层状双金属氢氧化物对高黏沥青耐久性能影响研究.pdf

第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)0 8-0 110-0 5Vol.41,No,8Journal of Municipal TechnologyAug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.110层状双金属氢氧化物对高黏沥青耐久性能影响研究张学霖(福清市城投建设投资集团，福建福州350 116)摘要：为了提升高黏沥青的耐久性，采用层状双金属氢氧化物(LDHs)对其进行改性，并研究了LDHs对高黏沥青老化前后的物理性能、温度敏感性以及低温流变性能的影响。研究结果表明，老化导致高黏沥青性能显著劣化，黏弹性发生破坏，弹性行为明显增加，黏性行为显著减弱；相比于未改性高黏沥青，LDHs的掺入明显抑制了老化对高黏沥青物理性能、温度敏感性、低温流变性能的破坏，增强了高黏沥青的耐久性，使其在老化过程中能够保持较好的物理流变性能。关键词：高黏沥青；层状双金属氢氧化物（LDHs)；耐久性；物理性能；温度敏感性；低温流变性能Zhang Xuelin中图分类号：TU535Abstract:In order to improve the durability,high viscosity asphalt was modified by layered double hydroxides(LDHs).The effect of LHDs on the physical properties,temperature sensitive and low temperature rheological propertieswere studied.The result show that aging causes significant deterioration of high viscosity asphalt performance,de-struction of viscoelasticity,significant increase of elastic behavior and significant decrease of viscous behavior;Compared with unmodified high viscosity asphalt,the addition of LDHs significantly inhibits the damage of aging tothe physical properties,temperature sensitivity,and low-temperature rheological properties of high viscosity as-phalt,enhances durability and enables it to maintain good physical rheological properties during the aging process.Key words:high viscosity asphalt;layered double hydroxides(LDHs);durability;physical properties;temperaturesensitive;low temperature rheological properties文献标志码：AEffect of LDHson Durabilityof HighViscosityAsphalt(Fuqing City Investment Construction Investment Group,Fuzhou 350116,China)高黏沥青具有优异的使用性能，是道路工程中最常用的高性能改性沥青，在桥面、排水路面、超薄加铺等铺装中发挥着关键性的作用1-2 1。但在使用期间高黏沥青容易受到服役环境的影响而发生老化，导致其性能劣化，进而引发各种沥青路面病害，这不仅会增加沥青路面的维护成本，还会缩短其服役寿命3-4。因此，改善高黏沥青的耐久性具有十分重要的工程意义。收稿日期：2 0 2 3-0 3-15基金项目：南方沥青路面耐久性能整体提升关键技术研究（2 0 2 2-K-318)作者简介：张学霖，男，高级工程师，硕士，主要从事市政工程建设管理工作。引文格式：张学霖.层状双金属氢氧化物对高黏沥青耐久性能影响研究J.市政技术，2 0 2 3，41（8）：110-114.（ZHANGXL.EffectofLDHson durability of high viscosity asphalt J.Journal of municipal technology,2023,41(8):110-114.)目前,研究者通过向沥青中掺加一些改性剂来提高其耐久性，如掺加抗氧剂能够显著改善沥青材料的抗热氧老化能力，掺加紫外吸收剂可以提高沥青材料的抗光氧老化能力等5-6。虽然这些改性剂均能在一定程度上改善沥青的耐久性，但是在实际服役环境中，沥青材料会同时受到热、光和氧的影响，而这些改性剂仅针对沥青材料的单一抗老化性能，无法同时增强沥青材料的抗热氧老化性能和抗光氧第8 期老化性能,因此对沥青材料的耐久性提升有限5-7。层状双金属氢氧化物(LayeredDoubleHydroxides，LDHs)是一种具有多级层板结构的无机超分子材料，因其独特的结构使其在光催化、水处理、阻燃等领域受到了广泛的关注7-9。LDHs 的层板结构能够在一定程度上阻隔太阳中的紫外光进人沥青中，从而改善沥青材料的抗光氧老化能力；同时，其层板还能够阻隔热量和空气渗透到沥青中，因此其还可以增强沥青的抗热氧老化能力10-12。鉴于此,LDHs的应用可以有效改善沥青的耐久性，延长沥青路面的服役寿命。为了提高高黏沥青的耐久性,笔者将LDHs掺人高黏沥青中制备出LDHs改性高黏沥青，通过研究LDHs对高黏沥青老化前后的物理性能、温度敏感性以及低温流变性能的影响规律,探究LDHs对高黏沥青耐久性的提升机理。1试验材料与方法1.1原材料沥青采用广州某公司生产的高黏沥青，主要性能参数如表1所示。LDHs采用泰州某公司生产的MgAl 基 LDHs。表1高黏沥青性能参数Tab.1 Main properties of high viscosity asphalt技术指标软化点（环球法）/针人度(2 5,5 s,100g)/0.1 mm延度(5)/cm135旋转黏度/(Pas)1.2LDHs改性高黏沥青的制备首先，将高黏沥青加热至流动状态；随后，将3%掺量的LDHs掺人高黏沥青中，为了使LDHs均匀分散在高黏沥青中，继续在18 0 条件下高速搅拌60min，以制备出LDHs改性高黏沥青。1.3老化方法为了模拟高黏沥青在制备、运输和摊铺过程中发生的热氧老化，将高黏沥青样品置于（16 31）的条件下加热老化5h；为了模拟高黏沥青在使用时发生的光氧老化，将经过热氧老化后的沥青样品置于紫外光强度为12 0 0 W/cm的条件下老化12 d(8-12。1.4性能测试方法1)物理性能参照JTGE202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程，分别对老化前后的高黏沥青样品进行张学霖：层状双金属氢氧化物对高黏沥青耐久性能影响研究2)低温流变性能参照AASHTOT3132012,采用弯曲梁流变仪(BBR)对老化前后的高黏沥青样品进行BBR试验，测试其在-12、-18、-2 4条件下的蠕变劲度S和蠕变劲度变化率m。S反映的是沥青的弯拉模量的大小，反映的是沥青的应力松弛能力和劲度模量随时间的变化率,S越小、越大，低温流变性能越好。2试验结果与分析2.1物理性能LDHs对高黏沥青物理性能的影响如图1所示。60未改性高黏沥青未改性高黏沥青网LDHs改性高黏沥青LDHs改性高黏沥青wu r0/(.sz)Y4504030试验结果技术要求957053.1408032201.5911125针入度、软化点、5延度、135黏度测试。1009896949290a)针人度和软化点40未改性高黏沥青，未改性高黏沥青LDHs改性高黏沥青LDHs改性高黏沥青A38wo/(3.S)36343230图1LDHs对高黏沥青物理性能的影响Fig.1 The effect of LDHs on the physical properties of highviscosity asphalt由图1可知，相比于未改性高黏沥青,LDHs改性高黏沥青的针入度和延度减小，软化点和黏度增大。LDHs作为一种无机纳米颗粒,在高黏沥青中主要起弹性成分的作用，其次LDHs在高黏沥青中形成2.702.55(s.Bd)/(2.SE1)2.402.252.10b)延度和黏度112了应力集中点,引起高黏沥青的弹性性能增加,这2 种作用的相互协同使得LDHs改性高黏沥青的物理性能发生变化。老化后，高黏沥青变硬，物理性能劣化，软化点和黏度显著变大,针人度和延度明显变小。为了分析不同高黏沥青样品老化前后的针人度、软化点、延度和黏度等物理性能变化情况，笔者采用残留针人度比、软化点增量、延度保留率和黏度老化指数来评价高黏沥青的耐久性。残留针入度比和延度保留率越大，软化点增量和黏度老化指数越小，高黏沥青的耐久性越好；反之高黏沥青的耐久性越差。各物理性能老化指数的计算方法如式(1)(4)所示,不同高黏沥青物理性能老化指数如图2 所示。65未改性高黏沥青未改性高黏沥青网LDHs改性高黏沥青LDHs改性高黏沥青6055504530未改性高黏沥青，未改性高黏沥青LDHs改性高黏沥青LDHs改性高黏沥青A2520%151050图2 不同高黏沥青物理性能老化指数Fig.2 Aging index of physical properties of dfferent highviscosity asphalt残留针入度比（%)=（老化后针人度/老化前针人度)x100。(1)Journal of Municipal Technology6543a)残留针人度比和软化点增量14012010080b)延度保留率和黏度老化指数第41卷软化点增量()=老化后软化点-老化前软化点。(2)延度保留率(%)=(老化后延度/老化前延度)100。(3)黏度老化指数(%)=（老化后黏度-老化前黏度)/老化前黏度10 0。(4)由图2 可知相比于未改性高黏沥青,LDHs改性高黏沥青的残留针入度比和延度保留率显著增大，分别从46.9%增大到6 1.6%，13.4%增大到2 6.6%；对应的软化点增量和黏度老化指数显著降低，分别从6.5降低到3.5，12 5.7%降低到99.1%。不同高黏沥青物理性能老化指数的结果表明,LDHs 的掺人能够抑制高黏沥青软化点和黏度的增加以及针入度和延度的降低，减轻老化对高黏沥青物理性能的影响，以此提高其耐久性。2.2温度敏感性沥青是温度敏感性材料，温度敏感性是影响沥青使用性能的关键指标13。为了研究老化对不同高黏沥青温度敏感性的影响，选用不同温度条件下针人度变化情况以及针入度指数PI分析高黏沥青的温度敏感性，计算公式如式（5）、（6)所示。lgP=AlgPen T+K。PI=(20-500A igPen)/(1+50A igpPen)。式中：1gP为不同温度条件下测得的针入度值的对数；T为试验温度,;AigPen为回归方程的系数;K为回归方程的常数项。不同高黏沥青老化前后针入度对数随温度的变化曲线如图3所示，针入度指数PI如表2 所示。2.0老化前未改性高黏沥青老化前LDHs改性高黏沥青口-口口老化后未改性高黏沥青1.8O-O老化后LDHs改性高黏沥青1.61.41.21.012图3不同高黏沥青老化前后针人度对数随温度的变化曲线Fig.3 Curves of the logarithm of penetration with temperaturebefore and after aging of different high viscosity asphalt(5)(6)31620T/242832第8 期表2 不同高黏沥青老化前后针入度指数PITab.2 Penetration index(PI)of different high viscosityasphalt before and after aging沥青种类未改性高黏沥青老化前LDHs改性高黏沥青未改性高黏沥青老化后LDHs改性高黏沥青由图3、表2 可知，老化前，与未改性高黏沥青相比,LDHs的掺人在一定程度上降低了高黏沥青的温度敏感性,即 LDHs延缓了温度对高黏沥青性能的影响；老化后，不同高黏沥青的温度敏感性与老化前相比均有不同程度的降低，主要是老化导致高黏沥青变硬,高黏沥青的弹性性能显著降低；与未改性高黏沥青相比,LDHs的掺入明显延缓了老化对高黏沥青的温度敏感性的影响，阻止了老化对高黏沥青性能的破坏。虽然老化后2 种高黏沥青的PI值仍处于针人度指数PI=+2-2 的溶-凝胶型结构范围，但未改性高黏沥青老化后的胶体结构更趋向凝胶型结构,LDHs改性高黏沥青老化后的胶体结构更接近溶-凝胶型结构。2.3低温流变性能LDHs对老化前后高黏沥青低温流变性能的影响如图4所示。由图4可知,老化前,LDHs的掺入提高了高黏沥青的S值,同时降低了m值,说明LDHs的掺入不利于高黏沥青的低温流变性能，主要原因在于LDHs的掺人提高了高黏沥青的弹性性能，这与前面结论一致。需要注意的是，由于LDHs的掺量较少，其影响并不明显。老化后，未改性高黏沥青与LDHs改性高黏沥青相比S值显著增大，m值明显降低，说明老化导致未改性高黏沥青低温流变性能劣化,但LDHs改性高黏沥青在各个温度下的S值均较小，m值均较大，说明LDHs改性高黏沥青在老化后仍表现出较好的低温性能,即LDHs能够阻止老化对高黏沥青低温性能的破坏,可以提高高黏沥青的耐久性。3结论1)LDHs能够提高高黏沥青的软化点和黏度，降低针入度和延度，使高黏沥青的弹性性能增强，与未改性高黏沥青相比，LDHs的掺入可以改善高黏沥青的高温性能。张学霖：层状双金属氢氧化物对高黏沥青耐久性能影响研究PI0.5260.5480.7330.624113口老化后未改性高黏沥青500老化后LDHs改性高黏沥青老化前LDHs改性高黏沥青老化前未改性高黏沥青400BdN/S3002001000.400.35=0.300.250.20图4LDHs对老化前后高黏沥青低温流变性能的影响Fig.4 Effect of LDHs on the low-temperature rheologicalproperties of high viscosity asphalt before and after aging2)老化后,高黏沥青物理性能发生劣化,软化点和黏度显著增加,针入度和延度明显降低,LDHs的掺入可以延缓老化对高黏沥青物理性能的影响，改善高黏沥青的耐久性。3)LDHs的掺人降低了高黏沥青的温度敏感性，并对低温流变性能有一定程度的降低,但LDHs可以增强高黏沥青的耐久性,减轻老化对LDHs改性高黏沥青高低温流变性能的影响，相比于未改性高黏沥青，老化后LDHs改性高黏沥青仍具有较好的高低温流变性能。DMET参考文献1冯新军,解明卫,陈安迪.TS高黏度改性沥青的制备和OGFC口口口-12口-12-18T/a)s老化前未改性高黏沥青老化前LDHs改性高黏沥青老化后LDHs改性高黏沥青口老化后未改性高黏沥青口口-18-24T/b)m-24市放技术114Journal of Municipal Technology混合料的路用性能J.公路交通科技，2 0 19,36(1)：8-15.（FENGX J,XIE M W,CHEN A D.Preparation of TS high viscositymodified asphalt and pavement performance of OGFC mixtureJ.Journal of highway and transportation research and develop-ment,2019,36(1):8-15.)【2 祝斯月，陈拴发，秦先涛，等.透水性沥青路面高黏改性沥青动态力学性能J.武汉理工大学学报，2 0 12,34(12)：52-56.（ZHUS Y,CHEN S F,QIN X T,et al.Dynamic mechanical propertiesof high viscosity modified asphalt of pervious asphalt pavementJ.Journal of Wuhan University of Technology,2012,34(12):52-56.)3 ZHANG C L,DONG H J,WANG T,et al.Effect of differentorganic layered double hydroxides on the anti-aging property ofbitumen J.Construction and building 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