研究橡胶粉和表面有机层状双氢氧化物改性沥青的性能

《Gels》：Investigating the Performance of Asphalt Modified with Rubber Powder and Surface Organic Layered Double Hydroxides

　　

为了促进道路工程的可持续发展，研究人员采用废旧轮胎橡胶粉（RP）和表面有机层状双氢氧化物（SOM-LDHs）对70#基质沥青进行改性。采用三因素（橡胶粉掺量、表面有机层状双氢氧化物掺量、剪切温度）和三响应（针入度、延度、软化点）的Box–Behnken设计响应面法优化制备参数。确定最佳配方为：橡胶粉掺量21.7%，表面有机层状双氢氧化物掺量4.8%，剪切温度160 °C。通过旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）和紫外老化试验分析了改性剂对表面形貌的影响。采用动态剪切流变仪（DSR）、弯曲梁流变仪（BBR）和多应力蠕变恢复试验（MSCR）评价了沥青的高低温流变性能。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察了微观结构。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和凝胶渗透色谱（GPC）研究了老化机理。结果表明，老化后，橡胶粉/表面有机层状双氢氧化物复合改性沥青的复数剪切模量（G*）最高，比基质沥青提高27.35%。在46 °C时车辙因子（G*/sinδ）达到79.86 kPa，紫外老化后相位角（δ）降低11.83%，高温抗塑性变形能力最佳。在-18 °C至-24 °C的低温范围内，复合改性沥青的蠕变刚度（S）比基质沥青低约30%，而m值提高约15%，低温应力松弛性能显著改善。在3.2 kPa应力下，复合改性沥青的应变恢复率（R）达到78.5%，不可恢复蠕变柔量（J_nr）低至0.18 kPa^-1，优于基质沥青和单一橡胶粉改性沥青。

**论文解读：橡胶粉与表面有机层状双氢氧化物复合改性沥青的性能研究**

**研究背景与问题**

传统沥青路面材料在高温下易软化变形，导致车辙病害；在长期紫外辐射和氧化作用下，易发生老化开裂，严重影响道路使用寿命。随着全球对环境保护和可持续发展的日益关注，开发兼具优异路用性能和耐久耐候性的改性沥青成为研究热点。橡胶粉（RP）作为废旧轮胎资源化利用的改性剂，可增强沥青的抗永久变形能力和韧性；层状双氢氧化物（LDHs，一种具有层状结构的无机材料）经表面有机化改性后（SOM-LDHs），具有优异的紫外屏蔽性能，能显著提升沥青的抗老化能力。然而，现有研究多聚焦于单一改性剂或宏观性能指标（如软化点增量、残留针入度比等），对RP与SOM-LDHs复合改性沥青的协同作用机制、微观结构演变及流变性能的系统研究尚不充分。基于此，研究人员开展本研究，旨在通过优化制备参数，系统评估RP/SOM-LDHs复合改性沥青的宏观性能、微观结构及老化机理，为开发高性能、长寿命沥青路面材料提供理论支撑。

**研究内容与意义**

研究人员利用Box–Behnken响应面法（BBD）优化了RP掺量、SOM-LDHs掺量和剪切温度三个参数，以针入度、延度和软化点为响应指标，确定了最佳制备方案。在此基础上，通过旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）和紫外加速老化试验模拟热氧老化和光氧老化，采用动态剪切流变仪（DSR）、弯曲梁流变仪（BBR）和多应力蠕变恢复试验（MSCR）评价高低温流变性能，借助扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察微观形貌，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和凝胶渗透色谱（GPC）分析老化机理。研究成功开发了RP/SOM-LDHs复合改性沥青，其高温抗变形能力、低温抗裂性能和抗紫外老化能力均显著优于基质沥青和单一RP改性沥青，为道路工程中高性能复合改性沥青的设计与应用提供了创新思路。该论文发表在《Gels》。

**主要技术方法**

本研究采用Box–Behnken响应面法（BBD）设计实验方案，通过Design-Expert软件优化制备参数。利用旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）模拟热氧老化，紫外加速老化试验（UVA）模拟光氧老化。采用动态剪切流变仪（DSR）进行温度扫描（46–82 °C）和频率扫描（40–88 °C），弯曲梁流变仪（BBR）在-12 °C至-24 °C进行低温蠕变测试，多应力蠕变恢复试验（MSCR）在64 °C下施加0.1 kPa和3.2 kPa应力。微观表征通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察形貌，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学官能团变化，凝胶渗透色谱（GPC）测定分子量分布。所有原材料（70#基质沥青、RP、SOM-LDHs）均来自商业供应商，未涉及特定样本队列。

**研究结果**

**2.1. 配方优化与基本性能**
通过BBD响应面法建立针入度、延度、软化点与RP掺量、SOM-LDHs掺量、剪切温度之间的回归模型，经方差分析确定各因素显著性。优化得到最佳制备参数：RP掺量21.7%，SOM-LDHs掺量4.8%，剪切温度160 °C。验证实验表明，实测值与模型预测值偏差小于4%，模型准确性高。与70#基质沥青相比，复合改性沥青延度大幅提升，针入度略有下降，软化点适度增加，表明RP和SOM-LDHs有效优化了沥青的路用性能。

**2.2. 宏观性能与老化流变行为分析**
**2.2.1. 旋转薄膜烘箱试验结果**
RTFOT老化后，复合改性沥青的质量损失率降低，残留针入度比升高，黏度比下降，表明RP与SOM-LDHs协同抑制了热氧老化速率，赋予沥青优异的抗老化性能。

**2.2.2. 紫外加速老化试验结果**
紫外老化345.6 h后，基质沥青表面出现明显裂纹和颜色加深；RP改性沥青裂纹密度增加；而复合改性沥青裂纹分布更均匀、宽度更窄，SOM-LDHs有效抑制了紫外辐射对沥青表面的损伤。

**2.2.3. 动态剪切流变试验结果**
温度扫描显示，复合改性沥青的复数剪切模量（G*）在相同温度下显著高于基质沥青和RP改性沥青，RTFOT老化后G*提升27.35%。紫外老化后，复合改性沥青的相位角（δ）降低11.83%，车辙因子（G*/sinδ）在46 °C时达79.86 kPa，高温抗变形能力最优。频率扫描主曲线表明，在高温低频区，复合改性沥青的G*最大，结构稳定性增强。

**2.2.4. 低温弯曲流变试验结果**
在-18 °C至-24 °C范围内，复合改性沥青的蠕变刚度（S）较基质沥青降低约30%，m值提高约15%，低温应力松弛性能显著改善。老化后，复合改性沥青的S值仍低于基质沥青，表明RP和SOM-LDHs的改性效果在老化后保持稳定。

**2.2.5. 多应力蠕变恢复试验结果**
在64 °C条件下，基质沥青在0.1 kPa和3.2 kPa应力下应变恢复能力极差，不可恢复应变大。RP改性沥青的弹性恢复性能增强，而复合改性沥青的应变恢复率（R）在3.2 kPa下达到78.5%，不可恢复蠕变柔量（J_nr）低至0.18 kPa^-1，表明其高温抗永久变形能力最优。

**2.3. 微观机理分析**
**2.3.1. 复合改性沥青的微观形貌分析**
SEM图像显示，SOM-LDHs纳米颗粒均匀分散在橡胶粉粗糙表面，作为物理交联节点连接橡胶相和沥青基体。AFM观察表明，基质沥青呈现典型的“蜂状结构”；RP改性后蜂状结构减少，表面粗糙度降低；复合改性沥青的粗糙度进一步下降，较基质沥青降低60.42%，说明SOM-LDHs填充了内部空隙，使分子排列更有序。

**2.3.2. 复合改性沥青的老化机理分析**
FTIR分析表明，RP与基质沥青仅发生物理混合，无新化学键生成。老化后，复合改性沥青的羰基指数（I_C=O）和亚砜指数（I_S=O）变化率最低（分别为3.71201和0.45314），说明SOM-LDHs的层状结构有效屏蔽了紫外光并阻碍氧气渗透。GPC测试显示，老化后三种沥青的重均分子量（M_w）均增加，但复合改性沥青的M_w增长速率最低（仅19.27%），分子量分布指数（PDI）最宽，有利于高温稳定性。

**总结讨论与结论翻译**

**总结讨论**
本研究通过系统优化和性能评价，证实了RP与SOM-LDHs的协同改性作用：橡胶粉形成的弹性凝胶相与SOM-LDHs提供的物理交联节点共同构建了层次化的溶胶-凝胶网络，显著改善了沥青的高温抗变形、低温抗裂和抗紫外老化性能。微观表征揭示了SOM-LDHs在橡胶粉表面的均匀分散及其对沥青内部结构的致密化作用，FTIR和GPC结果从化学和分子层面验证了其抗老化机理。研究为从溶胶-凝胶化学角度设计高性能耐久沥青材料提供了新见解。

**研究结论翻译**
（1）通过BBD响应面法确定RP/SOM-LDHs复合改性沥青的最佳制备方案：RP掺量21.7%，SOM-LDHs掺量4.8%，剪切温度160 °C。
（2）与基质沥青相比，复合改性沥青的高温性能显著提升：RTFOT和UV老化后，复数剪切模量G*提高27.35%，在46 °C下车辙因子G*/sinδ达79.86 kPa，UV老化后相位角δ降低11.83%，抗永久变形能力优异。
（3）在-18 °C至-24 °C低温范围内，复合改性沥青的蠕变刚度S降低约30%，m值提高约15%；在3.2 kPa应力下应变恢复率R为78.5%，不可恢复蠕变柔量J_nr低至0.18 kPa^-1，表明RP和SOM-LDHs显著改善了低温抗裂性和弹性恢复能力。
（4）微观结构表征显示，SOM-LDHs纳米颗粒均匀分散在橡胶粉表面并作为物理交联节点；复合改性沥青的表面粗糙度较基质沥青降低60.42%；老化指数I_C=O和I_S=O变化率最低（分别为3.71201和0.45314），M_w增长速率仅19.27%，证实了SOM-LDHs层状结构赋予的优异抗老化性能。