基于多種ATR附件的瀝青紅外光譜對比分析

楊光昊

(江蘇百盛工程咨詢有限公司 江蘇南京 210046)

瀝青路面是我國的典型道路結構形式，其中，瀝青作為膠結材料，其本身的質量對瀝青路面的使用性能的和服役壽命有著重要的影響。并且，瀝青市場較為混亂，質量差異巨大，常出現運輸到施工現場的瀝青被隨意調換品牌、國內基質瀝青充當進口瀝青[1]以及改性瀝青中SBS摻假[2]等情況。在公路建設過程中對瀝青質量傳統的檢測方法，主要采用我國現有傳統的瀝青指標檢測體系和國際上的流變試驗方法，通過標準試驗來判定瀝青各項質量指標是否符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求[3]。目前，在施工現場常用瀝青三大指標以及SHRP的指標體系來檢驗瀝青質量。這些方法存在試驗頻率高、周期長、價格昂貴、評價指標較多、試驗結果存在一定誤差以及無法準確識別性能接近或相似的瀝青等問題[4-5]，導致檢測結果不能及時真實地反映到場瀝青的真實質量，瀝青路面的建設質量無法得到充分保證。

瀝青紅外光譜識別技術，是一種依據瀝青分子內部化學官能團的相對振動、轉動等信息來鑒別分子結構的技術措施[5]，具有快速無損、檢測效率高、準確性好等特點。通過化學、數學、統計學、計算機等學科的結合，對紅外光譜的測試數據進行處理與分析，可得到瀝青紅外光譜圖中的特征吸收峰位置、數目、相對強度和形狀等參數，從而可推斷出物質的組成和各組分的含量[6]。

紅外光譜作為瀝青質量快速檢測有效手段已經得到較為廣泛的研究與應用，主要集中在瀝青相似度分析[5]、瀝青老化[7-8]、SBS 含量檢測[9]等方面。紅外光譜分析一般分為透射分析法和反射分析法（ATR）。目前，在施工現場應用較多的是是單點ATR 法，而《SBS改性瀝青改性劑含量測試方法 紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）中采用的是透射法。因此，該文通過測試基質瀝青相似度以及改性瀝青SBS 含量的準確性，對比分析了單點ATR 法、多點ATR 法以及透射法這3 種方法的優缺點。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

基質瀝青采用韓國雙龍70 號道路石油瀝青。經檢測，基質瀝青各項技術指標均能滿足要求，檢測結果具體見表1。該文所用SBS改性瀝青則根據《SBS改性瀝青改性劑含量測試方法 紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）要求在室內進行制備。

表1 基質瀝青檢測結果

1.2 試驗方法

采用昌吉SYD-0673M便攜瀝青紅外光譜儀，采集范圍600～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數為64次。試驗方法按照所用ATR 附件的不同，分為單點ATR法、多點ATR 法以及透射法（見圖1）。兩種ATR 法制樣較為簡單，對樣品大小、形狀沒有特殊要求。其中，單點ATR 法是在測試時將瀝青加熱后直接均勻涂抹在單點ATR 附件（ZnSe 晶體）上；多點ATR 法則是將瀝青涂抹在附件晶體板上進行測試（見圖2）；透射法制樣更為復雜。根據《SBS 改性瀝青改性劑含量測試方法紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）要求，先制作KBr壓片，涂抹熱瀝青后再進行試驗檢測，整個過程需耗時大約5 min。透射法對環境要求高，必須保證KBr樣品處于干燥狀態，并且KBr粉末應進行充分研磨，確保分散成微米級的粉末。在每次數據采集完成后，用三氯乙烯對晶體進行清洗并風干，然后進行下一次測試。

圖1 不同紅外光譜檢測方法

圖2 將被測瀝青涂抹于附件晶體板（多點ATR法）

2 基質瀝青相似度

比對基質瀝青相似度時，用單點ATR 法、多點ATR 法以及透射法對基質瀝青分別進行4 次平行試驗，以第1 次試驗的紅外光譜圖為標準圖譜，用第2～4次的圖譜進行對比，查看每種測試方法的檢測相似度平均值。3 種測試方法都較為穩定，相似度平均值在0.98 以上，透射法相似度平均值最高，可達0.999 591。具體結果如表2所示。

表2 基質瀝青相似度對比結果

3 改性瀝青SBS含量

測試改性瀝青SBS 含量時，根據《SBS 改性瀝青改性劑含量測試方法 紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）要求，制作5 個標準樣。5 個標準樣中SBS 添加量分別為：1.068%、1.966%、2.960%、4.047%、5.044%。此外，采用同樣的方法制備1 個待測樣，SBS 添加量為1.97%。下面以透射法為例對測試過程進行說明：（1）采用透射法測試5 個標準樣的紅外光譜，具體情況如圖3 所示；（2）利用化學計量軟件分別測量吸收峰966 cm-1、1 377 cm-1的峰面積S966、S1377，具體如圖4所示；（3）按式A=S966/S1377 計算各標準樣的吸收峰966 cm-1與吸收峰1 377 cm-1的峰面積之比，并建立標準曲線；（4）測試待測樣品。計算待測樣品紅外光譜中吸收峰966 cm-1與1 377 cm-1的峰面積之比，并通過標準曲線，計算出待測樣品SBS 含量。采用單點ATR 法和多點ATR 法，通過相同流程得出待測樣品的SBS 含量，結題如表3 所示。根據測試結果，3 種方法的標準曲線相關性好，均在0.996 以上。其中，透射法測試結果為1.968 87，與真實值最為接近。

表3 改性瀝青SBS含量檢測結果

圖3 透射法測試各標準樣的紅外圖譜

圖4 將被測瀝青涂抹于晶體板（多點ATR法）

4 結語

根據測試結果，單點ATR法是利用全反射原理來對樣品進行測定，操作最為快捷簡便，可在施工現場實現瀝青質量的快速鑒別，并且測試晶體不容易損壞，但單點ATR 的測試能量低，譜圖噪聲反應明顯，精確度相對更低；與單點ATR 法相比，多點ATR 法的光路經過了多次反射，顯著提高了紅外光譜的靈敏度，但多點ATR 法所用晶體板易磨損，維修成本高；透射法得到的紅外光譜圖相似度最高，SBS 含量的測試結果最接近真實值，但該方法樣品制備時間長，且對測試環境有較高要求。在施工現場等條件簡陋的環境，適用性不強。