红外光谱对改性沥青质量检测评价方法研究

任旭初 吴方钰 徐项通 汤银亭 黄宜春

摘要：面對我国公路建设规模日益扩大，通行量呈现有增无减的趋势，这就需要公路建设材料具有良好的耐久、高强的性能要求。红外光谱是控制沥青质量的重要技术。该文提出采用衰减全反射ATR进行沥青红外光谱检测，基于相似度评价指标，将标准样品与改性沥青样品红外光谱图比对，对可能掺入沥青的渣油等添加剂，确定其特征峰的位置和大小，建立针对此类掺假物的鉴别与掺量确定方法，为类似工程提供参考意见。

关键词：红外光谱    相似度指标    沥青质量检测    研究

中图分类号：O657，33  文献标识码：A

Research on the Quality Detection and Evaluation Method of Modified Asphalt by Infrared Spectroscopy

REN  Xuchu1  WU  Fangyu2  XU  Xiangtong1  TANG  Yinting1  HUANG  Yichun1

（1. Construction Headquarters of Ningbo Zhoushan Port Main Channel Project， Ningbo， Zhejiang Province， 316000 China; 2. Zhejiang University， Hangzhou， Zhejiang Province， 310058 China）

Abstract： In the face of the increasing scale of highway construction in China and the trend of increasing traffic， which requires highway construction materials to have good durability and high performance requirements. Infrared spectroscopy is an important technology to control asphalt quality. This paper proposes to use attenuated total reflection （ATR）  to detect the infrared spectrum of asphalt， based on the similarity evaluation index，  compare the infrared spectrum diagrams of standard samples and modified asphalt samples， and determine the position and size of characteristic peaks of additives such as residue oil that may be mixed with asphalt， and establish the identification and dosage determination method of such adulterants， so as to provide reference opinions for similar projects.

Key Words： Infrared spectroscopy; Similarity index; Asphalt quality inspection; Research

“十四五”规划提出，我国需要建设现代化综合交通运输体系，提升城市圈的交通一体化进程。截至2021年底，中国公路桥梁的数量已达到528.07万km，较2020年增加约8.26万km。我国公路建设规模日益扩大、通行量有增无减的趋势，要求公路建设材料要有良好的耐久性及高强的性能[1]。沥青作为一种不可再生的石油资源，资源短缺且价格日益昂贵。很多商家为了谋取利益的最大化，選择掺入其他添加剂，以次充好，短期内可提高沥青样品的力学性能，但长期使用会影响沥青路面的耐久性能。为了避免和预防因沥青质量问题而出现的路面病害，对沥青的现场质量检测是十分有必要的。

在传统的高速公路施工过程中，主要依赖实验室评价沥青质量，通过测定沥青的三大指标（针入度、软化点、延度），从物理层面判定样品是否掺假[2]。其检测周期长且准确性低，难以满足工程需求。傅里叶红外光谱技术是现阶段控制沥青质量的最先进现场技术。基于此，该文以期通过对改性沥青的红外光谱图研究，从微观层面上检测沥青的质量，对沥青的发展提供合理的研究方向，为有效鉴别掺假的改性沥青提供解决思路[3]。

1  红外光谱对改性沥青质量检测现状

1.1 技术原理

傅里叶红外光谱作为“沥青的指纹”，被广泛应用于沥青组成和各组分含量的现场检测中[4]。当红外射线照在沥青上，会引起沥青中分子的振动，不同频率的光由不同的基团吸收，形成了红外吸收光谱。

沥青的主要组分为烃类、羰基化合物和其他有机含氧化合物。沥青样品质量若存在差异，红外吸收峰位置基本一致，大部分情况也不会出现新的特征峰。而针对SBS改性剂，不管是星型、线型，由于其主要成分基本相同，因此特征峰的位置基本一致。以基质沥青和SBS沥青为例，沥青红外光谱中不同波数对应的化学官能团特征峰如表1和表2所示。

SBS改性沥青的红外光谱图与基质沥青、SBS改性剂叠加的光谱图效果类似，其中966 cm-1、及1 377 cm-1处特征峰基本保持一致。因此，可以认为SBS改性沥青的红外谱图可以等效为基质沥青图与SBS改性剂图的叠加，这后文对沥青红外光谱进行定量分析奠定了基础。

1.2  红外光谱分析优势

1.2.1 操作简单

该文采用便携式沥青指纹识别仪，对沥青进行红外光谱分析，具有易于携带、操作简单、实时监测的优点[5]。测试人员只需经过简单培训就可掌握系统的相关操作，施工现场可及时、有效的监控沥青质量，进行现场监测。

1.2.2 检测快速

检测时可自动进行比对，从生成红外谱图到生成沥青质量结果的判断，耗时2 min左右，快速地判定沥青品牌，鉴别混兑调和沥青，能够满足施工现场对时间的把控，现场使用流程如图1所示。

1.2.3 智能识别

使用ATR附件，沥青无须加热溶化，即时进行数据采集测试，远程传输至项目管理者，做到实时监控，可评价每一车沥青的质量状况。如有异常情况，及时进行异常报警，并以短信通知管理者，实时发现并解决问题，实现实时动态监控。

1.3  沥青指纹识别

传统的沥青质量控制是在实验室内完成的，存在耗时长、检测效率低的局限性，不能很好的分辨出以次充好、相互混兑等现象，给工程建设带来很多隐患。因此，国内外对沥青含量检测做了大量的研究，控制其品质的提高。

而通过红外光谱扫描未知沥青样品，可快速生成其官能团特征峰位置及大小，通过系统内光谱数据库、自动采集和比对、数据统计分析三大模块，实现数据的实时采集、上传与统计分析的功能，最终辨别出是否掺入其他添加剂。

2  试验检测方案

2.1  设备选择

该文选用美国Thermo公司生产的Is5型红外光谱设备，采用衰减全反射ATR进行沥青红外光谱检测[6]，设备外观如图2所示。

2.2  关键参数分析

基于红外光谱的设备组成、硬件条件以及对检测结果的影响，项目组通过分析对设备的关键参数进行总结如下。

2.2.1波数范围

红外光谱设备所能检测的波数范围由光源所决定，不同的波段使用不同的光源，根据沥青本身的光谱特性，红外光谱设备的光谱范围达到满足500～4 000 cm-1中红外范围即可。

2.2.2分辨率

红外光谱的分辨率用波束cm-1表示，反映的是分辨两条相邻谱线的能力，分辨率太高容易导致误判，分辨率较低会导致难以区分检测结果。虽然很多设备的分辨率可以达到0.5 cm-1，但是大量的文献调研表明，通常在沥青检测时分辨率一般设置为4 cm-1。

2.2.3信噪比

信噪比作为红外光谱仪器的重要指标之一，直接影响分析结果的准确度和精确度。市场上常见设备的信噪比为15 000∶1、30 000∶1 、40 000∶1，信噪比越高检测数据越精确。根据仪器光源的稳定性，选择的信噪比≥30 000∶1即可。

综上本文的光外光谱仪关键参数选择为：分辨率≥1 cm-1，波数范围≥500～4 000 cm-1，信噪比≥30 000∶1。

2.3  相似度检测

针对红外光谱图的技术原理，本文提出相似度分析法将标准样品与沥青样品红外光谱图比对，通过特征值对应的吸收强度的差异性进行相似度分析[7]。吸收强度为特定官能团的特征峰面积，不同样品官能团面积的重合度反映了其化学成分上的差异。根据工程应用经验，沥青样品和标准样品属于同一品牌、同一批次的相似度界限为98%，即相似度指标的阈值定为98%，当相似度指标在98%以上时，可以认为不存在掺假、勾兑等造假行为，反之存在造假行为。

3  改性材料质量检测评价

实际工程中常使用渣油、增粘剂、地炼沥青、增硫剂等添加剂进行掺假，该文分别对改性沥青进行红外光谱试验，分析添加剂掺量变化对相似度指标的影响，从而确定红外光谱试验方法的可行性。

3.1  掺加渣油的鉴别

该文从山东炼油厂收集了渣油样品，掺进宝利SBS改性沥青中，掺量设为：0%、4%、6%、8%、10%，不同渣油产量下进行了红外光谱试验，以未掺榨油的改性沥青为标准样，计算不同渣油掺量下的改性样品与对照样品的相似度指标变化，如图3所示。

由图3可知，随着渣油掺量的增加，相似度指标呈下降趋势，当渣油掺量为4%时，相似度降为97.53%，不满足98%的控制标准；含量超过4%后，相似度下降明显，对改性沥青的性能不利。因此可以得出，该红外光谱试验方法可以有效鉴别出渣油掺量超过4%的SBS改性沥青。

3.2 掺加增粘剂的鉴别

该文从市面上收集了高聚增粘剂样品，掺进宝利SBS改性沥青中，掺量设为：0%、4%、6%、8%，不同增粘剂掺量下进行了红外光谱试验，以未掺增粘剂的改性沥青为标准样，计算不同增粘剂掺量下的改性样品与对照样品的相似度指标变化，如图4所示。

从图中可以看出，随着增粘剂掺量的增加，相似度指标呈下降趋势，当增粘剂掺量为2%时仍能达到98%以上；当相似度为4%时，相似度降为97.09%，不满足98%的控制标准；含量超过4%后，相似度下降明显，对改性沥青的配伍性不利。因此可以得出，该红外光谱试验方法可以有效鉴别出增粘剂掺量超过4%的SBS改性沥青。

3.3 掺加地炼沥青的鉴别

该文从山东某小型炼油厂收集了地炼沥青样品，掺进宝利SBS改性沥青中，掺量设为：0%、10%、20%、30%、40%，不同地炼沥青掺量下进行了红外光谱试验，以未掺地炼沥青的改性沥青为标准样，计算不同地炼沥青掺量下的改性样品与对照样品的相似度指标变化，如下图5所示。

从图中可以看出，随着地炼沥青掺量的增加，相似度指标呈下降趋势，当地炼沥青掺量为20%时，相似度仍可以达到98%以上，当掺量增至30%，相似度降为97.18%，不满足98%的控制标准；含量超过30%后，相似度下降明显。因此可以得出，该红外光谱试验方法可以有效鉴别出地炼沥青掺量超过30%的SBS改性沥青。

3.4 掺加增硫剂的鉴别

该文从市面上收集了增硫剂样品，掺进宝利SBS改性沥青中，掺量设为：0‰、2‰、4‰、6‰、8‰，不同增硫剂掺量下进行了红外光谱试验，以未掺增硫剂的改性沥青为标准样，计算不同增硫剂掺量下的改性样品与对照样品的相似度指标变化，试验结果如下图6所示。

由图6可知，虽然增硫剂的掺量较低，但相似度指标下降的最为明显，随着增硫剂掺量的增加，相似度指标呈下降趋势，当增硫剂掺量为2‰时，仍可达到98%的指标，当掺量为4‰时，相似度降为97.71%，不满足98%的控制标准；含量超过4‰后，相似度持续下降，导致改性沥青反应剧烈，对其路用性能不利。因此可以得出，该红外光谱试验方法可以有效鉴别出增硫剂掺量超过4‰的SBS改性沥青。

通过对以上4种改性材料的鉴别试验可以看出，以98%的相似度为控制标准，有效鉴别了渣油、增粘剂、地炼沥青和增硫剂的掺假现象，掺量分别为4%、4%、30%及4‰以上，红外光谱检测方法对于此类添加剂具有较高的检测敏感性。

4  结语

SBS改性沥青966 cm-1、及1 377 cm-1处特征峰大小和面积，SBS改性沥青的红外谱图可以等效为基质沥青图与SBS改性剂图的叠加。

不同样品官能团面积的重合度反映了其化学成分上的差异，可通过特征值对应的吸收强度的差异性进行相似度分析。相似度阈值设为98%，指标低于98%时，可判定改性沥青中存在掺假的现象。

通过对4种改性材料的鉴别试验，分析不同改性剂掺量下红外光谱的相似度变化，有效地鉴别了渣油、增粘剂、地炼沥青和增硫剂的掺假现象，掺量分别为4%、4%、30%及4‰以上。

参考文献

[1] 黄爽.基于PG和红外光谱的复合改性沥青流变特性分析[D].哈尔滨：东北林业大学，2021.

[2] 蒋兴铨，刘孟祥.红外光谱技术在高速公路沥青质量监控中的应用[J]. 施工技术，2020，49（23）：50-53，106.

[3] 郝亚苹，毛三鹏，郑贵涛，等.红外光谱在沥青分析中的应用及其发展趋势[J].石油沥青，2021，35（3）：35-39.

[4] 吴旻.红外光谱检测技术在干线公路养护工程沥青质量控制中的应用研究[J].上海公路，2021（4）：11-15，141.

[5] 馬子嵘.基于红外光谱技术的沥青质量现场检测[J].分析仪器，2022（1）：75-82.

[6] 张银博，马莲霞，李耀业.基于红外光谱的沥青常规物理指标预测匹配性研究[J].湖南交通科技，2022，48（1）：13-15.

[7] 肖瑶， 许新权， 王志祥. 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[J]. 广东公路交通， 2020， 46（3）： 30-34+43.