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基于红外光谱的沥青性能快速检测技术

作者:
发布时间:
2018/10/27
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  一、技术背景

  沥青是道路领域中的重要材料,道路沥青包括基质沥青和改性沥青等。其中,沥青的针入度、软化点、延度、蜡含量、SBS含量是评价沥青材料路用性能的重要物理力学质量指标,也是沥青生产、沥青销售和道路施工等过程中必须检测的指标,目前各宏观物理力学指标的检测仍然分别沿用GBT 4507-2014沥青软化点测定法(环球法)、GBT 4508-2010沥青延度测定法、GBT4509-2010沥青针入度测定法、SHTO 425-2003石油沥青蜡含量测定法测定,指标的检测过程需要多种沥青检测设备,操作过程复杂,检测周期长,长期存在着检测结果滞后于需求的情况,严重影响着过程中对沥青质量的监控,因此有必要研究沥青性能的快速检测技术。

  二、基本原理

  ASTM(American Society for Testing and Materials)定义沥青是一种来自于自然界或石油工艺的深棕色或黑色物质,是在自然界温度和压力变化的条件下经过几百万年的有机化学反应形成的,沥青质量的90%-95%是由碳和氢构成的,因此沥青也被称为碳氢化合物,同时还含有氮、氧、硫等杂原子和金属元素。沥青则是由众多元素构成的分子量大小不一的有机混合物,根据沥青原油来源及后期加工工艺的不同,沥青中含有的分子组成、结构会有差异,这种差异可采用FTIR技术进行检测。

  FTIR全称为FourierTransform infrared spectroscopy,即傅氏转换红外线光谱分析仪,已经被广泛应用于分析材料的官能团,及化学中材料化学键的变化情况,其工作原理是:光源发出红外光,被分束器分为两束,一束到达定镜,一束到达动镜,动镜以恒定速度直线运动,两束光也将形成光程差,产生干涉。干涉光在分束器会合后照射在样品上,样品对某些频率的红外光产生吸收,改变干涉光的强度,从而获得样品的干涉图,最终通过傅里叶变换对干涉图进行处理,得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。

  基于吸光度强度和化学键浓度之间的关系,可利用FTIR进行定量分析。布格定律最早对吸光度强度和化学键浓度之间的关系进行了描述,并在此基础上发现某些化学键是一种多组分的混合物,化学键的吸光度和化学键的浓度成正比。下图为SBS改性沥青中常见的化学键或官能团出现的波数位置。

  三、应用局限性

  常规的FTIR图形展示均为二维曲线形式,但是由于沥青是非常复杂的多分子混合物,且不同的组分可能含有相同的化学键或官能团,同时FTIR最终呈现的吸收峰可能是数个不同组分的检测波覆盖、迁移或叠加组合而成,这就导致:①目前采用吸收峰的峰高进行SBS掺量或沥青变化等的定量化检测,精确度不高;②不同来源的沥青,虽然其原油可能不同,但是其化学键及官能团可能仅具有微小差别,而这种差别在目前的二维全波段图像对比分析中很容易被淹没,从而不能准确判断沥青材料的不同。

  四、江苏中路FTIR最新研究进展

  江苏中路创新性的提出了FTIR红外光谱图的新型解析方法,不仅提高了光谱对照的针对性,同时提升了光谱对照的准确性。最终实现了:①沥青针入度等宏观检测指标的快速准确推算;②SBS改性沥青中异样添加物的甄别;③SBS掺量的高精度推算。

  沥青针入度等宏观检测指标的快速准确推算

  通过建立沥青红外光谱图与沥青宏观三大指标测试结果的一一对应数据库,并构建红外光谱图与宏观指标的数学模型,从而实现了通过检测沥青的红外光谱图,可以快速预测沥青宏观检测指标的数值,快速判断沥青质量的波动、合格与否等。

  SBS改性沥青中异样添加物的甄别

  通过构建橡胶油、橡胶颗粒、橡胶粉、硫磺、抗车辙剂、PE、SBR等多种可能添加到SBS改性沥青中的异样物质数据库,从而将受检沥青与数据库中的图谱进行一一比对,可检测SBS改性沥青是否异常,并以报告警示或数值警示的方式提醒检测人员。

  SBS掺量的高精度推算

  由于采用了新型FTIR红外光谱图解析方法,大大提升了光谱对照的针对性,同时提升了光谱对照的准确性。与常规的采用二维红外光谱图推算SBS改性沥青中SBS掺量的结果相比,偏差比例由原来的18.18%降低到3.27%。