使用聚合物改性沥青可以显著改善沥青混合料的各项路用性能，但是聚合物改性剂的组分与沥青结合料存在较大的差异，所以一般聚合物改性沥青均存在相容性差的问题。纳米材料凭借其独特的微观尺寸效应，能从微观尺度上改善沥青性能，有效解决聚合物改性沥青存在的相容性问题，其中蒙脱土作为一种层状硅酸盐纳米黏土材料，是纳米材料/聚合物复合改性沥青的研究热点之一。

国内外学者使用熔融共混法制备蒙脱土/SBS复合改性沥青，并采用X射线衍射仪和显微镜等分析了复合改性沥青微观结构，认为聚合物与蒙脱土之间形成插层状的均质复合纳米结构，当蒙脱土片层间距进一步增大时甚至分散呈剥离状。通过测试复合改性沥青常规物理指标发现，虽然沥青延度有一定程度的减少，但是其软化点增大，针入度减小，且热储存稳定性和抗老化性能得到显著提升^[1-4]。G Liu，M Jasso等研究了有机蒙脱土与SBS复合改性沥青的流变性质及抗老化性能，认为剥离状复合改性沥青相容性更好^[5-8]。梁永胜、K Zhu等^[9-10]采用蒙脱土制备阻燃改性沥青，认为蒙脱土与气固相具有良好的协同阻燃效应，能够减少沥青在燃烧过程中的热量释放率，这对提高沥青混合料抗热氧老化有利。N Dehouche等^[11]分析了剪切速率对有机蒙脱土复合改性沥青微观结构和物理指标的影响，认为剪切速率大于2 000 r/min时有机蒙脱土在沥青中多呈插层状分布，大于3 000 r/min时则多呈剥离状分布，并推荐剪切混溶时间为1 h，以保证蒙脱土在沥青中分散均匀。

蒙脱土与沥青形成的复合纳米结构亦可以改善沥青混合料的物理力学性能。尹文军，Z G He，X D Tang等^[12-14]对比分析了基质沥青、SBS改性沥青以及蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料的马歇尔稳定度、动稳定度以及残留稳定度、强度比，发现复合改性沥青混合料的路用性能最佳。T G Liu等^[15]研究了蒙脱土改性沥青的蠕变特性，认为掺加蒙脱土改变了沥青的黏弹性，提高了沥青混合料的抗永久变形能力。B B Leng等^[16]发现将蒙脱土作为相变材料载体，可以起到降低沥青路面温度的目的，同样对提升高温稳定性有利。朱书景等^[17]采用低温弯曲试验评价了蒙脱土改性沥青混合料的低温抗裂性，认为虽然蒙脱土改性沥青的延度有所减小，但是与基质沥青混合料相比，其低温抗裂性仍有所提高。S P Wu等^[18]对基质沥青混合料和蒙脱土改性沥青混合料的高低温性能进行研究，得到了与文献[15]和文献[17]相似的结论。R Babagoli等^[19]制备了蒙脱土/SBS复合改性SMA沥青混合料，并着重研究了其水稳定性。S P Wu等^[20]制备了蒙脱土改性多孔沥青混合料，认为蒙脱土可以改善开级配沥青混合料的抗老化性能和抗疲劳性能。张铁军等^[21]依托实体工程介绍了蒙脱土改性沥青混合料的碾压工艺。

目前国内外道路领域针对蒙脱土的研究主要集中在改性沥青方面，涉及微观结构、物理指标、热储存稳定性及抗老化性能等，也有学者研究了蒙脱土改性沥青混合料或蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料的路用性能，但是涉及蒙脱土掺量对沥青混合料路用性能的研究仍较少，也未开展系统的抗老化性能研究。本研究首先分析了不同掺量蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性，并结合灰关联分析推荐了最佳蒙脱土掺量。然后与普通SBS改性沥青混合料进行对比，测试了经短期和长期加速老化后蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料的路用性能。

采用的SBS改性沥青由满足1-3-2气候分区的70^#A级道路石油沥青制备而得，且考虑到重载交通的使用需求，其所检技术指标满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中聚合物改性沥青I-D技术要求，具体如表 1所示。蒙脱土采用钠基蒙脱土，粗集料为10~15 mm, 5~10 mm，3~5 mm的辉绿岩，细集料0~3 mm的石灰岩，填料为石灰岩质矿粉。本研究采用的集料及矿粉的技术指标均满足JTG F40—2004的技术要求。

采用AC-13C沥青混合料作为研究对象，矿料级配按照JTG F40—2004推荐的级配范围中值由单粒径矿料掺配而成，具体如表 2所示。SBS改性AC-13C沥青混合料和蒙脱土/SBS复合改性AC-13C沥青混合料的物理力学性能指标如表 3所示，其中蒙脱土掺量为4%(以SBS改性沥青质量计，下同)。

将称好质量的SBS改性沥青加热在165~170 ℃，然后按照设定质量分数将蒙脱土加入熔融状态的SBS改性沥青中，利用高速剪切机以3 000~4 000 r/min的剪切速率熔融共混1 h，以保证蒙脱土在沥青中分散均匀，由此得到不同掺量的蒙脱土/SBS复合改性沥青。为了减少加热过程中沥青短期老化现象对试验结果的影响，未掺加蒙脱土的SBS改性沥青也在相同的条件下进行加热剪切。

(1) 选择0，2%，4%，6%共4个掺量的蒙脱土/SBS复合改性沥青制备沥青混合料试件，分别进行车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，分析蒙脱土掺量对复合改性沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性的影响。蒙脱土掺量为0代表未掺加蒙脱土，即为普通SBS改性沥青混合料。

(2) 以蒙脱土掺量作为参考序列，以各项路用性能指标作为比较序列，采用灰关联法分析蒙脱土掺量对各项路用性能的影响程度差异，并推荐蒙脱土的最佳掺量。

(3) 选取最佳掺量制备蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料，采用热拌沥青混合料加速老化方法分析经短期和长期老化后复合改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性，并与未掺加蒙脱土的SBS改性沥青混合料进行对比。

不同掺量的蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料车辙试验结果如图 1所示。

图 1 复合改性沥青混合料车辙试验结果 Fig. 1 Rutting test result of composite modified asphalt mixture

由图 1可知，掺加蒙脱土可以显著改善SBS改性沥青混合料的高温稳定性，其动稳定度随着蒙脱土掺量的增加逐渐增大，60 min变形量随之不断减小。而且随着蒙脱土掺量的增加，动稳定度和60 min变形量的变化趋势均先急后缓，急缓转变的区间在2%~4%之间。

沥青混合料的高温稳定性除了与粗集料之间形成的骨架作用强弱相关之外，沥青胶浆提供的黏结力也十分重要。在SBS改性沥青中掺加蒙脱土，除了增大沥青的黏稠度之外，通过阻碍SBS高分子链和沥青分子的相对运动，亦有利于提升沥青混合料的高温稳定性^[1]。但是过多的蒙脱土并不能与SBS高分子链、沥青分子之间形成有效的桥接作用，多余的蒙脱土反而会产生聚集，影响其分散性，进而影响了复合改性沥青的改性效果，导致高温稳定性的提升效果有限^[22]。

不同掺量的蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料低温弯曲试验结果如图 2~图 4所示。

图 2 蒙脱土掺量与最大弯拉应变的关系 Fig. 2 Relationship between montmorillonite amount and maximum flexural tensile strain

图 3 蒙脱土掺量与弯拉强度的关系 Fig. 3 Relationship between montmorillonite amount and flexural tensile strength

图 4 蒙脱土掺量与弯曲劲度模量的关系 Fig. 4 Relationship between montmorillonite amount and flexural stiffness modulus

由图 2~图 4可知，随着蒙脱土掺量的增加，SBS改性沥青混合料的各项低温性能指标均有所下降，并且当蒙脱土掺量超过3%时，低温抗裂性下降趋势开始明显加快。

蒙脱土片层与SBS高分子链、沥青分子相互之间的桥接作用限制了后者的自由运动，使其延展性不能得到充分发展，减小了极限抗弯拉强度和抗弯拉变形能力^[1]。在低温弯拉作用下，复合改性沥青混合料较易发生弯拉破坏，从而导致沥青混合料产生开裂现象。此外，蒙脱土片层在高温剪切作用下或多或少的以颗粒状分布于沥青中，在低温弯拉作用下，这些颗粒状的蒙脱土片层周边更容易产生应力集中现象，这也是导致低温抗裂性下降的原因之一^[17]。

不同掺量的蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果如图 5所示。

图 5 复合改性沥青混合料水稳定性试验结果 Fig. 5 Moisture stability test result of composite modified asphalt mixture

由图 5可知，复合改性沥青混合料的残留稳定度MS₀和强度比TSR均随着蒙脱土掺量的增加先增大后减小，存在一个最佳的蒙脱土掺量，只是2个水稳定性指标对应的蒙脱土最佳掺量有所不同，以残留稳定度MS₀作为评价指标时蒙脱土最佳掺量在3%~4%之间，而以强度比TSR作为评价指标时蒙脱土最佳掺量在2%~3%之间。

沥青混合料在浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验操作过程中，承受着“拉、压、剪”的复杂受力状态，尤其是冻融劈裂试验存在低温养生的历程，也是对沥青混合料低温性能的间接反映，复合改性沥青混合料强度比TSR先于残留稳定度MS₀衰减的原因与此有关。一方面蒙脱土的掺加，增大了复合改性沥青的黏度，对提高沥青混合料的水稳定性有利^[20]。另一方面，由于复合改性沥青的延展性受到限制，导致沥青混合料抵抗拉、剪作用的能力有所削弱。这两个方面的作用效果相互影响，此消彼长，导致复合改性沥青混合料水稳定性表现出先增后减的变化趋势。

选择常用的邓氏关联度作为蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料路用性能的灰关联分析指标，邓氏关联度首先应确定灰关联系统的行为矩阵X，见式(1):

(1)

式中，i=0, 1, 2, …, m，其中x₀为参考序列；x₁~x_m为比较序列；n为变量个数。

进行系统分析时，确定好行为序列后，由于各个行为序列之间可能存在量纲不一致的情况，因此需要对行为序列进行适当处理，通过变换作用，使之转化为数量级大体相近的无量纲数据，并将负相关因素转化为正相关因素^[23]。行为序列的变换处理主要包括初值化、均值化、区间值化、逆化以及倒数化等，本研究选用均值化算子进行行为序列变换，得到变换矩阵Y，见式(2)：

(2)

式中D为算子。

然后求变换矩阵的差序列Δ_{0, i} (k)，见式(3)：

(3)

式中k=0, 1, 2, …, n。

其次求两极最大差M与最小差m，见式(4)~式(5)：

(4)

(5)

再求关联系数r_{0, i} (k)，见式(6)：

(6)

式中ρ∈[0, 1]，一般取ρ=0.5。

最后计算关联度r(x₀, x_i)，见式(7)：

(7)

选取的路用性能指标包括动稳定度，60 min变形量，最大弯拉应变、弯拉强度，残留稳定度，强度比，进行路用性能灰关联分析时，以蒙脱土掺量为参考序列，以路用性能指标为比较序列，灰关联分析原始数据如表 4所示。

按照前文的计算过程，计算得到各关联序列结果如下：r_{0, 1}= (0.560，0.786，1.000，0.486)，r_{0, 2}= (0.540，1.000，0.935，0.561)，r_{0, 3}= (0.569，0.989，1.000，0.566)，r_{0, 4}= (0.569，1.000，0.994，0.571)，r_{0, 5}= (0.545，0.974，1.000，0.537)，r_{0, 6}= (0.557，0.959，1.000，0.544)。

按照式(7)计算蒙脱土掺量与各项路用性能指标的关联度，分析蒙脱土掺量的影响程度差异，计算结果为r(x₀, x₁)=0.708，r(x₀, x₂)=0.759，r(x₀, x₃)=0.781，r(x₀, x₄)=0.784，r(x₀, x₅)=0.764，r(x₀, x₆)= (0.765)。

由关联度计算结果可知，蒙脱土掺量与低温抗裂性指标的关联度最大，平均达到0.783；与水稳定性指标的关联度次之，平均达到0.765；与高温稳定性指标的关联度最小，平均达到0.734，表明蒙脱土掺量对各项路用性能影响程度大小依次为低温抗裂性＞水稳定性＞高温稳定性。考虑到掺加蒙脱土会对低温抗裂性产生不利影响，蒙脱土掺量过大时水稳定性亦衰减，因此选取适宜的蒙脱土掺量十分重要，不宜为了片面提升高温稳定性而采用较大的蒙脱土掺量。

根据小节2.1~2.4的研究结论，本研究认为对于SBS改性沥青混合料的综合性能改善而言，蒙脱土适宜的掺量为2%~4%，并推荐3%作为最佳掺量。采用最佳掺量制备蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料，并与SBS改性沥青混合料进行对比，分析复合改性沥青混合料抗老化性能。老化前后不同类型沥青混合料的各项路用性能试验结果如图 6~图 9所示，图中“MMT/SBS”为蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料，“SBS”为SBS改性沥青混合料。

图 6 不同老化方式车辙试验结果 Fig. 6 Rutting test results with different aging modes

图 7 不同老化方式低温弯曲试验结果 Fig. 7 Low temperature bending test results with different aging modes

图 8 不同老化方式浸水马歇尔试验结果 Fig. 8 Immersion Marshall test results with different aging modes

图 9 不同老化方式冻融劈裂试验结果 Fig. 9 Freeze-thaw split test results with different aging modes

由图 6~图 9可知，掺加蒙脱土改善了SBS改性沥青混合料抗老化性能，尤其是低温抗裂性，虽然老化前复合改性沥青混合料的最大弯拉应变要小于SBS改性沥青混合料，但是在短期老化和长期老化作用下，由于前者具有更好的抗老化性能，其最大弯拉应变反而大于后者。此外短期老化后两种类型沥青混合料的水稳定性均有所增大，这与短期老化后沥青的部分轻质组分向重质组分转变，增加了沥青的黏稠度有关。此外文献[24]认为短期老化后沥青的表面自由能增大，同样对水稳定性提高有利^[24]。

蒙脱土改善沥青混合料抗老化性能的原因主要体现在两个方面：一是蒙脱土的掺入，增大了沥青的黏稠度，同时也改善了SBS改性剂与沥青之间的相容性，这些均对抗老化性能提高有利；二是蒙脱土均匀分散于沥青中，凭借其空间隔断作用，有效减小了氧气渗透到沥青分子中的速率和渗透量，减缓了沥青的热氧老化作用^{[2, 9-10]}。

(1) 掺加蒙脱土提高了SBS改性沥青混合料的高温稳定性，但是受沥青延展性削弱和蒙脱土颗粒的应力集中现象影响，掺加蒙脱土会对低温抗裂性产生不利影响，蒙脱土掺量过大时水稳定性亦有一定下降。

(2) 灰关联分析表明蒙脱土掺量对路用性能影响程度大小依次为低温抗裂性＞水稳定性＞高温稳定性，推荐蒙脱土掺量为2%~4%，并选取3%作为最佳掺量。

(3) 与SBS改性沥青混合料相比，蒙脱土/SBS复合改性沥青混合料的抗老化性能得到显著提高。尤其是低温抗老化性能，虽然老化前复合改性沥青混合料的低温抗裂性要差于SBS改性沥青混合料，但是经短期老化和长期老化后，前者的低温抗裂性反而优于后者。