公路施工沥青质量监管快检新技术

张文宇，胡爱琴，忻欣，赵蔚，刘开琼，李喆

(1.西派特（北京）科技有限公司，北京 100029；2.交通运输部科学研究院, 北京 100013; 3.苏交科集团股份有限公司道路养护中心 ,江苏 南京 210019;4.内蒙古自治区交通建设工程质量监督局,内蒙古 呼和浩特 010000)

作为公路路面的主要材料，沥青的优劣直接影响公路的质量和使用寿命，因而沥青质量检测在公路建设中具有重要作用。但目前的检测技术测试周期长且面临诸多挑战，无法用于公路施工沥青来料质量现场检测。为此，西派特（北京）科技有限公司基于红外光谱结合多元分析方法原理，研发了一种适合公路施工沥青来料质量快速检测的沥青快速分析仪，有效地解决了现存检测存在的难题。同时，建立了针入度、软化点和延度的定量分析模型和真伪鉴别分析模型，实现了公路建设沥青来料质量快速检测，对于公路建设质量监督管理具有重要的实际意义。

一、实验部分

（一）沥青取样器

沥青取样器由电源模块和加热器两部分构成，两者使用专用电源线连接。电源模块内置交流降压模块和温度调节控制板，外置温度调节开关，通过调节开关可控制加热器的温度；加热器内置陶瓷加热棒和温度传感器，外置快插式铜质导热接头，导热接头可安装定制的取样铜管，取样铜管为耗材，并且可以拆卸和清洗；电源模块底部安装附件支架，方便加热器和耗材的放置。

（二）沥青快速分析仪

1、仪器结构设计

对于深色和粘稠状沥青样品，如利用红外透射测量模式采集沥青光谱，检测结果极易受样膜厚度影响，且存在沥青进样不便，清洗困难等问题。而衰减全反射测量模式（ATR）可以克服上述缺点（图1为光路示意图），不仅操作方便、容易清洗，还可以保证光程精度。硬件系统主要由ATR-FTIR光谱仪模块、数据处理系统、显示系统等构成。其中，FTIR光谱仪采谱范围为650～-4000cm-1，分辨率为4cm-1，采用自动背景校正。ATR材料晶体为硒化锌，晶体表面包一层金刚石膜，以增加耐磨性和抗酸碱腐蚀能力。

图1.ATR附件光路示意图

2、软件结构设计

软件采用模块化设计，图2为结构流程图。

图2.软件结构流程图

3、沥青快速分析仪

图3.沥青快速分析仪

如图3所示，使用沥青取样器将样品涂在晶体表面，按下测量按钮后，仪器会自动测定沥青的针入度、软化点等多项指标，检测完成后，结果会自动显示，同时也可以输出报告或者将结果输送至云端及相关质量监督部门。样品检测完毕后，用棉签蘸少量溶剂，轻轻擦拭晶体至干净后，即可检测下一样本。

4、沥青关键指标定量检测方法

收集在性质分布和统计数量上具有代表性的沥青样品，采集其光谱并组成校正样品光谱集；使用现行标准检测方法测定其性质数据，并作为建立模型的参考值；使用软件内嵌的光谱处理方法处理样品集光谱，消除影响分析的各种噪声，使用偏最小二乘法关联光谱和性质数据，建立光谱预测沥青性质的模型。将待检测的样品光谱输入至该模型后，能够预测其性质，实现对沥青样本性质的快速分析。

测量精度使用重复6次装样测量结果的标准偏差表示，计算公式为：

Xi为第i次测量结果，X为6次测量结果的平均值，n为测量重复次数。

准确度使用SEP表示，计算公式为：

Ci为样品性质的标准方法分析值，Ci为样品性质的模型预测值，m为验证集样品数。

5、沥青一致性检验方法

在公路建设中，施工现场每天需要检测大量的沥青来料，采用实验室送检的方法无法确保来料沥青样品与投标沥青样品一致。首先，要建立第三方检验认证合格的沥青样本光谱分子指纹数据库，并建立一种特征光谱角向量空间。将待检样本光谱输入软件，经过信号处理，快速判别来料沥青是否与认证样本一致，实现了来料沥青质量的快速准确判别。

二、应用分析

（一）针入度和软化点的定量分析应用

本文从北京市政工程研究院和山东京博石油化工有限公司等收集了70个基质沥青样品，使用沥青快速分析仪采集了其光谱，并通过GBT-4509-2010沥青针入度测定法测定了其针入度，建立了光谱分析基质沥青针入度和软化点的定量分析模型。通过对比分析针入度、软化点的仪器检测值和标准方法测定值，表明沥青快速分析仪检测结果与国家标准方法取得的结果基本一致。仪器的检测精度均符合国家规定。

（二）沥青来样与认证合格样本一致性检验的应用

2017年，荣乌高速乌海段施工期间，该仪器被应用于施工来料沥青（包括不同批次的基质沥青和SBS改性沥青样品）质量监控中，并建立了一标改性沥青标准库和一标基质沥青标准库，分析实际效果发现，沥青来样检测结果与沥青标准库完全一致性。

三、结语

西派特（北京）科技有限公司针对公路施工来料沥青质量快速检测难题，基于衰减全反射FT-IR模块和化学计量学方法，研发了一种便携式沥青快速分析仪，实现了多种沥青关键性质指标的快速定量检测，来料样品与认证合格样品的一致性快速检验。单个样本检测时间从传统的几天缩短至5分钟，针入度检测结果与GBT-4509-2010测定值的平均绝对标准偏差小于1.5，软化点的偏差小于0.2，其检测精度分别为2.2和0.8。

该款沥青快速分析仪具有便携、操作方便、智能化和自动化程度高等优点，解决了沥青质量快速检测技术难题，对公路建设施工中来料沥青质量监管具有重要实际意义，也适用于沥青生产厂家和相关行业质检部门的实验分析。