楊光昊

(江蘇百盛工程咨詢有限公司 江蘇南京 210046)

瀝青路面是我國(guó)的典型道路結(jié)構(gòu)形式，其中，瀝青作為膠結(jié)材料，其本身的質(zhì)量對(duì)瀝青路面的使用性能的和服役壽命有著重要的影響。并且，瀝青市場(chǎng)較為混亂，質(zhì)量差異巨大，常出現(xiàn)運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)的瀝青被隨意調(diào)換品牌、國(guó)內(nèi)基質(zhì)瀝青充當(dāng)進(jìn)口瀝青[1]以及改性瀝青中SBS摻假[2]等情況。在公路建設(shè)過程中對(duì)瀝青質(zhì)量傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，主要采用我國(guó)現(xiàn)有傳統(tǒng)的瀝青指標(biāo)檢測(cè)體系和國(guó)際上的流變?cè)囼?yàn)方法，通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)來(lái)判定瀝青各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)是否符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求[3]。目前，在施工現(xiàn)場(chǎng)常用瀝青三大指標(biāo)以及SHRP的指標(biāo)體系來(lái)檢驗(yàn)瀝青質(zhì)量。這些方法存在試驗(yàn)頻率高、周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴、評(píng)價(jià)指標(biāo)較多、試驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差以及無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別性能接近或相似的瀝青等問題[4-5]，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不能及時(shí)真實(shí)地反映到場(chǎng)瀝青的真實(shí)質(zhì)量，瀝青路面的建設(shè)質(zhì)量無(wú)法得到充分保證。

瀝青紅外光譜識(shí)別技術(shù)，是一種依據(jù)瀝青分子內(nèi)部化學(xué)官能團(tuán)的相對(duì)振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等信息來(lái)鑒別分子結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施[5]，具有快速無(wú)損、檢測(cè)效率高、準(zhǔn)確性好等特點(diǎn)。通過化學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的結(jié)合，對(duì)紅外光譜的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，可得到瀝青紅外光譜圖中的特征吸收峰位置、數(shù)目、相對(duì)強(qiáng)度和形狀等參數(shù)，從而可推斷出物質(zhì)的組成和各組分的含量[6]。

紅外光譜作為瀝青質(zhì)量快速檢測(cè)有效手段已經(jīng)得到較為廣泛的研究與應(yīng)用，主要集中在瀝青相似度分析[5]、瀝青老化[7-8]、SBS 含量檢測(cè)[9]等方面。紅外光譜分析一般分為透射分析法和反射分析法（ATR）。目前，在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多的是是單點(diǎn)ATR 法，而《SBS改性瀝青改性劑含量測(cè)試方法 紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）中采用的是透射法。因此，該文通過測(cè)試基質(zhì)瀝青相似度以及改性瀝青SBS 含量的準(zhǔn)確性，對(duì)比分析了單點(diǎn)ATR 法、多點(diǎn)ATR 法以及透射法這3 種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用韓國(guó)雙龍70 號(hào)道路石油瀝青。經(jīng)檢測(cè)，基質(zhì)瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足要求，檢測(cè)結(jié)果具體見表1。該文所用SBS改性瀝青則根據(jù)《SBS改性瀝青改性劑含量測(cè)試方法 紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）要求在室內(nèi)進(jìn)行制備。

表1 基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

采用昌吉SYD-0673M便攜瀝青紅外光譜儀，采集范圍600～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)為64次。試驗(yàn)方法按照所用ATR 附件的不同，分為單點(diǎn)ATR法、多點(diǎn)ATR 法以及透射法（見圖1）。兩種ATR 法制樣較為簡(jiǎn)單，對(duì)樣品大小、形狀沒有特殊要求。其中，單點(diǎn)ATR 法是在測(cè)試時(shí)將瀝青加熱后直接均勻涂抹在單點(diǎn)ATR 附件（ZnSe 晶體）上；多點(diǎn)ATR 法則是將瀝青涂抹在附件晶體板上進(jìn)行測(cè)試（見圖2）；透射法制樣更為復(fù)雜。根據(jù)《SBS 改性瀝青改性劑含量測(cè)試方法紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）要求，先制作KBr壓片，涂抹熱瀝青后再進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，整個(gè)過程需耗時(shí)大約5 min。透射法對(duì)環(huán)境要求高，必須保證KBr樣品處于干燥狀態(tài)，并且KBr粉末應(yīng)進(jìn)行充分研磨，確保分散成微米級(jí)的粉末。在每次數(shù)據(jù)采集完成后，用三氯乙烯對(duì)晶體進(jìn)行清洗并風(fēng)干，然后進(jìn)行下一次測(cè)試。

圖1 不同紅外光譜檢測(cè)方法

圖2 將被測(cè)瀝青涂抹于附件晶體板（多點(diǎn)ATR法）

2 基質(zhì)瀝青相似度

比對(duì)基質(zhì)瀝青相似度時(shí)，用單點(diǎn)ATR 法、多點(diǎn)ATR 法以及透射法對(duì)基質(zhì)瀝青分別進(jìn)行4 次平行試驗(yàn)，以第1 次試驗(yàn)的紅外光譜圖為標(biāo)準(zhǔn)圖譜，用第2～4次的圖譜進(jìn)行對(duì)比，查看每種測(cè)試方法的檢測(cè)相似度平均值。3 種測(cè)試方法都較為穩(wěn)定，相似度平均值在0.98 以上，透射法相似度平均值最高，可達(dá)0.999 591。具體結(jié)果如表2所示。

表2 基質(zhì)瀝青相似度對(duì)比結(jié)果

3 改性瀝青SBS含量

測(cè)試改性瀝青SBS 含量時(shí)，根據(jù)《SBS 改性瀝青改性劑含量測(cè)試方法 紅外光譜法》（JT/T 1329-2020）要求，制作5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣。5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣中SBS 添加量分別為：1.068%、1.966%、2.960%、4.047%、5.044%。此外，采用同樣的方法制備1 個(gè)待測(cè)樣，SBS 添加量為1.97%。下面以透射法為例對(duì)測(cè)試過程進(jìn)行說(shuō)明：（1）采用透射法測(cè)試5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣的紅外光譜，具體情況如圖3 所示；（2）利用化學(xué)計(jì)量軟件分別測(cè)量吸收峰966 cm-1、1 377 cm-1的峰面積S966、S1377，具體如圖4所示；（3）按式A=S966/S1377 計(jì)算各標(biāo)準(zhǔn)樣的吸收峰966 cm-1與吸收峰1 377 cm-1的峰面積之比，并建立標(biāo)準(zhǔn)曲線；（4）測(cè)試待測(cè)樣品。計(jì)算待測(cè)樣品紅外光譜中吸收峰966 cm-1與1 377 cm-1的峰面積之比，并通過標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算出待測(cè)樣品SBS 含量。采用單點(diǎn)ATR 法和多點(diǎn)ATR 法，通過相同流程得出待測(cè)樣品的SBS 含量，結(jié)題如表3 所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，3 種方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性好，均在0.996 以上。其中，透射法測(cè)試結(jié)果為1.968 87，與真實(shí)值最為接近。

表3 改性瀝青SBS含量檢測(cè)結(jié)果

圖3 透射法測(cè)試各標(biāo)準(zhǔn)樣的紅外圖譜

圖4 將被測(cè)瀝青涂抹于晶體板（多點(diǎn)ATR法）

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，單點(diǎn)ATR法是利用全反射原理來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定，操作最為快捷簡(jiǎn)便，可在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)瀝青質(zhì)量的快速鑒別，并且測(cè)試晶體不容易損壞，但單點(diǎn)ATR 的測(cè)試能量低，譜圖噪聲反應(yīng)明顯，精確度相對(duì)更低；與單點(diǎn)ATR 法相比，多點(diǎn)ATR 法的光路經(jīng)過了多次反射，顯著提高了紅外光譜的靈敏度，但多點(diǎn)ATR 法所用晶體板易磨損，維修成本高；透射法得到的紅外光譜圖相似度最高，SBS 含量的測(cè)試結(jié)果最接近真實(shí)值，但該方法樣品制備時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)測(cè)試環(huán)境有較高要求。在施工現(xiàn)場(chǎng)等條件簡(jiǎn)陋的環(huán)境，適用性不強(qiáng)。