基于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的OMMT/SBS改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性研究

王鋒，安雷生

(中建三局投資發(fā)展公司設(shè)計(jì)管理部，湖北 武漢 430000)

1 前言

目前，道路柔性鋪裝中使用最為廣泛的改性瀝青是SBS改性瀝青，但 SBS 和瀝青的相容性較差，在高溫下 SBS 容易從瀝青中分離出來，嚴(yán)重影響了使用性能。OMMT (有機(jī)納米蒙脫土)是一種層狀硅酸鹽黏土，容易與SBS形成納米復(fù)合材料，從而提高SBS改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性。

孫洪福等分析離析試驗(yàn)前后的熒光圖片，對(duì)SBS改性瀝青熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性定性試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；黃衛(wèi)東、楊群、Gonzalez運(yùn)用熒光顯微法，對(duì)SBS改性瀝青細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行圖像識(shí)別，可以將目標(biāo)區(qū)從圖像中分離出來，并能手動(dòng)計(jì)算測(cè)量目標(biāo)的面積、粒徑尺寸等，然而由于影響圖像采集效果的因素不定，處理圖像的方式各不相同，尤其是人為甄別改性劑區(qū)域的隨機(jī)性和不定性，最終導(dǎo)致細(xì)觀數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)和選取標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，顯微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的量化分析困難。

該文借助圖像處理軟件，比較顯微試樣冷切法和熱融法的圖像，改進(jìn)熒光顯微試驗(yàn)方法，以保證所采集的細(xì)觀圖像的真實(shí)性、統(tǒng)一性以及圖像處理的精確化、標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)OMMT/SBS改性瀝青細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行較深層次的量化研究。

2 試驗(yàn)材料的性能

(1) OMMT 由于具有較強(qiáng)的親油性及較小的表面自由能，使得其與瀝青的相容性大大增加，此次試驗(yàn)采用的OMMT具體參數(shù)見表1。

表1 OMMT性能參數(shù)

(2) 瀝青和改性劑分別是殼牌70#基質(zhì)瀝青、星型SBS，具體性能指標(biāo)如表2、3所示。

表2 基質(zhì)瀝青基本指標(biāo)

表3 星型SBS改性劑的技術(shù)指標(biāo)

3 熒光顯微法的改進(jìn)

改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性指存儲(chǔ)過程中改性劑與瀝青不發(fā)生分離的性能。穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)按照空間尺度分為3種：宏觀方法、細(xì)觀方法和微觀方法。宏觀方法采用JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0661-2017的聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)方法，以軟化點(diǎn)作為指標(biāo)評(píng)價(jià)存儲(chǔ)穩(wěn)定性。微觀方法主要是針對(duì)改性劑的特征官能團(tuán)，如孫大全利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)，將699 cm-1與810 cm-1處紅外光譜特征峰吸收面積比作為SBS含量定量分析指標(biāo)；耿九光利用凝膠滲透色譜法(GPC)對(duì)改性瀝青中SBS含量進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量值與真實(shí)值的相對(duì)誤差不超過5%；趙洪波采用了核磁共振氫譜(H-NMR)法，認(rèn)為SBS特征峰和基質(zhì)瀝青峰的積分面積之比與SBS實(shí)際摻量呈線性關(guān)系。

以上方法的缺點(diǎn)是不能反映改性瀝青中SBS實(shí)際形態(tài)。熒光顯微法是細(xì)觀分析方法的一種，利用SBS與瀝青在熒光光源照射下反射不同波長的原理，SBS呈現(xiàn)出黃色，瀝青呈現(xiàn)黑色。

3.1 離析試樣的制備

步驟如下：① 制備OMMT/SBS改性瀝青。加熱基質(zhì)瀝青至140 ℃，然后摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的星型SBS改性劑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的OMMT，然后溶脹、高速剪切、攪拌發(fā)育；② 恒溫存儲(chǔ)。將制備好的OMMT/SBS改性瀝青分別倒入30根鋁管，分成2批，每批15根鋁管，將2批鋁管分別放入兩種溫度條件(120、60 ℃)下進(jìn)行儲(chǔ)存，并在5個(gè)儲(chǔ)存時(shí)間點(diǎn)(12、24、48、96、168 h)分別取出每批中的3根試管(平行試驗(yàn))；③ 制備熒光顯微試樣。從恒溫箱中取出鋁管，截取鋁管的上下三分點(diǎn)處斷面；④ 在熒光顯微鏡下觀測(cè)試樣并保存圖像；⑤ 處理圖像。

3.2 試樣制備方法

采用熱融法和冷切法制備熒光顯微試樣。熱融法是利用瀝青高溫液化的特性，將瀝青試樣加熱融化后滴在載玻片上，立刻蓋上蓋玻片輕壓使之水平，熒光顯微圖像如圖1(a)所示。冷切法是將瀝青在-18 ℃低溫環(huán)境下冷凍12 h，利用瀝青的低溫脆化特性劈裂出平整光滑面，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于熒光顯微成像只與瀝青表面層有關(guān),可以不用考慮試樣厚度。熒光顯微圖像如圖1(b)所示。

如圖1(a)所示，采用熱融法獲得的圖像SBS呈現(xiàn)

圖1 制備試樣的熒光顯微圖像

出拉絲狀，局部區(qū)域呈涂抹狀，說明蓋玻片與瀝青間產(chǎn)生了滑移；另一方面，對(duì)試樣熱融的過程相當(dāng)于重新攪拌。兩者在試驗(yàn)中均難以控制，主觀影響因素大。如圖1(b)所示，采用冷切法獲得的圖像SBS呈現(xiàn)出顆粒狀，很好地保持了瀝青中的SBS形態(tài)。因此，以下試樣采用冷切法制備。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 軟化點(diǎn)指標(biāo)

采用T0606-2017試驗(yàn)的軟化點(diǎn)增量表征瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性的宏觀指標(biāo)，OMMT/SBS改性瀝青和SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)如圖2所示。

圖2 130 ℃各存儲(chǔ)時(shí)間點(diǎn)的軟化點(diǎn)增量

在初始狀態(tài)下，OMMT/SBS改性瀝青、SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)分別為90.1、77.4 ℃，說明OMMT可以提高SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)。圖2表明：兩種改性瀝青隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加軟化點(diǎn)增量逐漸增大，在168 h時(shí)，SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)增量達(dá)到30 ℃，OMMT/SBS改性瀝青軟化點(diǎn)增量為11.2 ℃，說明OMMT提高了SBS改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性。 SBS被物理剪切混雜于瀝青中，根據(jù)能量最低原理，體系有自發(fā)地降低表面能的趨勢(shì)，導(dǎo)致SBS微粒有選擇地在其表面吸附OMMT，降低其表面能。因此，在SBS改性瀝青中加入OMMT，可以提高SBS與瀝青界面相的結(jié)合能力。

4.2 定性分析

圖像拼接指拍攝過程中攝像頭暫時(shí)固定，先按照順序分別拍攝幾個(gè)分鏡頭，之后通過圖像拼接算法將分鏡照片拼接融合為一張照片的過程。在進(jìn)行圖像疊加之前，對(duì)待疊加圖像進(jìn)行預(yù)處理來減少外界噪聲等一些不必要的干擾，再通過分析參考圖像和待配準(zhǔn)的圖像相同區(qū)域的信息確定兩幅圖像之間的變換關(guān)系。

對(duì)于表面平整性較差的樣本，由于受熒光顯微鏡景深大的影響，對(duì)焦過程中會(huì)出現(xiàn)局部清晰而某些部位較模糊的現(xiàn)象，可以通過連續(xù)對(duì)焦拍攝后合成一張清晰的組合圖像，原理如圖3所示。SBS斑點(diǎn)的黃色色度、亮度不同，與背景的對(duì)比不明顯，因此先調(diào)節(jié)亮度和對(duì)比度，再利用閾值以某一色度作標(biāo)準(zhǔn)，凡是比該值大的顏色就會(huì)轉(zhuǎn)換成白色，低于該值的顏色就轉(zhuǎn)換成黑色，將熒光顯微圖轉(zhuǎn)換為黑白圖。最后拾取白色區(qū)域(SBS)和總區(qū)域(SBS+瀝青)，統(tǒng)計(jì)其像素點(diǎn)，如圖4所示。

圖3 景深疊加的原理

圖4 拾取白色區(qū)域圖示

圖5、6為OMMT/SBS改性瀝青結(jié)構(gòu)顯微照片，放大倍數(shù)為200倍。由圖5、6可以看到：瀝青中SBS在早期是密密麻麻的小顆粒，隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加其最大粒徑尺寸也逐漸增加。相同存儲(chǔ)時(shí)間下，130 ℃時(shí)SBS的圓度、粒徑遠(yuǎn)大于60 ℃時(shí)SBS的圓度，存儲(chǔ)溫度為 60 ℃的SBS呈現(xiàn)出帶狀，這是因?yàn)闇囟鹊蜑r青分子間的作用力大，SBS收縮的阻尼大，經(jīng)過168 h后SBS沒有收縮成團(tuán)。根據(jù)平均場(chǎng)理論，瀝青從均相逐漸冷卻至旋節(jié)區(qū)，分散的SBS向附近大的SBS團(tuán)蠕動(dòng)，SBS相最大粒徑的面積逐漸增大，表現(xiàn)為SBS在瀝青中橫向移動(dòng)。SBS的密度為0.93 g/cm3，小于瀝青相，表現(xiàn)為SBS在重力作用下豎向移動(dòng)，最終在宏觀上表現(xiàn)為改性瀝青的離析現(xiàn)象。

圖5 OMMT/SBS改性瀝青130 ℃時(shí)不同時(shí)間的熒光顯微圖

圖6 OMMT/SBS改性瀝青60 ℃時(shí)不同時(shí)間的熒光顯微圖

4.3 定量分析

離析增量的計(jì)算公式如下所示：

SI=S白/S總-X白/X總

(1)

其中：S白、X白分別為鋁管上、下三分點(diǎn)處熒光顯微圖像中白色區(qū)域的像素點(diǎn)；S總、X總分別為鋁管上、下三分點(diǎn)處熒光顯微圖像的總像素點(diǎn)。

提取圖5、6數(shù)據(jù)，制成表4。由表4可知：相同的存儲(chǔ)時(shí)間，存儲(chǔ)溫度為130 ℃時(shí)的SBS面積比比60 ℃的SBS面積比高，存儲(chǔ)溫度為130 ℃時(shí)的SI比60 ℃的高，說明存儲(chǔ)溫度對(duì)離析效果影響大，60 ℃時(shí)有輕微離析，130 ℃離析較嚴(yán)重。離析速率先增加后降低，離析量主要發(fā)生于前48 h，尤其是前12 h，130、60 ℃兩種存儲(chǔ)溫度下前12 h的SI分別為2.0%、0.6%，在168 h時(shí)基本趨于平穩(wěn)，最終穩(wěn)定為6.3%、1.4%。

5 結(jié)論

(1) 在聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，提出了存儲(chǔ)穩(wěn)定性的細(xì)觀評(píng)價(jià)指標(biāo)SI。采用圖像拼接技術(shù)處理景深大的問題，并提出了基于像素點(diǎn)的圖像面積計(jì)算方法，此方法具有快速、準(zhǔn)確、直觀的特點(diǎn)。比較冷切法和熱融法的顯微試樣圖像中SBS的細(xì)觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，認(rèn)為冷切法更能夠反映SBS的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。

表4 離析試樣的熒光顯微圖參數(shù)

(2) SBS隨著時(shí)間的增加其最大粒徑尺寸由小變大，相同存儲(chǔ)時(shí)間下130 ℃時(shí)改性瀝青中SBS的圓度、粒徑大于60 ℃時(shí)改性瀝青中SBS的圓度和粒徑。

(3) OMMT可以提高SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)和存儲(chǔ)穩(wěn)定性。OMMT/SBS改性瀝青的離析速率先增加后降低，離析量主要發(fā)生于前48 h，尤其是前12 h，130、60 ℃兩種存儲(chǔ)溫度下前12 h的SI分別為2.0%、0.6%，在168 h時(shí)基本趨于平穩(wěn)，最終穩(wěn)定在6.3%、1.4%。