沥青指纹识别快速检测技术在高速公路沥青质量控制中的应用

肖 瑶，许新权，王志祥

(广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

SBS改性沥青具有优异的高温稳定性和低温稳定性，在高等级公路建设中已经得到了非常广泛的应用[1-5]。为了保证基质沥青和改性沥青的质量满足路用性能，需要对进场沥青进行全指标检测，而沥青的全指标检测试验周期较长，同时存在人为和设备等干扰因素。另一方面，SBS的市场价格较高，为了减少成本、增加利润，部分沥青供应商通过添加其他价格低廉的改性剂和化学稳定剂而降低SBS的掺量。化学稳定剂的掺加，虽然能“名义”上满足三大指标的要求，但是其对沥青路面实际的路用性能、耐久性能的影响仍待于进一步探究[6]。

根据现有的规范标准无法保证SBS改性沥青中改性剂的含量及沥青的实际路用性能，难以实现对沥青供应商的有效监管，因此，测定SBS改性沥青中SBS的含量是非常必要的。目前在道路施工现场进行SBS含量测定的主要方法为红外光谱检测技术[7-8]。本文系统梳理了近年来国内外红外光谱技术在沥青改性剂含量测定方面的研究进展，同时结合我公司自主研发的沥青指纹识别快速检测技术，在某高速公路建设过程中对基质沥青的纯度、SBS改性沥青改性剂的含量进行了测定分析，并总结了部分检测实践经验，以期为高速公路沥青质量控制提供参考。

1 红外光谱技术在沥青改性剂含量测定方面的研究进展

1995年奥本大学的Curtis等人[9]对德克萨斯州公路和公共交通部的测试方法TEX 533-C[10]进行了改进,开发了一种使用傅立叶变换红外光谱法(FTIR)的分析方法，并建立了吸光度与聚合物含量的校准曲线。在这项研究中，定性和定量分析了SBR胶乳在沥青混凝土中的存在，从而成功地确定了沥青胶乳中SBR的存在和含量。1996年美国密歇根州立大学的wei等人[11]利用傅立叶变换红外光谱仪准确检测出了改性沥青中SBS的含量，发现改性沥青红外光谱图中965 cm-1处吸收峰高度与1 375 cm-1处吸收峰高度的比值与SBS含量具有良好的线性关系。并通过制备已知SBS浓度的改性沥青样品，建立SBS浓度与吸光度关系曲线，构建了校准的标准曲线。为改性沥青在摊铺之前或之后确定改性剂SBS含量提供了技术手段。

曹贵等[12]将沥青手工拉制成可见光可以透过的薄膜，采用透射光谱法对SBS改性沥青中SBS的含量进行了测定，建立了吸光度(968cm-1)与SBS含量的线性关系。李炜光等[13]采用溴化钾固定式液体池的制样方法，对SBS改性沥青改性剂含量进行了测定。以SBS中反式丁二烯在960～970cm-1范围内的红外吸收峰作为研究对象，将965cm-1处吸光度值与SBS含量进行线性拟合，试验结果表明两者之间有良好的相关性。孙大权等[14]对比分析了SBS、基质沥青和SBS改性沥青三种物质的红外光谱图。研究发现，699cm-1和810cm-1处特征吸收峰面积比(A699/A810)与SBS含量之间具有良好的线性相关性。蒲政[15]将特征吸收峰966cm-1峰面积S966、966cm-1和813cm-1峰面积的比值S966/S813、966cm-1峰面积与966cm-1和813cm-1峰面积之和的比值S966/(S966+S813)分别与SBS改性剂含量进行线性拟合。研究发现，单一峰面积S966与SBS含量的线性相关系数只有0.554 8，相关度并不是很高，这主要是由于在测试样品的制作过程中，无法保证每个测试样品的厚度完全一致，而吸光度又受测试样品厚度的影响。当用S966/S813与SBS改性剂含量进行线性拟合后，其线性相关度较高，相关系数提升到0.945 1。利用特征官能团红外吸收峰面积比值的方法对SBS含量进行测定，可以消除样品厚度对测试精度的影响。

傅立叶变换红外光谱衰减全反射法(FTIR-ATR)具有设备体积小、制样简单、操作方便、适合现场快速检测分析等优点。该方法是将样品涂覆在ATR附件晶体上进行测试，克服了难溶、难熔样品制样的困难[16]，简化了制样和测试的过程。FTIR-ATR分析技术已成功应用于沥青路面施工现场对沥青质量的控制工作中。

2 沥青指纹识别快速检测技术的应用

利用我公司自主研发的沥青指纹识别快速检测技术，对某在建高速公路项目进场的基质沥青和SBS改性沥青进行质量检测。项目工地设立沥青指纹识别快速检测工作试验室，实验室配备空调、除湿器、稳压电源，温度控制在15℃～25℃，相对湿度控制在60%以下，ATR附件晶体温度控制在20℃左右。

2.1 定性分析

采用傅立叶变换红外光谱衰减全反射法(FTIR-ATR)对沥青供应商提供的基质沥青和SBS改性沥青进行了检测分析，基质沥青和SBS改性沥青红外吸收峰特征曲线如图1和图2所示。

图1 基质沥青红外光谱图

图2 SBS改性沥青红外光谱图

图1为基质沥青红外光谱图，在2 700cm-1和3 000cm-1处为C-H伸缩振动吸收峰；1 457cm-1处为-CH2-伸缩振动吸收峰；1 377cm-1处为-CH3-的剪式振动吸收峰；650～910cm-1处为苯取代区，是苯环中的C-H弯曲振动吸收峰。图2为SBS改性沥青红外光谱图，1 400～1 700cm-1处的红外吸收峰为SBS改性剂中苯环的振动吸收峰，966cm-1处的红外吸收峰为SBS分子中反式丁二烯=CH的面外摇摆振动吸收峰。结合基质沥青和SBS改性沥青的红外光谱图分析可知，SBS改性沥青的红外光谱图就是基质沥青和SBS红外光谱图的简单叠加，除基质沥青和SBS特征官能团吸收峰外并没有新的吸收峰，波峰的位置和数量没有发生改变，说明SBS改性沥青只是基质沥青和SBS单纯的物理共混。因此，可以通过对特征官能团红外吸收峰的分析来定性或者定量对基质沥青和SBS改性沥青进行检测分析。

2.2 基质沥青相似度分析

以沥青供应商提供的标准基质沥青样品红外光谱图为标准谱图，建立标准样品库，对某标段进场的150个基质沥青样品进行相似度比对分析，如图3所示，并对相似度检测结果进行统计分析，结果见表1。

图3 基质沥青相似度比对分析

表1 基质沥青相似度检测结果统计分析

由统计结果可以看出，某标段共检测基质沥青样品150个，其中基质沥青相似度最大值为99.9%，最小值为98.0%，均值为99.6%，方差为0.306 4，标准差为0.307 4，变异系数为0.003 1，变异系数较小，基质沥青整体质量较为稳定。

图4 基质沥青相似度

图5 基质沥青月平均相似度

图6 基质沥青相似度分布

由图4可以看出，某标段进场的基质沥青相似度整体均在98.0%以上，除少量检测样品的相似度低于99.5%，其余大部分样品检测相似度均在99.5%以上。图5汇总分析了6～10月进场的基质沥青月平均相似度，可以看出，6月进场的为99.56%，7月进场的为99.58%，8月进场的为99.73%，9月进场的为99.47%，10月进场的为99.70%;其中8月进场的最高，9月进场的最低，相差0.26个百分点。图6统计分析了基质沥青相似度分布情况，其中相似度在99.5%～100.0%之间的分布概率为79%，相似度在99.0%～99.5%之间的分布概率为14%，相似度在98.5%～99.0%之间的分布概率为5%，相似度在98.0%～98.5%之间的分布概率为2%。由基质沥青相似度分布可以看出，该标段检测的基质沥青样品93%的样品相似度在99.0%以上。

2.3 SBS改性沥青定量分析

根据沥青供应商提供的基质沥青和SBS改性剂制备不同SBS含量的改性沥青，采用傅立叶变换红外光谱仪对不同含量SBS的改性沥青进行检测，制备及检测流程如图7所示。

图7 SBS含量定量分析流程

以波峰966cm-1处的面积A966与波峰1 377cm-1处的面积A1 377比值A966/A1 377为横坐标，对应的SBS含量为纵坐标，绘制不同标样的坐标点，经线性拟合绘制标准曲线，如图8所示。由线性拟合后的标准曲线可知，SBS含量与A966/A1 377存在良好的线性相关性，相关性系数达到0.996，可以作为后期SBS改性沥青中SBS含量的检测依据。

图8 SBS含量线性拟合标准曲线

通过制备的SBS含量标准曲线对某标段进场的400个SBS改性沥青样品SBS含量进行了检测，并对检测结果进行了统计分析。

表2 SBS改性沥青SBS含量检测结果统计分析

由表2检测统计结果可以看出，某标段共检测SBS改性沥青样品400个，其中SBS含量最大值为5.1%，最小值为4.5%，均值为4.7%，方差为0.094 9，标准差为0.095 0，变异系数为0.020 3。变异系数较小，SBS含量检测值与均值偏差小于5%、均值大于4.5%，SBS含量整体稳定。

由图9可以看出，某标段进场的SBS改性沥青SBS含量整体均在4.5%以上，其中个别样品SBS含量为5.1%，检测含量较高，可能是由于取样不均匀造成的个别偏差，其余样品检测含量均在4.5%～4.9%之间。图10汇总分析了7～10月进场的SBS改性沥青SBS月平均含量，可以看出，7月进场的SBS改性沥青SBS的平均掺量为4.60%，8月进场的SBS改性沥青SBS的平均掺量为4.69%，9月进场的SBS改性沥青SBS的平均掺量为4.68%，10月进场的SBS改性沥青SBS的平均掺量为4.68%，其中8月进场的SBS改性沥青SBS的平均掺量最高，7月进场的SBS改性沥青SBS的平均掺量最低，相差0.09个百分点。

图9 SBS改性沥青SBS含量

图10 SBS改性沥青SBS月平均含量

图11 SBS改性沥青SBS含量分布

图11统计分析了SBS改性沥青中SBS含量分布情况，其中SBS含量在4.5～4.6之间的分布概率为41%，SBS含量在4.6～4.7之间的分布概率为37%，SBS含量在4.7～4.8之间的分布概率为18%，SBS含量大于4.8的分布概率为4%。

3 结语

应用FTIR-ATR光谱仪对沥青样品进行检测时，应建立标准化的沥青检测试验室，严格控制试验室的温度和湿度条件；应建立标准化的试验操作流程，严格控制待测样品与ATR晶体面接触的严密性，若样品表面与晶体面接触不严密会影响检测的精度和准确性；FTIR-ATR光谱仪长时间持续工作会导致ATR晶体温度升高，应控制检测的时间进而控制ATR晶体温度。在制样过程中，应控制沥青的加热温度和加热时间，避免沥青因长期处于高温状态而发生高温老化。必须保证SBS改性沥青取样和制样的均匀性，从而保证SBS含量测定的代表性和准确性。

沥青指纹识别快速检测技术是干扰因素最小的沥青快速检测手段，该技术的应用可实现对沥青多方位、快速的检测，不仅能够检测改性沥青中改性剂(SBS、SBR等)的含量，还可以对每批次进场沥青的纯度、老化程度进行分析，对沥青的质量进行多方面监控。在后续研究中，需进一步对红外光谱仪的设备精度、快速测试软硬件设备进行改良，实现对沥青改性剂的快速、准确化、标准化测定。