LDHs与抗氧剂协同提高SBS改性沥青抗光氧和抗热氧老化性能的机理研究

SBS modified bitumen (SMB) can be easily subjected to aging under the effect of ultraviolet (UV) light, heat, oxygen and so on, which will lead to the shortening of service life of bituminous pavement. Those approaches that singly improve the resistance to thermo-oxidative aging or photo-oxidative aging of SMB cannot effectively solve the aging problem of SMB in a harsh environment with high temperature, strong UV radiation, and so on. This project intends to modify SMB by using compound of layered double hydroxides (LDHs) with excellent UV shielding function and antioxidant, aiming to improve both photo-oxidative aging resistance and thermo-oxidative aging resistance of SMB by the synergistic effect of two additives on anti-aging. The organic treatment for LDHs is adopted to solve the problems that LDHs particles are hard to be dispersed into SMB homogeneously and easy to agglomerate and separate during hot storage. Then the effects of various organic LDHs and different antioxidant on anti-aging performance of bitumen are investigated to obtain composite modifier which has good compatibility and can extend the service life of SMB dramatically serving in a harsh environment by optimizing the ratio of organic LDHs and antioxidant. The changes of property, structure and composition of LDHs and antioxidant modified SMB during photo- and thermo-oxidative aging processes are explored to reveal the improvement mechanism of LDHs and antioxidant to anti-aging performance of SMB. The research achievements will provide theoretical guidance and technological foundation for preparing road bituminous material with excellent aging resistance by using LDHs and antioxidant.

SBS改性沥青（SMB）在紫外光、热、氧等作用下易发生老化，引起沥青路面的服役年限大大缩短。因单独提高抗热氧性或单独提高抗光氧性并不能有效解决SMB在高温、高紫外光辐射等恶劣环境下的老化问题，项目将具有优异紫外屏蔽功能的层状双羟基复合金属氢氧化物（LDHs）与抗氧剂复配后用于改性SMB，利用两者的协同抗老化作用，综合提高SMB的抗光氧和抗热氧老化性能。通过有机化处理解决LDHs在SMB中难以均匀分散和易于离析团聚的问题；研究各种有机化LDHs与不同抗氧剂的复配对SMB抗老化性能的影响，优化有机LDHs与抗氧剂的配比关系，获得配伍性好、可显著延长SMB在恶劣环境下使用寿命的复合改性剂；探明LDHs与抗氧剂改性SMB在光氧和热氧老化过程中性能、结构和组成的变化规律，揭示LDHs与抗氧剂对SMB抗老化性能改善机理，为采用LDHs与抗氧剂制备具有优良耐老化性能的道路沥青材料提供理论指导和技术基础。

针对SBS改性沥青（SMB）在紫外光、热、氧等作用下易发生老化，且目前通常所采用的单一抗老化剂难以解决多因素耦合作用下沥青的复杂老化问题，项目将具有优异紫外屏蔽功能的层状双羟基复合金属氢氧化物（LDHs）进行有机物插层改性后，与抗氧剂复配后用于改性SMB。分析了有机改性后LDHs的晶体结构、化学组成和紫外屏蔽性能，探讨了不同有机改性LDHs与抗氧剂复配改性SMB的制备技术，研究了有机改性LDHs在SMB中的分散稳定性及其与抗氧剂复配对SMB的路用性能和耐老化性能的影响。通过以上研究，解决了LDHs在SMB中难以均匀分散和易于离析团聚的问题，制备出了耐老化性能优良的SMB。通过分析LDHs与抗氧剂复合改性SMB光氧和热氧老化过程中成分组成、分子结构、微观形貌等变化规律，揭示了有机LDHs/抗氧剂复合抗老化改性剂对SMB抗光氧和抗热氧老化性能的改善机理。主要研究结果如下：利用LDHs的层间离子可交换特性，可以将具有阴离子官能团的有机小分子插入组装到LDHs层间，并在不明显降低LDHs对紫外光反射率的条件下，显著提高LDHs对紫外的吸收性能。与普通LDHs相比，有机LDHs在SMB中具有更好的分散和稳定效果，且插入的有机小分子的链长越长，有机LDHs的层间距越大，其与SMB的相互作用越强，分散稳定性越好。有机LDHs/抗氧剂复合改性SMB的制备参数应控制在合适的范围内，适宜的搅拌温度、速度、时间分别约为185℃、4500转/分钟、30分钟，温度过高、转速过快、时间过长均为导致沥青的老化和SBS分子降解，引起SMB性能下降。不同有机LDHs/抗氧剂的复合组成，对SMB的抗老化性能均有提高作用，但效果并不相同，表现出一定的选择性，综合老化前后的物理性能、流变性能、化学结构、微观形貌等变化，肉桂酸插层LDHs与主抗氧剂1010及辅助抗氧剂168复合后对四种不同的SMB的抗热氧和光氧老化性能均具有良好的改性效果，且强于任一种单一抗老化剂，表现出协同作用。根据微观结构和形貌分析可知，有机LDHs/抗氧剂复合改性剂抑制了SMB的氧化老化与SBS降解反应，降低了沥青中芳香分向胶质和沥青质的转化程度，减小了沥青组分的稠环、缩合、缔结作用，使得SMB经老化后硬化脆化减轻。研究成果为采用LDHs与抗氧剂制备具有优良耐老化性能的道路沥青材料提供理论指导和技术基础。