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SBS改性瀝青熱儲存穩定性快速檢測及簡化模型的探討

文檔作者：陳明杰文檔來源：廈門華特公路瀝青技術有限公司		更新日期： 2026年08月07日	點擊數：
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2025年4月
·標準與檢測·
石油瀝青PETROLEUM ASPHALT 第39卷第2期
SBS改性瀝青熱儲存穩定性快速檢測及
簡化模型的探討
陳明杰
（廈門華特公路瀝青技術有限公司，廈門361100）
摘要：通過對比不同SBS改性瀝青熱儲存穩定性評價方法，發現熒光顯微鏡法是一種操
作快速、簡便的方法。基于java 的公共圖像處理軟件ImageJ，可以用于分析和統計熒光顯
微圖像中的SBS相的顆粒粒徑，方法操作簡便快速。提出SBS改性瀝青熱儲存動力學穩定
性的簡化模型，利用斯托克斯定律描述SBS顆粒在瀝青中的微觀運動情況，可以用于模擬計
算在163℃下不同SBS顆粒粒徑在瀝青中的遷移速度和熱儲存48h后樣品上下含量差。通
過將前人研究的實驗觀察結果經過溶脹修正后，再與簡化模型中模擬的數據進行對比發現，
SBS相溶脹后的粒徑大小剛好與簡化模型中模擬的48 h離析結果大致相符。簡化模型若要
應用于SBS改性瀝青熱儲存穩定性的實際評價，仍需要考慮SBS在瀝青中分散時可能發生
的復雜的物理變化和化學變化，同時需要結合大量的SBS粒徑與離析結果的研究工作。
關鍵詞：SBS改性瀝青離析熱儲存穩定性顯微圖像分析簡化模型分析
SBS改性瀝青熱儲存穩定性是指在熱儲存過
程中不發生離析的性能，是影響 SBS 改性瀝青
品質的重要因素。受到原材料、加工工藝、運輸
條件、儲存條件等因素的影響，特別是原材料的
影響，SBS和瀝青的相容性越好，SBS改性瀝青
也越穩定。因此，要獲得穩定合格的改性瀝青，
不僅要考慮動力學，更要考慮熱力學。為了改善
SBS改性瀝青熱儲存穩定性，眾多學者開展了許
多研究[]。
1熱儲存穩定性評價方法
現行規范的熱儲存穩定性評價方法為《公路
工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20一
2011)聚合物改性瀝青離析試驗T 0611—2011,
樣品在163℃的烘箱中豎立靜置48h后，用頂
部和底部樣品的軟化點差值來評價離析程度[2]
熒光顯微鏡技術在2003年歐洲標準EN13632：
2003中首次被規范化應用，對于改性瀝青樣品
熒光鏡片的制備流程、結果表達和特征圖像進行
了詳細描述[3]。陳成勇[4]等采用動態剪切流變
儀、紅外光譜儀、熒光顯微鏡等設備，進行SBS
改性瀝青儲存穩定性試驗方法的對比與分析，發
現熒光顯微法與離析試驗的相關性較好，且快速
簡便。彭煜等[5]采用動態剪切流變儀快速檢測
SBS改性瀝青的熱儲存穩定性，建立了黏彈性系
數（V。）函數模型，定義了評價指標穩定因子
（R），檢測時間可以縮短至2 h以內。王海戰
等[6]采用基于紅外光譜法的特征峰面積離散系
數值來表征SBS改性劑分布的均勻情況，從而
快速預判改性瀝青穩定性。孔彥合[7]借助MATLAB
軟件對改性瀝青熒光圖像進行圖像變化、
圖像增強和復原、圖像分割等手段轉化為細節清
晰的二值圖像，通過顆粒含量表征、形貌表征和
分散性表征三個角度從改性瀝青二值圖像中提取
七個圖像參數用以評價SBS改性瀝青的相容性。
程志豪等[8]采用絮凝滴定法試驗進行了高黏改
性瀝青的絮凝過程觀測，直接從材料膠體體系的
膠溶能力和相容性參數出發量化分析改性瀝青材
料膠體結構相容穩定性。孫寶新等[9]利用電化
收稿日期：2024-11 -01
作者簡介：陳明杰（1988一），男，碩士，工程師，畢業于
廈門大學材料學院材料加工工程專業，主要研究方向：SBS
改性瀝青。E-mail：chenmj@xmhuate.com。
64
學檢測技術檢測改性瀝青中SBS含量，基于SBS
含量電化學檢測技術評價改性瀝青儲存穩定性。
Zhang等[10]分別從軟化點、儲存穩定性指數
（I.）、DSR、FTIR等角度評價生物質油改性瀝青
的熱儲存穩定性。熊萍等[1I參考美國國家公路
合作研究計劃的LAST法，通過檢測SBS改性瀝
青的動態剪切流變性能，提出離析率（R）用于
評價改性瀝青的儲存穩定性。
表1中列出了改性瀝青不同儲存穩定性評價
方法所用儀器、的樣品處理方式、評價方式及試
驗耗時。從表1可以看出熱儲存穩定性評價方法
的研究方向主要有三個：（1）熱儲存穩定性的
過程模擬；（2）熱儲存穩定性的量化評價；（3）
熱儲存穩定性評價時間的縮短。在SBS改性瀝
評價方法
離析試驗(JTG
E20—2011.T0661 48h±1h后，冷柜中豎立放置不
2011) 少于4h，全部固化后均分為3截
動態剪切流變163℃±5℃的烘箱中豎立靜置
法(DSR) 48h±1h后，冷柜中豎立放置不
少于4h，全部固化后均分為3截
紅外圖譜法163℃±5℃的烘箱中豎立靜置
(IR) 48h±1h后，冷柜中豎立放置不
少于4h，全部固化后均分為3截
電化學檢測法163℃±5℃的烘箱中豎立靜置
48h±1h后,冷柜中豎立放置不
少于4h，全部固化后均分為3截
布氏黏度檢測163℃±5℃的烘箱中豎立靜置
法48 h±1h后,冷柜中豎立放置不
少于4h，全部固化后均分為3截
熒光圖譜法樣品加熱后下滴于載玻片后立
即加蓋蓋玻片，冷卻至室溫
動態剪切流變樣品加熱后下滴于試驗模具中，
法(DSR) 冷卻至室溫
絮凝滴定法試驗樣品制備時將0.4、0.6、
0.8g等3種不同質量的瀝青樣品
分別放入2mL色譜純甲苯中,放
置至少24h以充分溶解，試驗前用
濾網過濾出雜質顆粒，以免雜質顆
粒堵塞管道，對樣品晶體池產生損
傷
LAST法在LAST法儲存穩定性試驗儀器
中放置72h后，分別從盛樣筒的底
部和距頂部1/3處取樣
石油瀝青
青的生產和應用過程中，采用離析試驗、LAST
法、絮凝滴定法等方式對樣品進行處理后再評
價，耗時2～4d不等，具有嚴重的滯后性，不
利于生產質量控制和應用的質量監督。耗時較短
的熱儲存穩定性評價方法有熒光顯微鏡法和動態
剪切流變法。熒光顯微鏡法操作簡單快速，但需
要對熒光圖像進行定性和定量分析，如借助
MATLAB軟件，對人員的軟件操作能力有一定要
求。動態剪切流變法所使用的儀器價格昂貴，大
部分的加工工廠或拌和站難以推廣。加工工廠或
拌和站仍采用離析試驗進行評價。
因此，操作快速、分析準確又簡單的熒光顯
微鏡法對SBS改性瀝青的生產和應用具有重大
的實用意義。
表1熱儲存穩定性不同樣品處理方式和評價方法
樣品處理
163℃±5℃的烘箱中豎立靜置
2025年第39卷
評價方式主要儀器預計耗時
對頂部和底部的瀝青試樣同時進行軟化點瀝青軟化約3d
試驗，計算其差值點儀
對頂部和底部的瀝青試樣進行動態剪切試動態剪切約3d
驗,采用應變控制，復數模量G*、相位角8， 流變儀
計算離析率
分別測定未離析的、離析后頂部和底部的
瀝青樣品的紅外光譜圖吸收峰面積S966和
S1377,計算其面積離散系數
對頂部和底部的瀝青試樣進行電化學檢測
SBS含量，計算含量差
對頂部和底部的瀝青試樣進行黏度檢測，
計算儲存穩定性指數Is
采用熒光顯微鏡，在適當倍數下觀測分布
形態，進行濾波降噪、均勻化、二值化及連通
域標記算法等步驟，計算熒光顯微相態SBS
相粒徑
試驗溫度為（64、67、70、73、76、79、82、
85）℃條件下，進行動態剪切試驗，獲取各試
驗溫度下的復數模量G*、相位角8,建立黏
彈性系數V。函數模型,計算穩定因子Rr
試驗時由滴定泵以0.25mL/min的低速率
泵送異辛烷滴定劑對樣品溶液進行滴定；同
時由循環泵以2.5mL/min高速率泵送樣品
溶液經過橡膠管路流動至光度計中的流動晶
體池，以觀察波長740nm處溶液透光率隨著
滴定過程的變化，完成透光率檢測，計算膠溶
狀態指數P
對頂部和底部的瀝青試樣進行動態剪切試
驗，計算離析率
紅外光譜約3d
儀
電位滴定約3d
儀
布氏黏度約3d
儀
熒光顯微約1h
鏡
動態剪切約2h
流變儀
自動絮凝約2d
滴定試驗儀
LAST法儲約4d
存穩定性試
驗儀器
第2期
2熒光顯微圖像快速分析方法
2.1熒光顯微圖像的定性分析
陳成勇等展示了熒光顯微圖像的定性分析方
法[4]。不同狀態下的SBS改性瀝青熒光顯微圖
像顯現不同的微觀結構，熱儲存穩定性也不相
同：（1）穩定狀態：顆粒細密，分布均勻，具
有良好的熱儲存穩定性；（2）亞穩定狀態：顆
粒明顯，相對穩定，不同樣品的熱儲存穩定性可
能好，也可能不好；（3）不穩定狀態：顆粒形
態不穩定，熱儲存穩定性不好。利用該方法，若
熒光顯微圖像為穩定狀態或不穩定狀態，可以快
速的判定SBS改性瀝青的熱儲存穩定性。唯一
的不確定性在于，沒有明確的方法判斷亞穩定狀
態的SBS改性瀝青的熱儲存穩定性。
2.2熒光顯微圖像的定量分析
不少學者利用MATLAB軟件或自主研發的
圖像識別處理軟件對熒光顯微圖像進行定量分
析[7]。這些軟件對人員的軟件操作能力有一定
要求，個別軟件未對外公開或需要收費，不利于
熒光顯微鏡法的推廣。
現介紹一款基于java的公共的圖像處理軟
件Image J，可以用于分析和統計亞穩定狀態的
熒光顯微圖像中的熒光顆粒粒徑。
（1）打開想要處理的圖像，File－Open，或
者將圖片直接拖動到菜單欄；
(2）設置標尺，Analyze-Set Scale;
（3）將圖像轉為8－bit，灰度處理，Image
-Type－8-bit，如圖1和圖2所示；（4）調整
閾值，二值化處理，選中顆粒，Image－Adjust-
Threshold;
（5）打斷顆粒的重疊部分，Process－Binary
-Watershed，如圖3所示;
（6）自動分析、統計顆粒，Analyze－Analyze
Particles，如圖4所示;
(7）保存結果，Results-File-Save As。
通過以上步驟使用ImageJ軟件可以快速統
計熒光顯微圖像的粒徑信息。統計出的粒徑信息
是否能真實反映樣品的微觀形態，與拍攝的熒光
顯微圖像的顆粒邊緣清晰度有關。從圖2和圖3
可以看出，顆粒邊緣越清晰，二值化處理后的顆
粒越容易識別；顆粒邊緣模糊，二值化處理后的
顆粒可能會消失。為了得到準確的 SBS改性瀝
陳明杰.SBS改性瀝青熱儲存穩定性快速檢測及簡化模型的探討
3動力學穩定性的簡化模型
為了深人了解SBS改性瀝青的動力學穩定
性，提出以下簡化模型的思路：（1）從動力學
穩定性的單一角度考慮，暫不考慮其他影響因素
和化學變化，瀝青視同為均一的分散介質；（2)
65
青的粒徑分布圖，拍攝熒光顯微圖像時需要十分
注意。
20um
圖1SBS改性瀝青的熒光顯微圖像
圖2灰度處理后的熒光顯微圖像
圖3二值化處理及自動識別重疊部分
圖4自動統計顆粒的熒光顯微圖像
66
SBS為分散相，顆粒形態視同為大小一致的標準
球體，且不考慮發生聚合、溶脹、互溶等復雜情
況，分散在瀝青中的SBS顆粒較小，處于穩定
或亞穩定狀態；（3）基于SBS改性瀝青熱儲存
穩定的眾多評價方法仍與離析試驗法進行對比分
析和研究其關聯性，借鑒離析試驗法的評價方
法，分析在163℃熱儲存48h后上部1/3的樣
品和下部1/3的樣品的SBS含量變化。在上述模
型中，瀝青中SBS顆粒的分散情況被簡化為小
顆粒在黏性液體中的分散情況，可以利用斯托克
斯定律[12]描述SBS顆粒在瀝青中的微觀運動情
況。當達到重力、阻力和浮力平衡時，SBS顆粒
在瀝青中則勻速上升，遷移速度如公式（1）所
示。
2r (p2 -pi) g V= 9
式中，u為SBS顆粒的遷移速度，r為SBS
顆粒的半徑，PI為SBS顆粒的密度、P2為瀝青
的密度，㎡為瀝青的黏度，g為重力加速度。
因此，通過瀝青的密度、瀝青的黏度、SBS
的密度和線膨脹系數等物料性質（見表2），計
算模擬在163℃的儲存溫度下不同黏度瀝青中
SBS顆粒不同粒徑的遷移速度。如圖5所示，隨
著SBS顆粒粒徑（d）的增大，u大幅上升；
越小，也越大。借鑒離析試驗法的評價方法，
如公式（2）所示，在163℃熱儲存48h后可以
通過SBS顆粒計算模擬上部1/3和下部1/3樣
品的SBS含量差（△β）。如圖6所示，隨著SBS
顆粒d的增大，SBS改性瀝青樣品上部和下部的
SBS△β大幅變大；㎡越小，△β也越大。
4p=w, - W2 I _ TTp,utd, Wo
式中，wo為樣品離析前的SBS質量分數，
W,為離析后上部1/3樣品的SBS質量分數，W2
為離析后下部1/3樣品的SBS質量分數，P2為
瀝青的密度，t為熱儲存時間，d,為鋁管直徑，
m²為瀝青樣品的質量。
4簡化模型的應用與分析
楊喜英[13]通過紅外光譜法分析了離析試驗
中的5%SBS改性瀝青樣品上部和下部的SBS含
量差△w=|wi-wzl，發現△w≤0.2%，基本未
發生離析。Aw按公式（2）可以轉換為Aβ，當
石油瀝青
△w≤0.2%，則△p≤4%。從上述動力學穩定性
的分析中，瀝青在163℃的黏度越小，遷移速度
越大，SBS改性瀝青離析的可能性越高。因此,
瀝青在163℃的黏度取下限0.08Pa·s進行SBS
顆粒d的測算，發現當d≤5.5μm時，樣品上
下含量差Ap≤4%，SBS改性瀝青基本未發生離
析。如圖7所示，在163℃熱儲存下樣品上下含
量差△β達到4%的時間t隨著SBS粒徑d的減
少大幅增大，由此可見，SBS粒徑只要足夠小，
SBS 改性瀝青可以在一定時間內達到一定程度的
動力學穩定。
表2物料的性質和設定值
項目70#重交瀝青
密度/(g：cm3) 1. 035(15 ℃)
(1) 163 ℃黏度/ (Pa : s)
體積校正方法
a.熱塑性彈性體的線熱膨脹系數，一般在5×10-5~7×
10-5英寸/英寸·F[15]，取中值進行模擬計算。
0.016
(s . um)/取
黏度/(Pa·s)
0.012·0.08 ·0.09·0.100.11
0.008
0.004
0
0 123456 78910
粒徑/um
圖5 163℃下不同黏度瀝青中SBS粒徑d與
遷移速度的關系
14
12黏度/(Pa·s)
?0.08·0.09·0.10 ·0.11 0.12
10
(2) 38 6m2
4
2
0
0
圖6在163℃熱儲存48h后樣品上下含量差與
SBS 粒徑的關系
Jiqing Zhu等[16]通過建立一種具有黏彈性效
應的聚合物改性瀝青的相場模型，模擬聚合物改
性瀝青的富 SBS 相和富瀝青相的相態變化，發
現在180℃下富SBS相的溶脹率（富SBS相的
2025年第39卷
SBS
0. 93(20 ℃ )
0. 08 ~ 0. 12
ASTM D4311-04[14]線熱膨脹系數
456578910
粒徑/um
·0.12
第2期
面積百分比與初始值的比值）在7～10范圍之
間。陳成勇等[4]通過熒光顯微鏡法觀察分析300
組 SBS在瀝青中的分散樣本，發現若粒徑小于
1.6μm，未發生離析；若粒徑介于1.6~1.9μm，
可能發生離析；若粒徑大于1.9μm，發生離析。
考慮到SBS改性瀝青在熱儲存過程中SBS相會
發生一定的溶脹，若溶脹率在7～10范圍之間，
則粒徑為1.6μm的SBS相溶脹后的粒徑可能為
4.2~5.1μm，粒徑為1.9μm的SBS相溶脹后
的粒徑可能為5.0~6.0 μm。通過將前人研究的
實驗觀察結果經過溶脹修正后，再與簡化模型中
模擬的數據進行對比發現，SBS相溶脹后的粒徑
大小剛好與簡化模型中模擬的48h離析結果
（圖7）的區間范圍大致相符。
500m 黏度/(Pa·s)
400F ·0.08 ·0.09·0.10
300
200F
100F
oL
1 23 45.6 78910
粒徑/μm
圖7在163℃熱儲存下樣品上下含量差Ag達到
4%的時間與SBS粒徑的關系
簡化模型成立的設定條件過于理想，未考慮
SBS在瀝青中分散時可能發生溶脹、互溶、聚
合、交聯等復雜變化。因此，簡化模型若要應用
于SBS改性瀝青熱儲存穩定性的實際評價，仍
需要考慮SBS在瀝青中分散時可能發生的復雜
的物理變化和化學變化，同時需要結合大量的
SBS粒徑與離析結果的研究工作。
5結論
a）通過對比不同的SBS改性瀝青熱儲存穩
定性評價方法，發現熒光顯微鏡法是一種操作快
速又簡便的方法。
b）基于java的圖像處理軟件ImageJ，可以
用于分析和統計熒光顯微圖像中的SBS相的顆
粒粒徑，方法操作簡便又快速。
c）提出SBS改性瀝青熱儲存動力學穩定性
的簡化模型，利用斯托克斯定律描述SBS顆粒
在瀝青中的微觀運動情況，可以用于模擬計算在
163℃下不同SBS顆粒粒徑在瀝青中的遷移速度
陳明杰.SBS改性瀝青熱儲存穩定性快速檢測及簡化模型的探討
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和熱儲存48h后樣品上下含量差。
d）通過將前人研究的實驗觀察結果經過溶
脹修正后，再與簡化模型中模擬的數據進行對比
發現，SBS相溶脹后的粒徑大小剛好與簡化模型
中模擬的48h離析結果大致相符。
e）簡化模型若要應用于SBS改性瀝青熱儲
存穩定性的實際評價，仍需要考慮SBS在瀝青
中分散時可能發生的復雜的物理變化和化學變
化，同時需要結合大量的SBS粒徑與離析結果
的研究工作。
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Abstract : By comparing different evaluation methods for the thermal storage stability of SBS modified asphalt,
it is found that the fluorescence microscopy method is a rapid and simple operation method. The public
image processing software ImageJ based on Java can be used to analyze and count the particle size of SBS
phase in fluorescence microscopic images. This method is simple and fast to operate, which is conducive to the
promotion of fluorescence microscopy. This paper proposes a simplified model for the thermal storage kinetic
stability of SBS modified asphalt. Stokes'law is used to describe the microscopic movement of SBS particles in
asphalt, which can be used to simulate and calculate the migration speed of different SBS particle sizes in asphalt
at 163℃ and the content difference between the upper and lower parts of the sample after 48 hours of
thermal storage. By comparing the experimentally observed results of previous studies after swelling correction
with the simulated data in the simplified model, it is found that the particle size of the SBS phase after swelling
is roughly consistent with the 48 - hour segregation results simulated in the simplified model. If the simplified
model is to be applied to the actual evaluation of the thermal storage stability of SBS modified asphalt, it is still
necessary to consider the complex physical and chemical changes that may occur when SBS disperses in asphalt,
and at the same time, it needs to be combined with a large number of research works on SBS particle
size and segregation results.
Keywords: SBS modified asphalt, segregation, thermal storage stability, microscopic image analysis,
simplified model analysis
·短訊·
一種具有修復功能的改性瀝青防水卷材及其制備方法
本發明公開了一種具有修復功能的改性瀝青防水卷材，該改性瀝青防水卷材依次包括：上表面隔離層、修復層、
防水層、胎基層、黏結層和下表面隔離層。本發明防水卷材產品具有修復層，由于修復層的黏度低，溫敏性強；當基
層防水層在施工完畢后受到外界破壞或隨著凍融循環產生漏點時，本發明的產品結構通過環境溫度暴曬或者輔助烘烤
熔融方式，使修復層產生向變，對防水層進行自修復，便宜耐用；能夠避免防水層由于輕微缺陷出現漏水時，則需要
對整個防水層進行翻修而產生的浪費，可以根據滲漏位置，區域性進行自修復，避免漏點不宜查詢而產生不必要的工
作，節約能源、節約材料，提高頂層居住人群幸福感。（青島東方雨虹建筑材料有限公司）／CN116145436B，2024
12 20
石油瀝青
[S] .
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CHEN Mingjie
2025年第39卷

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