灰關(guān)聯(lián)方法確定SBS改性瀝青宏觀(guān)性能微觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)

康愛(ài)紅，丁　燕，寇長(zhǎng)江，江　杰

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

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灰關(guān)聯(lián)方法確定SBS改性瀝青宏觀(guān)性能微觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)

康愛(ài)紅，丁燕，寇長(zhǎng)江，江杰

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

摘要：為了確定SBS改性瀝青宏觀(guān)性能的微觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，首先，選取道路石油瀝青與改性劑，在不同的改性劑摻量和剪切時(shí)間下制備改性瀝青；然后，進(jìn)行宏觀(guān)性能測(cè)試與熒光顯微圖像采集，提取聚合物微觀(guān)形態(tài)的特征參數(shù)。利用灰關(guān)聯(lián)方法確定與SBS改性瀝青宏觀(guān)性能關(guān)聯(lián)度高的微觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究結(jié)果表明：面積百分率和長(zhǎng)短軸之比與改性瀝青宏觀(guān)性能關(guān)聯(lián)程度優(yōu)于其他指標(biāo)，且當(dāng)面積百分率為18.5%～19.5%、長(zhǎng)短軸之比為1.78～1.82時(shí)，SBS改性瀝青的宏觀(guān)性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：改性瀝青；灰關(guān)聯(lián)；宏觀(guān)性能；微觀(guān)形態(tài)

0引言

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene-butadiene-styrene，SBS)嵌段共聚物改性瀝青是將苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物溶脹于瀝青中，形成具有一定空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并將SBS的性能傳遞到瀝青中去的共混材料，其宏觀(guān)性能的差異是改性劑在瀝青中的相態(tài)、形狀、尺寸和均勻性等微觀(guān)形態(tài)共同作用的結(jié)果[1]。因此，研究改性瀝青的顯微形態(tài)結(jié)構(gòu)，從微觀(guān)角度剖析改性瀝青的宏觀(guān)性能、解釋改性瀝青的機(jī)理顯得尤為必要[2]。目前，熒光顯微分析手段[3-6]是研究聚合物改性瀝青形態(tài)最有價(jià)值的方法。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為改性瀝青的性能與其非均相結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，當(dāng)SBS與瀝青形成兩相連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)，改性瀝青的宏觀(guān)性能得到大幅度提高。文獻(xiàn)[8]采用熒光顯微分析手段，指出SBS改性劑粒子的面積百分率越大、長(zhǎng)短軸之比越小、平均面積越小，SBS改性瀝青的改性效果就越好。目前，改性瀝青顯微結(jié)構(gòu)參數(shù)與其宏觀(guān)性能的研究多為定性分析，缺乏數(shù)據(jù)積累和可依據(jù)的定量分析。

本文從微觀(guān)層面對(duì)SBS改性瀝青的宏觀(guān)性能進(jìn)行了定量分析，采用灰關(guān)聯(lián)分析確定宏觀(guān)性能的微觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)方便、快速評(píng)價(jià)改性瀝青宏觀(guān)性能具有重要意義。

1原材料及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取金陵70#道路石油瀝青以及線(xiàn)型SBS YH-791、線(xiàn)型SBS LG-501和星型 SBS道改2#改性劑作為改性瀝青的原材料。其基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。

按改性瀝青常規(guī)剪切制備工藝，采用高速剪切法制備改性瀝青，將道路石油瀝青升溫至170 ℃，加入SBS，SBS摻量分別是瀝青質(zhì)量的3%、4%、5%和6%。高速剪切3 h，剪切速率為10 000 r/min，溫度控制在(170±3) ℃，剪切過(guò)程每隔15 min取樣[9]。按《美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃》及JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[10]的要求進(jìn)行宏觀(guān)性能試驗(yàn)。分別測(cè)定瀝青的軟化點(diǎn)、黏度和復(fù)數(shù)模量等性能指標(biāo)并制備相應(yīng)的顯微觀(guān)測(cè)樣本，通過(guò)采集熒光顯微圖像，觀(guān)察改性劑在瀝青中的形態(tài)及分布狀況，運(yùn)用圖像分析軟件對(duì)顯微圖像進(jìn)行量化表征。選取改性劑粒子的平均面積、面積百分率、長(zhǎng)短軸之比以及長(zhǎng)短軸之比標(biāo)準(zhǔn)差作為顯微結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1　金陵70#道路石油瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2　改性劑技術(shù)指標(biāo)

2熒光顯微圖像采集與數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先,對(duì)圖像進(jìn)行景深擴(kuò)展、圖像增強(qiáng)、對(duì)象分割和目標(biāo)分離等一系列處理，獲取SBS改性瀝青熒光顯微圖像中聚合物相的平均面積、面積百分率、長(zhǎng)短軸之比和長(zhǎng)短軸之比標(biāo)準(zhǔn)差這4個(gè)微觀(guān)參數(shù)。以摻量為5%的線(xiàn)型SBS YH-791改性瀝青為例，分析改性瀝青宏觀(guān)性能與微觀(guān)參數(shù)間的線(xiàn)性相關(guān)程度，結(jié)果如表3所示。

表3　SBS YH-791改性瀝青宏觀(guān)性能與微觀(guān)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

由表3可知：改性瀝青的宏觀(guān)性能與微觀(guān)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，表明宏觀(guān)性能和微觀(guān)參數(shù)并無(wú)明顯的線(xiàn)性關(guān)系，無(wú)法獲得改性瀝青宏觀(guān)性能與其顯微形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，這就要求換一種方法來(lái)分析，故本文采用灰關(guān)聯(lián)分析法。

3關(guān)聯(lián)度分析

灰色理論由鄧聚龍教授于1982年提出，該理論已經(jīng)滲透到眾多的科研領(lǐng)域，并且得到了證實(shí)和發(fā)展，在“小樣本，貧信息”情況下提供了解決系統(tǒng)問(wèn)題的新途徑[11]。而灰關(guān)聯(lián)分析則是灰色理論中的一類(lèi)重要方法，通過(guò)分析可以確定系統(tǒng)中各因素間的主次關(guān)系，找到影響目標(biāo)值的重要因素，從而掌握事物的主要特征[12-13]?；谊P(guān)聯(lián)分析法的步驟一般如下：確定參考數(shù)列；將上述數(shù)列作均值化處理，生成參考數(shù)列與比較數(shù)列；求關(guān)聯(lián)系數(shù)；求關(guān)聯(lián)度。

利用灰關(guān)聯(lián)分析方法來(lái)進(jìn)行影響因素關(guān)聯(lián)程度分析，主要是分析參考序列與比較序列之間關(guān)聯(lián)度的大小，關(guān)聯(lián)度越大則說(shuō)明參考序列與比較序列之間的關(guān)系越密切。

3.1顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)特征與改性瀝青性能灰關(guān)聯(lián)分析

按照灰關(guān)聯(lián)分析方法，以軟化點(diǎn)、黏度和復(fù)數(shù)模量這3個(gè)宏觀(guān)性能指標(biāo)為參考數(shù)列，平均面積、面積百分率、長(zhǎng)短軸之比和長(zhǎng)短軸之比標(biāo)準(zhǔn)差這4個(gè)微觀(guān)參數(shù)為比較數(shù)列，對(duì)不同摻量的線(xiàn)型SBS YH-791改性瀝青的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初值化等處理，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　不同摻量的SBS YH-791改性瀝青的微觀(guān)參數(shù)與宏觀(guān)性能的關(guān)聯(lián)度

由表4可知,不同摻量下，SBS YH-791改性瀝青的微觀(guān)參數(shù)與宏觀(guān)性能的關(guān)聯(lián)度順序?yàn)椋好娣e百分率>長(zhǎng)短軸之比>長(zhǎng)短軸之比標(biāo)準(zhǔn)差>平均面積。上述結(jié)果只針對(duì)于SBS YH-791改性瀝青，本文又分別對(duì)SBS YH-791、SBS LG-501和SBS道改2# 制備的所有摻量下的改性瀝青進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　不同種類(lèi)SBS改性瀝青的微觀(guān)參數(shù)與宏觀(guān)性能的關(guān)聯(lián)度

由表5可知，線(xiàn)型SBS YH-791和SBS LG-501改性瀝青的微觀(guān)參數(shù)和宏觀(guān)性能的關(guān)聯(lián)度順序?yàn)椋好娣e百分率>長(zhǎng)短軸之比>長(zhǎng)短軸之比標(biāo)準(zhǔn)差>平均面積。而對(duì)于星型SBS道改2#改性瀝青，關(guān)聯(lián)度順序?yàn)椋好娣e百分率>長(zhǎng)短軸之比>平均面積>長(zhǎng)短軸之比標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)于不同改性劑，微觀(guān)參數(shù)對(duì)SBS改性瀝青宏觀(guān)性能的影響略有不同，但相差不大，面積百分率和長(zhǎng)短軸之比對(duì)宏觀(guān)性能的影響仍?xún)?yōu)于其他兩個(gè)指標(biāo)，且這兩個(gè)指標(biāo)影響相差較小。

綜上所述，不同摻量和種類(lèi)的SBS改性劑制備的SBS改性瀝青的宏觀(guān)性能，受面積百分率和長(zhǎng)短軸之比的影響較大，故確定面積百分率和長(zhǎng)短軸之比為SBS改性瀝青宏觀(guān)性能的微觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2微觀(guān)參數(shù)的工程取值范圍

尋找合理的微觀(guān)表征參數(shù)，是為了直接通過(guò)熒光顯微形態(tài)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青的宏觀(guān)性能。以SBS YH-791改性瀝青為例，通過(guò)對(duì)宏觀(guān)性能與微觀(guān)參數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)的分析，確定微觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的工程取值范圍。一般軟化點(diǎn)以68～80 ℃為宜，黏度以2～4 Pa·s為宜，復(fù)數(shù)模量則以8～10 kPa為宜。以軟化點(diǎn)和面積百分率關(guān)系曲線(xiàn)為例進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出:面積百分率為18.5%～19.8%時(shí)，SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)是最為合適的。故分析不同宏觀(guān)性能與微觀(guān)參數(shù)的關(guān)系，確定SBS YH-791改性瀝青的微觀(guān)參數(shù)的工程取值范圍，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

圖1　SBS改性瀝青軟化點(diǎn)與面積百分率之間的　　　關(guān)系曲線(xiàn)

由表6可知：面積百分率為18.5%～19.5%，長(zhǎng)短軸之比為1.78～1.82時(shí)，SBS YH-791改性瀝青的宏觀(guān)性能最好。分別對(duì)SBS YH-791、SBS LG-501和SBS 道改2#改性瀝青進(jìn)行同樣的分析，針對(duì)不同改性劑的SBS改性瀝青，確定微觀(guān)參數(shù)的取值范圍，分析結(jié)果見(jiàn)表7。

表6　SBS YH-791改性瀝青微觀(guān)參數(shù)的取值范圍

表7　SBS YH-791、SBS LG-501和SBS道改2#

表7的結(jié)果表明：對(duì)于不同改性劑種類(lèi)和摻量，微觀(guān)參數(shù)的合理取值范圍有所不同，但差異不大。當(dāng)面積百分率為18.5%～19.5%，長(zhǎng)短軸之比為1.78～1.82時(shí)，SBS改性瀝青的宏觀(guān)性能較其他量化范圍更加優(yōu)異。這些范圍可直接用于改性瀝青生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制。

4結(jié)論

采用熒光顯微形態(tài)參數(shù)與宏觀(guān)性能進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，確定面積百分率和長(zhǎng)短軸之比作為SBS改性瀝青宏觀(guān)性能的微觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立微觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)與宏觀(guān)性能的關(guān)系，研究了各指標(biāo)的合理取值范圍，即面積百分率達(dá)到18.5%～19.5%，長(zhǎng)短軸之比為1.78～1.82時(shí)，SBS改性瀝青的宏觀(guān)性能最優(yōu)。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51108402)

作者簡(jiǎn)介：康愛(ài)紅(1973-),女,江蘇如東人,教授,博士,主要從事道路工程方面的教學(xué)與研究.

收稿日期：2016-01-20

文章編號(hào)：1672-6871(2016)04-0056-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.012

中圖分類(lèi)號(hào)：TU535

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A