改性沥青中SBS掺量的检测方法研究与应用

【摘要】通过对SBS改性机理及改性效果影响因素分析，阐述了现有评价方法及存在的不足，提出了SBS测试新方法，并通过实际工程案例的应用，得出新方法具有实验精度高、时间短等优点，值得推广。

【关键词】SBS；掺量；检测；沥青

由于 SBS 改性剂具有显著提高沥青混合料抗高温变形、抗低温开裂、疲劳和老化等性能，因此，从上世纪 90 年代迄今，SBS 改性沥青在机场道面工程及公路工程中得到了广泛应用。年消耗量从 1998 年的8 万吨增加到 2002 年的89 万吨，2005 年消耗了130 万吨，可以说，SBS 改性沥青在我国机场道面工程和高速公路中得到了普遍应用。

为了确保沥青路面使用质量，改性沥青混合料中的改性沥青、集料及级配均有着严格的规定，但是，对改性效果影响显著的改性剂部分的控制却没有，在采用路改方式加工改性沥青中，还可通过数袋子的粗放式方式进行控制，但是，目前改性沥青加工以厂改方式为主流，对此方面的控制由加工企业自行控制，对于控制改性剂这一重要指标却无法进行，缺乏有效地测试方法是造成此现象的主要原因。

1 SBS改性机理及改性效果影响因素

1.1 SBS改性机理

SBS，热塑性弹性体，是以1，3―丁二烯和苯乙烯为单体，采用阴离子聚合制得的线型或星型嵌段共聚物，呈白色爆米花状，质轻多孔，分子量一般在几万到几十万之间。SBS改性剂与沥青作用机理如图1-1所示。

从作用机理示意图可以看出，将SBS（黑色）投入沥青（白色）中，剪切打碎SBS，对流作用使其分散。若SBS小块没有充分扩散，那么从微观来看，SBS和沥青没有充分混合，仍是两种物质微粒各自聚集在一起，相当于图a～c阶段―宏观混合阶段。此后，沥青中轻质油分继续向SBS扩散、逐渐溶胀，边缘模糊，直到达到稳定状态，如图f所示，图c～f阶段―稳定混合阶段

1.2 SBS改性效果影响因素

实践证明，SBS 改性剂能否满足最小掺量（见表1-1），加工质量能否形成空间网状结构，以及SBS 颗粒的磨细程度、均匀性（见表1-2）对改性沥青质量影响程度至关重要。

从表1-1中可以看出，SBS剂量在3%以上效果开始显著，在3%～5%之间软化点大幅上升，在4%～6%范围内抗车辙能力有较大提高，6%以上时，改性效果几乎没有变化。

表1-2为改性剂在其改性沥青中的空间分布图，从该表可以看出，SBS改性剂溶胀率越高、体积分数越高、破碎越细分散越均匀，SBS改性剂与沥青的相容性就越好，越能较好地形成两项连续的空间网状结构，这说明SBS改性剂的加工效果对改性沥青的质量影响同样显著。

综合以上观点可以得出，要使SBS改性剂充分吸收沥青中油分而溶胀形成空间网络结构，进而使改性沥青达到最佳使用性能，必须特别注意两个方面：必须保证 SBS改性剂的掺加剂量以及对SBS改性剂的加工质量也要严格控制。

2.现有评价方法及存在的不足

现有的SBS掺量测试常采用红外光谱法（IR）、核磁共振仪测试法（NMR）及色谱仪测试法。红外光谱法是基于Lambert Beer定律，SBS中丁二烯链节的特征吸收峰的吸收强度与浓度呈正比关系，可通过测试改性沥青的特征吸收峰推算出改性剂掺量。而核磁共振仪法（NMR）同样以丁二烯链节作为考察对象，通过质子峰吸收强度比来测定改性沥青中SBS掺量。色谱仪测试法则是通过测试改性前后基质沥青和改性沥青分子量差异，进而推算出改性剂掺量。

课题组在研究初期，曾采用红外光谱法对SBS掺量进行分析研究，由于不同种类、不同产地及不同标号的沥青之间的差别，首先选取了天然沥青、石油沥青和煤沥青3类、6个标号、8个品牌、16个样品的基质沥青进行分析比较，选用沥青资料见表2-1。

由图、表可见，不同种类沥青的红外光谱之间存在明显差异；而不同品牌、标号的石油沥青存在较明显的相同吸收峰，且该吸收频率处的吸光度值差别不大；石油沥青公共红外特征吸收峰分析结果显示，反应苯环结构特征峰显著。由于石油沥青的红外光谱没有明显差别，因此，选取某90#基质石油沥青，在常用SBS掺量5%两侧取5个变化较大的掺量2%、4%、6%、8%、10%，建立标准曲线

由图2-3可以看出：965cm-1处吸光度值与SBS掺量存在明显线性关系，即随着SBS掺量的增加，吸光度逐渐增加。根据上述分析可知：利用红外光谱法来测定SBS改性沥青中SBS掺量是可行的。但是，上述方法存在设备昂贵，实验条件复杂，实验精度低及实验再现性差等问题，这也是红外光谱虽然早已出现，但是，并未被公路建设者广泛采用的原因。

此外，由于现场的复杂性以及厂改改性沥青存在的离析现象，因此，长期以来，广大建设者希望能够有方便、快捷且测试精度高的方法，便于现场使用。

3 . SBS测试新方法

为了得到一种能够在现场实施便捷测试且精度高的方法以满足工程需要，课题组在对比了不同测试方法基础上，经过多年的研究，创新性地提出了化学滴定法结合荧光显微镜分析法测试SBS掺量及加工质量这一测试新方法。

3.1 掺量―化学滴定法

化学滴定的测试方式是通过测试 SBS中的C=C双键，以确定 SBS 的掺量。 化学滴定掺量测定，就是采用简单的化学实验仪器，于室内建立不同改性剂掺量改性沥青的标准曲线，通过对比成品改性沥青的滴定结果，从而确定改性剂掺量。该方法采用自动滴定的方式，可在 5～10 分钟内测试出 SBS 改性剂掺量。在室内选用的壳牌、埃索、SK、盘锦、东海等七个品牌、十三个代表性样品，以及燕山、岳阳石化、LG 生产的星型、线型改性剂及稳定剂等组成材料，以及模拟不同改性方式及存储条件模拟下的测试过程中，始终保持非常高的精度。

3.2 加工质量―荧光显微镜分析法

由于SBS改性剂加工质量对改性沥青质量影响也非常显著，为此，采用荧光显微镜结合图像分析技术，评价改性剂加工质量。SBS在短波激发光下发射波长较长的光，而沥青相不发任何光，通过荧光显微镜的蓝光激发作用，SBS吸收芳烃而成的聚合物相发黄光，沥青相呈黑色，可以清楚分辨聚合物相与沥青相。 通过观察改性沥青的聚合物相态，达到监测SBS与基质沥青的相容度和SBS的分散性，可快速判断改性沥青的加工效果。荧光显微镜测试改性剂加工质量，采用涂片实验结合图像处理（见图2-4）。

4工程应用

课题组采用盲样检测的方法，对拉萨贡嘎机场、陕西某高速公路路面、北京某盲样改性沥青进行了测试。

4.1工程案例1

拉萨贡嘎机场地处高原，属青藏高原季风气候区，且紫外线强度高，对沥青道面的破坏严重，此次机场加铺道面工程，采用壳牌90#沥青改性沥青。添加了5%的SBS（岳化791-H），采用盲样方式进行SBS改性剂掺量测试，测试结果为4.91%，设计添加量为5.00%。

4.2工程案例2

陕西某高速是陕西省“十一五”重点公路建设项目，是省内规划高速公路“2367网”18条联络线的重要组成部分。采用壳牌90#沥青作为基质沥青，添加4.5%燕山石化生产的4303-2型SBS改性剂，采用盲样测试的方式对改性沥青中SBS改性剂的具体掺量进行测试，测试结果为4.47%，实际测试结果为4.50%。

4.3盲样3测试结果

结论 由图可见，SBS未在沥青中充分溶胀，并未形成较好的空间网状结构，但磨细程度尚可。（测微尺在图片右下部，一个单位长度为0.1mm）

测试结果表明：1#样品中SBS含量为3.82%，2#样品中SBS含量为5.00%，测试结果完全正确。SBS 颗粒边缘轮廓线均较清晰，表明改性剂溶胀效果欠佳，而且没有形成空间网状结构。究其原因，可能是由于 SBS 颗粒未充分溶胀所致。1#样品比2#样品磨的细，前者个别粒径在 2μm，多数小于1μm；与前者相比，2#样品颗粒粒径偏粗，出现了较多聚团现象。

上述三处实际验证测试结果始终保持着非常高的精度，这表明采用化学滴定法和荧光显微镜分析法能非常精确客观的SB的掺量及加工质量进行检测验证，SBS改性剂测试方法不仅能填补改性剂控制方面的技术空白，且此测试技术的推广对于改性沥青质量的控制与具有非常深远的影响。

结语

SBS改性剂掺量和加工质量对改性沥青质量有着显著影响。由于缺少有效的测试方法，SBS改性剂并没用相应的评价体系。现有的红外光谱法（IR）、核磁共振仪测试法（NMR）及色谱仪测试法等掺量测试手段实验条件复杂，实验精度低，很难大范围推广。

课题组提出的通过化学滴定方式结合荧光显微镜分析法对SBS掺量及加工质量进行测试评价，不仅现场实施便捷测试且精度高，是应用技术前景非常广阔的测试新方法。通过对拉萨贡嘎机场、陕西某高速公路以及某地盲样测试，测试结果显示：测试结果具有实验精度高、时间短等优点。

SBS改性剂测试方法不仅能填补改性剂控制方面的技术空白，且此测试技术的推广对于改性沥青质量的控制具有非常深远的影响。

参考文献

1李炜光、周巧英等 克拉玛依90号沥青在陕西使用九年之总结 石油沥青 2009-10-25

2李炜光、荣慧等 SBS改性沥青质量评价方法研究 公路 2011-5-25

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