有机化蒙脱土改性沥青的抗老化性能评价

1、第卷第期年月武汉理工大学学报：有机化蒙脱土改性沥青的抗老化性能评价王金刚，吴少鹏，陈美祝（武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉）摘要：采用旋转薄膜烘箱（）和压力老化容器（）对基质沥青及有机化蒙脱土改性沥青分别进行了短期老化和长期老化实验；使用动态剪切流变仪（）进行了频率扫描试验，以评价改性沥青老化前后的流变特性；并用模型对复数模量主曲线进行了回归分析，得出了基于流变性能的沥青老化评价因子。试验结果表明：有机化蒙脱土改价沥青老化性能。性沥青表现出较好的抗老化性能，降低了温度敏感性，同时其高温性能也得到改善；回归分析结果表明可以较好地评关键词：有机化蒙脱土；沥青；老化；流变性能中图分类号：文献标识

2、码：文章编号：（），（，）：（）（）（），（），：；沥青作为沥青路面的粘结材料，其主要缺点是对温度敏感性强，高温变软发粘，低温变脆易裂，且在高温和紫外线照射下会产生老化现象。沥青老化过程是一种氧化过程，空气中的氧气渗透到沥青内部，使沥青分子发生氧化、缩合反应，导致沥青分子量的增加，力学性能、流变性能的改变。具有纳米片层结构的蒙脱土经过有机化处理之后，可以很好地分散于沥青之中，并被沥青分子插层，甚至被剥离，形成纳米复合材料。由于蒙脱土的片层结构具有气体阻隔性能，均匀分散的蒙脱土片层可以延长氧气的扩散路径，有效地降低氧气在沥青内部的扩散速度，可大幅增加沥青的抗老化性能。选取有机化蒙脱土，并采用高速

3、剪切仪制备了有机化蒙脱土改性沥青，采用旋转薄膜烘箱（）和压力老化容器（）进行短期老化和长期老化实验。应用动态剪切流变仪（）进行了频率扫描试验，来评价改性沥青老化前后的流变特性；并用模型进行回归模拟，提出评价沥青老化性能的老化因子。收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：王金刚（），男，硕士生：，实验原材料基质沥青为辽宁盘锦提供的重交道路石油沥青，其基本性能如表所示。层状硅酸盐采用浙江丰虹粘土化工有限公司生产的型有机化蒙脱土，层间距为。表重交沥青试验结果试验项目针入度（、）（）软化点（环与球法）延度（、）密度（）（）溶解度（三氯乙烯）质量变化老化试验（、）针入度比残留延度（）试验结果技

4、术要求实测±试验规程改性沥青的制备将有机化蒙脱土在真空干燥器中于烘干至恒重，再放入干燥器中冷却待用，沥青在温度下加热熔融，称量相当于沥青质量的有机化蒙脱土，在恒速搅拌器搅拌下缓慢加入蒙脱土，然后再用高速剪切仪以的速度剪切制得有机化蒙脱土改性沥青。由于在加热、剪切工程中，无法避免地存在一定的老化情况，为了保证试验的可对比性，将基质沥青也经过相同的加工、老化过程。老化实验及流变性能测试）旋转薄膜加热试验（）按照规范进行，实验条件：每瓶试样质量（±），试验温度（±），老化时间，空气流速（±）；压力老化（）试验按照规范进行，实验条件：，空气环境，老化时间。）沥青

5、老化前后的流变性能测试采用奥地利安东帕（）公司生产的型智能动态剪切流变仪（）：频率扫描试验频率范围，测试温度点为：、，以上测试均处于线性粘弹性范围之内。结果与分析频率扫描与主曲线沥青是一种典型的粘弹性材料，对温度和频率具有很强的依赖性，在不同的温度和加载频率下表现出不同的流变特性，根据时温等效原理，应用不同温度下的频率扫描试验绘制主曲线是评价其在较宽频率（时间）范围内依存性的方法之一。根据时温等效原理，各种温度下测量得到的粘弹性曲线如果沿时间轴水平移动可以得到一条频率范围非常宽的粘弹性曲线。移动的水平位移称为位移因子，可由（）方程确定。（）（）式中，为基准温度；和是用基准温度确定的实验常数。图

6、和图显示了基质沥青、有机化蒙脱土改性沥青的动态模量倡的主曲线。由图和图可知：在未经老化的情况下，改性沥青与基质沥青相比，复数模量较有所增加，主曲线变得比较平坦，说明沥青的温度敏感性降低；在低频端（高温）的复数模量比改性沥青的低，说明蒙脱土的加入，增加了沥青中的弹性成分，提高了基质沥青的高温模量，改善了高温路用性能；而在高频端（低温），老化前后基质沥青和改性沥青的复数模量几乎相差无几，说明有机化蒙脱土对沥青低温性能改变不明显。对比种沥青老化前后的复数模量可知：和蒙脱土改性沥青经过老化后，复数模量都有所增加，但是，沥青经过长期老化后，复数模量增加得比较明显，而有机化蒙脱土改性沥青则增加较少。对于有

7、机化蒙脱土改性沥青，老化前后复数模量增加不很明显，而基质沥青经过老化后增加较多。说明有机化蒙脱土的加入，改善了沥青的抗老化性能。沥青抗老化因子主曲线提供了一种在较宽频率（温度）范围内研究沥青粘弹性的方法，很多研究者都尝试去建立一种模型来研究沥青的粘弹性质。其中，报告中提出的模型，很好地模拟了复数模量主曲线，此模型不仅适用于沥青胶结料，而且还适用于沥青混合料。研究借鉴模型来模拟有机化蒙脱土改性沥青复数模量主曲线，并试图提出用于评价沥青老化程度的老化因子。倡倡此模型包括个参数、，其数学表达如下倡倡式中，倡为频率下的复数模量；倡倡（）为平衡模量，对于沥青胶结料来言，倡；倡倡（）倡倡（）（）为玻璃态模

8、量；为具有频率量纲的定位参数；为简约频率，温度和应变的函数；、为形状参数。表基质沥青和有机化蒙脱土改性沥青老化前后非线性回归参数值倡倡（）基质沥青图中的实线是对基质沥青和有机化蒙脱土改性沥青复数模量主曲线的模拟结果，经过非线性回归，得到以上个参数值，如表所示。从表可知：模型对实际试验数据模拟得很好，相关系数都在以上；对比表中值可以发现随着老化程度的加重，值减小，且老化越严重，值降低得越快，在一定程度上反映了沥青抗老化性能。提出以值的降低百分率作为评价沥青老化性能的抗老化因子。其表达式如式（）（）×土改性沥青有机化蒙脱式中，为沥青抗老化因子；为老化后的值；为老化前的值。表基质沥青和有机

9、化蒙脱土改性沥青老化因子经过计算，得出种沥青在不同老化程度下的老化因子，结果如表基质沥青有机化蒙脱土改性沥青所示。由表可知：种沥青在不同的老化程度下，其值不同，老化程度越严重，值越小，且值也越小，结合复数模量主曲线可以看出：在复数模量主曲线的低频（高温）段，随着老化程度的加强，复数模量增加，反映在模型中即为值的减小，且复数模量增加得越快，值减小得也越快，即值也越小。反过来，值的大小反映了沥青老化程度的不同，值越小，沥青老化越严重。蒙脱土改性沥青经过短期老化和长期老化后，其值由降低到，均比基质沥青的值要大，说明在相同的老化条件下，蒙脱土改性沥青的抗老化比基质沥青的要好，对比老化前后的值，发现蒙脱

10、土改性沥青的值要比基质沥青的大得多，说明了其抗长期老化性能明显优于基质沥青。蒙脱土的加入，增加了沥青的复数模量，改善了沥青的高温流变性能，对低温性能并没有明显影响。模型很好地拟合了复数模量主曲线，其参数反映了老化前后流变性能的变化，同时也间接反映了沥青抗老化性能，蒙脱土改性沥青具有良好的抗老化性能，特别是长期老化性能得到明显改善。参考文献姜海涛，吴少鹏，况栋梁，等有机化蒙脱土改性沥青老化性能的研究武汉理工大学学报，（）：，王骁，余剑英，汪林有机蒙脱土改性沥青的制备与性能研究武汉理工大学学报，（）：，：，：，：，（）：结论（上接第页）也可归结为形成的片层状产物结构。因为长龄期试样中形成的复杂片层

11、结构必然会对非晶态物质结晶有所阻碍，即晶体生长需要克服更强烈的空间位阻作用，从而表现为结晶吸热峰向高位偏移。结语除尾矿带入的晶体矿物外，聚合反应并没有生成新的晶体矿物；在°°范围内存在的宽大衍射峰包表明其产物可能为某种复杂的无定形铝硅酸盐；除存在个明显吸热峰、微小放热峰和第一失重阶段外，试样在升温过程中再无明显吸、放热峰和其它明显失重阶段；吸热峰是由片层状产物的吸附水脱去而形成的，而放热峰是由非晶态物质结晶引起的。试样的反应产物的性质与试样的类似，但存在着一些细小差异，这些差异反映了聚合反应历程。试样中片层产物的尺寸不仅较试样中的小，而且数量也更多，层叠、交错结构的复杂程度也更甚，从而在宏观上表现为强度的增长。试样的吸附水脱去温度较试样的高约，其原因为片层状的反应产物对吸附水的作用力变强烈了，也即能吸附水的片层状产物数量增多了和层叠、交错结构变得更复杂了。试样中非结晶物质结晶温度的提高也是聚合反应产物微