有机红泥在SBS改性沥青混合物中的应用：对道路性能和热氧化老化抵抗性的影响

《Journal of Road Engineering》：Application of organic red mud in SBS-modified asphalt mixture: Influence on road performance and thermal-oxidative aging resistance

　　张恒龙|曾志江|李浩瀚|朱晓雅
湖南省绿色与先进土木工程材料及应用技术重点实验室，湖南大学土木工程学院，长沙，410082，中国

**摘要**
由于老化作用，沥青混合料的性能会显著下降，这会严重影响沥青路面的使用寿命。因此，寻找一种合适的抗老化方法尤为重要。在本研究中，使用经过酸处理和表面改性的原红泥（RM）作为SBS改性沥青的改性剂，制备了多种红泥复合的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性沥青混合料。首先，在最佳油石比下制备了SBS改性沥青混合料样品。随后，对未老化和老化的混合料分别进行了马歇尔稳定性、低温劈裂、冻融劈裂和间接拉伸疲劳试验，以评估不同红泥对SBS改性沥青混合料性能的影响。实验结果表明，添加原红泥（RM）可以提高SBS改性沥青混合料的高温性能、抗湿性和疲劳性能，但会对其低温性能产生不利影响。通过加入有机红泥，高温稳定性、抗湿性和疲劳性能进一步得到提升。此外，原红泥还能有效延缓混合料的热氧化老化过程。表面改性后，红泥能够显著增强SBS改性沥青混合料的热氧化老化抵抗力。在测试的样品中，添加了草酸和钛酸盐偶联剂处理过的红泥的混合料表现出最高的抗老化性能。

**1. 引言**
沥青路面因其优异的行车性能而得到广泛认可，并已成为各种道路等级建设的首选材料（Abiola等人，2014；Polo-Mendoza等人，2022；Shi等人，2022；Yang等人，2022）。然而，随着道路网络扩展到更复杂的环境中并承受越来越大的交通负荷，对沥青路面的性能要求也变得越来越严格（Fu等人，2025；Xu等人，2024a）。传统的基质沥青由于其高温敏感性无法满足现代道路建设的需求（Abraham等人，2023；Aurilio等人，2021；Lesueur，2009）。因此，改进和优化沥青性能已成为当代道路建设研究的关键焦点（Behnood等人，2019）。
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）聚合物是最常用的沥青改性剂之一，因为它们能有效提高路面性能（Sengoz和Isikyakar，2008；Xu等人，2025；Zhang等人，2010；Zhu等人，2014）。SBS中的聚苯乙烯段提高了沥青的高温稳定性，而聚丁二烯段则增强了其低温延展性，从而有效缓解了车辙和开裂等早期损坏问题（Sakanlou等人，2025）。Sun等人（2024）报告称，SBS改性沥青（SBSMA）提高了沥青的耐久性。这种改善主要归因于基质沥青中的成分在老化过程中逐渐转化为分子量更大的沥青质，而SBS改性剂则逐渐分解为较小的分子。因此，沥青的老化过程在一定程度上被减缓，从而显著提高了SBSMA的耐久性。然而，由于受到热、紫外线辐射和氧气的影响，SBSMA在其使用寿命期间仍会老化，导致性能下降，从而对路面寿命产生不利影响（Chen等人，2020，2021a，2021b；Ullah等人，2025；Zhang等人，2025）。因此，减缓SBSMA的老化速率已成为一个关键且紧迫的研究课题。
沥青的氧化是导致性能下降的主要因素之一。添加抗氧化剂已成为延缓沥青材料老化过程的关键策略（Shahbazi等人，2025；Zeng等人，2023）。Xu等人（2024b）开发了三种类型的抗氧化剂中间层LDH，并将其掺入SBSMA中。他们的结果表明，抗氧化剂不仅提高了混合料的抗老化性能，还增强了老化后的抗湿性。Liu等人（2024a）报告称，酚类抗氧化剂能有效减少SBSMA老化过程中的流变性能变化，从而提高其抗老化性能并抑制SBS的降解。Cong等人（2013）发现，使用复合抗氧化剂可以显著提高SBSMA的抗热氧化老化能力；然而，这种改善可能会降低SBSMA的低温性能。在相关研究中，Ouyang等人（2006）将锌二烷基二硫磷酸酯、锌二丁基二硫代氨基甲酸盐和环烷油掺入SBSMA中。老化样品与未老化样品之间的羰基或丁二烯官能团峰值差异很小，表明抗氧化剂通过抑制过氧化物形成和清除自由基来增强沥青的抗老化能力。
沥青在暴露于紫外线（UV）辐射时也会老化（Liu等人，2024b）。目前，使用紫外线吸收剂是减轻沥青紫外线诱导老化的主要策略之一。这些化合物通过吸收紫外线并将其转化为热量来抑制沥青基质内的自由基反应（Ji等人，2024）。Ren等人（2025）开发了一种具有强紫外线吸收和抗氧化特性的没食子酸接枝Ti3C2复合材料，显著减少了SBSMA的紫外线诱导降解。类似地，Feng等人（2021）报告称，某些紫外线吸收剂可以抑制氧化反应和SBS的降解；然而，它们与SBS的结合比例也可能影响其减少紫外线老化的整体效果。研究表明，紫外线吸收剂UV-531可以改变SBS在沥青中的分布，从而可能影响其低温性能；但它能有效延缓SBSMA的老化（Liu等人，2020）。此外，Cong等人（2014）证明，炭黑不仅可以提高SBSMA的高温性能和导热性，还可以减缓热氧化老化。它通过抑制羰基和羧基的形成以及防止丁二烯的分解来实现这一点（Feng等人，2021）。
传统的抗氧化剂和紫外线吸收剂在提高沥青抗老化性能的某些方面有效，但在应用上存在局限性。抗氧化剂和紫外线吸收剂可能只能单独改善沥青抗老化的某一方面。相比之下，纳米材料提供了一个有前景的替代方案，因为它们可以同时提高热氧化和紫外线老化抵抗力（Afshin和Behnood，2025）。然而，纳米材料的高成本限制了它们在大规模工程项目中的实际应用。Yu等人（2009）证明，蒙脱石可以延缓氧气渗透和SBS的降解，显著减缓SBSMA在热氧化条件下的性能下降。表面改性后，蒙脱石的层状结构转变为剥离结构，进一步提高了其与SBSMA的相容性。Zhang等人（2014）将层状硅酸盐与十六烷基三甲基溴化铵插层，发现半剥离或剥离结构的有机层状硅酸盐能有效延缓SBSMA的老化过程，其抗老化性能与有机层状硅酸盐的性质密切相关。Luo等人（2023）研究了氧化锌/膨胀蛭石复合材料（Z/E）对SBSMA的影响，并报告称Z/E显著提高了SBSMA的抗老化性能。
抗氧化剂和紫外线吸收剂可以通过单一机制提高沥青的抗老化性能，而纳米材料虽然有效，但成本较高，在沥青中的分散性较差，且容易聚集。因此，寻找更合适和实用的抗老化剂至关重要。红泥（RM）是氧化铝生产过程中的副产品，产量巨大，由于其大量的排放物，对环境和经济造成了显著挑战（Alam等人，2017；Bang和Kang，2022；Wang和Liu，2012，2021）。然而，由于其较大的比表面积和发达的孔结构，红泥在沥青抗老化研究中的应用越来越受到关注（Xiao等人，2023a）。一些研究探讨了将红泥作为填料或改性材料用于沥青中的可能性。研究了四种不同矿物粉末与红泥组合对沥青混合料性能的影响，发现含有7%红泥的混合料表现出最好的抗湿性，而含有5%红泥+2%矿物粉末的组合表现出最高的抗车辙性能（Lima和Thives，2020）。此外，Choudhary等人（2018，2020）发现，添加红泥后的沥青混合料表现出更好的刚性、更高的高温性能和抗湿性。Wang等人（2023）研究了各种工业废弃物（包括矿物粉末、粉煤灰和红泥）对SBSMA热氧化老化的影响。结果表明，红泥和硅藻土由于其多孔结构，可以吸附沥青中的自由成分，更有效地延缓轻质成分的挥发和氧气渗透，从而提高SBSMA的热氧化抵抗力。同样，Xiao等人（2023b）将红泥掺入基质沥青中，发现其添加可以有效延缓老化过程。此外，使用有机改性的红泥可以进一步提高基质沥青的抗老化性能。
与传统抗老化剂相比，红泥具有丰富的可用性、低成本和较强的环境可持续性等优点。大多数现有研究直接将红泥作为改性剂加入基质沥青中，或用它替代沥青混合物中的矿物粉末。然而，作为一种无机粉末，红泥直接加入沥青及其混合物中的效果有限。因此，对红泥进行表面改性以提高其在沥青系统中的相容性和功能性能是必要的。尽管如此，关于表面改性红泥对沥青混合物影响的研究相对较少，特别是对其对SBSMA混合物性能的影响。
因此，在本研究中，红泥经过酸处理和偶联剂处理后，作为改性剂用于SBSMA混合物中。为了评估不同红泥处理对混合物性能和抗老化能力的影响，所有样品在老化前后都进行了马歇尔稳定性、低温劈裂和冻融劈裂强度以及间接拉伸疲劳性能的测试。

**2. 实验样品的制备**
**2.1. 原材料**
本研究中使用的红泥来自中国山东省的一家氧化铝精炼设施的废弃物处理场。原始状态下的红泥呈淡黄色粉末状。使用前，通过300目筛子筛选，并在100°C的烤箱中干燥至恒重。红泥的主要化学成分通过X射线荧光光谱法确定，见表1。SBSMA由湖南长沙的Yunzhong Technology有限公司提供，其基本物理性质和技术规格见表2。本研究中使用的化学试剂包括分析级草酸（C2H2O4）、盐酸（HCl）、无水乙醇（C2H5OH）、铝酸盐偶联剂（(C3H7O)x·Al(OCOR)m·(OCOR2)）和钛酸盐偶联剂（C57H112O7Ti）。

**表1. 烧结红泥的主要氧化物**
| 化学类型 | MgO | TiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | SiO2 | CaO2 | 其他 | 含量（wt.%） |
|--------|------|------|------|------|------|------|---------|
| | 1.6 | 10 | 2.9 | 32 | 11.1 | 5 | 9 | 38.2 |
| | | | | | | 17.9 | 9.6 | |

**表2. SBSMA的基本性质**
| 基本性质 | 测试值 | 规定值 |
|--------|------|------|
| 渗透度（25°C，0.1 mm） | 51.0 | |
| 软化点（°C） | 73.8 | |
| 延展性（5°C，mm） | 263.0 | |
| 粘度（135°C，mPa·s） | 2850 | |

**2.2. 混凝土混合料实验用骨料**
沥青混合料实验中使用的骨料是来自湖南长沙Yunzhong Technology采石场的辉长岩。原始骨料中含有土壤颗粒和木屑等杂质，经过水洗和烤箱干燥预处理以确保表面清洁。在制备沥青混合物之前，对处理过的骨料进行了一系列物理性能测试，结果见表3、表4和表5。

**表3. 粗骨料（2.36–13.2 mm）的基本性质**
| 性质 | 测量值 | 规定值 | 方法 |
|--------|------|------|---------|
| 粉碎值（%） | 22.6 | T03 |
| 吸水率（%） | 0.28 | T03 |
| 洛杉矶磨耗（%） | 14.7 | T03 |
| 坚硬度（%） | 5.2 | T03 |
| 表观比重 | 2.83 | T03 |
| 软岩含量 | 0.4 | T03 |

**表4. 细骨料（<2.36 mm）的基本性质**
| 性质 | 测量值 | 规定值 | 方法 |
| 表观比重 | 2.73 | T03 |
| 坚硬度（%） | 7.7 | T03 |
| 砂含量（%） | 69 | T03 |

**表5. 矿物填料的基本性质**
| 性质 | 测量值 | 规定值 | 方法 |
| 表观比重 | 2.81 | T03 |
| 亲水系数 | 0.3 | <1 | T03 |
| 塑性指数（%） | 2.5 | T03 |
| 含水量（%） | 0.05 | T01 |

**2.3. SBSMA的制备**
将总共200克红泥和30克酸依次加入600毫升去离子水中，在65°C下以500 r/min的速度搅拌2.0小时。搅拌后，将悬浮液过滤三次，所得固体在100°C的烤箱中干燥至恒重。然后将干燥后的材料研磨成粒径小于300目的粉末。经过草酸和盐酸处理的RM分别被命名为ORM和HRM。然后，向400毫升无水乙醇中加入3克偶联剂，并快速搅拌直至完全均匀。随后，向乙醇溶液中加入100克ORM或HRM。装有混合物的三颈烧瓶被放置在保持在85°C的水浴环境舱中，以300转/分钟的速度搅拌200分钟，必要时重复泵送过程。结果，制备了四种类型的有机RM，分别命名为OTRM、HTRM、OARM和HARM。装有SBSMA的锡罐被放置在180°C的烤箱中直至完全熔化。接着，将5%的原始RM和各种类型的有机RM（OTRM、HTRM、OARM和HARM）加入熔化的SBSMA中。混合物在4000转/分钟的高剪切速度下混合1.0小时，然后在2000转/分钟的速度下进行机械搅拌1.5小时。整个制备过程中温度保持在180°C。未添加RM的SBSMA样品作为空白对照组，并进行与RM改性的SBSMA相同的制备程序，以消除制备过程中可能引入的任何实验误差。

2.3. 马歇尔设计
SBSMA混合物的混合温度设定为195°C，压实温度保持在170°C。按比例准备的骨料和SBSMA在指定温度下混合90秒，之后加入矿物粉并继续混合90秒。根据JTG E20-2011 T0702规范，使用马歇尔压实机制造标准马歇尔试样。含有不同类型红泥的SBSMA混合物分别被命名为混合物、RM混合物、OTRM混合物、OARM混合物、HTRM混合物和HARM混合物，详见表6。

表6. 含有不同RM的SBSMA混合物。
| 混合物类型 | 酸处理 | 表面改性 |
| -------- | -------- | -------- |
| RM混合物 | -- | -- |
| OTRM混合物 | 草酸 | 锰酸盐偶联剂 |
| OARM混合物 | 草酸 | 氧化铝偶联剂 |
| HTRM混合物 | 盐酸 | 锰酸盐偶联剂 |
| HARM混合物 | 盐酸 | 氧化铝偶联剂 |

2.4. 等级设计
实验设计采用了AC-13等级类型，这是一种广泛用于高级公路铺装的规范。通过系统调整粗骨料、细骨料和矿物填料的比例，开发出符合指定等级范围中点的复合等级。优化的等级参数详见表7，相应的粒径分布曲线如图1所示。

表7. AC-13合成级配范围。
| 参数 | 值 | 筛孔尺寸（毫米） |
| -------- | -------- | -------- |
| 筛孔尺寸（毫米） | 16.0 | 13.2 | 9.5 | 4.7 | 5 | 2.3 | 6 | 1.1 | 8 | 0.6 | 0.3 | 0.1 | 5 | 0.0 | 7 | 5 |
| 等级范围（%） | 100 | 90–100 | 68–85 | 38–68 | 24–50 | 15–38 | 10–28 | 7–20 | 5–15 | 4–8 | 7–20 |
| 中间等级（%） | 100 | 95 | 76 | 53 | 33 | 72 | 61 | 91 | 31 | 10 | 6 |
| 合成等级（%） | 100.0 | 95.1 | 75.9 | 57.4 | 41.6 | 27.6 | 18.6 | 12.0 | 9.0 | 7.2 |

2.5. 最佳油石比
油石比以5.0%作为中值开始，以0.5%为增量方向，建立了五个测试水平：4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%。系统评估了每种油石比下沥青混合物的体积和力学性能（Yue等人，2024年）。六个关键性能指标随油石比的变化在表8和图2中综合呈现。计算分析得出以下结果：总密度（γf）的峰值出现在油石比为5.624%时；马歇尔稳定性（MS）的最大值出现在油石比为5.0%时；而沥青混合物的孔隙率（VV）和沥青填充孔隙（VFA）的中值对应的油石比分别为5.375%和5.120%。这些值得出了初步的最佳沥青含量：OAC1 = (5.624% + 5.000% + 5.375% + 5.120%)/4 = 5.280%。约束分析确定了符合规范的参数限制，如图3所示，OACmin = 5.25%，OACmax = 5.75%。次优沥青含量计算为OAC2 = (5.25% + 5.75%)/2 = 5.50%。最终，通过加权平均确定了设计最佳沥青含量：OAC = (OAC1 + OAC2)/2 = (5.28% + 5.50%)/2 = 5.38%。此外，流动值的缩写为FL，矿物骨料中的孔隙为VMA。

表8. 马歇尔试样的指标。
| 油石比 | γf (g/cm3) | VV (%) | MS (kN) | FL (mm) | VMA (%) | VFA (%) |
| -------- | -------- | -------- | -------- | -------- | -------- |
| 4.0% | 2.37 | 8.16 | 12.5 | 13.19 | 15.36 | 46.90 |
| 4.5% | 2.39 | 7.01 | 13.84 | 3.44 | 15.21 | 15.39 |
| 5.0% | 2.40 | 5.80 | 15.11 | 3.67 | 15.02 |
| 5.5% | 2.41 | 4.71 | 14.04 | 3.81 | 15.24 | 69.08 |
| 6.0% | 2.41 | 3.24 | 13.23 | 4.05 | 15.66 | 79.33 |

2.5. 最佳油石比
油石比以5.0%作为中值开始，以0.5%为增量方向，建立了五个测试水平：4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%。系统评估了每种油石比下沥青混合物的体积和力学性能（Yue等人，2024年）。六个关键性能指标随油石比的变化在表8和图2中综合呈现。计算分析得出以下结果：总密度（γf）的峰值出现在油石比为5.624%时；马歇尔稳定性（MS）的最大值出现在油石比为5.0%时；而沥青混合物的孔隙率（VV）和沥青填充孔隙（VFA）的中值对应的油石比分别为5.375%和5.120%。这些值得出了初步的最佳沥青含量：OAC1 = (5.624% + 5.000% + 5.375% + 5.120%)/4 = 5.280%。约束分析确定了符合规范的参数限制，如图3所示，OACmin = 5.25%，OACmax = 5.75%。次优沥青含量计算为OAC2 = (5.25% + 5.75%)/2 = 5.50%。最终，通过加权平均确定了设计最佳沥青含量：OAC = (OAC1 + OAC2)/2 = (5.28% + 5.50%)/2 = 5.38%。此外，流动值的缩写为FL，矿物骨料中的孔隙为VMA。

图1. 等级曲线。

3. 实验计划
3.1. 傅里叶变换红外光谱
傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于表征RM和OTRM的化学组成和结构特征，以及研究RM与OTRM之间、OTRM与SBS改性沥青之间的相互作用。RM和OTRM样品以粉末形式使用常规压缩模式进行分析，而沥青样品则以衰减全反射（ATR）模式在薄膜中检测。所有测试的光谱范围设定为4000–400 cm–1。

3.2. 马歇尔稳定性
马歇尔稳定性测试按照JTG E20-2011 T0709标准进行。试样首先在60°C的恒温水浴中浸泡30分钟。然后使用马歇尔稳定性仪进行测试，加载速率为50 mm/min。测试过程中，设备自动记录MS和FL。此外，马歇尔模量（T）也进行了计算，该模量间接反映了沥青混合物在高温条件下的抗车辙性和剪切性能（Mistry等人，2019年）。

3.3. 低温 splitting
具体测试程序遵循JTG E20-2011 T0716标准。测量每个试样的高度后，样品在-10°C下 conditioning 6小时。加载速率设定为1 mm/min，测试仪器自动记录最大载荷（PT）和水平变形（XT）。用于计算 splitting 抗拉强度（RT）、抗拉应变（εT）和蠕变模量（ST）的方程如下。

3.4. 冻融 splitting
根据T 0729标准，试样（经过50次压实）分为两组：非冻融组和冻融组。非冻融组存放在室温下。冻融组先进行真空饱和处理，然后在-18°C的冷冻箱中储存16小时，随后在60°C的水浴中储存24小时。测试前，所有试样在25°C的水浴中平衡2小时，然后使用马歇尔稳定性装置进行测试。抗拉强度比（TSR）的计算公式如下。

3.5. 间接抗拉疲劳
试样失效的最大循环次数定义了沥青路面的疲劳寿命。根据混合物的体积密度和体积比计算骨料和粘合剂含量。均匀混合的材料使用回转法压实成?150 mm×120 mm的试样。固化12小时后，试样被取芯并切割成三个?100 mm×40 mm的标准试样。间接抗拉疲劳测试按照EN12697-24E标准进行，安装传感器条，试样在25°C下 conditioning 4小时后再进行测试。加载参数包括100毫秒的脉冲持续时间和400毫秒的休息时间，应力调整以保持初始应变（70–400 μm）。测试在满足指定标准时自动终止。疲劳寿命（Nf）定义为失效的循环次数，应力-疲劳关系使用方程（6）进行建模。

3.6. 老化程序
短期热氧化老化通过在搪瓷盘上均匀铺设沥青混合物并在通风烤箱中以135°C加热4小时来模拟。长期热氧化老化则是将短期老化的混合物压实成马歇尔和回转压实试样，在室温下稳定16小时，然后在强制空气烤箱中加热5天以评估长期热暴露下的性能退化。热氧化老化会降低沥青-骨料的粘附性，导致界面脱粘和结构完整性降低。在本研究中，使用老化指数（AI）来量化老化的影响，较低的AI值表示更好的抗老化性能（Chen等人，2021b；Zhang等人，2021）。短期老化主要评估高温稳定性，而长期老化则关注水分损害和疲劳开裂，通过 splitting 强度、失效应变、刚度模量和冻融比进行评估。AI的值使用方程（7）、（8）、（9）、（10）、（11）、（12）、（13）计算。

4. 结果与讨论
4.1. FTIR分析
有机RM和OTRM改性SBS改性沥青的红外（IR）光谱如图4所示。在RM和OTRM的IR光谱中，分别在450、870、1020、1480和3430 cm–1处出现了明显的特征峰。3430 cm–1处的峰表明存在丰富的羟基（–OH），这有助于RM的亲水性。1020 cm–1和870 cm–1处的峰分别对应于二氧化硅-氧四面体的反对称和对称伸缩振动，反映了RM的硅基结构特征。1480 cm–1处的最显著峰以及450 cm–1处的峰与铝氧八面体的振动有关，进一步证实了RM的化学组成。

图4. RM和SBS改性沥青的红外光谱。
经过钛酸盐偶联剂处理的RM的IR光谱中出现了2850 cm–1和2920 cm–1的新特征吸收峰，这些峰对应于偶联剂分子中C–H键的对称伸缩振动。这表明RM表面与偶联剂之间形成了新的化学键。在混合了OTRM的SBS改性沥青中，红外光谱显示了OTRM和SBS改性沥青的叠加光谱特征。新特征峰的缺失表明OTRM与SBS改性沥青之间的相互作用主要是物理键合，没有发生显著的化学交联反应。

4.2. 高温性能
研究表明，沥青混合物的高温稳定性具有显著的年龄依赖性。它们的抗变形能力随年龄增长而逐渐提高，这突显了初始使用阶段对于评估抗车辙性的重要性。本研究重点关注短期老化前后沥青混合物的高温性能（Nie等人，2012；Zhang等人，2021）。
图5展示了所有SBSMA混合物老化前的马歇尔稳定性测试结果。加入RM后，马歇尔稳定性提高了0.45–1.79 kN，马歇尔模量提高了0.19–0.91 kN/mm，同时流动值降低了0.36–0.08 mm，从而证实了RM在提高高温性能方面的有效性。有机RM进一步改善了MS和T，同时降低了FL，显示出比原始RM更好的抗车辙性。这种改进归因于表面改性，通过偶联剂处理提高了有机RM与沥青的相容性，从而优化了混合物的完整性（Zhang等人，2017）。

图5. 所有混合物样品的马歇尔实验结果。(a) MS。(b) FL。(c) T。
含有不同形式RM的SBSMA混合物在135°C下加热4小时以模拟短期热氧化老化。老化后的马歇尔稳定性结果如图6所示。结果表明，所有SBSMA混合物的马歇尔稳定性都有所提高。这种改善归因于SBSMA在热氧化环境中的硬化和脆化，导致混合物刚度的增加（Ren等人，2020）。此外，RM的加入降低了混合物的马歇尔老化指数，表明老化前后的性能变化较小，从而显示出更好的抗老化性能。这种改进归因于RM的多孔结构，它有助于吸附沥青中的自由成分，从而减少了轻组分的挥发和氧化速率（Fu等人，2020；Wang等人，2021）。这有助于保持沥青胶结料与骨料之间的粘结，使得混合物的马歇尔稳定性变化最小。此外，先前的研究报道，与添加了矿物粉煤灰的沥青混合料相比，RM沥青混合料在老化后的马歇尔稳定性比更低。这种现象可以归因于RM沥青混合料中较高的最佳油石比，这使得骨料之间的沥青膜更不容易老化，从而保持了混合料的稳定性（Choudhary等人，2022年）。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图6. 所有混合料样本短期老化后的马歇尔实验结果。(a) AIMS。(b) AIFL。(c) AIT。根据流动值老化指数结果，SBSMA混合料的流动值在老化后降低，表明这些混合料获得了更高的强度和更好的抗变形能力。然而，如图6(b)所示，添加RM导致老化前后流动值的变化增大，这对混合料的抗老化性能产生了负面影响。这一观察结果与基于马歇尔稳定性老化指数的评估结果不一致。因此，采用了马歇尔模量老化指数进行更全面的评估。如图6(c)所示，添加原始RM提高了SBSMA混合料的马歇尔模量，表明原始RM对混合料的短期抗老化性能产生了负面影响。相比之下，添加有机RM不仅减轻了这种不利影响，还增强了混合料的短期抗老化性能。经过表面改性后，RM从亲水性和疏水性转变为亲油性和疏水性，从而提高了其与沥青的相容性和粘附性。这种增强的界面结合减少了老化前后混合料性能的变化程度。此外，图5和图6中的误差条表明，各种沥青混合料样本的高温性能指数的标准偏差相对较小。这表明同一类型混合料的重复样本之间的变异性较低，从而证实了实验数据的稳定性和可靠性。总体而言，添加RM提高了混合料的短期抗老化性能，而有机RM进一步增强了这种效果。特别是含有OTRM的SBSMA混合料表现出最佳的短期抗老化性能。

4.3. 低温性能
在道路工程中，沥青混合料是主要的铺装材料，其性能稳定性直接关系到道路的使用寿命和维护成本。然而，在长期使用过程中，沥青混合料不可避免地会受到各种因素的影响，导致其性能逐渐恶化（Sun等人，2024年）。这种恶化在低温环境中尤为明显，此时沥青混合料的抗裂性能显著下降，使其更容易受到开裂损伤。因此，本研究评估了沥青混合料在长期老化前后的低温抗裂强度。低温抗裂强度反映了混合料在低温条件下的性能。破坏性拉伸应变反映了混合料在破坏前能够承受的最大变形能力。破坏性强度模量反映了混合料在低温条件下的弹性。测试结果如图7所示。添加原始RM略微降低了SBSMA混合料的低温抗裂强度，表明混合料在低温下能够承受的最大载荷减小。相比之下，添加有机RM提高了低温抗裂强度。经过酸处理和表面改性后，RM中的极性基团减少，团聚现象得到缓解，RM的亲油性使其在沥青中的分散性更好，从而提高了混合料的完整性和刚性（Xiao等人，2023b）。然而，根据低温抗裂结果，破坏性拉伸应变是评估沥青混合料低温抗裂性能的最相关指标。较高的破坏性拉伸应变表明更好的抗低温开裂性能。下载：下载高分辨率图像（936KB）下载：下载全尺寸图像图7. 所有混合料样本的低温抗裂结果。(a) RT。(b) εT。(c) ST。如图7(b)所示，添加RM显著降低了SBSMA混合料的破坏性拉伸应变，表明在破坏前的最大变形能力减小，混合料的低温性能下降。与原始RM相比，添加有机RM减轻了这种负面影响，OTRM混合料的破坏性拉伸应变增加了近400%。破坏性模量的实验结果如图7(c)所示，表明添加RM提高了混合料的破坏性模量。这是因为RM可以在沥青中作为刚性组分，其多孔结构可以吸附部分自由沥青。RM与沥青之间的结合更强，使得混合料更加坚硬和刚性（Guo等人，2020年）。然而，当破坏性强度模量过高时，混合料在低温下可能会变得过于脆硬，导致变形能力降低，更容易开裂和发生脆性破坏。实验结果表明，添加RM提高了混合料在低温条件下的强度，但降低了其低温变形能力，从而对混合料的整体低温性能产生了负面影响。然而，当使用有机RM而不是原始RM时，这种不利影响得到了缓解。长期热氧化老化后的SBSMA混合料的低温性能通过低温抗裂强度老化指数、破坏时拉伸应变老化指数和蠕变模量老化指数进行了评估。相应的实验结果如图8所示。如图8(a)所示，老化混合料的低温抗裂强度降低，而破坏时拉伸应变增加。这可能是由于长期老化导致RM与沥青之间的粘附力减弱，影响了混合料的整体结构完整性。这种效应超过了老化引起的沥青硬化和脆化，导致老化混合料的强度降低。根据拉伸应变老化指数，长期老化对混合料的低温抗变形能力影响最大。未经RM处理的SBSMA混合料的拉伸应变在老化后减少了约12%，超过了低温抗裂强度和蠕变模量相应的变化。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图8. 长期老化后所有混合料样本的低温抗裂结果。(a) AIRT。(b)。(c) AIST。如图8(c)所示，所有样本的蠕变模量在老化后增加。然而，评估RM对沥青混合料抗老化性能的贡献主要取决于三个低温抗裂老化指数接近1的程度。根据实验结果，添加原始RM可能会略微降低混合料的抗老化性能；然而，这种影响很小。相比之下，添加有机RM减少了低温抗裂强度、破坏时拉伸应变和蠕变模量的变化。OTRM混合料的三个老化指数分别为0.943、0.935和1.018，而原始SBSMA混合料的相应指数分别为0.928、0.880和1.05。这些结果表明，有机RM有效地提高了混合料的抗老化性能，OTRM混合料表现出最佳的热氧化老化性能。标准偏差结果显示，添加RM不会增加实验结果数据的标准偏差。所有沥青混合料样本的变异系数均低于10%，表明同一类型混合料的测试样本之间的分散性低，证明了实验数据的稳定性和可靠性。RM富含硅酸盐形式的氧化钙，现有文献证实含氧化钙的填料可以延缓沥青胶体的硬化。因此，添加RM提高了混合料的长期热氧化老化抗性（Yue等人，2024年）。此外，表面改性使RM在混合料中均匀分散，提高了其完整性，抵抗物理硬化，并减缓了沥青从弹性到塑性行为的转变。

4.4. 湿度敏感性
在水浸条件下，SBSMA混合料的沥青与骨料之间的粘结力减弱，导致混合料的整体强度降低。此外，当试样在-18°C条件下处理时，其孔隙中的水会冻结并膨胀，在内部结构中产生拉应力。这种膨胀促进了微裂纹的传播和新裂纹的形成，进一步降低了材料的整体强度。如图9所示，添加RM后，混合料的抗裂强度在冻融循环前后都有所提高。引入有机RM后，这种强度进一步得到增强，因为它与沥青形成了更有效的粘结，提高了混合料的完整性和刚性。然而，在冻融过程后观察到抗裂强度有所降低。因此，可以通过分析冻融过程前后抗裂强度的变化来评估沥青混合料的湿度敏感性。下载：下载高分辨率图像（671KB）下载：下载全尺寸图像图9. 所有混合料的冻融抗裂结果。TSR的虚线图如图9所示。添加RM后，混合料的TSR增加，表明RM提高了混合料的湿度敏感性。这与一些学者的研究结果（Zhang等人，2015年、2019年）相反，可能是由于RM中存在氧化钙等碱性成分，这些成分可以中和沥青中的酸，并增强SBSMA与骨料之间的粘结力，减少了水分损害下沥青粘合剂剥离的可能性。添加有机RM进一步增强了这种效果，OTRM混合料的TSR达到了0.901，比不含RM的混合料高出约0.1。所有混合料长期老化后的冻融抗裂测试结果如图10所示。冻融过程后，混合料的抗裂强度在老化前后都降低了。长期老化后，冻融过程后的抗裂强度增加，导致TSR降低。这表明长期热氧化老化进一步恶化了混合料的湿度敏感性。此外，添加原始RM后，长期老化后的TSR增加，添加有机RM后效果更明显。如图10(c)所示，添加RM提高了混合料的AITSR，表明RM有效增强了混合料的抗老化性能。含有有机RM的混合料的AITSR值增加了约0.06–0.10，OTRM混合料的AITSR最高，证实了其优异的抗老化性能。RM形成的孔结构可以吸附部分自由沥青并减缓氧的扩散，从而抑制氧化硬化和脆化。这增强了沥青混合料的抗老化性能，并延缓了由于老化引起的湿度敏感性降低。此外，RM与偶联剂反应后变得亲水，使其在沥青中更均匀地分散并稳定地结合。这提高了混合料的完整性，进一步增强了其抗老化性能和湿度稳定性。下载：下载高分辨率图像（899KB）下载：下载全尺寸图像图10. 长期老化前后所有混合料的冻融抗裂结果。(a) 老化TSR。(b)。

4.5. 疲劳性能
当沥青材料受到远低于其极限强度的循环应力时，会累积损伤并发生疲劳破坏。所有SBSMA混合料的实验结果如表9所示。为了保持初始水平应变在70–400 με范围内，施加了三个低应力水平（500、600和700 kPa）。测试结果表明，添加原始RM延长了SBSMA混合料的疲劳寿命并降低了初始应力。这表明RM提高了混合料的疲劳性能。这种改善归因于RM较大的比表面积，它提供了优异的沥青吸附性能，从而增强了沥青胶体与骨料之间的粘结力，并有效延缓了裂纹的传播（Xiao等人，2023a）。经过表面改性后，RM的粒径减小，在沥青中的分布更加均匀，提高了混合料的完整性，并在相同应力水平下降低了开裂的可能性（Xiao等人，2023b）。表9。老化前的间接拉伸疲劳实验结果。
混合物类型 | 疲劳寿命（次）/ 标准差 | 水平初始应变（με）
500 kPa | 600 kPa | 700 kPa | 500 kPa | 600 kPa | 700 kPa
混合物 | 6082 | 159 | 346 | 66 | 97 | 185 | 55 | 69 | 174 | 242 | 288
RM混合物 | 6541 | 152 | 380 | 4 | 112 | 200 | 8 | 69 | 161 | 231 | 275
OTRM混合物 | 6968 | 122 | 441 | 9 | 74 | 232 | 3 | 68 | 141 | 206 | 244
HTRM混合物 | 6832 | 145 | 423 | 7 | 90 | 222 | 9 | 66 | 147 | 212 | 251
OARM混合物 | 6673 | 213 | 389 | 6 | 122 | 206 | 59 | 155 | 228 | 259
HARM混合物 | 6506 | 138 | 385 | 5 | 107 | 198 | 7 | 70 | 163 | 229 | 277

根据公式（6），SBSMA混合物的疲劳寿命与应力水平呈非线性关系，并使用双对数坐标绘制在图11中。结果表明应力水平与疲劳寿命之间存在明显的线性相关性，随着应力水平的增加，疲劳寿命减少。含有原始RM的混合物的疲劳寿命曲线位于原始SBSMA混合物之上，且随着有机RM的添加，这一位置进一步上升。这表明含有原始RM的SBSMA混合物在失效前可以承受更多的应力循环，而有机RM的添加进一步增强了这一能力。
下载：下载高分辨率图片（295KB）
下载：下载全尺寸图片

图11. 老化前所有混合物样本的应力水平与疲劳寿命拟合曲线。

此外，标准差结果表明，添加原始RM增加了SBS改性沥青混合物的标准差，表明样本间的疲劳寿命变异性增大，数据稳定性降低。然而，随着有机RM的添加，标准差减小，表明有机RM在混合物中分布更加均匀和稳定。

表10展示了所有混合物样本经过长期热氧化老化后的间接拉伸疲劳实验结果。相应的应力水平与疲劳寿命拟合曲线显示在图12中。与老化前相比，在相同应力水平下，所有样本的疲劳寿命均有所增加。这归因于长期热氧化老化导致沥青混合物的硬化和脆化，这是由于沥青的化学成分和微观结构发生了显著变化。一方面，沥青中的轻质组分挥发，芳香烃和树脂继续氧化和聚合，导致沥青质含量增加，从而增加了沥青的粘度并降低了柔韧性。另一方面，SBS改性剂在热氧化条件下降解，导致弹性成分损失，进一步加剧了材料的硬化和脆化。此外，老化后的拟合图表表明，添加RM的SBSMA混合物能够保持更长的疲劳寿命和更低的初始应变。这表明含有RM的混合物在老化后表现出更好的抗疲劳性和弯曲刚度。

表10. 老化后的间接拉伸疲劳实验结果。
混合物类型 | 疲劳寿命（次）/ 标准差 | 水平初始应变（με）
500 kPa | 600 kPa | 700 kPa | 500 kPa | 600 kPa | 700 kPa
混合物 | 8396 | 163 | 425 | 3 | 115 | 202 | 7 | 95 | 147 | 177 | 226
RM混合物 | 8402 | 177 | 456 | 1 | 135 | 222 | 1 | 90 | 138 | 166 | 216
OTRM混合物 | 8666 | 151 | 492 | 610 | 527 | 24 | 81 | 112 | 415 | 119 | 4
HTRM混合物 | 8779 | 153 | 480 | 210 | 226 | 73 | 77 | 116 | 145 | 201
OARM混合物 | 8846 | 215 | 521 | 10 | 142 | 272 | 2 | 87 | 119 | 147 | 193
HARM混合物 | 8531 | 141 | 432 | 4 | 129 | 212 | 68 | 414 | 717 | 822

下载：下载高分辨率图片（301KB）
下载：下载全尺寸图片

图12. 老化后所有混合物样本的应力水平与疲劳寿命拟合曲线。

基于低温劈裂、冻融劈裂和间接拉伸疲劳的结果，RM通过吸附轻质沥青组分并形成氧气渗透屏障，有效抑制了沥青玛斯的氧化反应和物理硬化，从而提高了混合物的长期热氧化老化性能。此外，有机RM的添加进一步增强了混合物的抗老化性能，其中OTRM在提高SBSMA混合物的抗老化性能方面表现最为显著。

5. 结论
在本研究中，通过调整矿物材料的比例完成了级配设计，并确定了混合物的最佳油石比。采用多种测试方法评估了不同类型有机RM对SBSMA混合物道路性能的影响。通过比较热氧化老化处理前后的性能来评估抗老化能力。主要结论如下：
(1) 添加RM提高了SBSMA混合物的马歇尔稳定性和降低了流动值，表明RM有效增强了混合物的高温性能。然而，红泥降低了低温变形抗性。有机RM的负面影响不如原始RM明显，因为表面处理改善了其分散性并增强了混合物的刚度。
(2) RM改善了混合物的吸湿性，这可能是由于其碱性成分中和了沥青的酸性，并增强了沥青与骨料之间的相互作用。
(3) RM提高了混合物的疲劳寿命并降低了初始应变。其较大的比表面积增强了沥青与骨料之间的相互作用，延缓了裂纹扩展，即使在长期热氧化老化后仍保持了优异的疲劳性能。
(4) 有机RM抑制了短期热氧化老化，在长期老化过程中，RM吸附了部分沥青组分，延缓了氧化反应和硬化过程，减少了性能退化的程度，并显著增强了混合物的抗老化性能。

6. 未来工作建议
本研究调查了各种有机RM对SBSMA混合物性能的影响。研究结果表明，添加RM不仅提高了SBSMA混合物的道路性能和热氧化老化抗性，还有助于降低沥青路面的维护成本。此外，它还减轻了RM积累对环境的影响。然而，由于时间和实验室条件的限制，以下方面尚未得到充分探索：
(1) 本研究对RM进行了酸处理和表面改性；然而，未比较其他改性或处理方法对SBSMA混合物性能的影响。未来的研究应系统地探讨RM经过各种改性或处理后的效果。
(2) 本研究未考察RM用量对SBSMA混合物性能的影响。未来的工作应采用正交实验方法来探索红泥用量与RM类型之间的相互作用。
(3) 实验室老化模拟通常使用一个或几个老化因素（如高温、压力和紫外线）来加速沥青的劣化。然而，很难完全复制实际使用环境中存在的多因素耦合效应，导致老化机制与实际道路性能之间的相关性有限。因此，未来的研究应整合紫外线辐射、高温和压力、动态加载和水侵蚀等因素，以模拟不同气候区的实际环境条件，从而更准确地评估RM对沥青及其混合物的影响。

CRedI作者贡献声明
张恒龙：监督、方法论
曾志江：撰写——初稿、调查
李浩涵：撰写——审阅与编辑
朱晓雅：形式分析

未引用参考文献：
Behnood和Gharehveran, 2019; Sun等人, 2014.