红外光谱快速检测技术在沥青质量控制中的应用

【摘要】以海南某高速公路建设项目为依托，利用红外光谱仪对进场沥青进行检测，并对红外光谱仪检测样品进行沥青指标试验验证，结果表明红外光谱仪具有检测快速、结果准确等优点，可作为沥青进场检测的手段，并用于沥青质量控制。

【关键词】红外光谱仪； 沥青； 快速检测； 相似度

【中图分类号】U416.06【文献标志码】A

［定稿日期］2023-08-25

［基金项目］2022年度交通运输行业重点科技项目清单（项目编号2022-MS5-125）。

［作者简介］张大斌（1985—）男，硕士，高级工程师，从事工程咨询、试验检测和路面结构与材料研究工作；王模（1986—），男，硕士，高级工程师，从事工程管理和路面功能材料方面研究工作；沈江涛（1977—）男，本科，高级工程师，主要从事工程管理和试验检测工作。

0 引言

近年来，随着国民经济的转型，我国公路交通基础设施建设也在不断发展，公路建设品质要求也越来越高。沥青作为公路建设中的重要原材料，其需求量也在不断增加，已有工程经验表明：沥青质量的好坏直接关系到路面的使用质量和耐久性，因此对沥青的质量控制和检测也一直是工程技术人员重点关注的问题。目前我国现行进场沥青原材料的检测方法主要从试验指标入手，通过将试验结果与规范指标进行对比，以判定沥青的质量。通过这种方式确实可以解决一些沥青质量问题，但是随着国家基础设施建设规模的不断扩大以及不断上涨的原油价格，沥青质量参差不齐、质量造假、常规指标检测无法反映真实沥青质量的现象层出不穷，全国每年因沥青质量问题造成的工程质量返工事故时有发生，给国家带来巨大的经济损失。

红外光谱仪检测是目前道路沥青检测及质量监控推广应用手段之一［1-2］，利用红外光谱仪可以快速准确地对沥青中的官能团进行识别并标记，从而确定沥青样品的分子结构和混合物中特定化合物的精确含量，进而对沥青的符合性进行判断，以达到快速检测的目的，与传统的沥青指标检测相比，红外光谱检测具有检测快速、判别准确、智能识别和可溯源性等优点［3-5］。

本文依托海南某高速公路建设项目，基于傅立叶红外光谱仪，对进场的50#-A级和70#-A级道路石油沥青进行红外光谱检测，以对进场沥青进行判定，具有一定的工程参考价值，可为后续沥青质量控制提供参考。

1 红外光谱仪检测原理

构成物质的分子时刻处于平动、转动、振动和电子运动状态，当分子从低能级E1吸收能量hv的光子，就可以跃迁到高能级E2，并且整个跃迁过程满足能量守恒定律E1+hv=E2。能级之间相差越小，分子所吸收的光的频率就越低，而波长就越长。红外光谱检测技术就是利用分子内部的相对振动和分子转动等信息来确定物质的分子结构以及鉴别化合物的（图1）。

根据吸收光谱后分子能级的差别，红外光谱通常可分为三个区域：0.75～2.5 μm的近红外区，2.5～25 μm的中红外区以及25～300 μm的远红外区。而根据吸收峰的来源，又可以将中红外光谱区分为特征频率区（2.5～7.7 μm，即4 000～1 330 cm-1）和指纹区（7.7～16.7 μm，即1 330～400 cm-1）两个区域。特征频率区中的吸收峰基本由基团的伸缩振动产生，数目虽然不多但具有很强的特征性，可以用来鉴定官能团；指纹区吸收峰多且复杂，主要是由一些单键的伸缩振动及含氢基团的弯曲振动，该区的吸收光谱与分子结构密切相关，分子结构稍有不同，就会导致该区的吸收光谱产生差异，犹如人体特定的指纹一样，主要用来准确区别结构类似的化合物。

由于组成化学键或官能团的分子振动频率与红外光的振动频率相当，当用红外光照射时，化学键或官能团就会吸收光能量产生振动，由于不同的化学键或官能团吸收的频率不同，就会导致其在红外光谱图上显示处于不同位置，从而就可以获得该化学键或官能团的具体信息，确定出该物质的分子结构以及化合物组成，进而对沥青原材料作出合格判定。

2 红外光谱仪

红外光谱分析技术的关键在于硬件设备和软件系统，硬件设备指的是发射光谱的设备，应具有较强的稳定性，并能获得准确、可靠的光谱信息；软件系统利用化学计量学进行模型的建立和未知样品的预测。本次试验所用的红外光谱设备采用Nicole iS 5 FT-IR光谱仪，该仪器使用 Omnic软件进行数据采集及分析，判定样品合格相似度标准设定为96％（图2）。

3 红外光谱检测工程应用

本文研究所依托高速公路中下面层均采用50#-A级道路石油沥青，上面层采用SBS I-D改性沥青，SBS改性沥青基质沥青为70#-A级道路石油沥青。其中70#-A级道路石油沥青均为进口沥青，50#-A级道路石油沥青主要为进口沥青，部分为国产沥青。为保证沥青质量，到场的每批次或车次沥青均需取样检测，待试验室沥青指标和红外光谱检测均合格后方可卸载使用。

3.1 标准样本图谱的建立

从厂家沥青库分别抽取50#-A级道路石油沥青和70#-A级道路石油沥青为标准样本，分别对标准样本进行30次红外光扫描，通过采集这些样本的红外光谱图，利用化学计量学和统计分析对样本光谱图谱进行预处理，建立沥青样本与光谱图之间的定量关系，最终得到三种沥青光谱图模型（图3～图5）。

由上述标准样本光谱图可知：特征频率区（4 000～1 330 cm-1）范围内50#-A级道路石油沥青和70#-A级道路石油沥青光谱图图形波动规律基本一致，表明这三种道路石油沥青主要官能团结构相似；而在3 000～2 800 cm-1和1 600～1 330 cm-1区间范围，波峰峰值通过率有较大区别，说明差异性官能团对红外光的影响主要集中该波段；指纹区（1 330～400 cm-1）范围内，三种沥青光谱图图形波动规律差别明显，且同样本重复试验条件下光谱图虽然规律一致，但是仍有细微差距，说明该区域光谱波形与沥青物质密切相关，沥青物质稍有不同，该区的吸收光谱就会差生产生差异。

3.2 红外光谱图检测

沥青进场过程中，采用红外光谱仪分别对进口50#-A级道路石油沥青、70#-A级道路石油沥青以及某国产50#-A级道路石油沥青进行抽样检测。其中进口50#-A级道路石油沥青检测40次，进口70#-A级道路石油沥青检测40次，某国产50#-A级道路石油沥青检测10次；将抽样检测的红外光谱图与标准样本沥青的红外光谱进行对比，结合各吸收峰的重要程度及其容许的偏差范围，从而给出检测结论。如图6所示即为某次进场沥青的红外光谱与光谱模型对比，红外光谱检测结果见表1。

为了确保试验检测的准确性，所有沥青样本同步进行软化点、针入度、延度三大指标检测；对于红外光谱仪检测不合格样本除检验三大指标外，还需进行沥青全套指标试验，以验证沥青不合格指标；同时对于红外光谱仪检验合格的沥青则随机进行全套指标试验，用以验证沥青质量，试验结果见表2。

由表1和表2结果对比可知：

（1）进口50#-A级道路石油沥青和70#-A级道路石油沥青质量相对稳定，红外光谱仪检测合格率为100％，沥青指标检测也是100％合格；某国产50#-A级道路石油沥青质量不稳定，检测合格率只有70％，沥青老化后延度指标不满足规范要求，存在一定的进场质量隐患。

（2）沥青指标验证试验表明：对进场的沥青进行三大指标检测，样品100％合格；而对红外光谱仪检测不合格的沥青进行全套指标检验，其老化延度指标不满足规范要求。表明若仅采用三大指标对沥青进行质量控制，则存在将不合格沥青被判定为合格沥青的风险；对红外光谱仪检测合格的沥青进行全套指标检验，其各项指标均满足规范要求。

（3）试验结果表明：红外光谱仪检测合格的沥青各项指标均满足规范要求；红外光谱仪检测不合格的沥青指标也不合格；沥青红外光谱仪检测与沥青指标检测相关性较好，红外光谱仪检测结果准确可靠。

4 红外光谱试验检测应用评价

4.1 试验方法简单快速

利用红外光谱仪对沥青进行检测，试验样品仅需几克，样品制备简单易行，2～3 min即可完成；红外光谱仪试验操作相对固定且简单，从开始试验到结果判定不超过5 min；整个试验过程不超过10 min。相较于传统沥青指标检测，极大的缩短了原材的检测时间，提高了试验检测效率，有利的保证了项目建设进度。

4.2 检验结果准确可靠

通过对红外光谱仪检测的沥青试样进行指标检测，结果表明：仅采用三大指标对进场沥青进行质量控制存在质量误判的风险；而红外光谱仪检验结果与沥青指标检验具有较好的相关性，红外光谱检验合格的沥青样品各项指标均合格，检验不合格沥青样品指标也不合格。因此可采用红外光谱仪检测作为沥青进场检测的手段，用于沥青质量控制。

5 结束语

（1）相较于传统的沥青指标检测，沥青红外光谱检测具有高效快捷的特点，可大大缩短试验检测周期，提高试验检测效率。

（2）红外光谱检测与沥青指标检测有较好的相关性，红外光谱检测技术可作为沥青进场检测的手段，用于沥青质量控制。

参考文献

［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］ 刘建洋.基于红外光谱技术的沥青品牌辨识推广应用［J］.公路交通科技（应用技术版），2018（9） ：136-137.

［4］ 温肖博，王昊鹏.光谱分析技术在道路工程材料中的应用研究综述［C］//中国公路学会养护与管理分会第七届学术年会，2017.

［5］ 黄雅婷，叶超强. 红外光谱沥青检测在高速公路项目中的应用［J］.西部交通科技，2018（10） ：49-52.