镁铝型水滑石对SBS改性沥青抗老化性能的影响研究*

崔树华 余剑英 李元元 刘全涛

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

镁铝型水滑石对SBS改性沥青抗老化性能的影响研究*

崔树华 余剑英 李元元 刘全涛

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

采用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪，研究了不同掺量的水滑石(LDH)对SBS改性沥青高温性能、抗疲劳性及低温性能的影响.进行短期热氧老化和紫外老化试验，分别采用傅里叶红外光谱仪和旋转粘度计，对老化前后沥青特征官能团和粘度进行测试，研究不同掺量的LDH对SBS改性沥青抗热氧和光氧老化的影响.结果表明，掺入LDH后，沥青的复核模量增大、相位角减小、抗车辙性能提高；蠕变劲度增大、劲度变化速率减小、沥青的低温性能降低；当LDH掺量不大于4%时，LDH对SBS改性沥青低温性能的降低幅度可控制在一个PG等级.添加LDH后，老化后SBS改性沥青的IC=O和粘度的增大幅度减小、ISBS的减小幅度减小，表明LDH能够提高SBS改性沥青的抗老化和紫外老化性能，且LDH掺量越大，其改性效果越显著.综合LDH对SBS改性沥青技术性能以及抗老化效果的影响，推荐LDH的最佳掺量为4%.

镁铝型水滑石；SBS改性沥青；抗老化性能；LDH最佳掺量

0 引 言

沥青在生产、储存和自然环境服役过程中受到热、光、氧和水等因素作用会发生老化，使得沥青路面服务寿命显著降低[1].无机层状粒子LDH是一类性能优异的紫外阻隔材料，其多级层板能够多次反射和折射紫外光，对紫外线起到物理屏蔽作用；层板上的金属元素和层间阴离子可以对紫外线起到化学吸收作用[2].近年来对LDH作为沥青抗老化改性剂的研究较多[3]，但是现有文献一般仅采用一个掺量(3%或5%)或两个掺量(3%和5%)水平[4-5]，不足以全面掌握LDH掺量对沥青抗老化性能的影响趋势，不能全面评价LDH的改性效果.为了指导实际工程应用，需要对更宽域LDH掺量进行研究.

选取沥青路面的表面层常用胶结料SBS改性沥青和镁铝型LDH，在较宽域的掺量范围内(2.0%～7.0%)拟定六个LDH掺量水平，制备LDH改性沥青.采用三大指标和粘度试验研究LDH对沥青物理性能的影响；采用DSR和BBR，对沥青流变性能和疲劳性能能进行研究；采用FTIR和布氏粘度计对老化前后沥青的特征官能团及粘度进行测试，研究LDH掺量对沥青抗老化性能的影响.最后结合LDH对SBS改性沥青物理和流变性能及抗老化性能的影响特性，给出适宜的LDH掺量.

1 原材料

1.1 沥青

选用某生产的SBS改性沥青，其技术指标测试结果见表1.

1.2 LDH

LDH的分子式一般表示为

表1 SBS改性沥青技术指标试验结果

表2 LDH技术指标试验结果

1.3 LDH改性沥青的制备

LDH掺量拟定2.0%～7.0%六个水平，LDH改性沥青的制备过程为：将SBS改性沥青加热至170 ℃，并采用自动温度传感器将温度稳定在170 ℃，然后加入设计掺量的LDH，并采用高速剪切机保持4 000 r/min的剪切速率剪切40 min.由于LDH改性沥青制备阶段加热过程不可避免的引起沥青的老化，为保证基质沥青作为LDH改性沥青对比样的合理性，使其经历与LDH改性沥青相同的加热老化过程.

2 结果与讨论

2.1 LDH掺量对沥青物理性能的影响

不同掺量的LDH改性沥青的物理性能试验结果见表3.添加LDH后，沥青的软化点和粘度增大，针入度、延度降低.表明LDH的添加使得SBS改性沥青趋于硬化.SBS改性沥青的60 ℃粘度随着LDH掺量的增大而增大.其原因是，分散于沥青中的无机粉末LDH对沥青分子的自由运动存在阻碍作用，且这种阻碍作用随着LDH掺量的增大而增强.

表3 LDH对SBS改性沥青物理性能的影响

2.2 LDH掺量对沥青流变和疲劳性能的影响

2.2.1LDH掺量对沥青高温流变性能的影响

图1为不同LDH掺量SBS改性沥青的复核模量(G*)和相位角(δ).添加LDH后，SBS改性沥青的G*增大、δ减小.其中2%掺量的LDH对沥青G*提高幅度较小；LDH掺量大于3%后，G*显著升高；尤其是当LDH掺量增大至6%和7%时，SBS改性沥青G*大幅升高.表明LDH能够提高SBS改性沥青在重复剪切力作用下抵抗变形的能力.

对于基质沥青，通常其δ随着温度的升高单调增大，δ的增大预示着沥青胶结料在高温时易产生永久变形.由图1b)知，随着温度的升高，SBS改性沥青的δ先减小后增大，表明SBS能够降低沥青高温时的δ，增大沥青中的弹性成分比例，提高其抗车辙性能.添加2%和3%掺量的LDH后，δ仅小幅降低；而当LDH掺量大于4%后，δ显著降低，表明复合模量中的弹性成分比例增大，粘性成分比例减小.

图1 LDH对SBS改性沥青复合模量和相位角的影响

车辙因子(G*/sinδ)能够反映沥青胶结料抗车辙性能，车辙因子大表明沥青胶结料抗车辙性能好，反之沥青胶结料抗车辙性能差.为满足沥青胶结料抗车辙性能的要求，其老化前的车辙因子应满足不小于1.0 kPa的要求.不同LDH掺量SBS改性沥青车辙因子的试验结果见图2.

图2 LDH对SBS改性沥青抗车辙性能的影响

由图2可知，随着温度的升高，SBS改性沥青的车辙因子减小.当温度升高至82 ℃时，所有沥青的车辙因子仍略大于1.0 kPa，若不考虑TFOT老化后沥青的车辙因子，则SBS改性沥青以及2%～7%掺量的SBS改性沥青的PG高温等级为82 ℃.在52～82 ℃温度范围内，SBS改性沥青的车辙因子随着LDH掺量的增大而增大，表明掺入LDH能够提高SBS改性沥青的抗车辙性能，LDH掺量越大，沥青抗车辙性能越好增大，这主要与LDH的硬化效应有关.

2.2.2LDH掺量对沥青中温疲劳性能的影响

疲劳因子(G*sinδ)能够用于评价沥青胶结料的抗疲劳性能，疲劳因子小则表明沥青胶结料抗疲劳性能好，反之沥青胶结料抗疲劳性能差[8].为了保证沥青胶结料具有良好的抗疲劳性能，文献[9]规定疲劳因子应不大于5.0 MPa.沥青混合料的疲劳开裂一般起始或发展于低温和中等温度范围，根据图2中SBS改性沥青疲劳因子的试验结果，原样沥青的PG高温等级为82 ℃，根据文献[9]对应的中等温度范围为28～40 ℃.不同LDH掺量SBS改性沥青的疲劳因子见图3.随着LDH掺量的增大，SBS改性沥青疲劳因子增大，沥青胶结料抗疲劳性能减弱，表明LDH会导致沥青抗疲劳性能变差，且随着LDH掺量的增大沥青抗疲劳性能的衰减幅度增大.

图3 LDH对SBS改性沥青抗疲劳性能的影响

2.2.3LDH掺量对沥青低温流变性能的影响

采用BBR测试LDH对SBS改性沥青低温条件下流变性能的影响，评价指标为沥青的蠕变至60 s时的蠕变劲度(S)和劲度变化速率(m值)，为了保证沥青胶结料具有良好的低温抗开裂性能，文献[9]规定蠕变劲度应不大于300 MPa，m值应大于0.300.

添加和未添加LDH的SBS改性沥青的蠕变劲度见图4a).添加和未添加LDH的SBS改性沥青m值见图4b).

图4 LDH对SBS改性沥青S、m值的影响

S与m值的变化趋势表明，7%掺量LDH将会使得SBS改性沥青的PG低温等级降低两个等级，4%，5%和6%掺量LDH会使得SBS改性沥青的PG低温等级降低一个等级，当LDH掺量小于4%时，LDH不会引起SBS改性沥青的PG低温等级的降低.为保证沥青低温性能降幅不至过大，LDH掺量应不大于4%.

2.3 LDH掺量对沥青抗老化性能的影响

2.3.1沥青老化试验

沥青的短期热氧老化试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的方法(TFOT)进行.随后对经过短期热氧老化的沥青进行紫外老化试验，紫外老化试验参数：沥青紫外老化盘直径为140 mm，试样质量为(20±0.1) g.紫外光辐照度为2 000 μW/m2，紫外光主波长为365 nm，紫外老化时间为14 d，试验温度50±0.5 ℃.

2.3.2老化前后特征官能团

沥青老化后会产生一些高极性的分子，随着老化程度的加重，沥青的羰基(1 700 cm-1)含量增大.而文献[10]研究表明，在老化过程中SBS改性沥青中的SBS同样会被老化降解，使得SBS改性沥青的路用性能降低.基于红外光谱测试沥青老化前后的化学结构，采用羰基指数(IC=O)和SBS指数(ISBS)评价LDH对沥青抗老化性能的影响，IC=O和ISBS的计算件式(1)～(2).

(1)

(2)

式中：IC=O和ISBS分别为羰基指数和SBS指数；S1 700 cm-1和S966 cm-1分别波数为1 700 cm-1和966 cm-1羰基和SBS吸收谱带面积；S2 000～600 cm-1为波数为2 000～600 cm-1所有吸收谱带的面积.

老化前后SBS改性沥青的IC=O和ISBS试验结果分别见图5.由图5可知，TFOT和UV老化后SBS改性沥青的IC=O增大、ISBS减小.由图6a)可知，老化后，添加2% LDH的沥青的IC=O同未添加LDH的沥青基本相等，甚至高于未添加LDH的沥青，表明2% LDH不能有效提高SBS改性沥青的抗老化性能；而添加3%的LDH使得老化后沥青的IC=O显著降低，且其紫外老化后的降低效果较热氧老化更为显著.因此，LDH能够提高SBS改性沥青的抗热氧老化性能和紫外老化性能.但是当LDH掺量高于3%后，随着LDH掺量的增大老化后IC=O基本不变，老化后6%和7%LDH掺量SBS改性沥青的IC=O甚至增大.

图5 老化前和老化后SBS改性沥青的SBS指数(ISBS)

由图5b)可知，老化前随着LDH掺量的增大，SBS改性沥青的ISBS表现出增大趋势，可能是由于LDH改性沥青制备阶段(170 ℃，40 min)老化程度不一所致，且添加LDH后沥青的老化程度降低.TFOT和UV老化后，添加LDH的SBS改性沥青的ISBS降低幅度减小，表明添加LDH后SBS改性沥青老化程度降低，LDH能够提高SSB改性沥青的抗老化性能.当LDH掺量为2%和3%时，LDH对SBS改性沥青抗老化性能的提高不显著，老化后ISBS仅小幅增大.当LDH掺量增大至4%或更高时，LDH的对SBS改性沥青抗老化性能的改性效果显著提高；但需要注意的是，当LDH掺量大于4%后，随着LDH掺量的增大老化后ISBS基本不变.因此，考虑改性效果和经济性，推荐LDH的最佳掺量为4%.

2.3.3老化前后粘度老化指数

粘度老化指数能够评价沥青的抗老化性能，粘度老化指数大表明沥青抗老化性能差，反之沥青抗老化性能好.TFOT和UV老化后沥青的粘度老化指数分别依据式(3)～(4)计算.SBS改性沥青TFOT和UV老化后沥青的粘度老化指数试验结果见表4.

VAITFOT=(VTFOT-Vvirgin)/Vvirgin×100% (3)

VAIUV=(VUV-Vvirgin)/Vvirgin×100%

(4)

式中：VAITFOT和VAIUV分别为TFOT和UV老化后沥青的粘度老化指数，%；Vvirgin、VTFOT和VUV分别为老化前、TFOT老化后和UV老化后沥青的粘度，Pa·s.

由表4可知，相比于未添加LDH的SBS改性沥青，添加LDH后，TFOT和UV老化后SBS改性的粘度增大幅度减小，表明LDH能够提SBS改性沥青的抗热氧和紫外老化性能，且随着LDH掺量的提高，改性效果更加显著.2%掺量的LDH仅能小幅(小于2%)提高SBS改性沥青的抗老化性能；当LDH掺量为3%时，改善效果更加显著；但当LDH剂量高于5%时，LDH掺量的提高对SBS改性沥青抗老化性能的改善效果不大.只考虑VAI的变化趋势的情况下，3%、4%和5%剂量可以表示为一个相对合适的LDH掺量.

表4 TFOT和UV老化后沥青的粘度老化指数试验结果

3 结 论

1) 添加LDH后，SBS改性沥青的针入度、延度降低，软化点和粘度增大，复核模量增大，相位角减小，沥青的抗车辙性能提高；蠕变劲度增大，蠕变劲度变化速率减小，沥青的低温性能降低；当LDHs掺量小于4%时，则不会引起沥青PG低温等级的降低.

2) TFOT和UV老化后，SBS改性沥青的IC=O增大、ISBS减小、粘度增大；添加LDH后，老化SBS改性沥青的IC=O和粘度的增大幅度减小、ISBS的减小幅度减小，表明LDH能够提高SBS改性沥青的抗热氧老化和紫外老化性能，且LDH掺量越大，其改性效果越显著.

3) 综合LDH掺量对SBS改性沥青技术性能及抗老化效果的影响，推荐LDH的最佳掺量为4%.

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Research on the Influence of Mg-Al-LDH on Anti-aging Performance of SBS Modified Asphalt

CUIShuhuaYUJianyingLIYuanyuanLIUQuantao

(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

The dynamic shear rheometer (DSR) and bending beam rheometer (BBR) were used to evaluate the influence of LDH with different dosages on the high temperature performance, fatigue resistance and low temperature performance of SBS modified asphalt. In order to study the LDH effect on anti-heat oxygen and light oxygen aging of SBS modified asphalt, the short-term hot oxygen aging and ultraviolet aging tests with Fourier infrared spectrometer and Brookfield viscometer were carried out to test the typical functional groups and viscosity before and after the TFOT and UV aging respectively. The results show that after adding LDH, the composite modulus increases and the anti-rutting performance improves, while the phase angle decreases. Meanwhile, the creep stiffness increases, but the stiffness changing rate will decrease and the low temperature performance will reduce. When the LDH content is lower than 4%, the influence of LDH on the low temperature performance of SBS modified asphalt is controlled within one PG grade. After aging, LDH can decrease theIC=Oand viscosity of SBS modified asphalt, while increase theISBS, which implies that LDH can improve the thermal oxide and UV aging resistance of SBS modified asphalt. The higher the LDH content, the better the modified effect is. Considering the effect of LDH on the Engineering properties and anti-aging performance of SBS modified asphalt, the optimal LDH content of 4% is recommended.

Mg-Al-LDH; SBS modified asphalt; aging resistance; optimum dosage of LDH

TU414

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.033

2017-07-06

崔树华(1976—)：男，硕士生，工程师，主要研究领域为沥青路面材料

*国家重大科学研究计划(2014CB932104)、国家重大科学仪器设备开发专项项目(2013YQ160501)资助