SBS改性沥青因其优异的路用性能得到广泛认同并大量应用于高等级沥青公路的建设与养护，同时由于检测技术的相对滞后导致质量监控出现盲区^[1]，SBS改性沥青技术性质与其微观结构分散状态有关^[2]，SBS改性沥青的技术指标是其内在结构特征的反映，内在结构特征的难以表征和量化是微观检测SBS改性沥青性质的难题。聚合物改性剂SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)由于自身的结构特点，分散于沥青中改变了沥青的流变性，从而提高沥青多方面性能^[3]。研究表明，SBS改性剂的充分溶胀是获得良好改性效果的前提^[4]，SBS改性剂在剪切过程中的细化程度和均匀性是改性沥青技术的关键^[5]。SBS溶胀直径作为改性剂加工以及溶胀程度的重要表征指标，在目前的研究中尚未引起足够的重视。荧光显微照相技术以其不会破坏SBS改性剂在沥青中的形态的特点，成为研究SBS改性沥青微观结构与改性效果最为直接^[6]、最有价值^[7]的手段。目前，国内外的研究应用主要集中在运用专业图像处理软件对荧光显微图像进行分割、计数、测量，达到分析改性沥青显微结构的目的^{[8, 9]}。也有学者致力于利用基础软件量化分析SBS改性沥青微观结构，杨群^[10]利用AutoCAD软件分析荧光图像中改性剂的分布均匀性来评价改性效果；康爱红^[11]等对荧光显微图像中SBS改性剂的长短轴之比、平均面积进行了定性的描述。基于荧光显微图像，本文提出了一种SBS溶胀直径的计算方法，即SBS溶胀后的颗粒联结在一起在沥青中形成为线状、棒状、网络状、团簇状存在时这些“联结体”直径的平均值。相比测量聚合物相溶胀之后粒径的大小及面积百分率，SBS溶胀直径可以反映出SBS聚合物与基质沥青之间相互交叉的特征，或者三维网状结构形成的特征。运用MATLAB图像处理功能、AutoCAD及微积分思想量化SBS改性沥青微观结构中SBS溶胀直径，并探讨了SBS溶胀直径对SBS改性沥青质量控制的现实意义，为进一步研究SBS改性沥青作用过程提供基础。

为了使该项研究具有代表性和实用性，在该项研究中选取目前国内较为广泛使用的基质沥青及SBS改性剂，在工艺的选择上也选用最为接近工厂化生产的加工工艺进行试验研究^[12]。

采用双龙(韩国)90^#、SK90^#、ESSO90^# 3种基质沥青，沥青针入度、软化点、延度测试分别按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011—T0604沥青针入度试验、T0606—2011沥青软化点试验(环球法)、T0605—2011沥青延度试验进行。密度试验按照T0605—2011，沥青旋转薄膜加热试验按照T0610—2011，技术性能见表 1；采用中石化1301-1、中石化4303、LG401、LG501 4种SBS改性剂，基本参数见表 2；稳定剂选用工业硫磺作为稳定剂，掺量为2‰(除特殊说明外，文中掺量均为质量比掺量)。

采用恒温油浴剪切机及搅拌机制备SBS改性沥青。改性沥青制作工艺:将基质沥青预加热到150 ℃后放入剪切机的175 ℃油浴中，在4 000 r/min转速下剪切20 min，沿烧杯侧壁掺入SBS改性剂颗粒并将电机转速上调至7 000 r/min剪切1.5 h，将烧杯放入沥青搅拌机175 ℃油浴中搅拌发育6 h后掺入稳定剂，继续搅拌1 h后即制备得到SBS改性沥青。采用带有油浴的剪切机是为了保证改性沥青制作过程中加热的均匀，剪切机的剪切速率在2 000~10 000 r/min，电机功率为500 W，处理能力为1~3 L，工作头直径70 mm，工作头与烧杯底部距离为250~350 mm之间，剪切机的剪切头放置于烧杯的中心位置。

试验采用BSM-400E型荧光显微镜进行试验，将设备中载玻片、盖玻片先用盐酸浸泡使用蒸馏水清洗3次，置入干燥器中备用。将搅拌均匀并加热熔融的SBS改性沥青分别选取距烧杯底部2/5，3/5，4/5部位的加热到流动状态的改性沥青滴布在载玻片上，轻轻将盖玻片从一端推到另一端，在推动过程中尽量保证改性沥青样品内部不产生气泡且厚度均匀，置于水平台冷却至常温即制得样本，配合数字成像系统和计算机拍照、保存。为了减小SBS改性剂随着时间、温度、环境的影响对其微观形态的改变^[10]，试样的制备以及图像的采集在20 min内完成。

SBS溶胀直径是一种表征SBS在沥青中吸收基质沥青中的轻质组分之后溶胀，溶胀后的颗粒联结在一起在沥青中形成为线状、棒状、网络状、团簇状存在时这些“联结体”直径的平均值。MATLAB具有强大科学计算能力，是计算机辅助设计分析、算法、应用开发领域的重要工具和平台^{[13, 14]}。利用MATLAB图像处理功能对图像进行离散化处理，得到由点阵构成的数字图像，通过计算机软件编译相应程序提取数字图像中的相关数据。

以400倍荧光显微镜放大图像为研究对象，借助MATLAB和AutoCAD软件量化SBS溶胀直径。现以图 1的荧光显微图像为例，将SBS在基质沥青中溶胀直径的计算方法构建如下。

图 1 荧光显微图像 Fig. 1Fluorescence microscopic image

图选项

(1)运行MATLAB图像处理软件读取荧光显微图像(图 1)。

(2)编译相应的程序将真彩图像(图 1)进行二值化处理，如图 2所示。其中黑色部分代表基质沥青，白色部分代表SBS改性剂。读取二值图像中白色部分像素点的个数记为X，即溶胀后图像中SBS改性剂的面积。

图 2 二值图像 Fig. 2Binary image

图选项

(3)编译相应程序对二值图像进行骨架化处理(见图 3)，骨架化是将原有连续的条状或者簇团状的荧光SBS长度方向上的中心线。处理后图中的骨架线条为二值图像中所有白色不规则区域(即SBS改性剂)中心线。读取骨架化处理后图像中白色部分像素点的个数记为Y，可知Y是SBS中心线的总长度；根据微积分的思想，不规则面积可以看作是无限多个正方形的组合，矢量X/Y即为SBS在图像中显示的溶胀标量。

图 3 骨架化处理 Fig. 3Skeleton processing

图选项

(4)标定单位像素实际长度；用AutoCAD软件对图 3进行等距网格划分，通过荧光显微设备的标准尺寸标定可以得到每个小方格实际边长值v，假设图中小方格的显示边长为l，荧光显微图显示边长为L，荧光显微图像比例尺为a，则每一个小方格的实际边长为 ，方格划分见图 4；编辑程序读取小方格中边长方向的像素点个数，记为Z，单位像素点代表的图中的实际长度ε=AVERAGE(v/Z)。

图 4 方格划分 Fig. 4Meshing

图选项

(5)荧光显微图像由单位像素点组成，二值图像中白色像素点的集合即为SBS改性剂所占据的面积，基于微积分的思想，二值图像中白色不规则区域的面积可近似为大量规则的矩形组成。整个SBS不规则区域的总面积除以中心线总长度即为SBS改性剂的溶胀直径

(6)经计算，荧光显微图像图 1中SBS相对发育细度为11.03，溶胀直径为2.67 μm。

按照上述方法，分别对SBS掺量为3%，4%，5%的SBS改性沥青各随机取样3次，分别记为样本1、样本2、样本3，采集荧光显微图像，SBS溶胀直径量化处理结果见表 3。

表 3 不同SBS掺量的荧光显微图片样本的溶胀直径计算 Tab. 3 Calculation of swelling diameters from fluorescence microscopic images with different SBS contents

改性沥青类型与SBS掺量		荧光图样	黑白图样	骨架图样	溶胀直径标量	溶胀直径/μm
双龙+ 中石化 1301-1	3%				7.64	1.85
	4%				9.27	2.25
	5%				12.13	2.94
双龙+ 中石化 4303	3%				8.16	1.98
	4%				10.15	2.46
	5%				12.47	3.02

表选项

不同于沥青的常规指标试验，改性沥青在进行荧光显微镜试验时单次试验需要的样本质量小(约5 g)，每组沥青进行3次平行试验。图像采集与保存可以在5 min内完成。按照以上给出的计算方法将14组不同改性沥青进行溶胀直径的计算，并对每组沥青平行试验中的样本方差和标准差系数进行计算与验证，结果见表 4。

表 4 不同类型SBS改性沥青SBS溶胀直径计算表 Tab. 4 Calculation table of swelling diameters of different kinds of SBS modified asphalt

改性沥青类型及SBS剂量		样本均值x/μm	样本方差σ	标准差系数CV
双龙+中石化1301-1	3%	1.85	1.006	0.544
	4%	2.25	0.713	0.317
	5%	2.71	0.220	0.075
双龙+中石化4303	3%	1.98	0.737	0.372
	4%	2.46	0.517	0.210
	5%	3.02	0.143	0.047 5
4%中石化1301-1		2.47	0.252	0.102
4%中石化4303	SK 90 #	2.65	0.148	0.056 1
4%LG401		2.40	0.365	0.152
4%LG501		2.64	0.818	0.310
4%中石化1301-1		2.06	0.505	0.245
4%中石化4303	ESSO 90 #	2.30	0.313	0.136
4%LG401		2.38	0.309	0.130
4%LG501		2.47	0.055 3	0.022 4
注：

表选项

从表 5中的数据来看，除去第1组数据标准差系数为0.554之外，其余均小于0.3，验证了采用该方法进行计算的稳定性。结合荧光显微图像来看，SBS在沥青中的溶胀直径在2.4~2.6 μm之间时，SBS改性剂与基质沥青形成连续的网络状结构。SBS溶胀直径小于2.4 μm时SBS改性剂是分散在黑色的基质沥青之中，SBS溶胀直径大于2.6 μm时，SBS改性剂基本充满沥青之中。

SBS改性剂在经过剪切机高速剪切之后的细小微粒吸收基质沥青中的轻质组分，SBS微粒吸收轻质组分之后自身发生膨胀，在分子间力作用下，膨胀之后的SBS微粒联结在一起形成了如表 3的棒状、网络状或云状结构形态。

对室内制备4种SBS(中石化1301-1、中石化4303、LG401、LG501)、3种基质沥青(双龙90#、SK90#、ESSO90#)、3种掺量(3%，4%，5%)下的14组不同类型的SBS改性沥青分别取样，按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》JTG E20—2011进行，沥青针入度(15，25，30 ℃)、软化点、延度、运动黏度(135 ℃)测试分别按照JTG E20—2011—T0604沥青针入度试验、T0606—2011沥青软化点试验(环球法)、T0605—2011沥青延度试验、T0625—2011沥青旋转黏度试验(布洛克菲尔德黏度计法)进行，并对14组SBS改性沥青的当量软化点T₈₀₀、当量脆点T_1,2、针入度指数PI、塑性温度范围ΔT进行计算，结果见表 5。

溶胀直径指标作为微观指标在表征沥青性能方面具有不可替代的作用，微观结构状态是表征宏观力学指标的内在原因，SBS溶胀直径又是SBS改性沥青中SBS内部溶胀状态的一种表征方法。通过表 4、表 5的数据对14组SBS改性沥青的溶胀直径与技术性质的相关性关系从沥青的感温性、高温稳定性、低温抗裂性3个方面分析SBS溶胀直径与SBS改性沥青的关系。

从表 5可知，以上14种SBS改性沥青感温性均在-1~+1范围之内，均适宜铺筑沥青路面。不同种类的SBS与基质沥青类型影响着SBS改性沥青的感温性质，双龙基质沥青与中石化1301-1的感温性随着SBS剂量增加感温性逐渐改善。但是双龙+中石化4303改性沥青，SBS改性剂剂量在4%时即具有较好的感温性。同时，SK90^#沥青与LG401具有较好的相容性，感温性较好；ESSO 90^#沥青与4种SBS改性剂相容后的感温性差异较小，感温性指标在-0.2~-0.3之间。结合表 4中14种SBS改性沥青的溶胀直径，溶胀直径在2.40~2.65 μm 时改性沥青普遍具有较好感温性。

在高温稳定性方面，14种SBS改性沥青的当量软化点T₈₀₀均在50 ℃以上，双龙基质沥青+中石化1301-1改性沥青的当量软化点随着SBS剂量的增大而增大，双龙基质沥青+中石化4303改性沥青的当量软化点T₈₀₀随着剂量的增加反而减小；SK90^#基质沥青与4%LG401制备的SBS改性沥青的高温稳定性较好。结合表 3中SBS在基质沥青中的溶胀情况来看，SBS掺量在2.40~2.71 μm时当量软化点T₈₀₀在53 ℃以上。

从表 5可知，不同SBS种类与基质沥青类型的改性沥青低温抗裂性有差异。4种SBS改性剂、3种沥青互配的SBS改性沥青中，低温性能优劣排序为：SK90^#沥青+中石化SBS＞SK90^#沥青+LGSBS＞双龙90^#沥青+中石化4303SBS＞双龙90^#沥青+中石化1301-1SBS＞ESSO90^#沥青+中石化SBS＞ESSO90^#沥青+LGSBS。从表 5的当量脆点T_1,2说明，T_1,2指标主要和基质沥青与SBS改性剂的相容性有关，低温抗裂性较好的SK90^#沥青+中石化SBS的溶胀直径分布在2.40~2.65 μm之间。结合表 4、表 5的数据来看，SBS在基质沥青中溶胀程度的差异可以在一定程度上表征SBS改性沥青的低温抗裂性能，认为SBS溶胀直径在2.40~2.65 μm之间的SBS改性沥青低温抗裂性优良。

综上，通过表 4、表 5中14组不同类型SBS改性沥青的溶胀直径与技术指标分析来看，SBS在基质沥青中的溶胀程度指标、溶胀直径与SBS改性沥青的技术性质具有较好的相关性，SBS在基质沥青中剂量的减少、相容性欠佳等原因均会影响SBS在基质沥青中的溶胀情况。SBS剂量偏小会使得SBS改性剂在沥青中溶胀直径偏小，如果剂量偏大或者相容性差会使SBS颗粒在沥青中溶胀呈现较多的云状、团簇状，这两种溶胀直径过大或者偏小的情况均会引起SBS改性沥青技术性能缺陷。通过对以上14组SBS改性沥青的感温性、高温稳定性、低温抗裂性的技术性质来看，认为SBS改性剂颗粒通过荧光显微镜显示的SBS溶胀直径分布在2.40~2.60 μm时SBS改性沥青具有较好的技术性质。

SBS溶胀直径是一种表征SBS在沥青中吸收基质沥青中的轻质组分之后溶胀，溶胀后的颗粒联接在一起在沥青中形成为线状、棒状、网络状、团簇状存在时这些“联结体”直径的平均值。在SBS改性沥青体系中，SBS在受到一定范围的短光波激发时可以发射出较长的光波，在荧光显微镜中显示出黄色，而沥青相不激发任何光波显示为黑色。在研究中借助一些现代的技术手段和一定的方法准确计算出SBS改性剂在沥青中溶胀的特征，就SBS溶胀直径对当下SBS改性沥青技术的意义做以下探讨。

(1)溶胀直径可以反映出SBS改性沥青技术性质。溶胀直径比SBS掺量更加能够真实反映出SBS改性沥青的技术性质，与SBS改性沥青的感温性、高温稳定性、低温抗裂性具有较好的相关性。SBS掺量与改性沥青技术性能没有必然的关系，对于双龙+中石化1301-1组SBS改性剂掺量在3%~5%掺量范围内时，随着SBS掺量的增加改性沥青的技术指标得到逐步的提高；对于双龙+中石化4303组SBS改性沥青来说，SBS掺量在5%时技术指标不升反降，这种不随着SBS剂量增加性能改善的情况也出现在之后8组不同类型基质沥青与改性剂之间。通过对比溶胀直径与SBS改性沥青的技术指标发现，溶胀直径在2.40~2.60 μm之间时SBS改性沥青的技术指标具有较好技术性质，因此认为SBS溶胀直径可以反映SBS改性沥青的路用技术性质。

(2)溶胀直径可以反映出SBS改性剂与基质沥青的相容情况。不同沥青与改性剂之间相容性的不同引起配伍性差异，通过溶胀直径指标可以衡量SBS改性剂与基质沥青的微观相容状态优劣。从表 5的试验数据来看，双龙、SK、ESSO 3种基质沥青与中石化1301-1、中石化4303、LG401、LG50这14种SBS改性剂存在配伍性差异，双龙与中石化1301-1、SK与LG501配伍性较好，ESSO与中石化1301-1配伍性较差。配伍性差的改性沥青不仅在技术指标上较差，通过如表 3所示的荧光显微图像来看，技术指标出现浮动的改性沥青在微观结构通常表现为没有形成三维网络结构，沥青和SBS改性剂分散分布^[11]。若相容性良好SBS改性剂剂量不足时，SBS溶胀之后不能充分地相联结在一起，往往以线状形式存在，SBS溶胀直径则偏小。若SBS剂量足够相容性差时，在微观显微图像上通常表现为云状或者团簇状存在，SBS溶胀直径则过大。结合荧光显微图像的分析，采用文中使用的方法获得的SBS改性沥青溶胀直径在2.25~2.70 μm时具有较为均一的相容状态。

(3)对SBS改性沥青监控技术的借鉴。溶胀直径指标有利于SBS改性剂最佳掺量的确定以及SBS改性沥青质量控制。常规的SBS改性剂掺量通过测试不同SBS剂量改性沥青的宏观物理性质指标进行确定。然而SBS改性沥青在工程中出现的问题仅仅通过现有规范进行控制是很难实现的^[14]，仅仅通过现有规范的指标对改性沥青的生产质量进行控制不够全面，难以避免改性沥青生产中的质量漏洞。将规范中的宏观指标与溶胀直径相结合可以解决或减少SBS改性沥青质量问题，SBS改性沥青微观的相容状态好坏是沥青指标的内部原因^[15]，因此采用溶胀直径指标有助于全面评价SBS改性沥青的性质。

(1)以400倍荧光显微镜放大图像为研究对象，借助MALTAB图像处理功能、AutoCAD软件以及微积分思想，提出一种量化SBS改性沥青微观结构中的SBS溶胀直径计算的方法，并验证了计算方法的稳定性。

(2)通过对14组不同基质沥青与SBS改性剂的改性沥青的三大指标试验及其与溶胀直径均值关系的分析，认为SBS溶胀直径在2.4~2.6 μm时具有较高的改性性能和均一的微观溶胀状态。

(3)研究认为SBS溶胀直径可以更加全面地反映出SBS改性沥青的本质属性，为未来SBS改性沥青质量控制以及进一步揭示改性机理提供了基础。