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Material Sciences
Vol. 12  No. 11 ( 2022 ), Article ID: 58431 , 8 pages
10.12677/MS.2022.1211139

紫外光吸收剂插层蒙脱土改性沥青的流变性能

许军1，李永东1，孙思敖2，王壮2，冯振刚2

1山西省公路局，山西 太原

2长安大学公路学院，陕西 西安

收稿日期：2022年10月21日；录用日期：2022年11月20日；发布日期：2022年11月28日

摘要

本文通过对钠基蒙脱土(Na-MMT)进行处理得到有机蒙脱土(OMMT)；选用不同紫外光吸收剂(UV326、UV328、UV531和UV770)，采用插层复合的方法制备得到紫外光吸收剂插层有机蒙脱土(UVA/OMMT)；以UVA/OMMT为改性剂对沥青进行改性，并评价了UVA/OMMT改性沥青的动态剪切流变性能。结果表明，不同类型UVA/OMMT的加入均使沥青的复数剪切模量(G*)和车辙因子增大，而相位角(δ)减小。UVA/OMMT可显著提高沥青抵抗高温变形的能力。

关键词

沥青，有机蒙脱土，紫外光吸收剂，流变性能，插层改性

Rheological Properties of Ultraviolet Absorber Intercalated Montmorillonite Modified Asphalt

Jun Xu1, Yongdong Li1, Si’ao Sun2, Zhuang Wang2, Zhengang Feng2

1Highway Bureau of Shanxi Province, Taiyuan Shanxi

2School of Highway, Chang’an University, Xi’an Shaanxi

Received: Oct. 21st, 2022; accepted: Nov. 20th, 2022; published: Nov. 28th, 2022

ABSTRACT

The organic montmorillonite (OMMT) was prepared by intercalation of Na-montmorillonite (Na-MMT) and organic intercalator. Then the ultraviolet absorber (UVA) intercalated organic montmorillonite (UVA/OMMT) was designed with different UVAs (UV326, UV328, UV531 and UV770) and OMMT. The UVA/OMMT modified asphalt was then prepared via melt blending. The rheological properties of different UVA/OMMT modified asphalt were studied by the dynamic shear rheometer (DSR). Results show that the complex shear modulus and the rutting factor of asphalt were increased, while the phase angle was decreased with the addition of UVA/OMMT. The high temperature stability of asphalt was improved by adding different types of UVA/OMMT.

Keywords:Asphalt, Organic Montmorillonite, Ultraviolet Absorber, Rheological Properties, Intercalated Modification

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

作为沥青混合料的结合料，沥青的流变性能与路面的使用性能关系密切 [1] [2]。在沥青路面施工与服役过程中，沥青会发生不可逆的热氧与光氧老化，老化沥青的性能劣化，进而会导致沥青路面出现裂缝、剥落和坑槽等一系列病害，缩短沥青路面的使用年限 [3] [4] [5]。

紫外光吸收剂(UVA)是一种性能优越的有机抗光氧老化剂，与沥青混合具有良好的相容性，加入沥青等材料中可以赋予被改性材料良好的抗光氧老化性能 [6] [7] [8]。然而，UVA在受热时稳定性不佳，容易分解失效，甚至会起到加速沥青老化的负面作用 [6] [9]。有机蒙脱土(OMMT)是一种有机化改性的片层材料，可改善沥青的抗热氧老化性能，但OMMT的加入会导致沥青的低温性能(如延度等)下降 [10] [11] [12] [13]。同时，OMMT的片层结构对于热和氧具有较好的阻隔能力，耐热性优越。当有机改性剂插层进入OMMT层间后，可以有效提高其热稳定性 [14] [15]。研究表明，结合UVA和OMMT的各自优势，设计UVA插层OMMT(UVA/OMMT)材料，不仅能够有效改善沥青的耐老化性能，还能提高沥青的部分流变性能 [16]。沥青作为一种粘弹性材料，其粘弹特性与流变性能对于沥青路面的使用性能具有至关重要的影响，因此研究UVA/OMMT对沥青流变特性的影响对于其工程应用具有重要的实际意义。

本文通过对钠基蒙脱土(Na-MMT)进行处理得到有机蒙脱土(OMMT)；选用不同紫外光吸收剂(UV326、UV328、UV531和UV770)，采用插层复合的方法制备得到紫外光吸收剂插层有机蒙脱土(UVA/OMMT)；以UVA/OMMT为改性剂对沥青进行改性，并通过动态剪切流变仪(DSR)评价了UVA/OMMT改性沥青的动态剪切流变性能。

2. 试验部分

2.1. 原材料

基质沥青：壳牌90#沥青，物理性能如表1所示。

Table 1. Physical properties of the Shell 90# asphalt

表1. 壳牌90#沥青的物理性能

蒙脱土：Na-MMT，物理性能如表2所示。

Table 2. Physical properties of the Na-MMT

表2. Na-MMT的物理性能

有机化插层剂：十八烷基二甲基苄基氯化铵，物理性能如表3所示。

Table 3. The properties of the octadecyl benzyl dimethyl ammonium chloride

表3. 十八烷基二甲基苄基氯化铵的性能

紫外光吸收剂：UV326、UV328、UV531、UV770，物理性能如表4所示。

Table 4. Physical properties of the four UVAs

表4. 4种UVA的物理性能

2.2. UVA插层OMMT的制备

将Na-MMT与蒸馏水混合后在室温下搅拌1 h，搅拌速度为1200 r/min；随后将有机插层剂加入Na-MMT悬浮液中，并继续搅拌2 h；然后将UVA加至该悬浮液中，继续反应2 h，温度控制在80℃；自然冷却至室温后反复洗涤沉淀物，并在105℃下干燥至恒重，再研磨制成UVA/OMMT粉末。

2.3. UVA/OMMT改性沥青的制备

首先将基质沥青加热至150℃，将占沥青质量分数3%的改性剂分别加入沥青中，在150℃、1800 r/min的条件下高速剪切0.5 h制得OMMT改性沥青和UVA/OMMT改性沥青。基质沥青也同样处理，便于与UVA/OMMT改性沥青进行比较。

2.4. 动态剪切流变(DSR)试验

采用动态剪切流变仪对UVA/OMMT改性沥青进行温度扫描试验(控制应变模式下进行)，扫描频率定为10 rad/s，温度扫描区间为5℃~60℃，升温速率为2℃/min。

3. 结果与讨论

3.1. 不同类型UVA/OMMT对沥青复数模量(G*)的影响

UVA/OMMT对沥青复数模量(G*)的影响见图1。从图1可以看出，在5℃~60℃范围内，OMMT改性沥青和UVA/OMMT改性沥青的G*曲线与基质沥青的G*曲线变化规律基本一致，即温度升高，复数模量不断减小。在5℃~25℃时，所有沥青试样的G*减小速度较快；随着温度升高至25℃~60℃，G*减小速度趋于平缓。归其原因为：温度较低时，沥青弹性特征显著，而黏性流动能力较弱；温度升高，热能转化为沥青分子的动能，沥青的黏性流动能力增强，黏弹特性变化显著，复数模量变化显著；当沥青的黏弹特征达到某一状态时，沥青的黏弹成分比例趋于平衡，复数模量变化幅度减缓。

对比不同沥青的复数模量发现，基质沥青的复数模量值最小，OMMT改性沥青的复数模量最大，不同类型UVA/OMMT改性沥青的G*较为接近且相互之间有所交叉。不同沥青的G*规律如下：G*OMMT > G*UV531/OMMT > G*UV328/OMMT > G*UV326/OMMT > G*UV770/OMMT > G*基质沥青，表明沥青的复数模量由于UVA/OMMT的加入有所增大，沥青的抗变形能力有所提高，但是UVA/OMMT对沥青抗变形能力的改善作用弱于OMMT。

3.2. 不同类型的UVA/OMMT对沥青相位角(δ)的影响

图2为不同类型UVA/OMMT对沥青相位角(δ)的影响。从图2可以看出，所有沥青试样的相位角均随温度的升高而不断增大。不同改性沥青的相位角表现出明显区别，基质沥青的相位角最大，其次分别为不同类型的UVA/OMMT改性沥青，OMMT改性沥青的相位角最小。沥青的δ越小，表明沥青的弹性

Figure 1. The G* of different UVA/OMMT modified asphalt

图1. 不同类型UVA/OMMT改性沥青的G*

Figure 2. The δ of different UVA/OMMT modified asphalt

图2. 不同类型UVA/OMMT改性沥青的δ

效应越显著而黏性效应较弱。沥青的弹性效应由于OMMT和UVA/OMMT的加入而增强，而粘性特征下降。4种不同的UVA/OMMT相比，UV531/OMMT改性沥青的弹性效应最为明显，其次为UV328/OMMT改性沥青或UV326/OMMT改性沥青，UV770/OMMT改性沥青的弹性效应相对较弱。

3.3. 不同类型UVA/OMMT对沥青车辙因子的影响

沥青在高温条件下抵抗永久变形的能力可通过车辙因子(G*/sinδ)评价。车辙因子大意味着沥青的高温抗变形能力较强。UVA/OMMT对沥青高温条件(45℃~60℃)下车辙因子的影响见图3。由图3可知，随着温度的升高，所有试样的G*/sinδ均不断减小，表明所有沥青试样的高温抗变形能力均随温度升高而逐渐降低。与基质沥青相比，改性沥青的G*/sinδ均有所增大，表明OMMT和UVA/OMMT均可改善沥青的高温抗变形能力。与OMMT相比，不同UVA/OMMT对沥青高温性能的改善效果相对略弱。

Figure 3. The rutting factor of different UVA/OMMT modified asphalt

图3. 不同类型UVA/OMMT改性沥青的车辙因子

3.4. 不同类型UVA/OMMT对沥青疲劳因子的影响

沥青的低温抗开裂能力可通过疲劳因子(G*∙sinδ)评价。疲劳因子越小，意味着沥青的低温抗开裂能力越强。UVA/OMMT对沥青低温条件(5℃~15℃)下疲劳因子的影响见图4。与基质沥青相比，所有改性

Figure 4. The fatigue factor of different UVA/OMMT modified asphalt

图4. 不同类型UVA/OMMT改性沥青的疲劳因子

沥青的疲劳因子均有所增大，即OMMT和UVA/OMMT对沥青的低温抗开裂性能具有一定的负面影响，会降低沥青的低温抗开裂能力。UVA/OMMT改性沥青的疲劳因子相比于OMMT改性沥青较小，表明UVA/OMMT改性沥青的低温抗开裂性能优于OMMT改性沥青。

4. 结论

1) UVA/OMMT增大了沥青的复数剪切模量和车辙因子，使得沥青的抗高温变形能力提高。

2) UVA/OMMT降低了沥青的相位角，改性沥青的弹性效应增强，而粘性特征下降。

3) 与OMMT改性沥青相比，不同类型UVA/OMMT改性沥青的疲劳因子较小，表明UVA/OMMT改性沥青的低温抗开裂性能优于OMMT改性沥青。

4) 4种不同的UVA/OMMT相比，UV531/OMMT改性沥青的弹性效应最为明显，其次为UV328/OMMT改性沥青或UV326/OMMT改性沥青，UV770/OMMT改性沥青的弹性效应相对较弱。

基金项目

山西省交通运输厅科技项目(2019-1-2)。

文章引用

许 军,李永东,孙思敖,王 壮,冯振刚. 紫外光吸收剂插层蒙脱土改性沥青的流变性能
Rheological Properties of Ultraviolet Absorber Intercalated Montmorillonite Modified Asphalt[J]. 材料科学, 2022, 12(11): 1251-1258. https://doi.org/10.12677/MS.2022.1211139

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