蒙脱土改性沥青纳米复合材料表面微观结构性能及相关机理

本项目旨在将具有特殊片层状结构的纳米蒙脱土(MMT)引入到SBS改性沥青中，制备新型的有机化蒙脱土/SBS改性沥青复合材料，大大提高沥青材料的物理力学性能以及耐光热老化性，探索沥青复合材料的微观结构与其物理力学性能(如流变性、粘弹性)及耐光热老化性之间关系的规律。拟采用不同类型结构的有机胺阳离子插层剂对MMT进行有机化改性，制备具有不同化学组成和结构的有机化蒙脱土(OMMT)，研究插层剂及MMT本身的结构对其有机化改性效果及不同种类OMMT对SBS改性沥青的物理力学性能和热氧、光氧老化性能的影响。采用GPC、NMR、XRD、ATR-FTIR、SEM、TEM和AFM等先进的测试手段对OMMT及其改性沥青的化学组成、宏观结构和微观结构进行了表征和观测，探讨沥青的化学组成与老化性关系的规律及OMMT与沥青的界面作用机理。研究结果将为高性能蒙脱土/沥青复合材料的制备提供强有力的理论基础和实验依据。

沥青因其良好粘弹性和附着力而广泛应用于高等级路面铺设。然而，普通沥青路面在服役过程中，存在低温发脆开裂以及高温熔融且易产生疲劳和老化等问题，难以满足现代高等级、重负载、极端气候条件下的需求。因此，采用层状结构纳米材料与聚合物对沥青进行物理共混及化学改性以提升其物理性能、抗老化、抗蠕变性能等成为沥青改性领域的研究热点。课题选用纳米材料(有机蒙脱土OMMT、水滑石LDHs)与聚合物(废胶粉CR、EVA、环氧树脂)复配对沥青进行复合改性，制备新型的OMMT/聚合物改性沥青复合材料，大大提高沥青材料的物理力学性能以及耐光热老化性，探索沥青复合材料的微观结构与其物理力学性能(如流变性、粘弹性)耐光热老化性之间关系的规律及其改性机理。主要结论如下：(1)纳米MMT、OMMT和LDHs在沥青体系中分别以插层型、剥离型和过渡型存在，均能有效增强沥青与聚合物之间的相互作用，OMMT改性效果最好；聚合物CR和EVA能有效提升沥青的物理性能、抗老化性及流变性能，但作用机理各异。(2)OMMT和LDHs显著提升了复合改性沥青体系的相容性，离析软化点差值(ΔSPstorage)明显减小到低于2.5℃，储存稳定性优良；OMMT和LDHs的掺入，使CR剪切更细小分散更均匀，同时有效抑制了CR的团聚沉降；OMMT促使EVA与沥青之间交联网络的形成，抑制两相间的相对运动。(3)复合改性沥青的抗热氧/UV老化性能均随纳米层状材料OMMT和LDHs的掺入显著提升。OMMT和LDHs通过其无机层片的物理阻隔及屏蔽效应有效抑制了沥青的氧化老化作用；同时LDHs对UV具有物理阻隔和化学吸收双重作用，其抗UV老化性能更为优异。(4)纳米材料(OMMT、LDHs)/聚合物(CR、EVA)复合改性沥青均表现出良好的流变性，随OMMT(或LDHs)掺量的增加，复合改性沥青的复数模量(G*)增加，相位角(δ)减小，TSHRP由66.2℃升至80℃，抗车辙性能及其路用等级大幅提升。(5)环氧树脂作为热固性的沥青改性剂，主要通过与沥青的固化交联效应，赋予沥青优良的高温稳定性、低温抗裂性和耐疲劳性能等；纳米OMMT的掺加，使复合改性沥青中环氧树脂的聚集体变大、分布均匀，体系相容性增强，在最优工艺及OMMT、环氧树脂、相容剂、固化剂配比条件下，OMMT/环氧改性沥青拉伸强度达1.48 MPa，力学性能优异，热稳定性显著提升。