基于红外光谱的改性沥青SBS含量检测的可靠性分析

摘 要

目前SBS改性沥青的质量控制主要是通过对改性沥青的常规指标的检测结果进行评价。影响改性沥青的性能的关键因素之一是SBS改性剂含量。目前，改性沥青中SBS含量的检测方法便捷、有效的方法是红外光谱法。但是红外光谱法易受样品制备方式、样品浓度和环境的影响，尤其是在定量分析中采用的制样方式各不相同，这使得现有的试验结果之间无法比对分析，相互没有参考性。鉴于此，本文通过试样制备方式对红外光谱SBS含量检测的影响，得出适用于红外光谱的制样方法-涂抹法和ATR法的标准制样方式，以消除不利因素对检测结果的影响，便于红外光谱沥青质量控制方法的推广运用。

关键词

红外光谱 | 改性沥青 | SBS含量 | 检测 | 可靠性

SBS改性沥青一般常用作高等级路面的沥青混合料的胶结料，其性能直接影响路面整体品质。SBS改性沥青的生产和施工过程中，其质量控制主要是通过常规指标的检测结果进行评价。常规检测费时费力，通常需要3天以上的时间，难以快速有效鉴别改性沥青质量。目前对改性沥青中SBS掺量检测的研究比较推崇的是红外光谱法。红外光谱法研究基于Lambert-Beer定律，利用待测物质特征官能团在特定波长(波数)处的红外吸收强度与物质浓度的正比关系，进行改性沥青中SBS含量测定。研究表明SBS改性沥青的特征吸收峰与SBS含量之间有良好的线性关系，即波数699cm^-1处的聚苯乙烯的吸收峰或波数966cm^-1处的聚丁二烯的吸收峰面积与基质沥青1377cm^-1的甲基剪式振动的吸收峰的面积之比与SBS含量存在良好的线性关系。因波数为966cm^-1处的聚丁二烯特征吸收峰比较明显，峰面积较易准确地测定，应用也较方便，因此本文以966cm^-1为研究对象，以5个不同SBS含量的标准样品SBS特征峰与基质沥青特征峰的比值来制作标准曲线，再通过未知含量的样品中SBS特征峰与基质沥青特征峰的比值，来确定SBS含量，图1为改性沥青不同SBS含量下的红外光谱图。在济青高速改扩建工程改性沥青SBS含量检测过程中，由三家不同检测机构就同一样品进行检测，结果试验相差0.5%以上，这就造成对同一样品，三家检测机构给出的结果有合格和不合格两种，对实际样品的真实含量反映失实。因此本文通过控制变量法对红外光谱试验进行分析，提出适用于红外光谱法的标准制样方法。

基于红外光谱试验方法的选择

目前基于红外光谱的SBS含量检测主要有四种方法，ATR法、压片法、涂抹法和液体池法。所谓ATR法，即衰减全反射红外光谱法，采用BrukerTensor系列傅里叶变换红外光谱仪自带的ATR附件完成测试。ATR技术属于表面分析技术，它所采集的是样品深度为几个微米处的红外光谱图。ATR附件分为单次反射晶体和多次反射晶体，是基于光内反射原理而设计的。当光源发出红外光经过折射率大的晶体在折射到折射率小的样品表面上，当入射角大于临界角时，入射光线就会产生全反射。实际上红外光并不是全部被反射回来，而是穿透到样品表面内一定深度后再返回表面。在该过程中，试样在入射光频率区域内有选择吸收，反射光强度发生减弱，产生与透射吸收相类似的谱图，从而获得样品表层化学成分的结构信息。ATR法制样简单，对样品无破坏性，且对样品大小、形状和含水量没有特殊要求，理论上可以实现原位测试和实时跟踪。所谓压片法是测定固体样品应用最广的一种方法，凡易于粉碎的固体试样都可以采用此法。将样品与一定量KBr同时研磨成微米级细粉，压制成透明度好的薄片。整个操作过程必须保证KBr样品处于干燥状态，对环境要求极高。另外，虽然沥青常温下是固体，但是其样品在研磨下升温呈可延展的片状，不能分散成微米级细粉，与KBr不能很好的混合，所以此方法不适用于改性沥青SBS含量检测的制样方式。涂抹法的制样分成两部分，一是溶解沥青于四氯化碳溶液，二是将溶解的沥青涂抹于KBr晶片上，在红外烤灯或者自然状态下溶剂挥发至晶片上只剩待测样品，此方法信噪比较高。所谓液体池法是将试品溶解在适当溶剂(如四氯化碳)中制成浓度为1%~10%的溶液，置于装有岩盐窗片的液体池中，并以溶剂作空白测定红外光谱。一般液体试样及有合适溶剂的固体试样均可采用液体池法，但其制样方法较为复杂，测定谱图受外界因素影响较大。综上，在对SBS改性沥青红外光谱检测中，试验方法确定采用ATR法和涂抹法相对简单，便于操作。

红外光谱试验不同制样方式的试验结果及分析

ATR法取样方式的确定

SBS含量检测的准确性很大程度上依赖取样的是否具有代表性。就ATR法来说，目前采用比较广泛的是固态取样。目前，山东省检测机构的红外试验使用的主要仪器为布鲁克公司生产的TENSORⅡ傅里叶变换红外光谱仪，其ATR附件均是单次反射晶体。单次反射ATR附件，观测角固定，光源每次折射的点固定，这就存在被检样品如果不具有代表性，其检测结果就失实。对同一的样品，用固态取样分别从样品上、中、下部其检测结果如表1所示。

从表中可以看出，同一样品取样位置不同，其差异较大，样品本身存在离析现象，这就造成了检测结果的不准确性。为改进试验方法，重新将沥青融化，搅匀后重新取样制成约r=3mm的小球状样品，其检测结果如表2。

从图2可以看出，沥青融化后，其上、中、下部混合均匀，其试验数据离散较小，具有代表性。由此可见，ATR法采用融化后取样是可行的。

涂抹法测试条件的确定

选择能将沥青完全溶解且对红外光谱的背景测量无影响的试剂，一般采用四氯化碳溶液。选用ATR法所对应的同一样品，分别采用稀释倍数5倍，10倍，15倍的沥青溶液，选用悬滴法和喷淋法两种方式，检测待测样品。悬滴法是将待测样品用滴管或液枪取一滴滴于观测窗片上。喷淋法是将滴管(5ml)与窗片顶面呈钝角，用快速挤压滴管的方式，使沥青溶液快速的从窗体顶面至底面形成一层均匀的沥青薄膜。用两种方式检测结果如表3所示。

从图3可以看出，稀释5倍的沥青溶液浓度过高，造成其检测结果偏高，与ATR法测定的结果没有可比性，而稀释15倍的沥青溶液浓度偏低，造成其测定的结果偏低，综上选择稀释10倍时较为准确。再者，悬滴法和喷淋法，就稳定性而言，喷淋法测得的数据更为稳定，在稀释10倍时，随着试验次数的增加，试验结果变化微小如图4所示，可以确定，采用喷淋法在稀释10倍时，试验次数可以减少为1次，这就使得检测更加迅速。

确定试验条件下的样品复检

在济青高速改扩建工程改性沥青SBS含量检测过程中，由三家不同检测机构就同一样品进行检测，由于其试验条件各不相同，试验结果偏差在0.5%以上，其试验结果如表4所示，本单位标准曲线如图5所示。

对济青改扩建同一标准样品和待检样品，三家单位确定同一试验条件，涂抹法:采用喷淋法，1∶10倍稀释，ATR法采用融化热状态取样，重新制作标准曲线，其检测结果如表5所示，本单位标准曲线如图6所示。

由试验结果可以看出，确定试验方法后，三家单位的检测结果均与真实值相差较小，均能真实的反应样品的SBS含量，试验结果具有可比性。

结语

确定最佳试验方法为ATR融化取样法和涂抹喷淋法，基于Lambert-Beer定律建立的标准曲线可以实现对SBS改性沥青快捷地定量分析的目的，能真实的反应样品的SBS含量。确定最佳制样方式，有利于红外光谱SBS含量的可靠性分析，有利于检测机构之间检测结果的可比性，对控制改性沥青SBS含量有据可依，对工地现场施工单位自检是一种指导方式，避免因数据结果的不准确造成的损失，有利于全省的SBS改性沥青的质量控制。

全文完。首发于《公路交通技术》技应用技术版2019年6期。添加主编微信CNLQLM99，链接中国沥青路面资源。