的红外谱图见图4。

图4 送检样品及标准样品的红外谱图对比

3.2.2 改性沥青SBS 掺量检测

建立起该项目的典型SBS 改性沥青红外谱图如图3 所示。由红外谱图可以看出,在改性沥青的4 000-650 cm-1区间内发生了较大的谱峰变化。同时,基于特征谱峰位置、面积的变化情况也可进一步推算得到SBS 改性剂的实际掺量。在该项目的中面层、上面层及粘层都选用SBS 改性沥青。基于生产厂家提供的改性沥青配比设计方案及基质沥青、SBS 改性剂、技术工艺,在实验室内制备了样品,并对其改性剂掺量、改性沥青性能展开评价。分别设定SBS 改性剂的掺量为3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%及5.5%,制作相应的标准样品,通过分析计算绘制相应标准曲线,其中R2=0.99,也即曲线表现出较好的线性关系,见图5。

图5 不同SBS 掺量的标准曲线

在项目实施全过程中,共计抽查、检测改性沥青约30 次。在检测样品中部分产品检测到SBS 改性剂的掺量过高,导致这一现象的主要原因在于基质沥青自身性质不稳定、技术工艺不成熟等。

4 结论

本研究借助红外光谱检测从基质沥青质量、SBS改性剂掺量两个方面对某高速公路项目所用基质沥青及其改性沥青的质量进行检测。分别检测基质沥青、SBS 改性沥青共计40、30 余批次。通过这一检测技术开展标准化制样、检测及分析,能够在五分钟内得出检测结果,并将其与标准样品的结果进行比对,以此评价基质沥青的质量及SBS 改性剂的掺量,具有较为突出效率及精度；对改性沥青的检测则以三大指标为基础,结合微观手段判断沥青的改性效果。综合谱图中峰形、出峰位置以及峰面积,与标准谱图进行比对判断基质沥青与设计方案之间是否存在偏差。在该项目中,对基质沥青40 余批次抽样、检测的相似度水平大于99.00%,认定其合格率达到了100%。