1. 引言
与传统的水泥路面相比，沥青路面在实际应用中具有良好的抗滑性能和平整度，具备较强的柔韧性和良好的抗疲劳性能，易于维护和修补。然而，沥青在服役过程中极易受紫外线、温度、氧气等环境因素的影响，发生裂缝、坑槽、车辙、松散、表面破损等问题。以上问题不仅对行车安全和交通运输造成影响，还严重降低了沥青路面的使用寿命，每年需投入大量资金进行养护维修。因此，本研究旨在提高沥青的高温性能和抗紫外老化能力，延长其服役寿命，对于促进公路建设的可持续发展具有重要意义。
橡胶粉用于改性基质沥青在道路建设上已有悠久历史，许多国家成功地将橡胶沥青应用于高等级公路。此外，橡胶沥青拥有良好的抗裂性和耐疲劳性，且高温性能也较为稳定，减少车辙和变形风险，橡胶沥青在全球范围内得到了越来越广泛的应用[1]。LDHs具有层间阴离子的记忆效应、可交换性以及层板组成和结构的可调变性，随着超分子化学发展以及插层纳米化合物越来越多的实际应用，赋予LDHs许多新功能，LDHs可作为紫外吸收剂，提高橡胶沥青的抗紫外线能力，延长其使用寿命。
国内许多研究者已开始在有机材料中引入LDHs，以提升其抗老化性能。例如，谢后钟等人[2]的研究表明，将LDHs与尼龙6 (PA6)复合后，材料的抗紫外线能力显著提升，有效延缓了材料的老化过程，进而延长了材料的使用寿命。汪婷等人[3]将LDHs添加到聚合物涂料中，制备了一种高耐久性能的纳米复合紫外屏蔽涂层。这种涂层不仅能有效阻挡紫外线，还具备出色的耐久性和稳定性，为聚合物材料提供了一种全新的紫外线防护解决方案。何边阳[4]研究表明，随着LDHs掺量的增大，软化点增量降低，LDHs/CR复合改性沥青的抗老化性能增强，改性沥青的高温性能和低温性能均得到很大改善，沥青储存稳定性提高，为本研究的开展奠定了试验基础。
本文在现有研究的基础上，向基质沥青中添加橡胶粉和表面有机化LDHs，制备出表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青，揭示表面有机化LDHs对橡胶粉改性沥青高温性能的影响规律。
2. 试验材料
2.1. 基质沥青
本文使用由郑州市政工程总公司(沥青铺装公司)提供的A级70#道路石油沥青，按照有关试验规程[5]对其常规指标进行测试，见表1。
Table 1. Matrix asphalt technical indicators
表1. 基质沥青技术指标
| 试验项目 |
试验结果 |
技术要求 |
试验方法 |
| 针入度(25℃, 100 g, 5 s)/(10−1 mm) |
67.5 |
60~80 |
T0640 |
| 软化点(环球法)/℃ |
49.5 |
≥ 45.0 |
T0606 |
| 延度(5 cm/min, 10℃)/cm |
17.8 |
≥ 15 |
T0605 |
2.2. 橡胶粉
本文选用40目废旧轮胎橡胶粉，由河北科旭建材有限公司提供，基本技术指标见表2。
Table 2. Technical index of rubber powder
表2. 橡胶粉技术指标
| 试验项目 |
相对密度 |
筛余物(%) |
灰分(%) |
金属含量(%) |
橡胶烃含量(%) |
| 试验结果 |
1.3 |
2.5 |
3.6 |
0.04 |
60 |
2.3. LDHs
本文选用天津津衡蓝海科技有限公司生产的镁铝型LDHs，外观呈白色粉末状，主要技术指标见表3。
Table 3. LDHs technical indicators
表3. LDHs技术指标
| 试验项目 |
镁铝比(MgO/Al2O3) |
干燥减量(105℃, 1 hr) % |
比表面积(BET法) m2/g |
平均二次粒径(μm) |
Na (XRF分析结果) ppm |
| 试验结果 |
4.21 |
0.38 |
10.1 |
0.44 |
150 |
3. 改性沥青的制备
3.1. 橡胶粉改性沥青的制备
首先，将称量好的基质沥青放入烘箱加热至170℃，使其具有较好的流动性，然后缓慢加入掺量为20%的橡胶粉，并充分溶胀2小时。溶胀完成后，通过高速剪切机以转速4000 r/min，在190℃恒温下持续剪切60 min，发育时间为45 min，使橡胶粉均匀分散在沥青中，从而制备出橡胶粉改性沥青。
3.2. 表面有机化LDHs的制备
将LDHs在110℃的烘箱中干燥6 h，以去除水分。称取100 g干燥后的LDHs，加入1000 ml的烧瓶中，并添加500 ml乙醇溶液，在50℃下快速搅拌30 min。在pH值为3~4的乙醇溶液中加入适量硅烷偶联剂KH550，将LDHs浆液与KH550水解溶液均匀混合，在50℃下快速搅拌反应3 h，然后将温度升至70℃，反应30 min。通过减压抽滤方式将得到的滤饼放入80℃干燥箱中干燥24 h。最后，将干燥后的物料破碎、研磨，并筛分至通过200目筛子(< 0.075 mm)，制得表面有机化LDHs。
3.3. 表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青的制备
首先将基质沥青加热至175℃，待基质沥青融化均匀时，然后向其中缓慢依次添加质量分数为20%的橡胶粉和质量分数为3%的表面有机化LDHs，使其充分溶胀2 h，然后通过高速剪切机持续剪切60 min，转速为4000 r/min，发育时间为45 min。
4. 试验结果分析
4.1. 三大指标测试
根据试验规程对三种不同类型的沥青进行常规性能的测试，测试结果见下表4。
Table 4. Basic performance indexes of matrix asphalt and composite modified asphalt
表4. 基质沥青和复合改性沥青的基本性能指标
| 试验项目 |
针入度(25℃, 100 g, 5 s)/(10−1 mm) |
延度(5 cm/min, 10℃)/cm |
软化点(环球法/℃) |
| 基质沥青 |
67.5 |
17.8 |
49.5 |
| 橡胶粉改性沥青 |
60.2 |
13.2 |
53.5 |
| 表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青 |
66.4 |
27.2 |
56.2 |
根据表4所示数据，可以得知表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青、橡胶粉改性沥青以及基质沥青的针入度分别为66.4 (0.1 mm)、60.2 (0.1 mm)、67.5 (0.1 mm)，加入橡胶粉后，改性沥青的针入度降低，加入表面有机化LDHs后，复合改性沥青针入度增加了10.3%，逐渐恢复至接近基质沥青的状态，这表明LDHs可以有效调节橡胶粉对沥青稠度的影响，改善其综合性能。
表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青的软化点为56.2℃、SBR改性沥青为53.5℃、基质沥青为49.5℃，复合改性沥青的软化点比橡胶粉单一改性沥青和基质沥青分别提高了5%、13.5%，橡胶粉的加入提高了沥青的软化点，增强了其高温稳定性，但提升幅度有限，可能是由于橡胶粉在沥青基质中的分散效果和相互作用不够充分。加入表面有机化LDHs后其高温稳定性显著提高，这可能是由于LDHs独特的层状结构和纳米尺寸效应，能够在沥青基质中形成更为均匀和稳定的网络结构，提升了沥青的高温性能。结果表明，加入表面有机化LDHs后，改性沥青的高温性能有了显著的提升，同时其高温延度也得到了一定程度的提升，但仍满足相应的要求。
综上所述，通过将橡胶粉和表面有机化LDHs加入到基质沥青中，可以有效地改善其耐高温性能。与橡胶粉相比，表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青的影响更为明显，说明将表面有机化LDHs加入到橡胶粉改性沥青中，可明显提高其耐高温性能。
4.2. 动态剪切流变试验
分别对基质沥青、橡胶粉改性沥青和表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青进行DSR试验，试验结果见图1~图3。
Figure 1. Complex shear modulus-temperature relationship diagram
图1. 复数剪切模量–温度关系图
从图1中可以看出，在相同的试验温度条件下，表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青的G*值大于橡胶粉改性沥青、基质沥青，说明表面有机化LDHs对橡胶粉改性沥青的高温性能有显著提升作用，LDHs的层状结构和高分散性能够在沥青基质中形成稳定的增强网络，显著提高其抗变形能力。这表明表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青与基质沥青相比具有较强的抵抗高温变形的能力。
Figure 2. Phase angle-temperature relationship diagram
图2. 相位角–温度关系图
从图2中可以得出，当温度为88℃时，与基质沥青相比，橡胶粉改性沥青、表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青的相位角分别小6.02˚、17.52˚。这表明在同一温度下，表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青具有更高的抗剪切性能。相位角δ值随着温度的上升大体呈线性增长，说明沥青逐渐从弹性转变为粘性，而且粘性组分越多，更易发生高温下的永久变形。由于加入了表面有机化LDHs/橡胶粉，其在高剪切作用下能够均匀地分散在沥青中，形成一种连续–分散的共混体系，提高了体系整体的刚性可降低其弹性模量，因此其相位角δ值也相对较小。
Figure 3. Rutting factor-temperature relationship diagram
图3. 车辙因子–温度关系图
根据图3的结果，随着温度的升高，车辙因子呈现下降趋势。以88℃为例，相较于基质沥青，橡胶粉改性沥青的车辙因子提高了0.61 kPa，表明橡胶粉提高了沥青抗车辙能力。而表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青的车辙因子提高了1.02 kPa，表明LDHs的加入进一步增强了沥青的抗车辙能力。LDHs经过硅烷偶联剂改性后，其分散性和相容性得到了显著提升，有效地抑制了颗粒间的团聚，增强了与沥青基质的相互作用，从而提高了沥青的结构稳定性和弹性效应。综合而言，复合改性沥青的车辙因子明显高于基质沥青和橡胶粉改性沥青，表明其在高温条件下的抗车辙性能显著增强，适用于高温和重载环境下的道路建设。LDHs和橡胶粉的协同作用显著提升了沥青的综合性能，为其提供了更强的高温稳定性和抗变形能力。
5. 结语
1) 与橡胶粉改性沥青和基质沥青相比，表面有机化LDHs/橡胶粉复合后改性沥青软化点显著提高，延度得到了一定提升，针入度较基质沥青稍有降低。表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青软化点分别比橡胶粉改性沥青和基质沥青提高了5%、13.5%。
2) 通过比较基质沥青和表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青的G*和δ，在同一温度下，基质沥青的G*最小，复合改性沥青的G*最大；而基质沥青的δ最大，复合改性沥青的δ最小。表明添加表面有机化LDHs和橡胶粉后，与基质沥青相比复合改性沥青具有较强的抵抗高温变形的能力。
3) 在DSR试验中，将不同温度下的车辙因子进行对比分析，结果表明：随着温度的升高，在52℃、58℃、64℃、70℃、76℃、82℃、88℃这7个温度条件下，表面有机化LDHs/橡胶粉复合改性沥青大于橡胶粉改性沥青、基质沥青。结果表明，加入表面有机化LDHs后，沥青的抗车辙能力得到了显著地提高。
NOTES
*通讯作者。