OMMT/SBS改性沥青的改性机制及其高温流变性能研究

《Frontiers in Materials》：Study of the modification mechanism and high-temperature rheological properties of OMMT/SBS-modified asphalt

本研究系统性探究两种有机蒙脱土（OMMT-F和OMMT-C）对SBS改性沥青物理及高温性能的影响，揭示其微观改性机制。通过物理测试、DSR分析、荧光显微（FM）及FTIR表征发现，OMMT-F在5%含量时显著降低渗透率与延展性，提升软化点及高温抗变形能力，其纳米片层更易形成三维网络结构，抑制沥青质聚集，并通过FTIR证实存在硅氧键等新特征峰，证实改性以物理作用为主。

　　该研究通过系统分析两种有机蒙脱石（OMMT-F和OMMT-C）对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性沥青的物理性能和高温性能的影响，揭示了其微观改性机制。通过结合物理测试、动态剪切流变仪（DSR）分析、荧光显微镜（FM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和原子力显微镜（AFM）等多种测试手段，研究发现虽然OMMT含量低于3%时对沥青的柔性影响不大，但当OMMT-F含量为5%时，其对沥青针入度和延展性的削弱作用比OMMT-C更为显著。两种类型的OMMT均能提升沥青的高温性能，具体表现为软化点和车辙因子的增加，FM显示OMMT促进了沥青质的聚集，而AFM揭示了OMMT在沥青表面形成的强化蜂窝结构。FTIR分析确认这种改性过程主要是物理性的。这些结果提供了对OMMT类型的微观层面的全面比较，为优化SBS改性沥青提供了有价值的见解，并对路面工程的理论研究和实际应用具有重要意义。

研究背景指出，随着中国高速公路的快速发展和交通流量的大幅增加，对道路材料的耐久性、性能和环境友好性提出了更高的要求。传统聚合物改性沥青，如SBS、SBR和橡胶沥青，因其在高温和低温性能、防水性和抗疲劳性等方面表现出色，被广泛采用并取得了显著的实际应用效果。然而，仍然存在一些技术难题，如复杂的改性工艺和与沥青基料的兼容性不足。近年来，纳米材料因其微小的粒径（1纳米至100纳米）、较大的比表面积以及良好的与沥青的兼容性，成为沥青改性的重要研究对象。在这些纳米材料中，蒙脱石（MMT）因其层状硅酸盐结构而备受关注，其粒径通常在200纳米至400纳米之间。纳米蒙脱石在与沥青基料混合时，可能形成插层或剥离结构，从而改善沥青的性能。已有研究表明，添加适量的有机蒙脱石（OMMT）可显著提升沥青的车辙抗性、疲劳抗性、老化抗性和储存稳定性。此外，有机蒙脱石能够通过吸收特定的紫外线能量，防止沥青分子键断裂，从而增强其抗紫外线老化能力。该研究进一步探讨了OMMT在沥青改性中的作用机制，并结合多种测试手段对改性效果进行了深入分析。

在实验方法部分，研究选择了两种粒径不同的纳米粘土（OMMT-C和OMMT-F）作为改性剂，与SBS改性沥青进行混合，制备了不同含量的OMMT/SBS改性沥青。根据现有研究，纳米粘土在改性沥青中的含量通常不超过7%。因此，为了考察纳米粘土改性剂含量对沥青性能的影响，研究选取了1%、3%、5%和7%的OMMT含量进行实验。制备过程遵循特定的流程，包括将OMMT在105°C下烘干，随后将其与加热至180°C的SBS改性沥青混合，并通过机械搅拌使其均匀分散。测试方法包括传统的性能测试（如针入度、软化点和延展性测试）、温度扫描测试、FTIR测试以及AFM测试。这些测试方法有助于全面评估OMMT对沥青性能的影响，并揭示其微观结构变化。

研究结果表明，随着OMMT含量的增加，改性沥青的针入度和延展性均呈现下降趋势，而软化点则逐步上升。值得注意的是，OMMT-F对改性沥青性能的影响显著大于OMMT-C。在OMMT含量低于3%时，两种改性剂对沥青性能的影响相似；然而，当含量超过3%时，OMMT-F改性沥青的针入度迅速下降，5%时针入度已低于40毫米。延展性测试也显示了类似的趋势，随着OMMT含量的增加，延展性显著降低，且OMMT-F的影响更为明显。这可能是由于OMMT-F粒径更小，更容易在沥青中形成聚集，从而对沥青的性能产生更大的影响。为了进一步分析这一现象，研究利用荧光显微镜对OMMT-C改性沥青的微观结构进行了观察，结果显示，添加1%的OMMT可使SBS改性剂颗粒尺寸减小，促进其颗粒间的交联，形成有效的三维网络结构，从而提升沥青的宏观性能。而当OMMT含量增加至5%时，SBS颗粒尺寸增大并出现明显聚集，导致沥青性能下降。

研究还通过动态剪切流变仪（DSR）测试了不同OMMT含量对改性沥青高温稳定性的影响。结果显示，随着OMMT含量的增加，沥青的车辙因子（G*/sinδ）显著上升，表明OMMT改性沥青的高温变形抗性增强，从而改善其车辙性能。此外，OMMT-F对高温流变性能的提升效果优于OMMT-C，这可能与其更小的粒径有关，因为较小的粒径更有利于在沥青中均匀分布并形成稳定的三维网络结构。通过FTIR分析，研究进一步揭示了OMMT改性沥青中主要特征峰和功能基团的变化。OMMT的引入使得沥青的FTIR图谱中出现了新的吸收峰，如1090 cm?1、1030 cm?1、520 cm?1和460 cm?1。这些吸收峰的强度随着OMMT含量的增加而逐渐增强，表明OMMT在沥青中的分布和相互作用逐渐加深。通过计算功能基团指数，研究建立了OMMT含量与特征峰强度之间的定量关系，为OMMT改性沥青的含量检测提供了可靠的技术手段。

AFM测试结果显示，OMMT改性沥青的表面形貌发生了显著变化。OMMT的引入显著改变了沥青的微观结构，使其呈现出不同的形态特征。例如，OMMT-C改性沥青的表面呈现出较为明显的蜂窝结构，而OMMT-F改性沥青则更接近单相结构，表明其与沥青的兼容性更好。研究进一步通过统计分析，对不同改性沥青中特征区域的高度进行了定量评估。结果表明，随着OMMT含量的增加，沥青的表面粗糙度和形态波动性也随之增加，这与OMMT在沥青中的插层或剥离结构有关。OMMT不仅有助于沥青质的均匀分布，还通过改变沥青的微观结构，提升了其整体的稳定性和力学性能。

综上所述，OMMT的引入对SBS改性沥青的物理性能和高温性能均产生了显著影响。研究发现，OMMT含量在1%至3%之间时，能够有效提升沥青的高温稳定性，同时保持其良好的延展性和柔韧性。然而，当OMMT含量超过3%时，SBS颗粒的聚集现象加剧，导致沥青性能下降。FTIR分析表明，OMMT在沥青中的存在可以通过特征峰的变化进行识别，且其含量与功能基团指数之间存在良好的线性关系，为OMMT改性沥青的定量分析提供了依据。AFM测试则揭示了OMMT对沥青表面微观结构的显著影响，通过形成蜂窝结构或单相结构，增强了沥青的稳定性。这些发现不仅有助于理解OMMT改性沥青的微观机制，也为沥青材料的优化和实际应用提供了理论支持和实践指导。未来的研究应进一步探讨OMMT改性沥青的长期老化行为，并寻找有效的方法以减少高含量OMMT对沥青性能的负面影响。