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(diǎn)、延度、蠟含量、SBS含量是評(píng)價(jià)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(guò)程中必須檢測(cè)的指標(biāo)，目前各宏觀物理力學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)仍然分別沿用GBT 4507-2014瀝青軟化點(diǎn)測(cè)定法（環(huán)球法）、GBT 4508-2010瀝青延度測(cè)定法、GBT4509-2010瀝青針入度測(cè)定法、SHTO 425-2003石油瀝青蠟含量測(cè)定法測(cè)定，指標(biāo)的檢測(cè)過(guò)程需要多種瀝青檢測(cè)設(shè)備，操作過(guò)程復(fù)雜，檢測(cè)周期長(zhǎng)，長(zhǎng)期存在著檢測(cè)結(jié)果滯后于需求的情況，嚴(yán)重影響著過(guò)程中對(duì)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(cè)技術(shù)。

二、基本原理

ASTM（American Society for Testing and Materials）定義瀝青是一種來(lái)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(guò)幾百萬(wàn)年的有機(jī)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?，同時(shí)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(jī)混合物，根據(jù)瀝青原油來(lái)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(huì)有差異，這種差異可采用FTIR技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

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(tuán)，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(dá)定鏡，一束到達(dá)動(dòng)鏡，動(dòng)鏡以恒定速度直線運(yùn)動(dòng)，兩束光也將形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會(huì)合后照射在樣品上，樣品對(duì)某些頻率的紅外光產(chǎn)生吸收，改變干涉光的強(qiáng)度，從而獲得樣品的干涉圖，最終通過(guò)傅里葉變換對(duì)干涉圖進(jìn)行處理，得到透過(guò)率或吸光度隨波數(shù)或波長(zhǎng)的紅外吸收光譜圖。

基于吸光度強(qiáng)度和化學(xué)鍵濃度之間的關(guān)系，可利用FTIR進(jìn)行定量分析。布格定律最早對(duì)吸光度強(qiáng)度和化學(xué)鍵濃度之間的關(guān)系進(jìn)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(jiàn)的化學(xué)鍵或官能團(tuán)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(tuán)，同時(shí)FTIR最終呈現(xiàn)的吸收峰可能是數(shù)個(gè)不同組分的檢測(cè)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(jìn)行SBS摻量或?yàn)r青變化等的定量化檢測(cè)，精確度不高；②不同來(lái)源的瀝青，雖然其原油可能不同，但是其化學(xué)鍵及官能團(tuán)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(duì)比分析中很容易被淹沒(méi)，從而不能準(zhǔn)確判斷瀝青材料的不同。

四、FTIR最新研究進(jìn)展

科研機(jī)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(duì)照的針對(duì)性，同時(shí)提升了光譜對(duì)照的準(zhǔn)確性。最終實(shí)現(xiàn)了：①瀝青針入度等宏觀檢測(cè)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(cè)指標(biāo)的快速準(zhǔn)確推算

通過(guò)建立瀝青紅外光譜圖與瀝青宏觀三大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果的一一對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shí)現(xiàn)了通過(guò)檢測(cè)瀝青的紅外光譜圖，可以快速預(yù)測(cè)瀝青宏觀檢測(cè)指標(biāo)的數(shù)值，快速判斷瀝青質(zhì)量的波動(dòng)、合格與否等。

• SBS改性瀝青中異樣添加物的甄別

通過(guò)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(kù)，從而將受檢瀝青與數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖譜進(jìn)行一一比對(duì)，可檢測(cè)SBS改性瀝青是否異常，并以報(bào)告警示或數(shù)值警示的方式提醒檢測(cè)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(duì)照的針對(duì)性，同時(shí)提升了光譜對(duì)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(lái)的18.18%降低到3.27%。