蒙脱土可控共混有机化及其对沥青性能提升机理研究

At present, using organo-montmorillonite’s nanometer size effect to improve the durability of bitumen under extreme environmental conditions is a research hotspot in the field of road materials research. However, the mismatch between the complex component of bitumen and the single organic treatment on the montmorillonite is one of the main bottlenecks to hinder the improvement of organo-montmorillonite modified bitumen’s properties. It needs a breakthrough.. Aiming at the characteristics of typical bitumens’ component, this project tries to use surfactants with different polarities to treat the montmorillonite, in order to increase the interaction between the bitumen and the montmorillonite. This project will research the structure characteristics of montmorillonite in bitumen and the relation of this structure with the improvement of bitumen’s properties with respect to rheology, anti-ageing and barrier effect. The modification mechanism of bitumen by using the montmorillonite treated by blended surfactants with different polarities will be exposed during the nano-recombination process. A reasonable blended-mode of surfactants in the montmorillonite will be constructed to improve the coordination of different surfactants in the bitumen-montmorillonite nanocomposite. This will improve the structure state and the stability of montmorillonite in the bitumen and effectively improve the durability of asphalt under extreme environmental conditions. This project will also provide theoretical guidance and technical support for the nano-recombination of other mixed organic composite.

利用有机化蒙脱土的纳米尺寸效应，提高沥青在极端环境条件下的耐久性能，是目前道路材料领域中的研究热点。但是，沥青组分的复杂性和蒙脱土有机化组分的单一性不匹配，是阻碍有机化蒙脱土纳米改性沥青性能提升的主要瓶颈之一，亟待突破。. 本项目拟针对典型沥青的组分特性，利用不同极性的表面活性剂对蒙脱土进行共混有机化表面修饰，提高沥青-蒙脱土界面相互作用，研究共混有机化蒙脱土在沥青中的结构特性以及对沥青流变、抗老化、阻隔等性能的提升规律，揭示共混有机化模式在沥青-蒙脱土纳米复合过程中的作用机理。并合理构建蒙脱土共混有机化模式，发挥不同表面活性剂在沥青-蒙脱土纳米复合过程中的协同作用，改善蒙脱土在沥青中的结构状态和稳定性，有效提升沥青在极端环境条件下的耐久性能，并为沥青类混合有机材料的纳米复合制备提供理论指导和技术支撑。

沥青组分的复杂性和蒙脱土有机化组分的单一性，是阻碍有机蒙脱土纳米改性沥青性能提升的主要瓶颈之一，亟待突破。本项目根据国内外研究进展和自身工作基础，针对基质沥青的组分特性（极性/非极性共混），采用短碳链阳离子表面活性剂TMAB （S1） 和长碳链阳离子表面活性剂TPAC（S2）按一定配比，与Na基蒙脱土（Mt）进行交换反应。. 通过正交试验设计，以蒙脱土片层间距为评价标准确定了蒙脱土有机化的工艺条件。正交试验方差分析发现对蒙脱土片层间距影响最显著的是活性剂用量，其次为活性剂种类，再为反应温度和反应时间。极差分析综合考虑，选取活性剂含量为1mmol/g，反应时间为4h，反应温度为80°C作为表面活性剂改性蒙脱土的实验条件。. 短期老化后再进行压力老化，XRD结果表明沥青中的蒙脱土片层间距没有明显的改变，红外光谱表明沥青中出现明显的羰基和亚砜基，表明沥青发生了严重的氧化反应。经过压力老化后的Mt-B样品中在1090cm-1处出现了明显的Si-O吸收峰，可能是沥青中的无机蒙脱土层间阳离子因为片层间距变化而导致对Si-O键水化作用降低。. 研究表明，因S1活性剂含有苯环结构，沥青中的芳香组分更容易进入S1-Mt层内空间；S2含有单一碳链结构，沥青中的轻质组分更容易进入的S2-Mt层内空间。S1-Mt在基质沥青中具有更好的稳定性；由于对沥青轻质组分的保护作用，S2-Mt改性沥青具有较好的抗热氧老化性能。经优化配比，发现当摩尔数S1:S2=3:7时，可发挥不同表面活性剂在沥青-蒙脱土纳米复合中的协同效应，显著提高蒙脱土在基质沥青中的稳定性，以及其抗热氧和紫外老化性能，从而大幅提升沥青在极端环境条件下的抗老化性能。