基于微觀結(jié)構(gòu)量化的SBS改性瀝青分析

楊 群，殷 巍

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

隨著改性瀝青在公路建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，SBS（苯乙烯－丁二烯－苯乙烯嵌段共聚物）改性瀝青憑借著優(yōu)異的性能在我國公路建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用.研究表明，SBS改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)與其性能有著密切的聯(lián)系［1］，微觀結(jié)構(gòu)的差異對其性能起到極其重要的決定作用［2］.

國內(nèi)外對SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)研究從初步定性化評價(jià)聚合物對瀝青的改性效果到運(yùn)用專業(yè)軟件對改性劑微粒大小、形態(tài)進(jìn)行分析.現(xiàn)階段運(yùn)用專業(yè)軟件處理分析方法為：在運(yùn)用熒光顯微鏡觀測到SBS改性劑在瀝青相中真實(shí)形態(tài)的基礎(chǔ)上，配備數(shù)字化處理所需的硬件設(shè)備及功能完善的圖像處理軟件，對SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行分割、記數(shù)、測量［3］.此方法由于專業(yè)軟件的操作復(fù)雜，對試驗(yàn)硬件要求較高，對于普通的偏光顯微鏡所成圖像來說，不滿足專業(yè)圖像處理軟件對分析對象的要求.因此，本文提出一種新的技術(shù)方法，打破專業(yè)軟件的應(yīng)用限制，運(yùn)用基礎(chǔ)操作軟件對SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行較深層次的量化研究，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐.

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

（1）基質(zhì)瀝青

本文選用的基質(zhì)瀝青為東海AH－70號瀝青，其基本技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 基質(zhì)瀝青基本技術(shù)參數(shù)Tab.1 Basic technical parameters of matrix asphalt

（2）改性劑

本研究選用混合型、星型兩種類型的SBS改性劑進(jìn)行對比分析，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示.

表2 SBS改性劑的技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical index of SBS modifier

（3）穩(wěn)定劑

由于SBS改性瀝青體系存在不穩(wěn)定的狀況，所以有必要加入穩(wěn)定劑以改善聚合物之間界面能以及增加瀝青與SBS改性劑之間的黏合.穩(wěn)定劑摻量最佳范圍為0.1%～0.6%，本文選用的穩(wěn)定劑摻量為0.3%.

1.2 試樣制備

SBS的工藝流程一般包括改性劑的溶脹、磨細(xì)分散、發(fā)育三個(gè)階段.現(xiàn)場法生產(chǎn)改性瀝青的設(shè)備有高速剪切法和膠體磨法兩大類.本試驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中的高速剪切儀制備SBS改性瀝青試樣.

1.3 性能測試方法

對改性瀝青的路用性能分析主要圍繞三大指標(biāo)（針入度、軟化點(diǎn)和延度），試驗(yàn)包括瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度試驗(yàn).

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

在改性劑摻量都為4.0%的條件下，對試樣進(jìn)行性能測試，SBS改性劑類型對瀝青性能的影響結(jié)果見表3.

表3 SBS改性劑類型對瀝青性能的影響Tab.3 The influence of SBS modifier type on the performance of asphalt

2 SBS改性瀝青微觀形態(tài)及其性能對比分析

本文采用偏光顯微鏡放大400倍研究SBS改性瀝青的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，定量分析SBS改性瀝青的改性效果并建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系.

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

本文中采用偏光400倍顯微鏡獲取SBS改性瀝青顯微結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1 兩種SBS改性瀝青（摻量為4.0%）微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The microstructure of two types of SBS modified asphalt（content was 4.0%）

由圖1可見，淺色纖維狀結(jié)構(gòu)物為改性劑，可知兩種SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)相態(tài)均是SBS相為分散相的單相連續(xù)結(jié)構(gòu)［4－6］.黃衛(wèi)東等［3］運(yùn)用熒光顯微鏡得到的顯微圖片可見分布于瀝青相中的SBS改性劑顆粒，此種顯微圖片滿足專業(yè)圖像分析軟件的分析要求，而對于本文中的偏光顯微圖片并不能完全顯示SBS改性劑顆粒形狀，但可以全面顯示SBS改性劑在瀝青相中分布的整體清晰結(jié)構(gòu).

熊萍等［6］提出通過觀察聚合物在瀝青相中分布的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和相態(tài)，可以有效地評價(jià)改性瀝青的各項(xiàng)性能，是研究瀝青改性效果的有力手段.故本文對SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)圖運(yùn)用Autocad軟件進(jìn)行圖像處理，選取兩個(gè)關(guān)鍵量，從改性劑所占面積比及改性劑分布均勻性兩方面對兩種改性瀝青的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.具體分析過程如下：

（1）對圖1中兩張圖片進(jìn)行分割，分割長度、寬度相等，分割圖像面積為單位1.運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中簡單抽樣方法進(jìn)行數(shù)理分析.設(shè)單位面積圖像總體為X，對每張圖進(jìn)行10次隨機(jī)抽樣，樣本為｛x1，x2，x3，…，x10｝，通過對樣本值xi的分析，去推斷總體的情況——總體分布F（x）的性質(zhì).

為了具體明確所選單位圖像，將圖1a，b分割，橫坐標(biāo)以字母A到K、縱坐標(biāo)以字母a到i表示，如圖2，3所示.

（2）Autocad作為基礎(chǔ)操作軟件之一，有著操作簡便，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn).將圖2，3中所提取的單位面積為1的20張圖片導(dǎo)入Autocad中，利用多線段將每一張單位圖片上白色改性劑纖維部分連接，具體描圖過程以混合型結(jié)構(gòu)單位圖①為例，如圖4所示.

（3）利用Autocad求不規(guī)則圖像面積從而得到改性劑纖維在單位圖像中所占面積比，并通過數(shù)理計(jì)算公式計(jì)算樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù).標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)是變異系數(shù)的一種，它是衡量資料中各觀測值差異程度的另一個(gè)統(tǒng)計(jì)量.當(dāng)進(jìn)行兩個(gè)或多個(gè)資料變異程度的比較時(shí)，如果度量單位與平均數(shù)相同，可以直接利用標(biāo)準(zhǔn)差來比較.如果度量單位和（或）平均數(shù)不同時(shí)，比較其變異程度就不能采用標(biāo)準(zhǔn)差，而需采用標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值（相對值）來比較.通過對樣本均值的計(jì)算發(fā)現(xiàn)樣本均值不同，故采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值.樣本均值、樣本標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)均可反映總體均值、標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的信息，所得數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 微觀結(jié)構(gòu)圖中兩種SBS改性劑所占面積比Tab.4 Area ratio of SBS modifiers in the microstructure

（4）由表4可以看出：①通過兩種改性劑在單位結(jié)構(gòu)圖中所占面積比均值可知，星型SBS改性劑所占面積比遠(yuǎn)高于混合型SBS改性劑所占面積比.因此，從微觀結(jié)構(gòu)上看，星型改性劑在基質(zhì)瀝青中可以形成更加穩(wěn)定密實(shí)的結(jié)構(gòu)，對改性瀝青的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性起到明顯的增強(qiáng)作用.②通過兩種改性劑所占面積比標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)（即變異系數(shù)）可知，星型SBS與混合型SBS改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)相比變異系數(shù)較小.結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)圖分析可知，雖然兩者都可在基質(zhì)瀝青中形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，但星型SBS改性劑在基質(zhì)瀝青中分布更均勻，微觀結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固.

2.2 宏觀性能分析

通過表4與微觀分析數(shù)據(jù)綜合分析，可得微觀量化指標(biāo)與改性瀝青三大指標(biāo)關(guān)系，如圖5，6所示.

由圖5可知，SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度值隨著改性劑所占面積比的增加而增加，針入度值隨面積比的增加而減少.延度指標(biāo)可評價(jià)瀝青塑性變形能力，針入度和軟化點(diǎn)指標(biāo)可從不同方面反映瀝青的溫度敏感性及高溫穩(wěn)定性，故SBS改性劑在瀝青相中所占面積比越大，改性瀝青塑性變形能力及溫度穩(wěn)定性越好，充分說明SBS改性劑在瀝青相中形成較密實(shí)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)時(shí)才能獲得較高的塑性變形能力和高溫穩(wěn)定性.

從圖6可知，SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度值隨著改性劑所占面積標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的增加而減少，針入度值隨面積標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的增加而增加.SBS改性劑在瀝青相中所占面積比標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)越小，改性瀝青塑性變形能力及溫度穩(wěn)定性越好，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的大小反映的是SBS改性劑分布的均勻性，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)值越小說明SBS改性劑分布越均勻.因此，微觀結(jié)構(gòu)中改性微粒分布均勻性越好的改性瀝青可以獲得較高的改性性能.

3 結(jié)論

利用圖像分割方法、結(jié)合Autocad軟件對微觀結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，通過面積比及改性劑分布均勻性兩個(gè)指標(biāo)評價(jià)改性瀝青的改性效果，此方法具有更直觀、操作簡單等優(yōu)點(diǎn).通過試驗(yàn)對改性瀝青三大指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明星型SBS改性瀝青具有更好的改性性能，與微觀分析結(jié)論相吻合，這充分印證此種微觀結(jié)構(gòu)研究方法具有科學(xué)性、準(zhǔn)確性.

［1］ 劉祖廣，王仕峰，王迪珍.SBS改性瀝青的結(jié)構(gòu)與性能［J］.合成橡膠工業(yè)，2004，27（1）：39.

LIU Zuguang，WANG Shifeng，WANG Dizhen.The SBS modified asphalt structure and performance［J］.Synthetic Rubber Industry，2004，27（1）：39.

［2］ 郭淑華，古永海，王子軍，等.SBS的結(jié)構(gòu)對改性瀝青性能的影響［J］.石油瀝青，2001（3）：30.

GUO Shuhua，GU Yonghai，WANG Zijun，et al.The structure of the SBS to influence on the performance of the modified asphalt［J］.Petroleum Pitch，2001（3）：30.

［3］ 黃衛(wèi)東，孫立軍.聚合物改性瀝青顯微結(jié)構(gòu)及量化研究［J］.公路交通科技，2002（3）：9.

HUANG Weidong，SUN Lijun.Polymer modified asphalt microscopic structure and quantitative research［J］.Highway Traffic Science and Technology，2002（3）：9.

［4］ Bahia H U，Hislop W P，Zhai H，et al.Classification of asphalt binders into simple and complex binders［J］.Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，1998，67：1.

［5］ Isaccson U，Lu Xiahou.Laboratory investigation of polymer modified bitumens［J］.Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，1999，68：35.

［6］ 熊萍，郝培文.SBS聚合物改性瀝青技術(shù)性能及其微觀形態(tài)［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，6：48.

XIONG Ping，HAO Peiwen.The SBS polymer modified asphalt technical properties and microstructure［J］.Journal of Chongqing Traffic Institute，2007，6：48.