基于微观结构量化的SBS改性沥青分析

杨 群，殷 巍

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）

随着改性沥青在公路建设中的广泛应用，SBS（苯乙烯－丁二烯－苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青凭借着优异的性能在我国公路建设中发挥了重要的作用.研究表明，SBS改性沥青的微观结构与其性能有着密切的联系［1］，微观结构的差异对其性能起到极其重要的决定作用［2］.

国内外对SBS改性沥青微观结构研究从初步定性化评价聚合物对沥青的改性效果到运用专业软件对改性剂微粒大小、形态进行分析.现阶段运用专业软件处理分析方法为：在运用荧光显微镜观测到SBS改性剂在沥青相中真实形态的基础上，配备数字化处理所需的硬件设备及功能完善的图像处理软件，对SBS改性沥青微观结构图像进行分割、记数、测量［3］.此方法由于专业软件的操作复杂，对试验硬件要求较高，对于普通的偏光显微镜所成图像来说，不满足专业图像处理软件对分析对象的要求.因此，本文提出一种新的技术方法，打破专业软件的应用限制，运用基础操作软件对SBS改性沥青微观结构进行较深层次的量化研究，从而指导实际生产实践.

1 试验研究

1.1 试验材料

（1）基质沥青

本文选用的基质沥青为东海AH－70号沥青，其基本技术参数如表1所示.

表1 基质沥青基本技术参数Tab.1 Basic technical parameters of matrix asphalt

（2）改性剂

本研究选用混合型、星型两种类型的SBS改性剂进行对比分析，其主要技术参数如表2所示.

表2 SBS改性剂的技术参数Tab.2 Technical index of SBS modifier

（3）稳定剂

由于SBS改性沥青体系存在不稳定的状况，所以有必要加入稳定剂以改善聚合物之间界面能以及增加沥青与SBS改性剂之间的黏合.稳定剂掺量最佳范围为0.1%～0.6%，本文选用的稳定剂掺量为0.3%.

1.2 试样制备

SBS的工艺流程一般包括改性剂的溶胀、磨细分散、发育三个阶段.现场法生产改性沥青的设备有高速剪切法和胶体磨法两大类.本试验采用同济大学交通运输工程学院重点实验室中的高速剪切仪制备SBS改性沥青试样.

1.3 性能测试方法

对改性沥青的路用性能分析主要围绕三大指标（针入度、软化点和延度），试验包括沥青针入度、软化点、延度试验.

1.4 试验结果

在改性剂掺量都为4.0%的条件下，对试样进行性能测试，SBS改性剂类型对沥青性能的影响结果见表3.

表3 SBS改性剂类型对沥青性能的影响Tab.3 The influence of SBS modifier type on the performance of asphalt

2 SBS改性沥青微观形态及其性能对比分析

本文采用偏光显微镜放大400倍研究SBS改性沥青的微观形态结构，定量分析SBS改性沥青的改性效果并建立微观结构与宏观性能的关系.

2.1 微观结构分析

本文中采用偏光400倍显微镜获取SBS改性沥青显微结构，如图1所示.

图1 两种SBS改性沥青（掺量为4.0%）微观结构图Fig.1 The microstructure of two types of SBS modified asphalt（content was 4.0%）

由图1可见，浅色纤维状结构物为改性剂，可知两种SBS改性沥青微观结构相态均是SBS相为分散相的单相连续结构［4－6］.黄卫东等［3］运用荧光显微镜得到的显微图片可见分布于沥青相中的SBS改性剂颗粒，此种显微图片满足专业图像分析软件的分析要求，而对于本文中的偏光显微图片并不能完全显示SBS改性剂颗粒形状，但可以全面显示SBS改性剂在沥青相中分布的整体清晰结构.

熊萍等［6］提出通过观察聚合物在沥青相中分布的形态、结构和相态，可以有效地评价改性沥青的各项性能，是研究沥青改性效果的有力手段.故本文对SBS改性沥青微观结构图运用Autocad软件进行图像处理，选取两个关键量，从改性剂所占面积比及改性剂分布均匀性两方面对两种改性沥青的显微结构进行分析.具体分析过程如下：

（1）对图1中两张图片进行分割，分割长度、宽度相等，分割图像面积为单位1.运用数理统计中简单抽样方法进行数理分析.设单位面积图像总体为X，对每张图进行10次随机抽样，样本为｛x1，x2，x3，…，x10｝，通过对样本值xi的分析，去推断总体的情况——总体分布F（x）的性质.

为了具体明确所选单位图像，将图1a，b分割，横坐标以字母A到K、纵坐标以字母a到i表示，如图2，3所示.

（2）Autocad作为基础操作软件之一，有着操作简便，应用广泛等优点.将图2，3中所提取的单位面积为1的20张图片导入Autocad中，利用多线段将每一张单位图片上白色改性剂纤维部分连接，具体描图过程以混合型结构单位图①为例，如图4所示.

（3）利用Autocad求不规则图像面积从而得到改性剂纤维在单位图像中所占面积比，并通过数理计算公式计算样本均值和标准差系数.标准差系数是变异系数的一种，它是衡量资料中各观测值差异程度的另一个统计量.当进行两个或多个资料变异程度的比较时，如果度量单位与平均数相同，可以直接利用标准差来比较.如果度量单位和（或）平均数不同时，比较其变异程度就不能采用标准差，而需采用标准差与平均数的比值（相对值）来比较.通过对样本均值的计算发现样本均值不同，故采用标准差系数进行计算分析，标准差系数为标准差与均值的比值.样本均值、样本标准差系数均可反映总体均值、标准差系数的信息，所得数据如表4所示.

表4 微观结构图中两种SBS改性剂所占面积比Tab.4 Area ratio of SBS modifiers in the microstructure

（4）由表4可以看出：①通过两种改性剂在单位结构图中所占面积比均值可知，星型SBS改性剂所占面积比远高于混合型SBS改性剂所占面积比.因此，从微观结构上看，星型改性剂在基质沥青中可以形成更加稳定密实的结构，对改性沥青的高温稳定性及低温抗裂性起到明显的增强作用.②通过两种改性剂所占面积比标准差系数（即变异系数）可知，星型SBS与混合型SBS改性沥青标准差系数相比变异系数较小.结合微观结构图分析可知，虽然两者都可在基质沥青中形成网络状结构，但星型SBS改性剂在基质沥青中分布更均匀，微观结构更稳固.

2.2 宏观性能分析

通过表4与微观分析数据综合分析，可得微观量化指标与改性沥青三大指标关系，如图5，6所示.

由图5可知，SBS改性沥青的软化点、延度值随着改性剂所占面积比的增加而增加，针入度值随面积比的增加而减少.延度指标可评价沥青塑性变形能力，针入度和软化点指标可从不同方面反映沥青的温度敏感性及高温稳定性，故SBS改性剂在沥青相中所占面积比越大，改性沥青塑性变形能力及温度稳定性越好，充分说明SBS改性剂在沥青相中形成较密实稳定的结构时才能获得较高的塑性变形能力和高温稳定性.

从图6可知，SBS改性沥青的软化点、延度值随着改性剂所占面积标准差系数的增加而减少，针入度值随面积标准差系数的增加而增加.SBS改性剂在沥青相中所占面积比标准差系数越小，改性沥青塑性变形能力及温度稳定性越好，标准差系数的大小反映的是SBS改性剂分布的均匀性，标准差系数值越小说明SBS改性剂分布越均匀.因此，微观结构中改性微粒分布均匀性越好的改性沥青可以获得较高的改性性能.

3 结论

利用图像分割方法、结合Autocad软件对微观结构图进行分析，通过面积比及改性剂分布均匀性两个指标评价改性沥青的改性效果，此方法具有更直观、操作简单等优点.通过试验对改性沥青三大指标进行分析，结果表明星型SBS改性沥青具有更好的改性性能，与微观分析结论相吻合，这充分印证此种微观结构研究方法具有科学性、准确性.

［1］ 刘祖广，王仕峰，王迪珍.SBS改性沥青的结构与性能［J］.合成橡胶工业，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］ 郭淑华，古永海，王子军，等.SBS的结构对改性沥青性能的影响［J］.石油沥青，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］ 黄卫东，孙立军.聚合物改性沥青显微结构及量化研究［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聚合物改性沥青技术性能及其微观形态［J］.重庆交通学院学报，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.