随着公路建设的飞速发展，沥青路面已成为路面工程的主要组成部分，因此沥青原材料的质量控制尤为严格[1-2]。沥青原材料具有复杂的化学成分和多样的微观结构，若采用传统的试验指标如三大指标对其检测，尽管检测结果能满足技术要求，但不能准确表征沥青原材料的微观组成差异，且耗时费力，影响工程施工进度[4]。
目前，傅里叶变换红外光谱(FTIR)已被用于研究沥青的微观组成，该技术能快速检测沥青试样，而不需要严苛的实验室环境。FTIR试验通过检测特定官能团的特征振动，能定量分析与特定官能团相关的光谱特征[5-7]。因此，FTIR试验可用于检测各批次沥青中的特征成分，并监测其随时间延长的潜在变化。同时，FTIR试验具有高灵敏度、检测效率高和操作简单等特点，这些特点使其被广泛应用于沥青路面材料研究。FTIR试验的快速发展与仪器和分析方法的进步，以及沥青路面建设项目的飞速发展密切相关[8-9]。
本文分析了FTIR的作用原理，解释了FTIR的光谱机理和分区；概述了FTIR的设备原理和检测方法，并对不同检测方法的优缺点进行比较；介绍了FTIR对沥青材料性能的研究应用，包括沥青油源识别、改性剂和改性沥青识别和沥青老化性能表征，为推广FTIR在沥青路面中的应用提供参考。
1 FTIR作用原理
1.1 光谱机理
FTIR的光谱作用机理如下：在连续的红外电磁辐射处理下，有机分子会出现能级跃迁，产生特定波数的光被吸收，即FTIR光谱是吸光度随着波数变化的关系图像，波数的变化则是由分子的官能团的吸收频率决定[10]。同时，红外电磁辐射能够增强分子运动，其中不同的分子结构具有不同的官能团，因而各自的振动模式也不同。官能团的振动模式通常分为拉伸振动模式和弯曲振动模式。其中，拉伸振动模式是原子不改变键角沿键轴运动，对于对称拉伸模式，原子以相同的方向远离或靠近中心原子，而在不对称拉伸模式下，一个原子向中心原子靠近，而另一个原子远离中心原子；弯曲振动模式则可分为多种类型，包括剪切、摇摆、扭转等模式。
1.2 光谱分区
红外光谱通常分为三个主要区域，包括远红外区、中红外区和近红外区，如表1所示[11]。其中，中红外区是沥青材料表征中最常用的检测区间。在检测沥青材料的官能团和化学组分时，通常采用指纹区进行识别，波数范围为650～1 800 cm-1。
表1光谱波数分区范围表
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光谱区域 |
波数范围/cm-1 |
区域缩写 |
|
远红外区 |
10～400 |
FIR |
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中红外区 |
400～4 000 |
MIR |
|
近红外区 |
4 000～12 800 |
NIR |
2 设备和检测方法
2.1 光谱仪设备原理
FTIR光谱仪的主要核心部件为干涉仪，红外光源经过干涉仪被镜面分成两束，并各自反射产生干涉效应；反射光穿过沥青试样到达检测器，得到试样的光谱信息；红外探测器得到干涉图样，然后转换成干涉图的电信号。通过傅里叶变换设备将干涉图转换为频域迹线，从而建立干涉强度与波数之间的关系，如图1所示[12]。
图1不同光谱图与干涉图的转化示意图[12]
2.2 透射法
2.2.1 压片法
FTIR的测试方法主要分为透射法和反射法。其中，压片法是透射法的传统FTIR试样制备技术，将沥青试样进行研磨，随后将干燥的溴化钾粉末一起混合在模具中研磨，最后对模具加压制成试件。缺点是粉末状材料可能会吸收外界环境的水分，从而影响测试结果的准确性。
2.2.2 薄膜法
目前，FTIR试验的薄膜法制备过程可分为两种方法：(1)用抹刀将热沥青直接铺在红外透明板上，即将热沥青流动到由溴化钾或氯化钠颗粒制成的红外透明板上，然后用抹刀处理；(2)溶液薄膜法则是选择甲苯等对沥青有溶解效果，且不与沥青试样发生反应的溶剂制备FTIR试样[13]。
2.2.3 溶液法
溶液法是用溶剂(氯仿或四氯化碳)将沥青试样溶解，并放置在液体电池中。将溶液试样放置在中空的间隔环中，并用光学薄片(溴化钾或氯化钠)密封。
2.3 反射法
FTIR的反射法可分为外反射、内反射和折射模式。FTIR中的反射法是一种混合技术，能结合透射和反射模式的信息元素，有效分析半透明材料的微观结构[14]。外反射包括镜面反射和漫反射，前者用于光滑表面的试样，后者则能获取粗糙、不规则表面的试样信息。
目前应用最广泛的是傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪(ATR-FTIR),其工作原理是射出红外线向试样表面，光线与试样相互作用并被吸收，在晶体内经历多次反射而出现光程差异，通过光的强度变化，可以获得试样的FTIR试验结果[15-16]。ATR-FTIR能克服传统透射法的局限性，试样制备更加简便、省时，不取决于试样的均匀性，并且能用于不透明材料，从而扩大FTIR光谱在沥青材料中的应用。
2.4 不同模式比较
透射法和反射法的优缺点总结如表2所示[17]。由表2可知，透射法的信噪比高，而反射法的信噪比较低，可用于更广泛的试样类型，包括不透明且不均匀的材料。同时，反射法在试样制备和数据分析方面更准确、快捷。这两种测试方法的比选可以按试样的具体要求，获取数据的准备度，以及试样的实际要求进行设置。
表2透射法和反射法对比表
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测试方法 |
透射法 |
反射法 |
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原理 |
通过测量通过试样的红外强度来完成 |
通过分析试样表面反射的红外光线来实现 |
|
优点 |
(1)信噪比高；(2)表面性质影响小 |
(1)制样简单；(2)无损检测；(3)检测效率高 |
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缺点 |
(1)制样复杂、耗时；(2)不透光试样不适用 |
(1)信噪比低；(2)表面性质影响检测精度 |
3 沥青性能研究应用
3.1 沥青油源识别
道路石油沥青的质量控制是影响沥青路面耐久性的重要环节，然而沥青的传统控制手段存在不足，如测试周期长、原油来源难以区分、试验结果无法真实反映路面耐久性等[18]。采用FTIR试验能更精确地识别沥青油源，从而提高沥青质量控制的效率，如李喆[19]使用化学计量学方法对不同沥青的FTIR数据进行了分析，该方法结合PCA-MD、PPLS预测模型，研究发现预测模型能快速识别不同沥青的油源差异。黄龙显等[20]发现FTIR试验结果与常规沥青性能结果有强相关性，对于沥青相似度高的试样，其常规性能基本一致。研究结果表明，ATR-FTIR试验结合主成分分析方法可以快速、无损地识别沥青样品的原油来源。
3.2 SBS改性剂掺量识别
目前，FTIR试验被广泛应用于改性沥青的性能检测，特别是针对SBS改性沥青的质量管控，而SBS改性剂掺量是影响改性沥青的关键因素。张婷婷等[21]发现SBS含量与FTIR光谱中966 cm-1和699 cm-1处的特征峰有显著的相关性，可以线性回归方法计算得到SBS掺量。冯美军等[22]对不同类型的SBS改性剂采用FTIR试验进行分析，结果表明星线共混型SBS可以降低SBS掺量，对沥青的网状结构增强更加明显。FTIR技术能在微观化学层面量化SBS掺量，实现改性剂的快速检测，有助于促进SBS改性沥青路面的原材料检测管控，显著提高了实体工程中改性沥青的检测效率和准确性。
3.3 改性反应机理揭示
通过在沥青中加入各种改性剂，可以提高沥青流变性能，采用FTIR试验可以显示改性剂的分子结构和官能团，并研究改性剂与沥青分子之间的作用机理。如周理宏[23]发现APAO的添加使得改性沥青出现新的官能团，即改性剂与沥青之间存在化学反应。黄中文等[24]采用FTIR研究泡沫温拌沥青的微观性能，发现发泡工艺对温拌沥青的作用为物理反应。王永宁等[25]研究SBS、PPA与沥青之间的改性机理，发现所制备出的复合改性沥青属于化学改性。综上所述，对于沥青材料改性机理分析，FTIR是一种成熟的测试技术。然而，对于组分更加复杂的复合改性沥青，不同材料之间相互作用的机理量化分析更加困难。因此，除FTIR试验外，往往需要进行更深入的机理分析，结合核磁共振波谱等技术进行更全面的了解。
3.4 沥青老化性能表征
沥青路面的耐久性分析需要深入研究沥青的老化机理，FTIR试验常用于评价沥青官能团的变化，从而表征老化过程中沥青的官能团变化机制[26]。热氧老化是沥青路面在施工和服役过程中不可避免的变化现象，在沥青热氧化老化过程中，自身的羰基(波数为1 030 cm-1)、亚砜基(波数为1 700 cm-1)等含氧官能团会出现显著变化，通过计算特定官能团的变化指数如羰基指数(CI)和亚砜基指数(SI)来定量评价沥青的老化程度，如式(1)和式(2)所示，这是特定光谱范围内计算官能团指数的常用方法[27-28]。
有研究表明随着老化过程的加速，CI和SI在早期迅速增加，随后下降直至保持不变，一般的官能团计算可分为两点法和无基点法，也有将官能团指标的总和作为老化指标的研究，以此综合比较不同沥青的老化性能[29]。同时，还有研究表明老化过程中沥青的官能团变化与自身的流变指标也有一定的联系[30]。综上所述，FTIR技术能在微观层面分析沥青的热氧老化机制，这也为研究沥青微观结构变化与流变特性之间的关系提供了方向。
4 结语
(1)由于现有FTIR设备的发展和更新，使得FTIR试验结果的可靠性和一致性增强，基于高分辨率，FTIR技术可采取沥青材料的无损、快速测试手段，有助于在大范围内分析沥青性能的同时采集分子信息，便于对多种样品进行同时分析，从而大大提高原材料检测效率。
(2)FTIR试验能对改性沥青材料的化学结构进行识别，使其成为研究沥青材料改性机理和老化机制的热门途径。目前，FTIR技术与预测模型的结合可以满足沥青原材料的快速检测，通过建立定量分析模型来识别油源相似度、SBS改性剂掺量或预测沥青的宏观性能。
(3)虽然FTIR试验已被广泛应用于沥青材料微观性能研究，但在沥青路面的实际应用还不够深入，且对于组分复杂的复合改性沥青材料，单一类型的FTIR光谱所反映的微观组分信息有限。在后续的研究中可将多种光谱结果结合，以有效解决沥青材料的多性能指标控制的难点。
发布时间：2025-10-28 
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