摘 要

為了更直觀便捷地研究SBS聚合物與基質瀝青反應進程，制備了兩種SBS改性瀝青的分散、剪切、發育等7個狀態共14組熒光顯微鏡樣品。以放大100倍和400倍熒光顯微鏡圖像為研究對象，分別借助兩個圖像處理軟件計算SBS溶脹面積比，即SBS改性劑在瀝青中溶脹聯結形成的熒光共軛點狀、蠕蟲狀、網格狀等發亮結構的面積占該圖像面積的比例，分析SBS溶脹面積比與改性瀝青發育進程以及穩定性的關系，并借助離析軟化點差值指標驗證發育進程中SBS溶脹面積比與改性瀝青穩定性的關系。結果表明：隨發育時間延長，SBS溶脹面積比先增大后減小，其超過一定比例后基質瀝青與SBS形成網狀互穿結構，穩定性大幅增加，SBS溶脹面積比超過51.87%時離析軟化點差值都滿足相關規范要求，從微觀角度進一步揭示改性機理，為快速評判SBS改性瀝青是否存在離析風險提供一種新思路瀝青網sinoasphalt.com。

關鍵詞

SBS改性瀝青 | 圖像處理 | 發育時間 | SBS溶脹面積比 | 微觀結構 | 離析軟化點差值

SBS改性瀝青因優良的高低溫性能、耐久性和路用性能，是現代高等級公路建設中應用最為廣泛的膠結材料[1-2]。研究發現，SBS改性瀝青宏觀力學性能與微觀結構相關性明顯，SBS改性瀝青的膠結性能是其微觀結構特征的反映[3]。熒光顯微鏡因其能清晰分辨聚合物相和瀝青相，對樣本無損傷，真實還原樣本微觀結構和制樣簡易等優勢，廣泛應用于SBS改性瀝青微觀形態的研究中[4]。

利用熒光顯微鏡觀測SBS改性瀝青樣本最早是由法國A.Remoulif[5]在1981年提出，黃衛東等[6]提出SBS改性瀝青的連續性可以分成3種基本類型。王明等[7]利用熒光顯微鏡研究改性瀝青長期儲存的形貌，發現改性劑經2個月的溶脹發育，形成了類似“蜥蜴皮膚”的均勻、密實、穩定的互穿網狀結構?？祼奂t等[8-9]研究了SBS改性瀝青熒光顯微觀測樣本制備方法、圖像的采集與處理方法。胡魁等[10-11]利用MATLAB等軟件研究了SBS改性瀝青的熒光面積比、溶脹直徑與其性質的關系。王浩等[12-13]利用熒光顯微鏡和紅外光譜探究了聚合硫對SBS改性瀝青黏度、形態和貯存穩定性的影響，并運用相場模型模擬SBS改性瀝青的熱穩定性。然而，從發育時間角度對SBS改性瀝青微觀形貌發展及SBS溶脹網狀結構面積比與儲存穩定性關系的研究鮮見報道。同時，判斷SBS改性瀝青穩定性的離析48h軟化點差值指標存在樣品制備耗時長的問題，工程現場制備的SBS改性瀝青需要待離析達標后才能使用，增加工程成本。

本文利用HALCON和PHOTOSHOP這兩個軟件分別計算SBS溶脹面積比，運用處理后的樣本照片推斷SBS改性瀝青微觀反應進程，從發育時間的角度對SBS改性瀝青形貌和儲存穩定性進行研究，并探討了SBS溶脹面積比與發育時間和離析指標的關系，為快速鑒定SBS改性瀝青是否離析提供理論基礎。

試驗原材料及方案

原材料

采用韓國SK90號和中石化鎮海煉化分公司的A級道路石油瀝青，指標見表1。選用中石化巴陵石化公司1301-1型SBS改性劑，相關參數見表2。選用佛山鑫路材料有限公司生產的XLWD-Ⅲ型SBS改性瀝青穩定劑，質量比摻量是0.2%，其相關參數見表3。

實驗室制備SBS改性瀝青的方法

實驗室采用高速剪切法制備SBS改性瀝青[2]。將基質瀝青預加熱175℃，加入SBS改性劑攪拌分散0.5h，放入剪切機的175℃油浴中，在電機7000r/min轉速下剪切30min，摻入穩定劑后于瀝青攪拌機的175℃油浴中發育一段時間即制備得到SBS改性瀝青。

制備改性瀝青熒光顯微觀測樣本及圖像采集

在SBS改性瀝青制備過程中，分別于分散、剪切、發育1h、2h、4h、6h和22h時依次用干燥潔凈的玻璃棒蘸取反應容器中的改性瀝青，滴落在載玻片上，趁熱將蓋玻片輕推覆蓋樣品，保證樣本表面平整、厚度均勻且內部無氣泡，使用熒光顯微鏡和計算機軟件調節樣本至適宜的曝光度、對比度后拍照、保存[1，9]。鑒于過程操作、環境和時間因素均對成像結果有影響，本試驗采取相關措施控制試驗過程的標準化。

基于熒光顯微圖像的SBS溶脹面積比的計算方法

HALCON計算方法構建

本試驗使用HALCON圖片處理軟件的HSV(色調Hue，飽和度Saturation，明度Value)顏色空間處理熒光圖片區分SBS溶脹、聯結后的熒光部分。如圖1將熒光原圖轉換成HSV通道圖片，根據明度通道圖片特性和熒光顯微鏡相關技術參數設置相應閾值參數，得到明度通道二值圖。運用面積中心算子得到SBS溶脹像素點(如圖1(c)所示，白色邊框包裹著SBS溶脹區域)和全圖像素點，則總放大100倍的鎮海90號改性瀝青的熒光面積比為5911532/10017440，SBS改性劑溶脹聯結區域占整個樣品面積的59.01%。

PHOTOSHOP計算方法的構建

讀取SBS改性瀝青熒光圖，填入純黑色背景顏色填充，運用混合顏色帶確定合理的黑白二值閾值范圍，代表瀝青的黑色像素轉換成透明像素，代表SBS溶脹聯結區域的黃色像素保持為不透明像素，通過直方圖可計算出各區域像素點數，如圖2所示，總放大100倍的鎮海90號改性瀝青的熒光面積比為92572/156751，SBS溶脹聯結區域占整個樣品面積的59.06%。運用兩種不同的圖片處理方法計算所得的SBS溶脹面積比相差無幾、相互印證，說明本文提出的方法比較可靠。

基于改性瀝青發育時間維度的SBS溶脹面積比關系分析

SBS改性瀝青生產工藝直接影響成品的品質。在拌和站工廠化生產SBS改性瀝青過程中，經大磨剪切后，需要在175℃左右的發育罐內發育2~6h，不同的發育時間對SBS改性瀝青的性能有較大影響[14]。鑒于市面上改性瀝青中SBS摻量大多在4%~5%，本研究以4.5%摻量的SBS改性瀝青為典型研究樣本，隨發育時間的延長通過熒光顯微鏡觀察其顯微形態的變化，在制備SK和鎮海兩種改性瀝青過程中分別于分散、剪切、發育1h、2h、4h、6h和22h時間點取樣制備熒光顯微樣品。

SK改性瀝青SBS溶脹面積比

表4為不同制備過程中改性瀝青放大100倍和400倍的熒光PHOTOSHOP處理圖片，以及運用兩種方法計算SBS溶脹面積比。由表4可見，不同制備時期SK基質瀝青和SBS改性劑共混形態差異顯著，鑒于放大400倍的熒光樣本細節紋理更清晰，本部分以放大400倍的照片為研究對象，以PHOTOSHOP計算所得溶脹面積比為例，隨著制備時間的增加，SBS溶脹面積比從機械分散時的23.11%先減小至剪切時的20.00%，后又逐漸加大至發育6h的71.47%。對比機械分散和剪切的照片發現，SBS改性劑先在基質瀝青中溶脹體積變大，經剪切工藝后SBS粒徑變??；對比剪切和發育1h照片，SBS高分子聚合物進一步吸附瀝青輕質組分而溶脹由彼此孤立的分散相態逐漸向蠕蟲狀的連續相態轉變，大團SBS延伸出很多細長SBS條狀帶，表明原本團聚在一起的若干條SBS逐漸解旋并以較少條數的狀態與瀝青混溶；對比發育1h和2h照片可知，SBS分子間解旋程度加深導致溶脹聯結黃色熒光團粒徑減小，更多的SBS由自團聚狀態被分散到瀝青中，SBS溶脹聯結熒光面積占比超過50%，瀝青相和聚合物相相互穿插；對比發育2h和4h照片可知，SBS溶脹聯結熒光面積比達到64.44%，SBS由最初的分散相變為與瀝青互穿并形成清晰可見的網狀結構，這是因為SBS分子間及SBS與瀝青不飽和鍵之間形成大量熒光共軛的共價橋連化學鍵；對比發育4h和6h照片可知，SBS網狀結構弱化，已經部分共價交聯的SBS在丁二烯(PB)段尚未反應的雙鍵活性位點上進一步發生共價交聯(如圖3)形成分子量更大的熒光共軛共聚物，使得部分SBS溶脹聯結熒光團粒徑變大，而PB段中的不飽和雙鍵在高溫下易發生無規斷鏈和熱氧化降解，故降解的SBS會釋放原先吸附纏繞的瀝青輕質組分，造成SBS與瀝青之間的間隔變大。

鎮海改性瀝青SBS溶脹面積比

由表4可見，鎮海SBS改性瀝青與SK相似，以PHOTOSHOP計算所得面積比為例，SBS溶脹聯結熒光面積從分散時的21.68%先減小至剪切時的13.93%，后又逐漸增大至發育6h的61.90%，其整體SBS面積比較小，可能是1301-1型SBS改性劑與鎮海90號瀝青匹配性沒有SK90號瀝青好，具體表現在鎮海改性瀝青在相容穩定性和儲存穩定性較SK改性瀝青差。不同制備時期鎮?；|瀝青和SBS改性劑共混形態差異大，鎮?；|瀝青與SBS的混溶均質歷程整體比相應SK瀝青的慢，鎮海瀝青發育1h時是完全分散到瀝青連續相的狀態；發育2h形成部分交聯的大長條狀熒光團；發育4h時SBS溶脹聯結熒光面積只有35.69%，SBS熒光團更充分地分散在瀝青中；發育至6h時，其SBS溶脹聯結面積占比超過50%，并與鎮?；|瀝青形成了清晰可見的互穿網狀結構，鎮海瀝青與SBS達到了較好的混溶狀態。

為了進一步弄清長時間發育對SBS改性瀝青的影響，將SK和鎮海改性瀝青發育22h，其放大400倍熒光照片如圖4所示，與相應發育6h的熒光圖(表4，6h)比較后發現SBS與瀝青的顆粒粒徑都變細變小，這是因為SBS的聚苯乙烯段(PS段)與基質瀝青相容性好，而PB段與瀝青的相容性差，發育時間過長后，難溶的PB段大量裂解成小分子碎片，SBS的分子量下降，其在瀝青中的溶解度增大，改性瀝青整體粉末化。其中SK改性瀝青發育22h后，SBS溶脹聯結熒光面積占比為63.19%，鎮海改性瀝青為51.43%，它們的面積比都比相應發育6h時的熒光面積減小。發育22h的SK熒光圖更加均質，而鎮海熒光圖中SBS和瀝青粒徑都較大，這可能是鎮海90號基質瀝青與1301-1型SBS改性劑匹配性較差造成的。

基于改性瀝青發育時間維度的離析軟化點差值分析

根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)，聚合物改性瀝青儲存穩定性離析48h軟化點差不大于2.5℃，圖5所示為SK和鎮海4.5%摻量的SBS改性瀝青發育1h、2h、4h和6h后的離析48h軟化點差值。SK改性瀝青離析軟化點差值從發育1h的3.5℃持續下降，在發育4h時達到1.3℃，接著在發育6h時又上升至2.1℃，說明發育4h時SK基質瀝青和SBS混溶性、互穿纏繞程度處于優佳狀態，相互形成的大量共價橋連化學鍵保證了改性瀝青的儲存穩定性，這與SK改性瀝青熒光樣本一致，隨發育時間增加，其SBS網狀結構越發完善并于發育4h時達到最發達狀態。對比表4中SK發育4h和6h的樣本照片可知，發育4h的SBS網狀化結構最顯著；而6h時SBS網狀結構變模糊，部分SBS熒光團粒徑變大更易沉降[12]，故而其離析軟化點差值較發育4h時增大，這與前述熒光圖像的結果一致。

圖5中鎮海改性瀝青離析軟化點差值從發育1h的16.2℃持續上升，在2h時達到25.8℃，對比表4中鎮海1h和2h的樣本可知，2h時SBS溶脹粒徑和長度較1h的變大，但SBS分子間又未形成網狀結構，大顆粒SBS更易沉降團聚離析[13]，因此其離析軟化點差值增大。隨后鎮海改性瀝青離析軟化點差值持續下降，發育6h后下降至1.6℃，其熒光樣本的網狀化結構隨發育時間增加也越來越明顯，在發育6h時網狀化結構最為顯著，離析試驗數據與熒光樣本一致。SK改性瀝青的離析48h軟化點差值一直處于很低水平，而鎮海改性瀝青只有發育6h時不大于2.5℃，說明SK90號基質瀝青與1301-1型SBS改性劑配伍性優于鎮海90號瀝青。并且對比相同發育時間的熒光照片可知，SK改性瀝青的網狀化過程較鎮海改性瀝青的快，SK的在4h時網狀化結構最明顯而鎮海的在6h時最明顯，這與離析試驗數據一致。上述試驗表明，當SBS發育形成網狀結構且其熒光面積占比大于51.87%時，其離析軟化點差值都不大于2.5℃，滿足相關要求。發育時間過長，SBS改性瀝青逐漸老化，由圖4可知SBS網狀化結構越發不明顯，其路用性能變差[14]。

結語

(1)本研究以放大100倍和400倍熒光顯微鏡圖像為研究對象，借助兩種圖像處理軟件，提出計算SBS溶脹聯結發亮結構在熒光顯微照片中所占面積比例的方法。

(2)通過比較兩種SBS改性瀝青發育歷程熒光照片發現，隨發育時間增加，SBS溶脹聯結結構所占面積比先隨改性劑溶脹、橋連而增大后隨改性劑被氧化、降解而減少，結合離析軟化點差值結果，SBS溶脹聯結結構所占面積比達到一定比例后，其儲存穩定性與溶脹面積比和網狀結構具有正相關性。

(3)不同基質瀝青與SBS形成網絡互穿結構的速率不同，SBS溶脹聯結結構所占面積比隨發育時間增加的變化也不盡相同，當SBS發育形成網狀結構且其熒光面積占比大于51.87%時，其離析軟化點差值都滿足相關規范要求，運用熒光面積比和網狀化結構綜合評判SBS改性瀝青儲存穩定性，為快速評判SBS改性瀝青是否有離析風險提供一種新思路。對比兩種改性瀝青的發育過程，SK90號基質瀝青與1301-1型SBS改性劑配伍性優于鎮海90號基質瀝青。