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基于紅外光譜的瀝青性能快速檢測技術
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天津市能譜科技有限公司

时间: 2019-05-07 浏览量: 15

一、技術背景

瀝青是道路領域中的重要材料,道路瀝青包括基質瀝青和改性瀝青等。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質量指標,也是瀝青生産、瀝青銷售和道路施工等過程中必須檢測的指標,目前各宏觀物理力學指標的檢測仍然分別沿用GBT 4507-2014瀝青軟化點測定法(環球法)、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,指標的檢測過程需要多種瀝青檢測設備,操作過程複雜,檢測周期長,長期存在著檢測結果滯後于需求的情況,嚴重影響著過程中對瀝青質量的監控,因此有必要研究瀝青性能的快速檢測技術。

基于紅外光譜的瀝青性能快速檢測技術

二、基本原理

ASTMAmerican 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,是在自然界溫度和壓力變化的條件下經過幾百萬年的有機化學反應形成的,瀝青質量的90%-95%是由碳和氫構成的,因此瀝青也被稱爲碳氫化合物,同時還含有氮、氧、硫等雜原子和金屬元素。瀝青則是由衆多元素構成的分子量大小不一的有機混合物,根據瀝青原油來源及後期加工工藝的不同,瀝青中含有的分子組成、結構會有差異,這種差異可采用FTIR技術進行檢測。

FTIR全稱爲FourierTransform infrared spectroscopy,即傅氏轉換紅外線光譜分析儀,已經被廣泛應用于分析材料的官能團,及化學反應中材料化學鍵的變化情況,其工作原理是:光源發出紅外光,被分束器分爲兩束,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,産生幹涉。幹涉光在分束器會合後照射在樣品上,樣品對某些頻率的紅外光産生吸收,改變幹涉光的強度,從而獲得樣品的幹涉圖,最終通過傅裏葉變換對幹涉圖進行處理,得到透過率或吸光度隨波數或波長的紅外吸收光譜圖。

基于吸光度強度和化學鍵濃度之間的關系,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鍵濃度之間的關系進行了描述,並在此基礎上發現某些化學鍵是一種多組分的混合物,化學鍵的吸光度和化學鍵的濃度成正比。下圖爲SBS改性瀝青中常見的化學鍵或官能團出現的波數位置。

三、應用局限性

常規的FTIR圖形展示均爲二維曲線形式,但是由于瀝青是非常複雜的多分子混合物,且不同的組分可能含有相同的化學鍵或官能團,同時FTIR最終呈現的吸收峰可能是數個不同組分的檢測波覆蓋、遷移或疊加組合而成,這就導致: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;不同來源的瀝青,雖然其原油可能不同,但是其化學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,從而不能准確判斷瀝青材料的不同。

基于紅外光譜的瀝青性能快速檢測技術

四、FTIR最新研究進展

科研機構提出了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准確性。最終實現了:瀝青針入度等宏觀檢測指標的快速准確推算;SBS改性瀝青中異樣添加物的甄別;SBS摻量的高精度推算。

  • 瀝青針入度等宏觀檢測指標的快速准確推算

通过建立沥青紅外光譜图与沥青宏观三大指标测试结果的一一对应数据库,并构建紅外光譜图与宏观指标的数学模型,从而实现了通过检测沥青的紅外光譜图,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改性瀝青中異樣添加物的甄別

通過構建橡膠油、橡膠顆粒、橡膠粉、硫磺、抗車轍劑、PESBR等多種可能添加到SBS改性瀝青中的異樣物質數據庫,從而將受檢瀝青與數據庫中的圖譜進行一一比對,可檢測SBS改性瀝青是否異常,並以報告警示或數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。与常規的采用二维紅外光譜图推算SBS改性瀝青中SBS摻量的結果相比,偏差比例由原來的18.18%降低到3.27%

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