基于红外光谱技术的沥青质量监控

红外光谱概述

红外光谱原理

按照量子学说，当一个分子在多个量子态之间跃迁时，就要发射或吸收电磁波，在跃迁过程中，当有不同的红外光辐射依次照射到样品上时，由于某些波长的辐射被样品选择吸收而减弱或消失，于是形成红外吸收光谱。红外光谱的波段分为近、中、远红外三部分，有机化合物结构分析应用最多的是中红外600～4000cm－1范围。对于聚合物的红外光谱分析，一般将整个范围分成600～1300cm－1和1300～4000cm－1两个区域，600～1300cm－1区域中除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的复杂光谱，当分子结构稍有不同，该区的吸收峰就有细微的差异，这种情况就像每个人都有不同的DNA或指纹一样，因此将该区域称为指纹区。而1300～4000cm－1区域的峰是由于伸缩振动产生的吸收带，由于此区域基团的吸收峰一般位于此高频范围，并且在该区域内吸收峰比较稀疏，因此该区域是鉴定官能团存在最有价值的区域，称为官能团区。对于红外光谱的解析，一般先在官能团区搜索官能团的特征伸缩振动，再根据指纹区特征吸收情况进一步吸收情况确认该官能团的存在以及各基团之间的结合方式。

红外吸收峰的强度主要取决于分子中化学键的偶极矩变化大小，当分子中有极性化学键时，其偶极矩变化大，吸收峰较强;相反，两端原子相同的化学键，如C－C，S－S等的红外吸收峰较弱，这类非极性基团通常在拉曼光谱中有较强的信号。不同物质对不同波长的红外辐射吸收程度是不同的，所以形成的红外光谱图也是不一样的。但对于一些功能团，由于它具有特征红外吸收峰，所以可以根据各种物质的红外特征吸收峰的位置、数目，相对强度和形状等参数，就可以推断试样物质中存在哪些官能团，并确定其分子结构。

傅里叶光谱分析仪

本试验通过尼高力NicoletiS50傅里叶变换红外光谱仪采集基质沥青的红外光谱，此光谱仪是第五代红外光谱分析仪，主要由红外光源、光阑、迈克尔逊干涉仪、样品区、检测区以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。其工作原理是由红外光源发出的红外辐射经准直镜准直后变为平行红外光束进入干涉仪，经调制后得到一束干涉光;该干涉光经ART试样台上样品反射后进入检测器内，检测器根据干涉光经样品后的干涉信号转化为电信号，由计算机采集，得到该样品的时域干涉图，该图经计算机进行傅里叶变换计算，将其转换成以吸光度或透过率为纵坐标，以波长为横坐标的红外光谱图。

红外光谱在沥青质量控制中的应用研究

基质沥青的红外特征吸收峰

可以看出，对沥青材料而言，其组成中的各种官能团对红外光的吸收尤其显著特征。红外波长在2900cm－1左右的吸收峰为－CH2伸缩振动的结果，在1600cm－1左右为C=C和C=O键伸缩振动所引起的，在1450cm－1左右是C－CH5的不对称和－CH2－对称结构中C－H键面内振动所引起的，在1370cm－1左右是由于－CH5不对称结构和－CH2－对称结构的伸缩振动所引起的特征吸收峰，650～900cm－1区间上是由于苯环面内摇摆所引起的，反映了沥青苯环上被其他成分所代替的结果。利用沥青中不同官能团对红外光的吸收，可以用来对比确定某沥青材料是否和标准样品一致(类似于指纹识别)，进而判断沥青的真伪。

基质沥青质量控制

由于沥青是一种由多种化学成分组成的混合体，其各种成分的含量决定了沥青的质量，在实际工程中沥青又是沥青路面质量控制中最重要的原材料，沥青的质量直接影响沥青路面的质量及使用寿命，因此在实际工程中对沥青材料的真实性判别具有重要的意义。试验方案是对某牌基质沥青厂家进行实际考察，现场取得标准样品，进行红外光谱试验，将现场样品的红外光谱图作为标准图谱，对此后项目进场的该品牌沥青每批进行红外光谱试验，将试验结果的红外光谱图借助于尼高力NicoletiS50傅里叶变换红外光谱仪与标准样品进行光谱一致性检索，检索结果作为该批沥青的一个质量控制指标。

从检索结果图中可以看出，被测样品与标准样品的红外光谱的匹配度为99.96%，满足实验误差的要求，样品匹配度达到了99.9%以上，可以用作对沥青的来源和真伪进行快速检测判断。利用红外光谱仪对临合项目2014年9月进场的SK90#沥青进行红外光谱检测，然后进行规范要求的各项指标验证，以此来检验红外光谱仪快速检测沥青质量方法的可靠性，样品数为20个。

可以看出，这20个SK90#基质沥青红外光谱图总体比较稳定(个别光谱图的差异有可能是操作误差所引起的)，红外光谱图上均出现与韩国SK90#相同的特征吸收峰，且峰强、峰面积一致，没有出现另外的特征吸收峰，与标准样品的匹配度均达到了99%以上，因此可以根据该红外光谱图判定该20个基质沥青样品均为韩国SK90#沥青。而后进行的各项指标的试验结果比较稳定，可以看出采用红外光谱仪对沥青进行快速检测是可行、稳定的。

SBS改性沥青改性剂含量测定研究

可以看出，SBS改性沥青红外光谱图在波长为625cm－1和996cm－1两处吸收峰较强，625cm－1处是聚苯乙烯苯环上C－H键在面外摇摆所引起的，996cm－1处是聚丁二烯烯烃C－H键弯曲振动的结果，根据以往的研究成果可知，改性沥青红外光谱图在996cm－1处的特征吸收峰较为稳定且明显，可以作为改性剂的掺量的判定吸收峰。本项目对改性沥青中改性剂掺量的确定方法是:根据项目要求和试验室验证，确定改性沥青改性剂掺量为4.5%，根据确定的配方和生产工艺制备小样改性沥青试样，对改性剂掺量为4.5%的改性沥青小样进行红外光谱检测，对该处的吸收峰利用面积积分法进行改性剂掺量的确定，取得4.5%改性剂掺量的标准图谱。将项目抽检的改性沥青红外光谱图在波长为996cm－1波峰处进行峰面积计算，与改性剂标准掺量为4.5%的红外光谱图波长为996cm－1波峰处的峰面积进行比较，在对某一标段2014年10月生产的20批改性沥青进行红外光谱检测。

可以看出，这20个改性沥青红外光谱图与标准样品的红外光谱图在吸收峰位置、峰强上基本一致，在波长为996cm－1波峰处均出现较强的特征吸收峰;与小样制备的标准样品对比，较小样制备的改性沥青红外光谱图吸收峰较强、峰面积较大，没有出现另外的特征吸收峰。说明该20个改性沥青具有相同的配方和生产工艺，属同批生产的改性沥青，可知样品在波长为996cm－1波峰处的峰面积均在125.47左右，与标准掺量的峰面积最大相差0.65，最大误差0.5%，满足误差允许范围±3%，说明所检样品的改性剂掺量均符合掺量为4.5%的改性沥青要求，通过物理性能指标检测其三大指标均满足项目施工要求，与改性沥青三大指标试验结果比较，表明在红外光谱稳定的情况下，其物理指标也是相对稳定的。

结论与展望

通过对基质沥青及改性沥青的红外光谱分析，可快速准确的判定沥青的真伪性和改性沥青改性剂的掺量，达到控制沥青来源，保证沥青质量的目的。

(1)快速准确鉴别沥青。红外光谱仪测试沥青，从取样－制样－试验－判定只需几分钟就能完成对一个沥青的红外光谱分析，将被测样品的红外光谱图进行红外光谱图库检索，检索结果与SK90#沥青的匹配度达到99.9%以上，可以判定该沥青为SK90#沥青，因此红外光谱分析法可快速准确的辨别一个沥青的真伪。

(2)改性沥青改性剂掺量控制。SBS掺量是对SBS改性沥青红外光谱图中波长为996cm－1处特征吸收峰的峰高产生影响的最主要因素，可以通过检测标准掺量SBS改性沥青在996cm－1处的特征吸收峰面积，从而确定未知SBS含量改性沥青的改性剂掺量。

(3)对项目使用的基质沥青和改性沥青，利用红外光谱仪进行质量的快速检测，共完成基质沥青340组，改性沥青520组，较好的完成了质量监控的要求。

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