基于细观结构的OMMT/SBS改性沥青存储稳定性研究

2021-03-17王锋安雷生

中外公路 2021年1期

王锋，安雷生

(中建三局投资发展公司设计管理部，湖北武汉 430000)

1 前言

目前，道路柔性铺装中使用最为广泛的改性沥青是SBS改性沥青，但 SBS 和沥青的相容性较差，在高温下 SBS 容易从沥青中分离出来，严重影响了使用性能。OMMT (有机纳米蒙脱土)是一种层状硅酸盐黏土，容易与SBS形成纳米复合材料，从而提高SBS改性沥青的存储稳定性。

孙洪福等分析离析试验前后的荧光图片，对SBS改性沥青热储存稳定性定性试验指标进行了评价分析；黄卫东、杨群、Gonzalez运用荧光显微法，对SBS改性沥青细观结构图像进行图像识别，可以将目标区从图像中分离出来，并能手动计算测量目标的面积、粒径尺寸等，然而由于影响图像采集效果的因素不定，处理图像的方式各不相同，尤其是人为甄别改性剂区域的随机性和不定性，最终导致细观数据的评价和选取标准难以统一，显微结构数据的量化分析困难。

该文借助图像处理软件，比较显微试样冷切法和热融法的图像，改进荧光显微试验方法，以保证所采集的细观图像的真实性、统一性以及图像处理的精确化、标准化，对OMMT/SBS改性沥青细观结构进行较深层次的量化研究。

2 试验材料的性能

(1) OMMT 由于具有较强的亲油性及较小的表面自由能，使得其与沥青的相容性大大增加，此次试验采用的OMMT具体参数见表1。

表1 OMMT性能参数

(2) 沥青和改性剂分别是壳牌70#基质沥青、星型SBS，具体性能指标如表2、3所示。

表2 基质沥青基本指标

表3 星型SBS改性剂的技术指标

3 荧光显微法的改进

改性沥青的存储稳定性指存储过程中改性剂与沥青不发生分离的性能。稳定性的评价按照空间尺度分为3种：宏观方法、细观方法和微观方法。宏观方法采用JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0661-2017的聚合物改性沥青离析试验方法，以软化点作为指标评价存储稳定性。微观方法主要是针对改性剂的特征官能团，如孙大全利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术，将699 cm-1与810 cm-1处红外光谱特征峰吸收面积比作为SBS含量定量分析指标；耿九光利用凝胶渗透色谱法(GPC)对改性沥青中SBS含量进行了测试，测量值与真实值的相对误差不超过5%；赵洪波采用了核磁共振氢谱(H-NMR)法，认为SBS特征峰和基质沥青峰的积分面积之比与SBS实际掺量呈线性关系。

以上方法的缺点是不能反映改性沥青中SBS实际形态。荧光显微法是细观分析方法的一种，利用SBS与沥青在荧光光源照射下反射不同波长的原理，SBS呈现出黄色，沥青呈现黑色。

3.1 离析试样的制备

步骤如下：① 制备OMMT/SBS改性沥青。加热基质沥青至140 ℃，然后掺入质量分数为3.5%的星型SBS改性剂、质量分数为5%的OMMT，然后溶胀、高速剪切、搅拌发育；② 恒温存储。将制备好的OMMT/SBS改性沥青分别倒入30根铝管，分成2批，每批15根铝管，将2批铝管分别放入两种温度条件(120、60 ℃)下进行储存，并在5个储存时间点(12、24、48、96、168 h)分别取出每批中的3根试管(平行试验)；③ 制备荧光显微试样。从恒温箱中取出铝管，截取铝管的上下三分点处断面；④ 在荧光显微镜下观测试样并保存图像；⑤ 处理图像。

3.2 试样制备方法

采用热融法和冷切法制备荧光显微试样。热融法是利用沥青高温液化的特性，将沥青试样加热融化后滴在载玻片上，立刻盖上盖玻片轻压使之水平，荧光显微图像如图1(a)所示。冷切法是将沥青在-18 ℃低温环境下冷冻12 h，利用沥青的低温脆化特性劈裂出平整光滑面，该方法的优点在于荧光显微成像只与沥青表面层有关,可以不用考虑试样厚度。荧光显微图像如图1(b)所示。

如图1(a)所示，采用热融法获得的图像SBS呈现

图1 制备试样的荧光显微图像

出拉丝状，局部区域呈涂抹状，说明盖玻片与沥青间产生了滑移；另一方面，对试样热融的过程相当于重新搅拌。两者在试验中均难以控制，主观影响因素大。如图1(b)所示，采用冷切法获得的图像SBS呈现出颗粒状，很好地保持了沥青中的SBS形态。因此，以下试样采用冷切法制备。

4 试验结果分析

4.1 软化点指标

采用T0606-2017试验的软化点增量表征沥青存储稳定性的宏观指标，OMMT/SBS改性沥青和SBS改性沥青的软化点如图2所示。

图2 130 ℃各存储时间点的软化点增量

在初始状态下，OMMT/SBS改性沥青、SBS改性沥青的软化点分别为90.1、77.4 ℃，说明OMMT可以提高SBS改性沥青的软化点。图2表明：两种改性沥青随着存储时间的增加软化点增量逐渐增大，在168 h时，SBS改性沥青的软化点增量达到30 ℃，OMMT/SBS改性沥青软化点增量为11.2 ℃，说明OMMT提高了SBS改性沥青的存储稳定性。 SBS被物理剪切混杂于沥青中，根据能量最低原理，体系有自发地降低表面能的趋势，导致SBS微粒有选择地在其表面吸附OMMT，降低其表面能。因此，在SBS改性沥青中加入OMMT，可以提高SBS与沥青界面相的结合能力。

4.2 定性分析

图像拼接指拍摄过程中摄像头暂时固定，先按照顺序分别拍摄几个分镜头，之后通过图像拼接算法将分镜照片拼接融合为一张照片的过程。在进行图像叠加之前，对待叠加图像进行预处理来减少外界噪声等一些不必要的干扰，再通过分析参考图像和待配准的图像相同区域的信息确定两幅图像之间的变换关系。

对于表面平整性较差的样本，由于受荧光显微镜景深大的影响，对焦过程中会出现局部清晰而某些部位较模糊的现象，可以通过连续对焦拍摄后合成一张清晰的组合图像，原理如图3所示。SBS斑点的黄色色度、亮度不同，与背景的对比不明显，因此先调节亮度和对比度，再利用阈值以某一色度作标准，凡是比该值大的颜色就会转换成白色，低于该值的颜色就转换成黑色，将荧光显微图转换为黑白图。最后拾取白色区域(SBS)和总区域(SBS+沥青)，统计其像素点，如图4所示。

图3 景深叠加的原理

图4 拾取白色区域图示

图5、6为OMMT/SBS改性沥青结构显微照片，放大倍数为200倍。由图5、6可以看到：沥青中SBS在早期是密密麻麻的小颗粒，随着存储时间的增加其最大粒径尺寸也逐渐增加。相同存储时间下，130 ℃时SBS的圆度、粒径远大于60 ℃时SBS的圆度，存储温度为 60 ℃的SBS呈现出带状，这是因为温度低沥青分子间的作用力大，SBS收缩的阻尼大，经过168 h后SBS没有收缩成团。根据平均场理论，沥青从均相逐渐冷却至旋节区，分散的SBS向附近大的SBS团蠕动，SBS相最大粒径的面积逐渐增大，表现为SBS在沥青中横向移动。SBS的密度为0.93 g/cm3，小于沥青相，表现为SBS在重力作用下竖向移动，最终在宏观上表现为改性沥青的离析现象。

图5 OMMT/SBS改性沥青130 ℃时不同时间的荧光显微图

图6 OMMT/SBS改性沥青60 ℃时不同时间的荧光显微图

4.3 定量分析

离析增量的计算公式如下所示：

SI=S白/S总-X白/X总

(1)

其中：S白、X白分别为铝管上、下三分点处荧光显微图像中白色区域的像素点；S总、X总分别为铝管上、下三分点处荧光显微图像的总像素点。

提取图5、6数据，制成表4。由表4可知：相同的存储时间，存储温度为130 ℃时的SBS面积比比60 ℃的SBS面积比高，存储温度为130 ℃时的SI比60 ℃的高，说明存储温度对离析效果影响大，60 ℃时有轻微离析，130 ℃离析较严重。离析速率先增加后降低，离析量主要发生于前48 h，尤其是前12 h，130、60 ℃两种存储温度下前12 h的SI分别为2.0%、0.6%，在168 h时基本趋于平稳，最终稳定为6.3%、1.4%。