王小雄 李芳霞 杨澜
陕西高速公路工程试验检测有限公司
摘 要：为了准确快速检测道路石油沥青的质量，本文在采集大量陕西省常用沥青红外谱图的基础上，制定了沥青红外谱图的预处理方法，并基于此构建了陕西省常用沥青标准谱图库。应用Omnic软件的QC功能统计了同种沥青多个红外谱图的QC值，基于数理统计法确定了相应阈值，并对不同工程用沥青进行了匹配实例验证。研究结果表明:通过分析计算待测沥青相对于标准沥青的谱图QC值，对比该QC值与阈值大小即可判定沥青质量，该技术可以应用至陕西省沥青路面施工及养护工程，在现场快速判定待测沥青质量。
关键词：道路石油沥青;傅里叶变换红外谱图;QC比较法;QC值;
本文基于红外光谱QC比较法，通过对采集的大量道路石油沥青红外谱图进行分析研究，建立了陕西省常用沥青标准谱图库，在此基础上计算了各沥青Omnic软件QC值，后针对陕西省常用沥青品牌分别进行QC值数理统计分析，建立基于QC比较法的陕西省常用道路石油沥青质量检测数据库，实现了现场快速检测陕西省常用道路石油沥青质量的目标。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
道路石油沥青作为一种石油化工产品，是由复杂的有机物所组成的没有固定化学成分和物理常数的物质，其结构复杂，性能多样。由于沥青的性能对试验结果及后续数据分析的影响很大，所以本文采用从优原则选取道路石油沥青。针对目前陕西省常用的SK 90#A级沥青(韩国SK能源有限公司)、SK70#A级沥青(韩国SK能源有限公司)、SPC 90#A级沥青(新加坡石油公司)、SPC 70#A级沥青(新加坡石油公司)、壳牌90#A级沥青(壳牌中国有限公司)、壳牌70#A级沥青(壳牌中国有限公司)、双龙70#A级沥青(韩国双龙公司)及泰普克70#A级沥青(泰普克沥青大众有限公司)构建陕西省常用道路石油沥青质量检测数据库。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对各道路石油沥青进行常规指标试验，具体的试验结果见表1所列。
表1 道路石油沥青常规技术指标 下载原图
由表1可知，沥青各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求。
1.2 试验仪器
本文所有红外光谱均采用Nicolet IS5型傅立叶变换红外光谱仪(赛默飞世尔科技中国有限公司)、硒化锌晶体衰减全反射附件(赛默飞世尔科技中国有限公司)采集。
1.3 红外光谱采集
基于硒化锌晶体衰减全反射附件，采用傅里叶变换红外光谱仪采集各沥青红外谱图。光谱采集的环境条件为试验温度21±5℃，试验相对湿度不高于65%。仪器采集设置条件:扫描范围为4000～400cm-1、分辨率为4cm-1、样品及背景扫描次数均为32次。开机预热30min后，将加热至80℃的刮刀插入沥青样品1～2cm取样后立即均匀涂布在衰减全反射附件的硒化锌晶体槽上采集光谱。同种沥青在不同平面位置重复采集100次。
2 试验结果与讨论
2.1 陕西省常用沥青标准谱图库的建立
为了消除红外光谱图中基线漂移、光谱噪声等现象的不良影响，本文对所有红外谱图均进行自动基线校正及自动平滑预处理，以提高谱图的对比精度及沥青检测结果准确性。同时同种沥青重复采集100次，将这100个红外谱图的平均谱图作为该种沥青的标准谱图，以减少光谱偶然误差。
经过预处理的陕西省常用道路石油沥青标准红外谱图见图1所示。
图1 道路石油沥青标准红外谱图 下载原图
2.2 基于QC比对法的沥青红外谱图特征峰的选取
由图1可知，针对各道路石油沥青标准红外谱图，在波数4000～400cm-1之间，各沥青均在2921cm-1、2852 cm-1、1602 cm-1、1456 cm-1、1376 cm-1、868 cm-1、813 cm-1、745 cm-1和722cm-1附近出现了明显的特征峰。各道路石油沥青的特征峰峰尖点波数及左右峰肩点波数信息见表2～表5所列。
表2 SK道路石油沥青标准红外谱图特征峰 下载原图
表3 SPC道路石油沥青标准红外谱图特征峰 下载原图
表4 壳牌道路石油沥青标准红外谱图特征峰 下载原图
表5 双龙及泰普克道路石油沥青标准红外谱图特征峰 下载原图
2.3 沥青红外谱图QC值及阈值的确定
应用Omnic(版本8.2.0.387)软件质量检查功能，在上文确定的各道路石油沥青标准谱图特征峰波数的基础上，对同种沥青采集的100个红外谱图依次进行QC值计算，QC检查的具体信息设置见图2所示。
图2 QC检查信息设置示意图 下载原图
应用SPSS(版本22.0.0.0)数据分析软件，采用Bootstrap法将样本量扩容至1000，确定置信度为95%时的QC值置信区间下限值即QC阈值，具体的QC值信息见表6所列。
即在检测待测沥青质量时，可应用Omnic软件的QC检查功能计算待测沥青相对于标准沥青的谱图QC值，通过对比该QC值与上文确定的QC值阈值即可判定待测沥青的质量。若待测沥青的QC值大于等于QC阈值时表示待测沥青质量合格;若待测沥青QC值小于QC阈值时表示沥青差异较大，需要依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对待测沥青进行性能指标试验确定沥青质量。
表6 道路石油沥青QC阈值 下载原图
2.4 现场匹配实例验证
针对不同工程用道路石油沥青进行基于QC比较法的道路石油沥青匹配实例验证。通过对到场沥青进行现场取样，对比待测沥青谱图的QC值及对应的QC阈值确定待测沥青质量。同种沥青现场取样3次，具体的匹配结果见表7所列。
表7 基于QC比较法的道路石油沥青匹配结果 下载原图
由表7可知，现场采集的各待测沥青样品相似度QC值均大于等于QC阈值，且沥青样品的三大指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)相关要求，QC比较法与传统指标试验检测法的检测结果一致，表明基于QC比较法的道路石油沥青检测法结果可靠性较高。
3 结论
(1)通过采集陕西省常用的8种沥青红外谱图，并在谱图自动基线校正及自动平滑预处理的基础上，构建了陕西省常用道路石油沥青标准谱图库。
(2)基于各道路石油沥青标准谱图，确定了红外谱图在4000～400cm-1范围内的9处特征峰峰位，其波数依次为2921 cm-1、2852 cm-1、1602 cm-1、1456cm-1、1376 cm-1、868 cm-1、813 cm-1、745 cm-1和722cm-1。
(3)基于数理统计法分别确定了各沥青置信度为95%时的QC相似度阈值，构建了陕西省常用沥青QC值数据库。通过比对待测沥青的QC值及QC阈值大小判定沥青质量。该方法的检测结果可靠性较高，满足施工现场快速测定道路石油沥青质量的目标，可以应用至陕西省沥青路面施工及养护工程。
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