【摘要】以海南某高速公路建設(shè)項(xiàng)目為依托，利用紅外光譜儀對(duì)進(jìn)場(chǎng)瀝青進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)紅外光譜儀檢測(cè)樣品進(jìn)行瀝青指標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明紅外光譜儀具有檢測(cè)快速、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可作為瀝青進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)的手段，并用于瀝青質(zhì)量控制。

【關(guān)鍵詞】紅外光譜儀； 瀝青； 快速檢測(cè)； 相似度

【中圖分類號(hào)】U416.06【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-08-25

［基金項(xiàng)目］2022年度交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目清單（項(xiàng)目編號(hào)2022-MS5-125）。

［作者簡(jiǎn)介］張大斌（1985—）男，碩士，高級(jí)工程師，從事工程咨詢、試驗(yàn)檢測(cè)和路面結(jié)構(gòu)與材料研究工作；王模（1986—），男，碩士，高級(jí)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(jí)工程師，主要從事工程管理和試驗(yàn)檢測(cè)工作。

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，我國(guó)公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在不斷發(fā)展，公路建設(shè)品質(zhì)要求也越來(lái)越高。瀝青作為公路建設(shè)中的重要原材料，其需求量也在不斷增加，已有工程經(jīng)驗(yàn)表明：瀝青質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到路面的使用質(zhì)量和耐久性，因此對(duì)瀝青的質(zhì)量控制和檢測(cè)也一直是工程技術(shù)人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。目前我國(guó)現(xiàn)行進(jìn)場(chǎng)瀝青原材料的檢測(cè)方法主要從試驗(yàn)指標(biāo)入手，通過(guò)將試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，以判定瀝青的質(zhì)量。通過(guò)這種方式確實(shí)可以解決一些瀝青質(zhì)量問(wèn)題，但是隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及不斷上漲的原油價(jià)格，瀝青質(zhì)量參差不齊、質(zhì)量造假、常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)無(wú)法反映真實(shí)瀝青質(zhì)量的現(xiàn)象層出不窮，全國(guó)每年因?yàn)r青質(zhì)量問(wèn)題造成的工程質(zhì)量返工事故時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

紅外光譜儀檢測(cè)是目前道路瀝青檢測(cè)及質(zhì)量監(jiān)控推廣應(yīng)用手段之一［1-2］，利用紅外光譜儀可以快速準(zhǔn)確地對(duì)瀝青中的官能團(tuán)進(jìn)行識(shí)別并標(biāo)記，從而確定瀝青樣品的分子結(jié)構(gòu)和混合物中特定化合物的精確含量，進(jìn)而對(duì)瀝青的符合性進(jìn)行判斷，以達(dá)到快速檢測(cè)的目的，與傳統(tǒng)的瀝青指標(biāo)檢測(cè)相比，紅外光譜檢測(cè)具有檢測(cè)快速、判別準(zhǔn)確、智能識(shí)別和可溯源性等優(yōu)點(diǎn)［3-5］。

本文依托海南某高速公路建設(shè)項(xiàng)目，基于傅立葉紅外光譜儀，對(duì)進(jìn)場(chǎng)的50#-A級(jí)和70#-A級(jí)道路石油瀝青進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)，以對(duì)進(jìn)場(chǎng)瀝青進(jìn)行判定，具有一定的工程參考價(jià)值，可為后續(xù)瀝青質(zhì)量控制提供參考。

1 紅外光譜儀檢測(cè)原理

構(gòu)成物質(zhì)的分子時(shí)刻處于平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)和電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)分子從低能級(jí)E1吸收能量hv的光子，就可以躍遷到高能級(jí)E2，并且整個(gè)躍遷過(guò)程滿足能量守恒定律E1+hv=E2。能級(jí)之間相差越小，分子所吸收的光的頻率就越低，而波長(zhǎng)就越長(zhǎng)。紅外光譜檢測(cè)技術(shù)就是利用分子內(nèi)部的相對(duì)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)等信息來(lái)確定物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)以及鑒別化合物的（圖1）。

根據(jù)吸收光譜后分子能級(jí)的差別，紅外光譜通常可分為三個(gè)區(qū)域：0.75～2.5 μm的近紅外區(qū)，2.5～25 μm的中紅外區(qū)以及25～300 μm的遠(yuǎn)紅外區(qū)。而根據(jù)吸收峰的來(lái)源，又可以將中紅外光譜區(qū)分為特征頻率區(qū)（2.5～7.7 μm，即4 000～1 330 cm-1）和指紋區(qū)（7.7～16.7 μm，即1 330～400 cm-1）兩個(gè)區(qū)域。特征頻率區(qū)中的吸收峰基本由基團(tuán)的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，數(shù)目雖然不多但具有很強(qiáng)的特征性，可以用來(lái)鑒定官能團(tuán)；指紋區(qū)吸收峰多且復(fù)雜，主要是由一些單鍵的伸縮振動(dòng)及含氫基團(tuán)的彎曲振動(dòng)，該區(qū)的吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，分子結(jié)構(gòu)稍有不同，就會(huì)導(dǎo)致該區(qū)的吸收光譜產(chǎn)生差異，猶如人體特定的指紋一樣，主要用來(lái)準(zhǔn)確區(qū)別結(jié)構(gòu)類似的化合物。

由于組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的分子振動(dòng)頻率與紅外光的振動(dòng)頻率相當(dāng)，當(dāng)用紅外光照射時(shí)，化學(xué)鍵或官能團(tuán)就會(huì)吸收光能量產(chǎn)生振動(dòng)，由于不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收的頻率不同，就會(huì)導(dǎo)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(xué)鍵或官能團(tuán)的具體信息，確定出該物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)以及化合物組成，進(jìn)而對(duì)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(shù)的關(guān)鍵在于硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，硬件設(shè)備指的是發(fā)射光譜的設(shè)備，應(yīng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，并能獲得準(zhǔn)確、可靠的光譜信息；軟件系統(tǒng)利用化學(xué)計(jì)量學(xué)進(jìn)行模型的建立和未知樣品的預(yù)測(cè)。本次試驗(yàn)所用的紅外光譜設(shè)備采用Nicole iS 5 FT-IR光譜儀，該儀器使用 Omnic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析，判定樣品合格相似度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為96％（圖2）。

3 紅外光譜檢測(cè)工程應(yīng)用

本文研究所依托高速公路中下面層均采用50#-A級(jí)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(zhì)瀝青為70#-A級(jí)道路石油瀝青。其中70#-A級(jí)道路石油瀝青均為進(jìn)口瀝青，50#-A級(jí)道路石油瀝青主要為進(jìn)口瀝青，部分為國(guó)產(chǎn)瀝青。為保證瀝青質(zhì)量，到場(chǎng)的每批次或車次瀝青均需取樣檢測(cè)，待試驗(yàn)室瀝青指標(biāo)和紅外光譜檢測(cè)均合格后方可卸載使用。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)樣本圖譜的建立

從廠家瀝青庫(kù)分別抽取50#-A級(jí)道路石油瀝青和70#-A級(jí)道路石油瀝青為標(biāo)準(zhǔn)樣本，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行30次紅外光掃描，通過(guò)采集這些樣本的紅外光譜圖，利用化學(xué)計(jì)量學(xué)和統(tǒng)計(jì)分析對(duì)樣本光譜圖譜進(jìn)行預(yù)處理，建立瀝青樣本與光譜圖之間的定量關(guān)系，最終得到三種瀝青光譜圖模型（圖3～圖5）。

由上述標(biāo)準(zhǔn)樣本光譜圖可知：特征頻率區(qū)（4 000～1 330 cm-1）范圍內(nèi)50#-A級(jí)道路石油瀝青和70#-A級(jí)道路石油瀝青光譜圖圖形波動(dòng)規(guī)律基本一致，表明這三種道路石油瀝青主要官能團(tuán)結(jié)構(gòu)相似；而在3 000～2 800 cm-1和1 600～1 330 cm-1區(qū)間范圍，波峰峰值通過(guò)率有較大區(qū)別，說(shuō)明差異性官能團(tuán)對(duì)紅外光的影響主要集中該波段；指紋區(qū)（1 330～400 cm-1）范圍內(nèi)，三種瀝青光譜圖圖形波動(dòng)規(guī)律差別明顯，且同樣本重復(fù)試驗(yàn)條件下光譜圖雖然規(guī)律一致，但是仍有細(xì)微差距，說(shuō)明該區(qū)域光譜波形與瀝青物質(zhì)密切相關(guān)，瀝青物質(zhì)稍有不同，該區(qū)的吸收光譜就會(huì)差生產(chǎn)生差異。

3.2 紅外光譜圖檢測(cè)

瀝青進(jìn)場(chǎng)過(guò)程中，采用紅外光譜儀分別對(duì)進(jìn)口50#-A級(jí)道路石油瀝青、70#-A級(jí)道路石油瀝青以及某國(guó)產(chǎn)50#-A級(jí)道路石油瀝青進(jìn)行抽樣檢測(cè)。其中進(jìn)口50#-A級(jí)道路石油瀝青檢測(cè)40次，進(jìn)口70#-A級(jí)道路石油瀝青檢測(cè)40次，某國(guó)產(chǎn)50#-A級(jí)道路石油瀝青檢測(cè)10次；將抽樣檢測(cè)的紅外光譜圖與標(biāo)準(zhǔn)樣本瀝青的紅外光譜進(jìn)行對(duì)比，結(jié)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(cè)結(jié)論。如圖6所示即為某次進(jìn)場(chǎng)瀝青的紅外光譜與光譜模型對(duì)比，紅外光譜檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

為了確保試驗(yàn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，所有瀝青樣本同步進(jìn)行軟化點(diǎn)、針入度、延度三大指標(biāo)檢測(cè)；對(duì)于紅外光譜儀檢測(cè)不合格樣本除檢驗(yàn)三大指標(biāo)外，還需進(jìn)行瀝青全套指標(biāo)試驗(yàn)，以驗(yàn)證瀝青不合格指標(biāo)；同時(shí)對(duì)于紅外光譜儀檢驗(yàn)合格的瀝青則隨機(jī)進(jìn)行全套指標(biāo)試驗(yàn)，用以驗(yàn)證瀝青質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表1和表2結(jié)果對(duì)比可知：

（1）進(jìn)口50#-A級(jí)道路石油瀝青和70#-A級(jí)道路石油瀝青質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，紅外光譜儀檢測(cè)合格率為100％，瀝青指標(biāo)檢測(cè)也是100％合格；某國(guó)產(chǎn)50#-A級(jí)道路石油瀝青質(zhì)量不穩(wěn)定，檢測(cè)合格率只有70％，瀝青老化后延度指標(biāo)不滿足規(guī)范要求，存在一定的進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量隱患。

（2）瀝青指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)表明：對(duì)進(jìn)場(chǎng)的瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)檢測(cè)，樣品100％合格；而對(duì)紅外光譜儀檢測(cè)不合格的瀝青進(jìn)行全套指標(biāo)檢驗(yàn)，其老化延度指標(biāo)不滿足規(guī)范要求。表明若僅采用三大指標(biāo)對(duì)瀝青進(jìn)行質(zhì)量控制，則存在將不合格瀝青被判定為合格瀝青的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)紅外光譜儀檢測(cè)合格的瀝青進(jìn)行全套指標(biāo)檢驗(yàn)，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明：紅外光譜儀檢測(cè)合格的瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；紅外光譜儀檢測(cè)不合格的瀝青指標(biāo)也不合格；瀝青紅外光譜儀檢測(cè)與瀝青指標(biāo)檢測(cè)相關(guān)性較好，紅外光譜儀檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4 紅外光譜試驗(yàn)檢測(cè)應(yīng)用評(píng)價(jià)

4.1 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單快速

利用紅外光譜儀對(duì)瀝青進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)樣品僅需幾克，樣品制備簡(jiǎn)單易行，2～3 min即可完成；紅外光譜儀試驗(yàn)操作相對(duì)固定且簡(jiǎn)單，從開(kāi)始試驗(yàn)到結(jié)果判定不超過(guò)5 min；整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程不超過(guò)10 min。相較于傳統(tǒng)瀝青指標(biāo)檢測(cè)，極大的縮短了原材的檢測(cè)時(shí)間，提高了試驗(yàn)檢測(cè)效率，有利的保證了項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度。

4.2 檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠

通過(guò)對(duì)紅外光譜儀檢測(cè)的瀝青試樣進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)，結(jié)果表明：僅采用三大指標(biāo)對(duì)進(jìn)場(chǎng)瀝青進(jìn)行質(zhì)量控制存在質(zhì)量誤判的風(fēng)險(xiǎn)；而紅外光譜儀檢驗(yàn)結(jié)果與瀝青指標(biāo)檢驗(yàn)具有較好的相關(guān)性，紅外光譜檢驗(yàn)合格的瀝青樣品各項(xiàng)指標(biāo)均合格，檢驗(yàn)不合格瀝青樣品指標(biāo)也不合格。因此可采用紅外光譜儀檢測(cè)作為瀝青進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)的手段，用于瀝青質(zhì)量控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）相較于傳統(tǒng)的瀝青指標(biāo)檢測(cè)，瀝青紅外光譜檢測(cè)具有高效快捷的特點(diǎn)，可大大縮短試驗(yàn)檢測(cè)周期，提高試驗(yàn)檢測(cè)效率。

（2）紅外光譜檢測(cè)與瀝青指標(biāo)檢測(cè)有較好的相關(guān)性，紅外光譜檢測(cè)技術(shù)可作為瀝青進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)的手段，用于瀝青質(zhì)量控制。

參考文獻(xiàn)

［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(shù)的瀝青品牌辨識(shí)推廣應(yīng)用［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2018（9） ：136-137.

［4］ 溫肖博，王昊鵬.光譜分析技術(shù)在道路工程材料中的應(yīng)用研究綜述［C］//中國(guó)公路學(xué)會(huì)養(yǎng)護(hù)與管理分會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)，2017.

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