本研究由北京工业大学的郭猛教授（通讯作者）和王露露硕士（通讯作者）以及重庆市市政设施运行保障中心的管明阳工程师共同完成。研究成果以《基于流变学的层状硅酸盐改性沥青抗紫外老化效果研究》为题，发表于《Journal of Municipal Technology》（市政技术）期刊2025年第43卷第8期。

研究的学术背景 本研究属于道路工程材料领域，具体聚焦于沥青改性技术。沥青作为高等级公路的主要铺装材料，在长期服役过程中易受环境因素影响而发生性能劣化，其中紫外（UV）辐射是加速其老化的关键因素之一，会显著缩短路面使用寿命并增加养护成本。为提升沥青的抗紫外老化能力，研究人员尝试了多种改性手段，如添加有机光稳定剂、紫外线屏蔽剂和纳米粒子等。近年来，层状硅酸盐（Layered Silicate）因其独特的物理化学特性（如纳米级尺寸、巨大比表面积、表面效应和屏障效应）以及与沥青良好的相容性，在沥青改性领域受到广泛关注。现有研究多集中于层状硅酸盐的抗热氧老化效果，而在抗紫外老化方面的系统研究相对较少，且对其在沥青中的分散机制及抗老化协同作用机制仍需深入探索。鉴于此，本研究旨在通过优化改性工艺，系统探究有机膨润土、蒙脱土、水滑石及蛭石这四种层状硅酸盐对沥青性能的影响，特别是其抗紫外老化效果与作用机制，以期为开发高性能抗紫外老化沥青材料提供理论与技术支撑。

详细的研究流程 本研究包含多个相互关联的步骤，从材料制备、老化模拟到性能表征与数据分析，构成了一个完整的实验研究体系。

第一步：原材料准备与改性沥青制备 研究采用70号基质沥青作为基础材料。选取了四种层状硅酸盐作为改性剂：有机膨润土、蒙脱土、水滑石和蛭石。根据厂家推荐的最优掺量（分别为3%、4%、3%和2%，外掺法），采用熔融共混法制备改性沥青。具体流程为：首先将干燥的层状硅酸盐研磨成细粉并过500目筛；然后将基质沥青在170°C恒温油浴中加热至流动状态；接着将层状硅酸盐粉末少量多次地加入沥青中；最后使用剪切机，先以1000 r/min低速剪切10分钟，再以4000 r/min高速剪切30分钟，确保改性剂均匀分散，得到四种层状硅酸盐改性沥青样品，同时制备未改性的基质沥青作为对照组。

第二步：沥青老化模拟 为了模拟沥青在实际使用中经历的老化过程，研究采用了两种标准化的老化方法： 1. 短期老化：依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），采用旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）模拟沥青在拌和、摊铺过程中的短期热氧老化。条件为163°C，持续75分钟。 2. 紫外（UV）老化：为模拟长期服役中的紫外辐射影响，采用紫外老化箱进行加速老化试验。使用高压紫外汞灯作为光源，辐照强度为2000 W/m²，试样表面温度为60°C（模拟北京夏季路面高温）。通过计算，照射78.35小时所累积的紫外辐射量约等于北京地区实际12个月（8760小时）的辐射总量。将经过RTFOT短期老化后的沥青样品（包括基质沥青和四种改性沥青）制成厚度为1.59 mm的薄膜，置于老化箱中进行紫外照射。

第三步：微观结构相容性分析 采用扫描电子显微镜（SEM）观察层状硅酸盐在沥青基体中的分散状态和界面结合情况，以评价相容性。样品制备包括对断面进行喷金处理以提高导电性。SEM工作参数设置为加速电压5-15 kV，工作距离8-10 mm。首先在低倍率（500倍）下扫描寻找特征区域，然后在高倍率（5000-20000倍）下详细观察层状硅酸盐的形貌、分布以及是否出现团聚或相分离现象。

第四步：流变性能测试与分析 流变性能是评价沥青高低温性能和黏弹特性的核心。研究使用DHR-2型动态剪切流变仪（DSR）进行了一系列测试： 1. 高温性能评价：通过温度扫描测试获取车辙因子（G*/sin δ）。使用25 mm平行板夹具，在固定频率10 rad/s下，温度从46°C升至76°C，间隔6°C。车辙因子越高，表明沥青的高温抗车辙性能越强。 2. 黏弹特性评价：通过频率扫描测试获取复数模量（G*）主曲线。使用25 mm平行板夹具，在1%应变控制下，频率范围为0.1-100 rad/s，测试温度分别为45°C、55°C和65°C。复数模量反映了沥青的抗变形能力，老化后其值通常会增大。 3. 低温性能评价：由于样品量限制，采用4 mm DSR试验来间接表征低温性能，其数据与弯曲梁流变仪（BBR）试验数据有较强的线性相关性。制备4 mm直径试样，在-6°C、-12°C、-18°C下进行频率扫描（0.2-100 rad/s，1%应变）。通过一套换算流程（包括使用Sigmoidal模型拟合主曲线、将剪切模量转换为剪切柔量、再转换为拉伸柔度，最后计算蠕变劲度模量S和蠕变速率m），来评估沥青的低温抗裂性。蠕变劲度模量S值越小、蠕变速率m值越大，表明沥青的低温延展性和应力松弛能力越好，抗开裂性能越佳。 本研究未涉及全新的自创实验方法或设备，但系统地将标准老化方法、微观表征和全面的流变学测试相结合，并运用了基于流变学数据的换算模型来评估低温性能，这是一种严谨且高效的研究策略。

第五步：数据分析与抗老化指数构建 研究不仅对原始数据（如车辙因子、复数模量、蠕变劲度模量）进行对比分析，还创新性地构建了定量化的“抗老化指数”评价体系，以更直观地比较不同层状硅酸盐的抗老化效果。该指数基于以下公式计算： * 基于高温性能的抗老化指数 (Az)：Az = (Z_aged - Z_anti-aged) / (Z_aged - Z_unaged)，其中Z代表车辙因子。该指数越接近1，说明改性沥青老化后的性能越接近未老化的基质沥青，抗老化效果越好。 * 基于黏弹特性的抗老化指数 (Ag)：Ag = (G_aged - G_anti-aged) / (G_aged - G_unaged)，其中G代表复数模量。意义同Az。 * 基于低温性能的抗老化指数 (As)：As = (S_aged - S_anti-aged) / (S_aged - S_unaged)，其中S代表蠕变劲度模量。意义同Az。 通过计算这些指数，可以对不同改性剂的抗紫外老化效能进行标准化定量比较。

主要研究结果 1. 微观相容性结果：SEM观察表明，四种层状硅酸盐均能较好地分散在沥青基体中。它们以片状或颗粒形式被沥青均匀包裹和嵌入，与沥青基体界面结合紧密，没有观察到明显的团聚或相分离现象。这证实了熔融共混法的有效性，并为后续性能改善奠定了微观结构基础——良好的分散是发挥层状硅酸盐物理屏蔽和界面增强作用的前提。

2. 高温性能结果：紫外老化后，所有沥青的车辙因子均增大，表明老化导致沥青硬化，高温抗车辙能力提升，但也意味着疲劳开裂风险增加。掺加层状硅酸盐能有效抑制车辙因子的增长幅度。以52°C下的数据计算抗老化指数Az，四种改性沥青的排序为：水滑石改性沥青（0.63）> 蛭石改性沥青（0.57）> 蒙脱土改性沥青（0.41）> 有机膨润土改性沥青（0.29）。这表明水滑石在维持沥青高温性能稳定性、抵抗紫外老化方面效果最为突出。

3. 黏弹特性结果：紫外老化后，沥青的复数模量显著增大（基质沥青增大约9倍），说明弹性成分增加，材料变硬变脆。层状硅酸盐的加入降低了复数模量的增长幅度。基于10 rad/s处复数模量计算的抗老化指数Ag排序为：水滑石改性沥青（0.42）> 蛭石改性沥青（0.41）> 蒙脱土改性沥青（0.18）> 有机膨润土改性沥青（0.01）。该结果与高温性能评价趋势基本一致，进一步确认了水滑石和蛭石在延缓沥青黏弹性老化方面的优势。研究还指出，短期老化（RTFOT）对沥青复数模量的影响也非常显著，而水滑石和蛭石在抵抗短期老化方面也表现出较好效果。

4. 低温性能结果：紫外老化导致沥青蠕变劲度模量（S）升高、蠕变速率（m）下降，即低温抗裂性劣化。层状硅酸盐的加入缓解了这种劣化趋势。在-12°C条件下，基于蠕变劲度模量计算的抗老化指数As排序为：水滑石改性沥青（0.71）> 蒙脱土改性沥青 = 有机膨润土改性沥青（0.46）> 蛭石改性沥青（0.16）。值得注意的是，水滑石在低温性能方面的抗老化指数高达0.71，意味着其能抵御约70%的老化程度，使老化后的沥青低温性能最接近未老化状态，表现极为优异。

5. 综合对比结论：综合高温、黏弹、低温三方面的抗老化指数，水滑石改性沥青在所有评价维度上均表现最佳，蛭石在高温和黏弹特性方面次之，但在低温方面表现一般。蒙脱土和有机膨润土的整体抗紫外老化效果相对较弱。研究将水滑石的优异性能归因于其独特的层间结构，使其能够更有效地吸收和反射紫外光，同时其片层结构能更好地阻隔氧气和延长轻质组分挥发路径，从而从物理屏蔽和光化学防护双重机制上抑制沥青老化。

研究的结论与价值 本研究得出以下核心结论： 1. 通过熔融共混法，四种层状硅酸盐（有机膨润土、蒙脱土、水滑石、蛭石）均能与70号基质沥青实现良好的相容，以片状或颗粒形式均匀分散，界面结合紧密。 2. 在四种层状硅酸盐中，水滑石对提升沥青抗紫外老化性能的效果最为全面且显著。其基于高温性能、黏弹特性和低温性能的抗老化指数分别为0.63、0.42和0.71，均优于其他三种材料。 3. 水滑石的抗老化机制主要源于其层状结构对紫外光的吸收与反射作用，以及对氧气和轻质组分迁移的物理阻隔效应，从而有效延缓了沥青的氧化和硬化过程。

本研究的科学价值在于，系统地从流变学角度定量评价并比较了不同层状硅酸盐对沥青抗紫外老化性能的改善效果，揭示了水滑石作为高效抗紫外老化改性剂的潜力及其作用机制，丰富了层状硅酸盐在沥青改性领域的理论认知。其应用价值在于，为道路工程领域开发高性能、长寿命的抗紫外老化沥青材料提供了明确的技术选择和理论依据，有助于延长沥青路面服役年限，降低全寿命周期内的养护成本，具有重要的工程实践意义。

研究的亮点 1. 研究对象的系统对比：首次在同一研究框架内，系统对比了有机膨润土、蒙脱土、水滑石、蛭石这四种常见层状硅酸盐对沥青抗紫外老化性能的影响，结论清晰且有对比价值。 2. 多维度性能评价体系：不仅关注传统的高温性能，还综合运用流变学手段详细评价了黏弹特性和低温性能，并对低温性能采用了基于DSR数据的间接换算方法，实现了对沥青性能的全面评估。 3. 定量化评价指标创新：创造性提出了基于不同性能指标（车辙因子、复数模量、蠕变劲度模量）的“抗老化指数”（Az, Ag, As），将抗老化效果量化，使得不同改性剂之间的性能优劣对比更加直观、科学。 4. 微观与宏观相结合：通过SEM微观形貌分析证实了良好的界面相容性，为宏观流变性能的改善提供了微观结构解释，形成了从制备、结构到性能的完整证据链。 5. 明确的最优材料指向：研究不仅得出了层状硅酸盐有效的普遍性结论，更明确指出水滑石是其中抗紫外老化综合性能最佳的改性剂，为后续研究和工程应用提供了明确的优先选择。