本研究由长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室的刘恒斌、张正其、谢金谦以及唐山市交通局的桂增建、李乃强、徐玉峰共同完成。研究成果以论文形式发表于Journal of Cleaner Production期刊第315卷（2021年），文章标题为“Analysis of OMMT strengthened UV aging-resistance of Sasobit/SBS modified asphalt: its preparation, characterization and mechanism”，于2021年6月28日在线发表。
本研究属于道路工程材料领域，具体聚焦于沥青改性技术。其学术背景源于当前沥青路面面临的多重挑战：随着交通量增长和超载现象加剧，车辙、开裂等病害频发，严重影响路面性能。聚合物改性沥青，尤其是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrene-Butadiene-Styrene, SBS）改性沥青，虽能显著提升沥青的高温性能和抗疲劳性能，但其自身仍存在一些亟待克服的缺陷：首先，其拌和与压实温度较高，导致施工能耗大、污染重、和易性差；其次，SBS改性沥青的储存稳定性较差，易发生离析；最后，在热、氧及紫外线（Ultraviolet, UV）等环境因素作用下，SBS改性沥青容易老化，性能衰变。特别是在紫外线辐射强烈的地区（如中国西部），紫外线的高能量会破坏沥青及改性剂的分子结构，加速老化进程，导致路面松散、剥落等病害过早出现。
温拌沥青（Warm Mix Asphalt, WMA）技术通过添加温拌剂（如Sasobit）能有效降低沥青混合料的施工温度，改善施工和易性并减少排放，为解决SBS改性沥青施工温度高的问题提供了可行途径。然而，研究发现，单独添加Sasobit会损害沥青的低温抗裂性，且对改善沥青长期老化（尤其是紫外线老化）抵抗力的效果有限。与此同时，有机蒙脱土（Organic Montmorillonite, OMMT）作为一种纳米层状硅酸盐粘土，因其特殊的片层结构，在提高聚合物改性沥青的储存稳定性、高温性能及抗老化（特别是抗紫外线老化）性能方面展现出优异潜力。基于此，本研究旨在结合Sasobit和OMMT各自的优势，通过复合改性开发一种兼具良好施工和易性、优异储存稳定性和突出抗紫外线老化性能的温拌SBS改性沥青，并深入探究其改性机理，以推动温拌沥青技术在强紫外线地区的应用。
研究的详细工作流程系统而完整，主要包括以下几个步骤：
第一，材料准备与试样制备。 研究选用了韩国SK 70#基质沥青、韩国产星型LG411 SBS改性剂、德国Sasol公司生产的Sasobit温拌剂以及浙江丰虹新材料有限公司提供的有机蒙脱土（OMMT）。首先，制备了SBS改性沥青（SBSMA）：将基质沥青加热至流动态，加入5%的SBS改性剂，经过搅拌、高速剪切（4000 rpm，60分钟）、添加硫稳定剂、二次剪切和溶胀等步骤制得。随后，在此基础上制备OMMT/温拌SBS改性沥青（OMMT/WMSA）：将制好的SBS改性沥青加热，按设计掺量加入Sasobit（0%， 2.5%， 3%， 3.5%）并进行剪切；然后，再按设计掺量加入OMMT（0%， 1%， 2%， 3%）进行高速剪切，确保分散均匀。最终，共制备了16种不同Sasobit和OMMT掺量的复合改性沥青样品，并进行了系统命名（如S0M0代表不含两种添加剂，S3M2代表含3% Sasobit和2% OMMT）。
第二，宏观性能测试与多指标优化。 为了全面评价所制备改性沥青的性能并确定两种添加剂的最佳掺量，研究进行了一系列宏观性能测试。这些测试均依据中国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）等相关标准进行。具体包括：1. 常规物理性能测试：测定针入度（25°C）、软化点和延度（10°C），以评估沥青的基本高低温性能。2. 粘温特性测试：使用布氏旋转粘度计测定不同温度（115°C–175°C）下的旋转粘度，并基于阿伦尼乌斯方程计算粘流活化能（Eη），以评价施工和易性和温度敏感性。3. 流变性能测试：通过动态剪切流变仪进行温度扫描试验（52°C–88°C），获取车辙因子（G*/sinδ）来评价高温抗变形能力；并进行了多应力蠕变恢复试验（Multiple Stress Creep Recovery, MSCR，温度58°C， 64°C， 70°C），获取不可恢复蠕变柔量（Jnr）和蠕变恢复率（R）等参数，更精确地评估高温性能。4. 储存稳定性测试：将改性沥青样品置于163°C烘箱中静置48小时后，分离顶部和底部样品，通过频率扫描试验计算分离指标（|Rs|）来定量评价储存稳定性。5. 老化抵抗性测试：对优选出的沥青样品进行了短期热氧老化（薄膜烘箱试验，Thin Film Oven Test, TFOT）和不同时长（0， 3， 6， 9天）的紫外线老化试验。紫外线老化在配备300W紫外灯（主波长280-400 nm，辐射强度约25 W/m²）的紫外箱中进行。通过老化前后复数剪切模量老化指数（G_ai）来评价抗老化性能。在获得所有测试数据后，研究采用了逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution, TOPSIS）进行多指标优化。选取了软化点、延度、60°C下的G/sinδ、135°C旋转粘度、粘流活化能（Eη）和分离度（|Rs|平均值）这六个指标，构建评价矩阵，通过计算各配比方案与理想解的贴近度（C+_i），来确定综合性能最优的Sasobit和OMMT掺量组合。
第三，微观结构表征以揭示改性机理。 为了从微观层面深入理解复合改性沥青的性能提升机制，研究对优选出的样品进行了多项微观表征：1. 傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）分析：用于识别沥青样品中的官能团，分析改性过程中是否发生化学变化，并通过计算羰基指数（I_C=O）和丁二烯基指数（I_C=C）来定量评价不同老化程度下的沥青老化状况。2. X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）分析：用于测定OMMT及其在改性沥青中的层间距，判断OMMT在沥青中的分散状态（是相分离、插层还是剥离结构）。3. 荧光显微镜（Fluorescence Microscope, FM）观察：利用SBS在紫外光下发荧光的特性，直观观察SBS改性剂在沥青基体中的分布形态和分散均匀性，以及添加Sasobit和OMMT后沥青相结构的变化。
研究取得了一系列系统且相互印证的结果：
在宏观性能测试与优化阶段，结果明确显示：Sasobit的加入能显著降低沥青的粘度，使135°C粘度降低最高达37.2%，粘流活化能（Eη）降低，表明其有效改善了沥青的施工和易性并降低了温度敏感性；同时，Sasobit能提高沥青的软化点和车辙因子（G/sinδ），增强高温抗变形能力，但会导致延度大幅下降，即严重损害低温抗裂性，并在荧光显微镜下观察到沥青基体出现明显的“块状开裂”现象。此外，Sasobit的加入增大了分离指标（|Rs|），对储存稳定性有负面影响。相反，OMMT的加入会适度增加沥青的粘度，但能显著提高储存稳定性，当掺量为2%和3%时，分离度（|Rs|平均值）最大可降低61%。OMMT同样能提升沥青的高温性能（提高G/sinδ， 降低MSCR试验中的Jnr），并且在Sasobit掺量合适时（如3%），添加2%的OMMT可以使复合改性沥青的延度恢复甚至超过未加OMMT的温拌SBS沥青，表明OMMT在一定程度上缓解了Sasobit对低温性能的不利影响。二元方差分析进一步表明，Sasobit对高温性能和延度的影响大于OMMT，而OMMT对储存稳定性的影响更大。基于TOPSIS多指标优化，计算得出综合性能最优的配比为S3M2，即Sasobit和OMMt的最佳掺量分别为3%和2%。对此优选配方（S3M2）的进一步性能验证表明：其拌和与压实温度较普通SBS改性沥青（S0M0）显著降低，具备良好的温拌效果；MSCR试验显示其具有最小的Jnr值、较高的R值和远低于75%限值的Jnr_diff值，证明其高温抗车辙能力和抗应力敏感性最优；老化试验结果显示，S3M2的复数剪切模量老化指数（G*_ai）最低，抗热氧老化和紫外线老化能力最强。
在微观机理表征方面，结果有力地解释了宏观性能的改善原因：FTIR光谱显示，在添加了OMMT的样品（S0M2， S3M2）中出现了OMMt特征峰（如Si-O伸缩振动峰），且这些峰的位置发生了偏移，同时OMMT本身的-OH峰消失，表明沥青分子链、Sasobit和SBS分子成功插入了OMMT层间，并且发生了相互作用，不仅仅是物理共混。XRD谱图显示，纯OMMT粉末在2θ=3.65°处有明显的衍射峰（对应层间距2.42 nm），而在S0M2和S3M2样品中，该衍射峰完全消失，证明OMMT在改性沥青中形成了剥离型结构，其片层被完全撑开并均匀分散。这种纳米尺度的剥离结构是大幅提升沥青高温性能、储存稳定性和抗老化性能的关键。FM观察进一步证实，OMMT的加入使SBS颗粒在沥青中分布更均匀、粒径更均一，抑制了SBS的聚集，并减轻了因添加Sasobit而引起的沥青基体“块状开裂”现象，说明OMMT改善了Sasobit与SBS改性沥青的相容性。FTIR定量老化指标（I_C=O和I_C=C）的变化趋势与宏观老化指数（G*_ai）完全一致，从分子层面证实了S3M2具有最优的抗老化性能。
本研究的主要结论如下：1. 成功开发了一种抗紫外线老化性能增强的OMMT/温拌SBS复合改性沥青。2. Sasobit和OMMT均可改善SBS改性沥青的高温性能，但Sasobit会严重损害其低温性能，而适量OMMT的加入可以部分恢复其低温松弛性能。3. Sasobit能显著降低施工温度，而OMMT能有效提高储存稳定性。4. 基于多指标优化，推荐Sasobit和OMMT的最佳掺量分别为3%和2%。5. OMMT的加入显著提升了Sasobit温拌沥青的抗紫外线老化能力，有望拓展温拌沥青在强紫外线地区的应用。6. 微观机理表明，沥青分子链和聚合物分子成功插层进入OMMT片层，并形成了剥离型结构，这是其路用性能得以全面提升的根本原因。
本研究的科学价值与应用价值在于：首先，它通过材料复合与多指标系统优化，提出了一种性能均衡且突出的新型改性沥青配方，为解决传统SBS改性沥青和温拌沥青各自的技术短板提供了创新思路。其次，研究综合运用了宏观性能测试、流变学深入分析和多种微观表征手段，清晰地揭示了OMMT与Sasobit/SBS改性沥青之间的相互作用机制，特别是剥离型结构的形成及其对性能的关键影响，深化了对纳米复合材料改性沥青机理的认识。最后，该研究成果直接面向工程应用需求，特别是为中国西部等强紫外线辐射地区的道路建设提供了具有潜在应用价值的高性能沥青材料技术选项。
本研究的亮点突出体现在：1. 研究思路的创新性：创造性地将用于改善施工性的温拌剂（Sasobit）与用于增强耐久性的纳米材料（OMMT）进行复合，旨在协同解决沥青材料施工与长期性能的矛盾。2. 研究方法的系统性：采用了从材料制备、宏观性能多维度评价（物理、流变、粘温、储存、老化）、多指标数学优化到微观机理深入表征（FTIR， XRD， FM）的完整研究链条，逻辑严密，证据充分。3. 结论的明确性与实用性：不仅确定了最佳配比，还从宏微观多个角度阐明了性能改善的原因，结论对工程实践具有明确的指导意义。4. 对关键工程问题的针对性：专门针对强紫外线地区沥青路面易老化这一实际问题展开研究，并设计了加速紫外线老化试验，具有很强的现实意义。