长安大学：基于双控法的SBS改性沥青现场快速测试技术

基于双控法的SBS改性沥青现场快速测试技术 张栋梁!,罗炼?,陈金章3,郭艳明,李炜光 1.长安大学公路学院,陝西西安710064:2.广东冠粤路桥有限公司,广东广州511450:3.中交通力建设股份有限公 司陕西西安710075:4.衢州市公路管理局浙江衢州3240000 瘸要:SBS改性是我国高速公路沥青路面混合料的首选改性形式,长期以来,如何 在现场快速准确确定SBS改性剂掺量与加工效果一直是大家关注的焦点。课题组 经过多年研究,采用的“SBS质量双控手段(即电位滴定测试改性剂掺量,结合 荧光测试确定加工效果的方式)”在高逴公路开展现场质量控制,实现了定性与 定量分析手段相结合。实践证明,受控改性沥青性能稳定,该方法弥补了现有质 量控制体系的不足,具有广泛的推广价值和现实意义 关键词:改性沥青;SBS质量双控手段;电位滴定:荧光测试 中图分类号:U414 Rapid Field Test Technology of sBs Modified Asphalt Based on double Control Method Zhang dong- liang, Luo Lian, Chen Jin-zhang, Guo Yan-ming, Li Wei-guang (1. School of Highway, Chang'an University, XI' an, Shaanxi, 710064, China; 2. Guangdong Guanyue Highway Bridge Co, Ltd, Guangzhou, Guangdong, 511450 China; 3.ZHONGJIAOTONGLI Construction Co, Ltd, XI' an, Shaanxi, 710075, China; 4 Department of Quzhou Highway Administration, Quzhou, Zhejiang, 324000, China) Abstract: SBS modification is the preferred form of asphalt pavement mixture in China, for a long time, how to quickly and accurately determine the amount and processing effect of sBs modifier in the field has been the focus of attention. After years of research, the"SBS quality double control method (potentiometric titration test the amount of modifier, combined with fluorescence test to determine the quality of processing effect)"used by the research team the highway field quality control, achieved a combination of qualitative and quantitative analysis methods. Practice has proved that the performance of controlled modified asphalt is stable, this method makes up for the shortcomings of the existing quality control system, and has a wide range of promotional value and practical significance Key words: modified asphalt; SBS quality double control method; potentiometric titration; fluorescence test 基金项目:浙江省交通运输厅科技计划项目(2014H42)、浙江省公路管理局科技项目(2018H37) 通讯作者:张栋梁(1992),长安大学道路与铁道工程硕士研究生, E-mail.603691864@qcom (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

1 基于双控法的 SBS 改性沥青现场快速测试技术 张栋梁 1，罗 炼 2，陈金章 3，郭艳明 4，李炜光 1 （1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2. 广东冠粤路桥有限公司，广东 广州 511450；3. 中交通力建设股份有限公 司 陕西 西安 710075；4. 衢州市公路管理局 浙江 衢州 324000） 摘 要：SBS 改性是我国高速公路沥青路面混合料的首选改性形式，长期以来，如何 在现场快速准确确定 SBS 改性剂掺量与加工效果一直是大家关注的焦点。课题组 经过多年研究，采用的“SBS 质量双控手段（即电位滴定测试改性剂掺量，结合 荧光测试确定加工效果的方式）”在高速公路开展现场质量控制，实现了定性与 定量分析手段相结合。实践证明，受控改性沥青性能稳定，该方法弥补了现有质 量控制体系的不足，具有广泛的推广价值和现实意义。 关键词：改性沥青；SBS 质量双控手段；电位滴定；荧光测试 中图分类号：U414 Rapid Field Test Technology of SBS Modified Asphalt Based on Double Control Method Zhang Dong-liang1 , Luo Lian2 , Chen Jin-zhang3 , Guo Yan-ming4 , Li Wei-guang 1 (1. School of Highway, Chang'an University, Xi' an, Shaanxi, 710064, China; 2.Guangdong Guanyue Highway & Bridge Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong,511450, China;3.ZHONGJIAOTONGLI Construction Co., Ltd., Xi' an, Shaanxi, 710075, China;4. Department of Quzhou Highway Administration, Quzhou, Zhejiang, 324000, China) Abstract： SBS modification is the preferred form of asphalt pavement mixture in China, for a long time, how to quickly and accurately determine the amount and processing effect of SBS modifier in the field has been the focus of attention. After years of research, the "SBS quality double control method (potentiometric titration test the amount of modifier, combined with fluorescence test to determine the quality of processing effect) " used by the research team in the highway field quality control, achieved a combination of qualitative and quantitative analysis methods. Practice has proved that the performance of controlled modified asphalt is stable, this method makes up for the shortcomings of the existing quality control system, and has a wide range of promotional value and practical significance. Key words：modified asphalt; SBS quality double control method; potentiometric titration; fluorescence test 基金项目：浙江省交通运输厅科技计划项目（2014H42）、浙江省公路管理局科技项目（2018H37） 通讯作者：张栋梁(1992— )，长安大学道路与铁道工程硕士研究生，E-mail:603691864@qq.com

概述 随着高速公路建设的不断推进,改性沥青混合料被广泛应用于我国高速公路沥青路面 当中,由于具有优异的路用性能,SBS改性沥青成为业内使用最多沥青胶结料。如何快速 精准的评价改性沥青的质量及改性剂掺量对控制改性沥青生产质量、确保施工质量和提高 路用性能具有重要的实际意义。 传统的沥青三大指标仅能判断是否合格,而对SBS掺量的小变化难以区分,也无法判 断出改性沥青的优劣。随着对SBS掺量研究的不断深入,形成了目前业界常用的几类SBS 掺量测试方法,其对比1如表1所示。 表1不同SBS掺量测试方法的对比 测试方法 优势 缺陷 荧光显微法 能观察到不同改性剂掺量、改性剂的分布制样与人为操作等因素影响大、精确定量 情况,快速直观 分析困难 基质沥青、SBS特征峰面积对比与改性剂掺峰值容量较小,人为设定分界线,同时沥 凝胶渗透色谱 量之间存在一定关系,能表征交联结构变青复杂的物化特性导致其检测精确度大 法 化 打折扣 化学滴定法化学计量精确,结果不受改性沥青其他成操作复杂,测量时间长,滴定终点判定受 分的影响 人为因素影响 电化学法通过电位变化确定滴定终点,可实现自动仅能测定改性剂量,加工效果难以判断 化精确计量 热失重法定量性强,质温曲线及其微分提高了区分精度受改性沥青加工参数、改性剂参数、 质量变化的能力 升温速率等因素影响 依SBsS与基质沥青吸收峰面积比值设备价格昂贵,吸收峰位置选取存在差 红外光谱法 确定的掺量,速度快,准确率较高 异,影响结果 综上,可知目前研究多基于单项技术对SBS掺量进行检验,且多数测试方法难以兼顾 简单、快速与经济,本文提出适应现场的双控技术为工程实地质量控制提供了一种新的思 双控方法 通过微观结构分析(改性剂磨细及发育程度)和电位滴定(改性剂掺量)的联合检测 确定改性沥青的质量及其波动性,双控法流程如图1所示。课题组采用盲样测试的方式对 拉萨贡嘎机场、陕西某高速路面与北京某盲样改性沥青进行测试,结果表明准确度较高, 相对误差小于2%3 (1)加工质量一荧光测试:通过荧光显微镜观察,SBS吸收芳烃生成聚合物在蓝光 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

2 一、 概述 随着高速公路建设的不断推进，改性沥青混合料被广泛应用于我国高速公路沥青路面 当中，由于具有优异的路用性能，SBS 改性沥青成为业内使用最多沥青胶结料。如何快速 精准的评价改性沥青的质量及改性剂掺量对控制改性沥青生产质量、确保施工质量和提高 路用性能具有重要的实际意义。 传统的沥青三大指标仅能判断是否合格，而对 SBS 掺量的小变化难以区分，也无法判 断出改性沥青的优劣[1]。随着对 SBS 掺量研究的不断深入，形成了目前业界常用的几类 SBS 掺量测试方法，其对比[2-12]如表 1 所示。 表 1 不同 SBS 掺量测试方法的对比 测试方法 优势 缺陷 荧光显微法 能观察到不同改性剂掺量、改性剂的分布 情况，快速直观 制样与人为操作等因素影响大、精确定量 分析困难 凝胶渗透色谱 法 基质沥青、SBS 特征峰面积对比与改性剂掺 量之间存在一定关系,能表征交联结构变 化 峰值容量较小，人为设定分界线，同时沥 青复杂的物化特性导致其检测精确度大 打折扣 化学滴定法 化学计量精确，结果不受改性沥青其他成 分的影响 操作复杂，测量时间长，滴定终点判定受 人为因素影响 电化学法 通过电位变化确定滴定终点，可实现自动 化精确计量 仅能测定改性剂量，加工效果难以判断 热失重法 定量性强，质温曲线及其微分提高了区分 质量变化的能力 精度受改性沥青加工参数、改性剂参数、 升温速率等因素影响 红外光谱法 依 SBS 与基质沥青吸收峰面积比值 确定的掺量，速度快，准确率较高 设备价格昂贵，吸收峰位置选取存在差 异，影响结果 综上，可知目前研究多基于单项技术对 SBS 掺量进行检验，且多数测试方法难以兼顾 简单、快速与经济，本文提出适应现场的双控技术为工程实地质量控制提供了一种新的思 路。 二、双控方法 通过微观结构分析（改性剂磨细及发育程度）和电位滴定（改性剂掺量）的联合检测 确定改性沥青的质量及其波动性，双控法流程如图 1 所示。课题组采用盲样测试的方式对 拉萨贡嘎机场、陕西某高速路面与北京某盲样改性沥青进行测试，结果表明准确度较高， 相对误差小于 2%[13]。 （1）加工质量—荧光测试：通过荧光显微镜观察，SBS 吸收芳烃生成聚合物在蓝光

的激发作用下呈黄色,而沥青呈黑色,可以清楚辨识SBS的分散性以及与基质沥青相容性 的好坏,判定加工质量优劣。通过沥青玻片样本制作与图像采集与处理,以SBS所占面 积的变异系数定量分析加工均匀性,进一步评价加工效果 (2)改性剂掺量—电位滴定法:通过测定改性沥青中SBS分子结构中聚丁二烯部分 的非共轭碳碳双键的含量4,将测定值A带入通过标准掺量样品滴定形成的线性方程,确 定待测样品中SBS的含量,基于已知的化学相关知识,设计了采用操作更加便捷的化学自 动电位滴定方案。测试过程分为三个部分:a标准曲线的绘制;b.待测样品的A值测定 结果计算。 现场双控技术 加工质量控制 改性剂掺量控制 荧光显微 电位滴定 SBS面积标准差 SBS掺量百分率 合格 不合格 图1双控技术流程图 (一)加工质量控制 宏观力学性质差异,本质上是微观结构不同造成的,从微观形态评价SBS改性沥青对 其质量控制具有重大作用5,为此,本文在荧光显微图像定性分析的基础上,定量分析 组待测样玻片的SBS改性剂的面积变异系数,若变异系数小于5%,则说明改性剂加工均 匀,改性沥青的加工质量良好,否则加工质量有待根据其他路用性能进行综合评定。 1.玻片制作 玻片制作是图像采集和处理的前提,微小的加热温度、盖玻片加压等均会对后期结果 造成非常大的影响,重要性不言而喻。现有玻片制作大多采用热滴盖玻成型法,并没有充 分考虑加热温度和盖玻片的影响,本文综合分析各种因素对图像的影响,提出利用恒温 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

3 的激发作用下呈黄色，而沥青呈黑色，可以清楚辨识 SBS 的分散性以及与基质沥青相容性 的好坏，判定加工质量优劣[13]。通过沥青玻片样本制作与图像采集与处理，以 SBS 所占面 积的变异系数定量分析加工均匀性，进一步评价加工效果。 （2）改性剂掺量—电位滴定法：通过测定改性沥青中 SBS 分子结构中聚丁二烯部分 的非共轭碳碳双键的含量[14]，将测定值 A 带入通过标准掺量样品滴定形成的线性方程，确 定待测样品中 SBS 的含量，基于已知的化学相关知识，设计了采用操作更加便捷的化学自 动电位滴定方案。测试过程分为三个部分：a.标准曲线的绘制；b.待测样品的 A 值测定； c.结果计算。 图 1 双控技术流程图 （一）加工质量控制 宏观力学性质差异，本质上是微观结构不同造成的，从微观形态评价 SBS 改性沥青对 其质量控制具有重大作用[15]，为此，本文在荧光显微图像定性分析的基础上，定量分析一 组待测样玻片的 SBS 改性剂的面积变异系数，若变异系数小于 5%，则说明改性剂加工均 匀，改性沥青的加工质量良好，否则加工质量有待根据其他路用性能进行综合评定。 1.玻片制作 玻片制作是图像采集和处理的前提，微小的加热温度、盖玻片加压等均会对后期结果 造成非常大的影响，重要性不言而喻。现有玻片制作大多采用热滴盖玻成型法，并没有充 分考虑加热温度和盖玻片的影响[16]，本文综合分析各种因素对图像的影响，提出利用恒温

加热平台加热盖玻片,避免同一组玻片加热温度不同,同时保证沥青均匀流动。每次热滴 沥青005g左右,轻轻盖上盖玻片,严禁对盖玻片施加压力,轻加盖玻片避免压盖玻片的 力改变SBS微观结构。玻片制作结果如图2所示(以3%SBS掺量的改性沥青为例,下同)。 ●● 日E巴 图2玻片制作结果 2图像采集 现有图像采集方法大多随机取点拍摄,忽略中间和边缘部分薄厚不均的差异,本文提 出在制作好的玻片上划分九宫格,取对角线三个区域进行拍摄,减少随机误差。拍摄结果 如图3所示。 图3图像采集结果 3.图像处理 根据上述拍摄结果,整张图像SBS改性剂拾取时间长,且容易拾取不完整,为此,首 先用 Photoshop将每张图片100等份,如图4所示。随机取其中三份,利用IPP软件进行 SBS面积分析,计为理论面积X,保存面积数据。图像处理环节都可以批量处理,大大节 省检测时间 4.定量分析 提前利用荧光显微镜制作好样本标尺,确定每张图片的实际长度,根据测量,本台显 微镜拍摄结果为每张图片微观实际边长150μum。100等份后即每张图片15μm,面积即为 225um2。根据以上分析得到SBS改性剂的理论面积X,同时拾取整张10等份后图片的理 论面积Y,则所处理图片的SBS改性剂所占比例即为XNY,这时,处理图片的实际面积即 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

4 加热平台加热盖玻片，避免同一组玻片加热温度不同，同时保证沥青均匀流动。每次热滴 沥青 0.05g 左右，轻轻盖上盖玻片，严禁对盖玻片施加压力，轻加盖玻片避免压盖玻片的 力改变 SBS 微观结构。玻片制作结果如图 2 所示（以 3%SBS 掺量的改性沥青为例，下同）。 图 2 玻片制作结果 2.图像采集 现有图像采集方法大多随机取点拍摄，忽略中间和边缘部分薄厚不均的差异，本文提 出在制作好的玻片上划分九宫格，取对角线三个区域进行拍摄，减少随机误差。拍摄结果 如图 3 所示。 3．图像处理 根据上述拍摄结果，整张图像 SBS 改性剂拾取时间长，且容易拾取不完整，为此，首 先用 Photoshop 将每张图片 100 等份，如图 4 所示。随机取其中三份，利用 IPP 软件进行 SBS 面积分析，计为理论面积 X，保存面积数据。图像处理环节都可以批量处理，大大节 省检测时间。 4．定量分析 提前利用荧光显微镜制作好样本标尺，确定每张图片的实际长度，根据测量，本台显 微镜拍摄结果为每张图片微观实际边长 150μm。100 等份后即每张图片 15μm，面积即为 225μm 2。根据以上分析得到 SBS 改性剂的理论面积 X，同时拾取整张 100 等份后图片的理 论面积 Y，则所处理图片的 SBS 改性剂所占比例即为 X/Y，这时，处理图片的实际面积即 图 3 图像采集结果

为225*X/Y。以其中一组图片为例,IPP拾取SBS理论面积为2169,整张图片理论面积为 50246,则SBS所占比例为432%,则该部分SBS实际面积为225*432=972(μum2)。 图4图像100等分结果 通过以上处理,每个样本得到3个玻片样本,每个玻片拍摄三张图片,每张图片取100 等份的3份进行图片处理,即每个待测样本得到27组面积数据,本例中面积数据如表2 所示。 表2待测样SBS面积处理结果(μm2) 编号1 面积和标准差变异系 3-19.728626.238.589478.9610.349.788.7680.46 3-28879.3710.549.416.5673996598311.2682881.291.59% 3-310.589766896.587.529.0 8.93 8.75 由表2可知,试样3-1的三组玻片SBS改性剂面积变异系数为1.59%,小于5%,可 见该试样加工质量均匀。若处理中发现变异系数大于5%,则加工质量有待根据其他路用 性能进行综合评定 (二)SBS掺量控制 通过氧化还原反应对SBS中非共轭碳碳双键进行滴定,通过SBS专用检测仪确定滴 定终点 SBS改性剂 稳定剂和其他添 加剂 基质沥青300 1000-2000 4000-5000 4000-5000rad 置于烧杯175 rad/min rad/ min 预剪切10min 剪切Ih 剪切30min 图5标样制作工艺 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

5 为 225*X/Y。以其中一组图片为例，IPP 拾取 SBS 理论面积为 2169，整张图片理论面积为 50246，则 SBS 所占比例为 4.32%，则该部分 SBS 实际面积为 225*4.32=9.72（m 2）。 图 4 图像 100 等分结果 通过以上处理，每个样本得到 3 个玻片样本，每个玻片拍摄三张图片，每张图片取 100 等份的 3 份进行图片处理，即每个待测样本得到 27 组面积数据，本例中面积数据如表 2 所示。 表 2 待测样 SBS 面积处理结果（m 2） 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 面积和 标准差 变异系 数 3-1 9.72 8.62 6.23 8.58 9.47 8.96 10.34 9.78 8.76 80.46 3-2 8.87 9.37 10.54 9.41 6.56 7.39 9.65 9.83 11.26 82.88 1.29 1.59% 3-3 10.58 9.76 6.89 6.58 7.52 9.07 8.93 11.83 8.75 79.91 由表 2 可知，试样 3-1 的三组玻片 SBS 改性剂面积变异系数为 1.59%，小于 5%，可 见该试样加工质量均匀。若处理中发现变异系数大于 5%，则加工质量有待根据其他路用 性能进行综合评定。 （二）SBS 掺量控制 通过氧化还原反应对 SBS 中非共轭碳碳双键进行滴定，通过 SBS 专用检测仪确定滴 定终点。 图 5 标样制作工艺