灰关联方法确定SBS改性沥青宏观性能微观评价指标

康爱红，丁　燕，寇长江，江　杰

(扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127)



灰关联方法确定SBS改性沥青宏观性能微观评价指标

康爱红，丁燕，寇长江，江杰

(扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

摘要：为了确定SBS改性沥青宏观性能的微观评价指标，首先，选取道路石油沥青与改性剂，在不同的改性剂掺量和剪切时间下制备改性沥青；然后，进行宏观性能测试与荧光显微图像采集，提取聚合物微观形态的特征参数。利用灰关联方法确定与SBS改性沥青宏观性能关联度高的微观评价指标。研究结果表明：面积百分率和长短轴之比与改性沥青宏观性能关联程度优于其他指标，且当面积百分率为18.5%～19.5%、长短轴之比为1.78～1.82时，SBS改性沥青的宏观性能最优。

关键词：改性沥青；灰关联；宏观性能；微观形态

0引言

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene-butadiene-styrene，SBS)嵌段共聚物改性沥青是将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物溶胀于沥青中，形成具有一定空间网络结构并将SBS的性能传递到沥青中去的共混材料，其宏观性能的差异是改性剂在沥青中的相态、形状、尺寸和均匀性等微观形态共同作用的结果[1]。因此，研究改性沥青的显微形态结构，从微观角度剖析改性沥青的宏观性能、解释改性沥青的机理显得尤为必要[2]。目前，荧光显微分析手段[3-6]是研究聚合物改性沥青形态最有价值的方法。文献[7]认为改性沥青的性能与其非均相结构密切相关，当SBS与沥青形成两相连续结构时，改性沥青的宏观性能得到大幅度提高。文献[8]采用荧光显微分析手段，指出SBS改性剂粒子的面积百分率越大、长短轴之比越小、平均面积越小，SBS改性沥青的改性效果就越好。目前，改性沥青显微结构参数与其宏观性能的研究多为定性分析，缺乏数据积累和可依据的定量分析。

本文从微观层面对SBS改性沥青的宏观性能进行了定量分析，采用灰关联分析确定宏观性能的微观评价指标，对方便、快速评价改性沥青宏观性能具有重要意义。

1原材料及试验方案

试验选取金陵70#道路石油沥青以及线型SBS YH-791、线型SBS LG-501和星型 SBS道改2#改性剂作为改性沥青的原材料。其基本技术指标见表1和表2。

按改性沥青常规剪切制备工艺，采用高速剪切法制备改性沥青，将道路石油沥青升温至170 ℃，加入SBS，SBS掺量分别是沥青质量的3%、4%、5%和6%。高速剪切3 h，剪切速率为10 000 r/min，温度控制在(170±3) ℃，剪切过程每隔15 min取样[9]。按《美国公路战略研究计划》及JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[10]的要求进行宏观性能试验。分别测定沥青的软化点、黏度和复数模量等性能指标并制备相应的显微观测样本，通过采集荧光显微图像，观察改性剂在沥青中的形态及分布状况，运用图像分析软件对显微图像进行量化表征。选取改性剂粒子的平均面积、面积百分率、长短轴之比以及长短轴之比标准差作为显微结构参数。

表1　金陵70#道路石油沥青技术指标

表2　改性剂技术指标

2荧光显微图像采集与数据预处理

首先,对图像进行景深扩展、图像增强、对象分割和目标分离等一系列处理，获取SBS改性沥青荧光显微图像中聚合物相的平均面积、面积百分率、长短轴之比和长短轴之比标准差这4个微观参数。以掺量为5%的线型SBS YH-791改性沥青为例，分析改性沥青宏观性能与微观参数间的线性相关程度，结果如表3所示。

表3　SBS YH-791改性沥青宏观性能与微观参数的相关系数

由表3可知：改性沥青的宏观性能与微观参数的相关系数的绝对值远远小于1，表明宏观性能和微观参数并无明显的线性关系，无法获得改性沥青宏观性能与其显微形态结构参数之间的关系，这就要求换一种方法来分析，故本文采用灰关联分析法。

3关联度分析

灰色理论由邓聚龙教授于1982年提出，该理论已经渗透到众多的科研领域，并且得到了证实和发展，在“小样本，贫信息”情况下提供了解决系统问题的新途径[11]。而灰关联分析则是灰色理论中的一类重要方法，通过分析可以确定系统中各因素间的主次关系，找到影响目标值的重要因素，从而掌握事物的主要特征[12-13]。灰关联分析法的步骤一般如下：确定参考数列；将上述数列作均值化处理，生成参考数列与比较数列；求关联系数；求关联度。

利用灰关联分析方法来进行影响因素关联程度分析，主要是分析参考序列与比较序列之间关联度的大小，关联度越大则说明参考序列与比较序列之间的关系越密切。

3.1显微结构形态特征与改性沥青性能灰关联分析

按照灰关联分析方法，以软化点、黏度和复数模量这3个宏观性能指标为参考数列，平均面积、面积百分率、长短轴之比和长短轴之比标准差这4个微观参数为比较数列，对不同掺量的线型SBS YH-791改性沥青的试验结果进行初值化等处理，试验结果见表4。

表4　不同掺量的SBS YH-791改性沥青的微观参数与宏观性能的关联度

由表4可知,不同掺量下，SBS YH-791改性沥青的微观参数与宏观性能的关联度顺序为：面积百分率>长短轴之比>长短轴之比标准差>平均面积。上述结果只针对于SBS YH-791改性沥青，本文又分别对SBS YH-791、SBS LG-501和SBS道改2# 制备的所有掺量下的改性沥青进行了试验，试验结果见表5。

表5　不同种类SBS改性沥青的微观参数与宏观性能的关联度

由表5可知，线型SBS YH-791和SBS LG-501改性沥青的微观参数和宏观性能的关联度顺序为：面积百分率>长短轴之比>长短轴之比标准差>平均面积。而对于星型SBS道改2#改性沥青，关联度顺序为：面积百分率>长短轴之比>平均面积>长短轴之比标准差。对于不同改性剂，微观参数对SBS改性沥青宏观性能的影响略有不同，但相差不大，面积百分率和长短轴之比对宏观性能的影响仍优于其他两个指标，且这两个指标影响相差较小。

综上所述，不同掺量和种类的SBS改性剂制备的SBS改性沥青的宏观性能，受面积百分率和长短轴之比的影响较大，故确定面积百分率和长短轴之比为SBS改性沥青宏观性能的微观评价指标。

3.2微观参数的工程取值范围

寻找合理的微观表征参数，是为了直接通过荧光显微形态评价SBS改性沥青的宏观性能。以SBS YH-791改性沥青为例，通过对宏观性能与微观参数关系曲线的分析，确定微观评价指标的工程取值范围。一般软化点以68～80 ℃为宜，黏度以2～4 Pa·s为宜，复数模量则以8～10 kPa为宜。以软化点和面积百分率关系曲线为例进行分析，结果见图1。从图1可以看出:面积百分率为18.5%～19.8%时，SBS改性沥青的软化点是最为合适的。故分析不同宏观性能与微观参数的关系，确定SBS YH-791改性沥青的微观参数的工程取值范围，试验结果见表6。

图1　SBS改性沥青软化点与面积百分率之间的　　　关系曲线

由表6可知：面积百分率为18.5%～19.5%，长短轴之比为1.78～1.82时，SBS YH-791改性沥青的宏观性能最好。分别对SBS YH-791、SBS LG-501和SBS 道改2#改性沥青进行同样的分析，针对不同改性剂的SBS改性沥青，确定微观参数的取值范围，分析结果见表7。

表6　SBS YH-791改性沥青微观参数的取值范围

表7　SBS YH-791、SBS LG-501和SBS道改2#

表7的结果表明：对于不同改性剂种类和掺量，微观参数的合理取值范围有所不同，但差异不大。当面积百分率为18.5%～19.5%，长短轴之比为1.78～1.82时，SBS改性沥青的宏观性能较其他量化范围更加优异。这些范围可直接用于改性沥青生产过程的质量控制。

4结论

采用荧光显微形态参数与宏观性能进行灰关联分析，确定面积百分率和长短轴之比作为SBS改性沥青宏观性能的微观评价指标，建立微观评价指标与宏观性能的关系，研究了各指标的合理取值范围，即面积百分率达到18.5%～19.5%，长短轴之比为1.78～1.82时，SBS改性沥青的宏观性能最优。

参考文献：

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基金项目：国家自然科学基金项目(51108402)

作者简介：康爱红(1973-),女,江苏如东人,教授,博士,主要从事道路工程方面的教学与研究.

收稿日期：2016-01-20

文章编号：1672-6871(2016)04-0056-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.012

中图分类号：TU535

文献标志码：A