基于多种ATR附件的沥青红外光谱对比分析

沥青路面是我国的典型道路结构形式，其中，沥青作为胶结材料，其本身的质量对沥青路面的使用性能的和服役寿命有着重要的影响。并且，沥青市场较为混乱，质量差异巨大，常出现运输到施工现场的沥青被随意调换品牌、国内基质沥青充当进口沥青以及改性沥青中SBS掺假等情况。在公路建设过程中对沥青质量传统的检测方法，主要采用我国现有传统的沥青指标检测体系和国际上的流变试验方法，通过标准试验来判定沥青各项质量指标是否符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）的要求。  

目前，在施工现场常用沥青三大指标以及SHRP的指标体系来检验沥青质量。这些方法存在试验频率高、周期长、价格昂贵、评价指标较多、试验结果存在一定误差以及无法准确识别性能接近或相似的沥青等问题，导致检测结果不能及时真实地反映到场沥青的真实质量，沥青路面的建设质量无法得到充分保证。  

沥青红外光谱识别技术，是一种依据沥青分子内部化学官能团的相对振动、转动等信息来鉴别分子结构的技术措施，具有快速无损、检测效率高、准确性好等特点。通过化学、数学、统计学、计算机等学科的结合，对红外光谱的测试数据进行处理与分析，可得到沥青红外光谱图中的特征吸收峰位置、数目、相对强度和形状等参数，从而可推断出物质的组成和各组分的含量。

红外光谱作为沥青质量快速检测有效手段已经得到研究与应用，主要集中在沥青相似度分析、沥青老化、SBS含量检测等方面。红外光谱分析一般分为透射分析法和反射分析法（ATR）。目前，在施工现场应用较多的是单点ATR法，而《SBS改性沥青改性剂含量测试方法红外光谱法》（JT/T1329-2020）中采用的是透射法。因此，通过测试基质沥青相似度以及改性沥青SBS含量的准确性，对比分析了单点ATR法、多点ATR法以及透射法这3种方法的优缺点。  

从左到右为单点ATR附件（ZnSe晶体），多点反射ATR附件，透射附件  

制样方法  

两种ATR法制样较为简单，对样品大小、形状没有特殊要求。其中，单点ATR法是在测试时将沥青加热后直接均匀涂抹在单点ATR附件（ZnSe晶体）上；多点ATR法则是将沥青涂抹在附件晶体板上进行测试；透射法制样更为复杂。根据《SBS改性沥青改性剂含量测试方法红外光谱法》（JT/T1329-2020）要求，先制作KBr压片，涂抹热沥青后再进行试验检测，整个过程需耗时大约5min。透射法对环境要求高，必须保证KBr样品处于干燥状态，并且KBr粉末应进行充分研磨，确保分散成微米级的粉末。在每次数据采集完成后，用三氯乙烯对晶体进行清洗并风干，然后进行下一次测试。  

基质沥青相似度  

比对基质沥青相似度时，用单点ATR法、多点ATR法以及透射法对基质沥青分别进行4次平行试验，以第1次试验的红外光谱图为标准图谱，用第2~4次的图谱进行对比，查看每种测试方法的检测相似度平均值。3种测试方法都较为稳定，相似度平均值在0.98以上，透射法相似度平均值比较高，可达0.999591。  

改性沥青SBS含量  

测试改性沥青SBS含量时，根据《SBS改性沥青改性剂含量测试方法红外光谱法》（JT/T1329-2020）要求，制作5个标准样。5个标准样中SBS添加量分别为：1.068%、1.966%、2.960%、4.047%、5.044%。此外，采用同样的方法制备1个待测样，SBS添加量为1.97%。下面以透射法为例对测试过程进行说明：（1）采用透射法测试5个标准样的红外光谱，具体情况如图所示；  

（2）利用化学计量软件分别测量吸收峰966cm^-1、1377cm^-1的峰面积S966、S1377，具体如图4所示；（3）按式A=S966/S1377计算各标准样的吸收峰966cm^-1与吸收峰1377cm^-1的峰面积之比，并建立标准曲线；

（4）测试待测样品。计算待测样品红外光谱中吸收峰966cm^-1与1377cm^-1的峰面积之比，并通过标准曲线，计算出待测样品SBS含量。采用单点ATR法和多点ATR法，通过相同流程得出待测样品的SBS含量，结题如表所示。根据测试结果，3种方法的标准曲线相关性好，均在0.996以上。其中，透射法测试结果为1.96887，与真实值较为接近。  

总结  

根据测试结果，单点ATR法是利用全反射原理来对样品进行测定，操作较为快捷简便，可在施工现场实现沥青质量的快速鉴别，并且测试晶体不容易损坏，但单点ATR的测试能量低，谱图噪声反应明显，精确度相对更低；与单点ATR法相比，多点ATR法的光路经过了多次反射，显著提高了红外光谱的灵敏度，但多点ATR法所用晶体板易磨损，维修成本高；透射法得到的红外光谱图相似度比较高，SBS含量的测试结果较接近真实值，但该方法样品制备时间长，且对测试环境有较高要求。在施工现场等条件简陋的环境，适用性不强。  

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