【关键词】红外光谱 沥青成分 沥青老化
1.红外（分子）吸收光谱概况与介绍
1.1红外光谱基本介绍
红外光谱是分子振动光谱，其原理是当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。分子中原子间的化学键振动而引起的能级跃迁的检测，振动频率对分子中特定基团表现出高度的特征性。除光学异构体外，每一种化合物都有自己的红外吸收光谱，谱带复杂而精细，能提供丰富的结构信息。
将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长(λ)为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)为纵坐标，表示吸收强度。
1.2红外光谱的应用
（1）定性分析
把式样的红外光谱与标准红外光谱或化学结构已知的化合物的红外光谱进行对比，以此对所测化合物样品进行定性分析；依靠所测的多种数据，综合各数据的结果和样品的红外光谱鉴定所测物质的结构。
（2）定量分析
利用红外光谱定量分析可以测定化合键之间的角度、化合键键长以及推到出化合物分子的立体构型；同样可以用红外光谱获得力学常数并以此确定化学键的强弱；可以根据吸收峰的波长位置及其性状来推测所测物质的化学结构。
2.利用红外光谱法分析沥青的不同组分与性状
2.1原理简介
2.1.1沥青老化机理
陈华鑫等人通过探究对镇海、兰炼和盘锦3种基质沥青老化前后的组分进行分析，并测试其常规试验指标，以讨论基质沥青的老化行为特点，在傅氏转换红外线光谱分析仪试验基础上分析沥青老化机理。他们认为，基质沥青老化后，通常表现为两种变化趋势:一是饱和分、芳香分等轻组分挥发引起质量损失;二是以氧化为主，主要是由氧与欺基、亚飒等化学官能团结合实现的.轶基官能团是由酮以及竣酸、竣酸配组成，活性极强.沥青老化时，酮和梭酸是沥青中主要的最弱组分(或最活跃的组分)，此外芳香族中的苯甲基和许多脂肪烃侧链，它们容易与氧结合，使氧大量存留在酮、亚飒或其他含氧官能团中，增加沥青的极性，促使沥青分子间缔合，使沥青的劲度大幅度增加，增加幅度与极性官能团数量的多少、极性官能团之间的相互作用大小以及其他非极性官能团对极性官能团的分散能力等因素有关.
2.2.2红外光谱机理分析
由于红外吸收光谱的谱图与物质有着十分严格的对应关系，红外光谱分析已成为石油沥青化学结构分析中最常用的方法之一，也是研究沥青组分及其分子结构的最重要和最有效的试验手段之一。沥青是由多种复杂化合物组成的混合物，老化后一方面表现为饱和分、芳香分等轻组分挥发引起质量损失;另一方面表现为以氧化反应为主生成羰基、亚飒等稳定的化学官能团。再生沥青中轻组分含量较多，由于加热引起的蒸发损失远大于吸氧增重，因而具有一般道路沥青所不具备的特殊性。沥青老化时，酮和梭酸是沥青中最活跃的组分，此外，芳香族中的苯甲基和许多脂肪烃侧链也较为活跃，它们容易与氧结合，使氧大量存留在酮、亚飒或其它含氧官能团中，增加沥青的极性，促使沥青分子间缔合，使沥青的硬度大幅度增加。各物质的氧化过程有所差异，但各组分的变化可以通过红外光谱试验分析得到。
2.2红外光谱分析沥青组分的优势
与传统的常用沥青组分分离的方法相比，已有的评价方法及指标体系多集中在沥青宏观性能的评价上，较少涉及沥青微观结构的变化，这主要是因为沥青成分及其分子结构过于复杂。采用现有的技术将其分离为纯粹的单一化合物非常困难或者说根本是不可能的，所以一般所获得的有关沥青的成分与结构信息基本上都是由组成十分复杂的碳氢化合物及其非金属（氧、氮、硫等）衍生物的混合信息，当对沥青进行加速老化试验时，这些混合信息相互干扰，掩盖了其中真正由老化引起的沥青的成分与结构的变化。而利用红外光谱技术可以从微观角度定性地分析和研究沥青老化前后的结构以及化学组分的变化。此外，将红外光谱的测试手段与组分分离，相结合对沥青结构变化的研究具有重要的意义。
此外，利用红外光谱分析沥青具有：1.快速，一分钟出结果； 2.准确识别沥青品牌、型号；3.智能定性定量沥青中关键组成物质；定性定量分析改性沥青中的添加剂（SBS、SBR等）以及常见掺假物质；定性沥青的老化程度等优点。
2.3试验部分举例
2.3.1试验设备
赵斌等人通过对试验采用分辨率为4 cm-1，扫描次数为32次，测试范围为650~4000 cm-1的Nicolet.isl0原位傅里叶变换红外光谱仪进行试验。
2.3.2样品的制备及光谱的扫描
通过对盘锦90#沥青原样、盘锦90#短期老化沥青、盘锦90#长期老化沥青、RAP回收沥青以及长期老化后的再生沥青5个性状的140个样品进行了扫描。这些样品可分为3类:第一类为原样沥青;第二类为经过85 min旋转薄膜烘箱老化的老化试样;第三类为经过270 min旋转薄膜烘箱老化的老化试样、经过野外长期老化的回收沥青试样和长期老化后的再生沥青。为恢复老化沥青的各项使用性能，根据沥青的老化状况，向废旧沥青中加入调节组分是对老化沥青的一个再生过程。老化试验按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052-2000中沥青旋转薄膜加热试验(T0610-1993 )1.为盘锦90#沥青原样;2.为盘锦90#沥青经1(163℃，旋转薄膜加热85 min)老化后的沥青试样;3为老化沥青2经(163 0C，旋转薄膜加热270 min)老化后的沥青试样;4为RAP回收沥青试样;5为长期老化后的再生沥青。在红外光谱测试过程中，将不同老化方式及老化时间的沥青样品涂膜于KBr盐片上，记录红外光谱的全部过程均由红外光谱仪自动完成。从全部140个不同性状沥青样本中随机选择每种22个，共110个样本作为训练集，其余30个作为预测集。
2.3.3光谱数据预处理
对原始光谱数据进行预处理。采用1000~4000 cm-1波段的光谱数据进行分析。
2.3.4试验结果分析
图1 5种沥青的红外光谱
5种不同性状沥青红外光谱图如图1所示，每个性状的沥青样品随意选取一条，从图中可以看出，各性状沥青的样品特征吸收峰位置基本相同，但强度不同。以上图谱说明5种性状沥青样品的组成成分大致相同，主要由芳香族以及杂原子衍生物、烷烃和环烷烃等构成，各成分相对含量不同导致各区间峰值的强度差异。
参考文献
[1]杨琼. 近红外光谱法定量分析及其应用研究[D].西南大学,2009.
[2]张红光. 近红外光谱新型建模方法与应用基础研究[D].浙江大学,2015.
[3]赵斌，吴桂芳，郝培文.应用红外光谱进行不同性状沥青的判别[J].化工进展,2012,31(12):2753-2760.
[4]陈华鑫，陈拴发，王秉纲，等.基质沥肯老化行为与老化机理[J].山东大学学报:工学版，2009,39 (2): 125-130.
[5]王永刚，廖克俭，闫锋，等.废旧沥肯再生剂的开发[J].精细石油化工进展，2003, 4 (8): 18-21.
[6]刘亚儒,赵霞,陈蕊.红外吸收光谱法测量石油产品酸度(值)[J].甘肃科技,2005,(01):108-110.
[7]张葆琳.基于红外光谱的沥青结构表征研究[D].武汉：武汉理工大学，2014：1-8.
[8]嘉中.近红外光谱技术在当前和未来的应用[J]. 饲料广角,2000,(08):20-22+19.
[9]刘言,蔡文生,邵学广. 近红外光谱分析方法研究:从传统数据到大数据[J]. 科学通报,2015,(08):704-713.
论文作者:刘昕烨
论文发表刊物:《科技中国》2017年7期
论文发表时间:2017/11/1
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