一、技術(shù)背景

瀝青是道路領(lǐng)域中的重要材料，道路瀝青包括基質(zhì)瀝青和改性瀝青等。其中，瀝青的針入度、軟化點、延度、蠟含量、SBS含量是評價瀝青材料路用性能的重要物理力學(xué)質(zhì)量指標(biāo)，也是瀝青生產(chǎn)、瀝青銷售和道路施工等過程中必須檢測的指標(biāo)，目前各宏觀物理力學(xué)指標(biāo)的檢測仍然分別沿用GBT 4507-2014瀝青軟化點測定法（環(huán)球法）、GBT 4508-2010瀝青延度測定法、GBT4509-2010瀝青針入度測定法、SHTO 425-2003石油瀝青蠟含量測定法測定，指標(biāo)的檢測過程需要多種瀝青檢測設(shè)備，操作過程復(fù)雜，檢測周期長，長期存在著檢測結(jié)果滯后于需求的情況，嚴(yán)重影響著過程中對瀝青質(zhì)量的監(jiān)控，因此有必要研究瀝青性能的快速檢測技術(shù)。

二、基本原理

ASTM（American Society for Testing and Materials）定義瀝青是一種來自于自然界或石油工藝的深棕色或黑色物質(zhì)，是在自然界溫度和壓力變化的條件下經(jīng)過幾百萬年的有機化學(xué)反應(yīng)形成的，瀝青質(zhì)量的90%-95%是由碳和氫構(gòu)成的，因此瀝青也被稱為碳?xì)浠衔铮瑫r還含有氮、氧、硫等雜原子和金屬元素。瀝青則是由眾多元素構(gòu)成的分子量大小不一的有機混合物，根據(jù)瀝青原油來源及后期加工工藝的不同，瀝青中含有的分子組成、結(jié)構(gòu)會有差異，這種差異可采用FTIR技術(shù)進行檢測。

FTIR全稱為FourierTransform infrared spectroscopy，即傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于分析材料的官能團，及化學(xué)反應(yīng)中材料化學(xué)鍵的變化情況，其工作原理是：光源發(fā)出紅外光，被分束器分為兩束，一束到達定鏡，一束到達動鏡，動鏡以恒定速度直線運動，兩束光也將形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會合后照射在樣品上，樣品對某些頻率的紅外光產(chǎn)生吸收，改變干涉光的強度，從而獲得樣品的干涉圖，最終通過傅里葉變換對干涉圖進行處理，得到透過率或吸光度隨波數(shù)或波長的紅外吸收光譜圖。

基于吸光度強度和化學(xué)鍵濃度之間的關(guān)系，可利用FTIR進行定量分析。布格定律最早對吸光度強度和化學(xué)鍵濃度之間的關(guān)系進行了描述，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)某些化學(xué)鍵是一種多組分的混合物，化學(xué)鍵的吸光度和化學(xué)鍵的濃度成正比。下圖為SBS改性瀝青中常見的化學(xué)鍵或官能團出現(xiàn)的波數(shù)位置。

三、應(yīng)用局限性

常規(guī)的FTIR圖形展示均為二維曲線形式，但是由于瀝青是非常復(fù)雜的多分子混合物，且不同的組分可能含有相同的化學(xué)鍵或官能團，同時FTIR最終呈現(xiàn)的吸收峰可能是數(shù)個不同組分的檢測波覆蓋、遷移或疊加組合而成，這就導(dǎo)致：①目前采用吸收峰的峰高進行SBS摻量或瀝青變化等的定量化檢測，精確度不高；②不同來源的瀝青，雖然其原油可能不同，但是其化學(xué)鍵及官能團可能僅具有微小差別，而這種差別在目前的二維全波段圖像對比分析中很容易被淹沒，從而不能準(zhǔn)確判斷瀝青材料的不同。

四、FTIR最新研究進展

科研機構(gòu)提出了FTIR紅外光譜圖的新型解析方法，不僅提高了光譜對照的針對性，同時提升了光譜對照的準(zhǔn)確性。最終實現(xiàn)了：①瀝青針入度等宏觀檢測指標(biāo)的快速準(zhǔn)確推算；②SBS改性瀝青中異樣添加物的甄別；③SBS摻量的高精度推算。

• 瀝青針入度等宏觀檢測指標(biāo)的快速準(zhǔn)確推算

通過建立瀝青紅外光譜圖與瀝青宏觀三大指標(biāo)測試結(jié)果的一一對應(yīng)數(shù)據(jù)庫，并構(gòu)建紅外光譜圖與宏觀指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，從而實現(xiàn)了通過檢測瀝青的紅外光譜圖，可以快速預(yù)測瀝青宏觀檢測指標(biāo)的數(shù)值，快速判斷瀝青質(zhì)量的波動、合格與否等。

• SBS改性瀝青中異樣添加物的甄別

通過構(gòu)建橡膠油、橡膠顆粒、橡膠粉、硫磺、抗車轍劑、PE、SBR等多種可能添加到SBS改性瀝青中的異樣物質(zhì)數(shù)據(jù)庫，從而將受檢瀝青與數(shù)據(jù)庫中的圖譜進行一一比對，可檢測SBS改性瀝青是否異常，并以報告警示或數(shù)值警示的方式提醒檢測人員。

• SBS摻量的高精度推算

由于采用了新型FTIR紅外光譜圖解析方法，大大提升了光譜對照的針對性，同時提升了光譜對照的準(zhǔn)確性。與常規(guī)的采用二維紅外光譜圖推算SBS改性瀝青中SBS摻量的結(jié)果相比，偏差比例由原來的18.18%降低到3.27%。