利用石油沥青红外光谱图谱特征测定沥青的方法研究.pdf

2 0 1 2年 8月 石 油 沥 青P E T R O L E U M A S P HA L T 第 2 6卷第4期 利用石油沥青红外 光谱 图谱特征测定 沥青 的方法研 究 李炜光 ， 段炎红 ， 颜录科 ，孙增智‘ ， 1 ．长安大学材料科学与工程学院，西安7 1 0 0 6 1 ； 2 ．交通铺面材料教育部工程中心，西安7 1 0 0 6 4 摘要提出一种利用沥青红外光谱图测定石油沥青的方法，选用天然沥青、煤沥青、石 油沥青3类、6个标号、8个品牌、l 6个试样进行红外光谱测试，得到红外光谱曲线并分析 其图谱特征。结果表明天然沥青和煤沥青的红外光谱图与石油沥青存在显著差异；不同品 牌标号的石油沥青红外图谱存在五处明显公共红外特征吸收峰。因此，可利用石油沥青红外 图谱吸收峰的共性测定未知沥青样品是否为石油沥青。 关键词石油沥青红外光谱特征峰测定方法 道路建设 中最 常用的沥青材料是石油沥青 和煤沥青。其中，石油沥青具有优 良的可塑性和 粘结性 ，资源丰富，价格低廉 ，用作道路铺装材 料有 着悠 久的历 史⋯。随着高速 公路 的发 展 ， 石油沥青的使用量也越来越大。由于沥青组成 的 复杂，对所使用沥青进行分析是 目前比较 困难 的 工作 。红外光谱分析是有机化合物结构鉴定中的 一 个重要手段 ，在研究聚合物化学结构分析研究 中具有适用范围广 、提供结构成分 的信息丰 富、仪器使用维护方便等特点，在高聚合物结构 中被广泛应用 j 。红外光谱是指 以波长或波数 为横坐标 ，以强度或其他随波长变化的性质为纵 坐标所得到的反映红外射线与物质相互作用的谱 图 。 J 。近十几年来 ，红外光谱在沥青化学 结构 分析中受到了一定程度的关注 ，成为最常用的微 观分析方法之一。现有研究及应用表明，红外光 谱技术对沥青的分析是有效的。但近年来 ，红外 光谱主要用于沥青和改性沥青的老化研究 ，因沥 青化学构成复杂，组分含量不同，有关基质沥青 的红外光谱谱图资料甚少 ，有待进一步探索和研 究⋯ 。针对上述现有技术中存在的缺陷或不足 ， 本研究选取天然沥青 、煤沥青及不 同品种标号 的 石油沥青进行红外光谱分析 ，得到其红外光谱谱 图，试图提供一种利用沥青红外图谱测定石油沥 青 的方法。 1 试验研究 1 ． 1原材 料 ． 溶剂 C S ，K B r 液体池，不 同品牌标号 的沥 青 。所用沥青资料如表 1 。 表 1 选用 沥青资料 收稿 日期 2 0 1 2 0 32 1 。 作 者简介 李 炜光 1 9 7 1 一 男 ，山西 黎城人 ，博士 ，教 授 ，2 0 0 7年长安大学博士毕业 ，材料科学 与工程学 院，从 事道路 工程 和道路新材料的研究。 项 目来 源新 世 纪 教 育 部 优 秀人 才 计 划 N C E TO 8 0 7 5 0 ；吉林省交通厅交通科技项 目 2 0 0 91 6 。 1 0 石 油 沥 青 2 0 1 2年第 2 6卷 1 ． 2 试样制备与测试 将所选沥青配制成 5 ％ 的沥青溶液 ，并进行 红外光谱测试，具体步骤为1 将洗干净的具 塞三角瓶在烘箱 内 1 2 0 o C下 2 0 mi n烘 干，冷却 至室温。2 称取熔化好 的沥青样 品 1 g ，称取 时精确至小数点后第 四位 ，将未知沥青样品在烘 干后的具塞三角瓶中用 C S 溶解 ，配制成浓度为 5 ％的沥青溶液。 3 用数显移液器将质量浓度为 5 ％的沥青溶液注满厚度为 0 ． 1 m m 的 K B r 液体 池 ，在 4 0 0 0 c m～ ～ 5 0 0 c m 范围内进行扫描， 测定其红外光谱 ，得到沥青溶液的红外光谱图。 4 测定完毕，用 c s 将液体池充分洗净，用红 外灯将液体池烤干备用 ，依次测试其余样品。 2 试 验 结果及 分析 2 ． 1 沥青样 品红外光谱图谱 试验测得的各种沥青样品红外光谱曲线如图 1至 图 l 6所 示 。 薅 j 、 4 0 0 0 { 2 O O 2 4 0 0 l 8 0 0 1 4 0 0 l 0 0 0 5 5 0 波数／ c m 图 1 埃索 一 9 0红外光谱曲线 4 0 0 0 3 2 0 0 2 4 0 0 1 8 0 0 l 4 0 0 l 0 0 0 5 5 0 波数／ c m 图2 韩国S K一 9 0红外光谱曲线 1 00 8 9 0 0 耋 7 0 茵 65 0 o 4 O 3 0 4 0 0 0 3 2 0 0 2 4 0 0 l 8 0 0 1 4 0 0 1 0 0 0 5 5 0 波数／ c m’ 器 替8 0 茎。7 。0 萄 5 。0 1 0 1 3 0 I 2 0 1 1 0 1 0 0 9 O 誉8 O 7 0 6 O 5 O 4 O 3 O 2 O b 孚 洋 ，、 图3 壳牌 一 9 o红外光谱曲线 4 0 0 0 3 2 0 0 24 0 0 l 8 0 0 l 4 0 0 1 0 0 0 5 5 0 波数／ c m’ 图4 盘锦 一9 o红外光谱曲线 4 0 0 0 3 2 0 0 2 4 0 0 1 8 0 0 1 4 0 0 1 00 0 5 5 0 波数／ c m 图5 新疆塔河9 0 B红外光谱曲线 4 0 0 0 3 2 0 0 2 4 0 0 1 8 0 0 1 4 0 0 1 0 0 0 5 5 0 波数／ c m 图6 中海 3 6 9 0红外光谱曲线 m∞ ∞ 舯 ∞ ∞ ∞ ∞ 第 4期 李炜光等 ．利用石油沥青红外光谱图谱特征测定沥青的方法研究 1 l ● 婚 ，、 l 2 O 辞 霉 0 0 8 O 7 O 1 2 0 1 0 0 _ 9 O 、 8 O 7 0 波 教／ c m 图7 韩国S K一 7 0红外光谱曲线 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 l 5 0 0 l 0 0 0 5 5 0 波数／ c m I 图 8 克拉玛依 一 7 0红外光谱曲线 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 00 l 5 0 0 l 0 0 0 5 5 0 波数／ c m1 图9 中海 3 6 7 0红外光谱曲线 波数／ c m 图 l O 盘锦 一1 1 0红外光谱曲线 l 3 5 1 2 O 1 1 O 1 O O 誉9 0 ． 8 0 7 0 萄 56 00 4 0 3 O 2 O l 0 - 簪 4 0 0 0 3 2 0 0 2 4 0 0 l 8 0 0 1 4 0 0 l 0 0 0 5 5 0 波数／ c m 。 图 l l 盘锦 一1 2 0红外光谱曲线 、_ 、 _ ＼ ＼ ． 4 0 0 0 3 2 0 0 2 4 0 0 l 80 0 l 4 0 0 1 0 0 0 5 5 0 波数／ c m 图 1 2 西藏天池 一1 3 0红外光谱曲线 } 8 8 0 茎67 o0 4 5 0 0 3 0 2 0 j 2 8 I 1 0 i 0 0 船 7 0 6 0 5 0 2 0 1 O 4 0 0 0 3 2 0 0 2 4 0 0 l 8 0 0 1 4 0 0 l 0 0 0 5 5 0 波数／ c m 图 l 3 西藏天池 一1 6 0红外光谱曲线 4 0 0 0 3 2 0 0 2 4 0 0 1 8 0 0 1 4 0 0 l 0 0 0 5 5 0 波数／ c m 图 1 4 岩石沥青红外光谱曲线 m∞ ∞舯 加 ∞ ∞ ∞∞ 如m0 l 2 石 油 沥 青 2 0 1 2年第2 6卷 ● 蝌 图1 5 湖沥青红外光谱曲线 图 1 6 煤沥青 红外 光谱 曲线 2 ． 2 石油沥青主要基 团特征频率分析 石油沥青的组分主要为芳香族化合物 ，其中 苯环结构较多 ，其次为脂肪族碳氢化合物 。苯环 上的 CH反对称伸缩振动和苯环骨架 的振动和 频在 3 0 7 0～3 0 3 0 c m 区域产生一 组吸收带 ； 其面 内弯 曲振动谱带 在 1 3 0 01 0 0 0 c m 处， 易被其他峰掩 盖；面外弯 曲振动谱 带在 9 0 0～ 6 5 0 c m 区域产生强吸收峰 ，对确定苯环取代基 具有特征性。脂肪族碳氢化合物中最具特征的是 CH伸缩振动和变角振动。C H面 内弯 曲振动 对应 于 1 4 7 5 ～ 1 3 0 0 c m 区， 一 C H 3为 l 3 8 0 c m 的单峰 ，CH伸缩振动往往 出现在 3 0 0 0～ 2 7 5 0 c m 处 ；亚 甲基 一C H 2一的反对称 伸缩振动波数为 2 9 2 6 c m～；叔氢 CH伸缩振 动约为 2 8 7 0 e m～； 一C H， 的反对称变角振动波 数为1 4 6 0 c m～；CC骨架振动波数在 1 2 5 0～ 1 1 5 0 c m～ 。不饱 和键 CC伸缩 振动 出现在 1 6 6 0 1 6 3 0 c m～ ； CO 伸 缩 振 动 区为 l 9 0 0～1 6 5 0 c m 区；C0常 出现 的区域 为 1 7 5 5～I 6 7 0 c m 区，由于 C0 电偶极 矩较 大，故此峰一般较强。酮一般为 1 7 1 0 e m。 。 ，酯 为 1 7 3 5 1 7 1 0 c m～，酰 胺 为1 7 0 0 1 6 8 0 e m～。对于羧酸则 除 l 7 1 0 c m 外 C O ， 还 有 3 3 0 03 9 0 0 c m 一O H 的 吸收 。 CCCN一， 波 数 1 6 9 0～1 6 4 0 c m一 ； 一NN一， 波数 1 6 3 0 1 5 7 5 c m l [ 7 ] 。 2 ． 3 石油沥青组分结构及红外光谱 图谱特征 分析沥青溶液的红外光谱 图的曲线在红外光 谱 4 0 0 0 4 0 0 c m 波数范 围内的特征 ，将该特 征与已知的石油沥青红外光谱图的曲线特征相比 较 ，如果两者完全一致 ，则判定该未知沥青样品 为石油沥青 ，否则不是石油沥青。对 比所测沥青 样 品的红外光谱曲线可以发现 ，石油沥青与煤沥 青及天然沥青的红外光谱 图存在明显差异 ，而不 同品牌 、标号的石油沥青红外图谱相差不大 ，具 有公共红外特征吸收峰 ，其 中反映苯环结构较显 著。分析其原因是 由于天然沥青 、煤沥青与石油 沥青所含特征官能团的差异 ，导致其红外光谱图 特征吸收峰不同；石油沥青的组分主要为芳香族 化合物。四组分分析法将石油沥青分为沥青质 、 饱和分 、环烷芳香分、极性芳香分。其中苯环结 构较多，其次为脂肪族碳氢化合物 J 。沥青质 、 胶质 、芳香分均存在于苯环结构中，这也是测试 出的红外光谱对苯环结构敏 感 的原 因 J 。煤 沥 青主要是由芳香族碳氢化合物及其氧 、硫 、氮的 衍生物组成 的混合物，包含 3个组分 ，1 游离 碳 自由碳 ，相当于石油沥青 中的沥青质 ，颗 粒较沥青质大 的多；2 树脂 ，硬树脂是 固态晶 体结构 ，也类似于石油沥青中的沥青质 ，软树脂 类似于石油沥青中的树脂 ；3 油分 ，主要 由液 体未饱和的芳香族碳氢化合物组成 。 通过对石油沥青组成结构及基 团红外特征频 率的分析 ，并结合其谱峰强度推断出石油沥青红 外光谱 曲线应 具备的吸收峰 特征 较强且 明显 易区分的谱峰特征 。石油沥青红外 光谱 曲线特 征按照红外光谱 4 0 0 0一一 4 0 0 c m 波数范围 内由 高到低描述为 1 3 5 0 0 e m 以上 游离状态 的一O H伸缩 振动产生吸收峰； 2 2 9 2 0 e m 附近，出现一个较强 的吸收 峰，峰型尖锐 ，为亚 甲基一C H 一的反对称伸缩 振动 ； ∞5 ； ∞ 印的 ∞∞∞0 m∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 柏∞ 如 0 ． * 第4 期 李炜光等 ． 利用石油沥青红外光谱图谱特征测定沥青的方法研究 l 3 3 2 8 5 0 c m 附近，出现一个较强 的吸收 峰，峰型尖锐，为亚甲基一c H 一的对称伸缩振 动 ； 4 I 6 0 0 c m 附近出现较弱 的吸收峰 ，反 应为苯环骨架结构和 C0键的振动 ； 5 I 4 6 0 c m 附近出现强度中等的吸收峰， 峰型尖锐 ，表现为 甲基 C C H 中 C H面 内伸 缩振动 变角振动和一C H 一中 C H面 内伸 缩振动 弯曲振动的结果； 6 1 3 8 0 c m 附近出现一C H。 的对称变角振 动 剪式振动 吸收峰 ； 7 9 0 0 ～6 5 0 C l T I 之 间 出 现 苯 环 上 CH一面外摇摆振动吸收峰。 2 ． 4 未知沥青样品测试 用 C S 将待测沥青试样配制成 5 ％ 的沥青溶 液， 测试其红外光谱， 得到红外光谱曲线。分析沥 青溶液的红外光谱图的曲线在红外光 谱4 0 0 0 4 0 0 c m 波数范围内的特征。将未知沥青红外光 谱曲线和前述所测已知沥青试样红外光谱曲线进 行对 比，并参照总结出的石油沥青公共红外特征 吸收峰对未知沥青试样进行推断和鉴定。若其红 外光谱曲线及红外特征吸收峰符合石油沥青的特 征 ，则断定该未知沥青试样为石油沥青。 试验中对某高速公路施工现场使用的基质沥 青取样检测 ，得到其红外光谱曲线如图 1 7 。 4 0 0 0 3 2 0 0 2 4 0 0 1 8 0 0 1 4 0 0 l 0 0 0 5 5 0 波数／ c m’ 图 1 7 红外光谱曲线 分析该未知沥青试样的红外光谱图谱，其曲 线 在2 9 2 1 ～ 2 8 5 2 c m～． 1 6 0 2 c m～， 1 4 5 6 c m～，1 3 7 6 c m～，6 5 0～ 9 1 0 c m 处有明 显的特征吸收峰，得到如表 2所示的红外光谱特 征吸收峰与基团的对应关系 ，与理论分析的石油 沥青红外光谱特征相符合 ，因此，可以判定该沥 青试样为石油沥青。测定后向施工方确认，施工 方的反馈信息肯定了该未知沥青试样是石油沥 青 ，证明了该方法的可行性 。 衰 2 石油沥青公 共红外特征吸收蜂分析裹 吸收频率／ c m 结果分析 2 9 2 1 2 8 5 2 一C H 2 一伸缩振动的结果 l 6 0 2 CC 苯环 骨架振动 和 CO吸 收引起的 1 4 5 6 c c H 3 和一c H 2 一中 c H面内伸 缩振动的结果 1 3 7 6 一c 一剪式振动吸收峰 6 5 0 9 1 0 苯环上 C H面外摇摆 振动 的结果 2 3 6 5～2 3 3 5 作图时未能全 部扣 除空气 背景 中的 C O 2而形成 3结论 a 石油沥青的红外光谱图和天然沥青、煤 沥青的红外光谱图存在显著差异 ；不同品牌标号 的石油沥青，其红外图谱差异不大，存在明显的 五 处 公 共 红 外 特 征 吸 收 峰， 分 别 为1 2 9 2 0 c m 附 近 --C H 一伸 缩 振 动 ； 2 1 6 0 2 e m～CC苯环骨架振动和 C0吸收 ； 3 1 4 5 6 c m一C H 面 内 伸 缩 振 动；4 1 3 7 6 c m～ --C H 一剪式振动吸收峰； 5 6 5 0～ 9 1 0 c m～苯环上 C H面外摇摆振动。 b 试验证明可利用石油沥青红外光谱 曲线 具有的的公共红外 特征 吸收峰测定 未知沥青样 品 ，试件制样便捷 、测试速度快 、数据处理 简 单、分析结果准确。 c 石油沥青 的红外光谱图谱可为进一步 的 研究工作提供可靠参考。 参考文献 [ 1 ]徐惠生．改性沥青红外光谱分析 [ J ]．安徽化工， 2 0 0 7 ，1 3 3 6 2 6 4 ． [ 2 ]袁新华，张丽芳，倪 中海，等 ． G C ／ MS图谱 中 N， N 一二苯基脲的 中性丢失 [ J ]．江苏大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 3 ， 2 4 2 5 4 5 7 ． [ 3 ]陈斌， 黄传旭，陆道礼 ．多尺度分解和主成分法在 近红外光谱分析 中的应用 [J ]．江苏大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 4 ， 2 5 2 1 0 51 0 8 ． [ 4 ]U ． I s a c s s o n ，XL uL a b o r a t o r y i n v e s t i g a t i o n o f p o l y - 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向媒体公布了山东省高速公路最新的规划走向图。与 之前其他地 图出版机构不 同，这份 高速公路规划 图包含 了山东省多条最新的高速公路规划、建设信息。 此次山东省公路部门最新向媒体公布的山东高速公 路规划图中，原先规划的 3 8岚山至曹县高速的走向出 现了明显变化，同时济南至东营、埕口至沾化等高速公 路的规划走向也首次正式对外公布。根据最新统计 ，截 至2 0 1 2年6月 1 8日，全省高速公路通车总里程已经达 到 4 6 2 0 ． 9 k m。 2 0 1 2年山东 “ 五纵四横一环八连”高速网将基本建 成，年内山东省高速公路通车总里程有望突破 5 0 0 0 k m 大关。 与此同时，在按计划完成烟台港龙口港区疏港高速 公路、济南至乐陵高速、济广连接线二环西路高架桥的 年度投资额的基础上，山东省 2 0 1 2年还将力争新开工济 南至东营 、德州至夏津 、夏津 至聊 城 、聊城至 范县 、济 徐 高速济宁 至鱼 台段等五条高速公路建设 。 西安试用温拌沥青技术 2 0 1 2年 4月 2 7日，陕西省西安市交通运输局和市 政公用局举行的 “ 温拌沥青技术”应用推荐会召开，此 举拉开了西安市低碳交通运输体系建设行动的序幕。这 项绿色、高效的低碳环保技术将在西安市政道路施工以 及 公路建设 中得 到大面积推广 。 温拌沥青混合料，就是通过一定的技术措施 ，降低 沥青的粘度，使沥青混合料能在相对较低的温度下进行 拌和及施工 ，同时保持其使用性能不低于热拌沥青混合 料 ，具 有节 能 、环 保 、低 温 施 工、延 缓 沥青 老 化 等 优 点，对延长季节施工 、延长道路使用寿命 、提高路面压 实度、改善路面施工环境具有十分重要的作用。据交通 运输部公路科学研究院测评统计，使用 1 t 温拌沥青混 合料，可节省燃油 1 ． 7 5 k g ，减少二氧化碳排放 4 ． 5 k g 。 之所 以举行 “ 温拌 沥青技术 ”应用推荐 会 ，正是考虑 温 拌沥青技术在节能减排方 面有 其特殊作 用 ，这也是今 年 西安市被列为低碳交通运输体系建设试点城市后开展的 实质性工作 。 摘 自交通运 输部 网站