聚乙烯對膠粉改性瀝青及其混合料性能的影響研究

李 琨，卞俊威，韓 鵬，孫雪琦

(1山東省調水工程運行維護中心，山東濟南 250000；2山東省水利科學研究院，山東濟南 250000)

隨著人民生活質量的不斷提高，汽車擁有量也在不斷攀升，隨之而來的是汽車出行比例增加，路面負重不斷加大，尤其是重載車輛，將會加快路面病害的出現，對于路面耐久性能帶來了極大的挑戰。相對于水泥路面，瀝青路面以其行車舒適性高、維修養護方便和工期短等優點取得了較大的應用，瀝青路面耐久性很大程度上取決于路面材料的性能，如何在提高瀝青路面使用性能的同時又能兼顧經濟性，是道路工程領域專家和研究學者的共同研究課題。

近幾年有關橡膠瀝青研究頗多，不但解決了廢舊輪胎長期堆放的“黑色污染”問題，而且提高了瀝青路面性能，尤其是脫硫橡膠瀝青，解決了普通橡膠瀝青存在的存儲穩定性差、易離析以及高黏度帶來的施工困難等問題[1-2]。但脫硫橡膠瀝青也存在一定不足，如相對于普通橡膠瀝青，其高溫穩定性相對較差，無法滿足高等級路面對于高溫抗車轍變形能力的要求。研究表明[3-4]，聚乙烯在提高瀝青路面高溫性能方面具有很大優勢。本文通過將聚乙烯加入脫硫橡膠瀝青中，研究聚乙烯用量對于脫硫橡膠瀝青性能的影響，以期為工程實踐提供有利參考價值。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料性能

試驗原材料主要是基質瀝青、廢胎膠粉和PE改性劑、礦料等。其中基質瀝青采用的是東海70號A級道路石油瀝青，其相關技術指標見表1。廢胎膠粉采用四川某新材料科技公司生產的40目脫硫膠粉，外觀為黑色顆粒物，橡膠含量為52%，灰分為4.5%，它是由硫化廢膠粉經過深度脫硫技術獲得的表面活性較高的一種脫硫膠粉[5]。聚乙烯是一種價格低廉的熱塑性樹脂材料，它是經聚乙烯聚合而得，常用的聚乙烯主要分為高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和低密度線型聚乙烯，有研究表明[6-7]低密度線型聚乙烯在提高瀝青路面性能方面效果最好，因此試驗中采用低密度線型聚乙烯進行研究。在進行瀝青混合料性能研究時粗集料采用玄武巖，細集料為石灰巖，填料為石灰巖磨細的礦粉，各種礦料技術性能均滿足規范要求。

表1 基質瀝青技術性能Table 1 Technical performance of matrix bitumen

1.2 試驗方案

研究表明[8]，脫硫膠粉用于制備改性瀝青的摻量宜為16%～18%，本文在試驗時脫硫膠粉用量取固定值18%，并改變PE用量，其取值分別為1%、3%、5%，用于評價不同用量PE對于脫硫膠粉改性瀝青及其混合料的影響規律。

首先從針入度、軟化點和延度等角度分析不同PE用量的脫硫膠粉改性瀝青常規性能，并在此基礎上研究PE用量對于復合改性瀝青的高溫和低溫流變性能的影響。實踐表明[9]，橡膠瀝青混合料更適合采用間斷級配，因此試驗選擇AR-SMA-13間斷級配，其合成級配見表2。室內成型300mm×300mm×50mm車轍板試件，并依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的T0719-2011試驗方法研究不同用量PE的膠粉改性瀝青混合料高溫抗車轍性能。將成型好的車轍板試件切割成250mm×30mm×35mm小梁試件，按規程T0715-2011試驗方法，利用MTS萬能材料試驗機測試復合改性瀝青混合料的低溫抗裂性。成型標準馬歇爾試件，并按照規程T0709-2011和T0729-2000試驗方法評價PE/膠粉改性瀝青混合料的抗水損害性能。

表2 AR-SMA-13級配組成Table 2 Composition of the AR-SMA-13 grade division

1.3 改性瀝青制備工藝

首先將基質瀝青在140℃烘箱中加熱至熱熔流動狀態，然后利用燒杯稱取一定質量基質瀝青置于墊有石棉網的電爐上，緩緩加入18%脫硫膠粉并用玻璃棒不斷順著同一方向攪拌5min，持續加熱至175℃并保持該溫度，采用高速剪切儀以4500轉r/min速率持續剪切30min，使膠粉均勻分散于瀝青中。然后將按比例稱取的PE改性劑緩緩加入橡膠瀝青中，調整高速剪切速率為3000r/min，持續剪切45min，然后移至160℃恒溫烘箱中保溫發育1h后即可完成PE/膠粉改性瀝青制備[10]。

2 瀝青性能

2.1 常規性能

為研究PE用量對于膠粉改性瀝青膠結料常規性能的影響，得到圖1試驗結果。

圖1 PE用量對于瀝青三大指標性能的影響Fig.1 Influence of PE dosage on the three major indexes of asphalt

從圖1看出，隨著PE用量增加，瀝青的針入度和延度逐漸減小，軟化點逐漸升高，說明一定量PE能夠增強膠粉改性瀝青的抵抗剪切破壞能力，提高其熱穩定性，但降低了改性瀝青在低溫的延展性和抗裂性。

2.2 高溫流變性能

利用動態剪切流變儀分別對摻不同量PE的膠粉改性瀝青進行溫度掃描試驗，溫度掃描范圍為52～82 ℃，試驗采用應變控制模式，加載頻率為10rad/s，以試驗得到的復數剪切模量G*和相位角δ及計算出的車轍因子G*/sinδ為評價指標，結果如圖2～圖4所示。

圖2 復數剪切模量G＊與溫度的關系Fig.2 Complex shear modulusG＊versus temperature

復數剪切模量G*反映了瀝青材料的抵抗變形能力。從圖2可以看出，隨著溫度升高，三種PE摻量的復合改性瀝青的復數剪切模量G*逐漸降低，最終趨于相對平穩狀態，這是由于在溫度升高時，瀝青材料作為黏彈性材料，其成分逐漸從彈性成分轉變為黏性成分，材料逐漸“變軟”。而在同一溫度下隨著PE用量增大，G*逐漸增大，說明PE可以增強膠粉改性瀝青的高溫抗變形能力。

相位角是瀝青材料黏彈性比例的參數，當相位角為0°時其為一種理想的彈性材料，當相位角為90°時其為一種理想的黏性材料。從圖3可知，隨著溫度升高，四種改性瀝青相位角逐漸增大，說明溫度升高時瀝青材料的彈性成分向黏性成分轉變。在同一種溫度時相位角隨著PE用量增加而減小，說明加入聚乙烯后改善了膠粉改性瀝青在高溫時的彈性性能，提高了高溫抗變形能力。

圖3 相位角δ與溫度的關系Fig.3 Phase angle δ versus temperature

車轍因子反映瀝青材料在高溫時的抵抗車轍能力，其值越大，抗車轍能力越強。從圖4可以發現，隨著溫度升高，四種改性瀝青車轍因子逐漸減小，并在70℃后趨于穩定，在同種溫度下隨著PE用量增大，其車轍因子越高，說明聚乙烯可以明顯增強膠粉改性瀝青的高溫抗車轍和抗永久變形能力。

圖4 車轍因子與溫度的關系Fig.4 Relationship between rut factor and temperature

2.3 低溫流變性能

為評價PE/膠粉改性瀝青膠結料的低溫流變性能，采用低溫彎曲梁流變儀對不同用量PE的膠粉改性瀝青進行低溫BBR試驗，試驗溫度為-12℃和-18℃、-24℃，以試驗第60s時的蠕變速率m和蠕變勁度S為評價指標，其中m應不小于0.3，S不大于300MPa。試驗結果如圖5和圖6所示。

圖5 蠕變勁度S與溫度的關系Fig.5 Relationship between creep strength S and temperature

圖6 蠕變速率m與溫度的關系Fig.6 Relationship between creep rate m and temperature

從圖5和圖6可知，隨著溫度降低，蠕變勁度S持續增大，蠕變速率m值逐漸減小。在同一溫度下，隨著PE用量增加，S值也隨著增大，m值隨之減小，當溫度為-24℃時四種瀝青材料的S值均已明顯大于300MPa，摻加PE的改性瀝青在-18℃時m值已低于0.3。因此，從試驗結果看，摻加PE并不能提高膠粉改性瀝青的低溫抗裂性，反而起到相反的作用，這與前文延度試驗結論相一致。

3 瀝青混合料路用性能

3.1 高溫穩定性

研究表明[11]，瀝青路面產生車轍、推移和擁包等破壞主要是由于瀝青混合料高溫穩定性不足所導致。在高溫季節，瀝青作為一種黏彈性材料受熱會變軟，此時在車輛荷載的反復作用下，瀝青路面逐漸出現不可逆的塑性變形，隨著變形量不斷增大從而形成車轍。實踐表明，車轍試驗能夠很好地模擬瀝青路面在高溫和車輛荷載作用下的實際狀況。本文采用車轍試驗來評價PE/膠粉改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力，溫度環境為60℃，加載頻率為42次/min，以試驗開始后第45min至60min之間的動穩定度作為評價指標，試驗結果見表3。

表3 車轍試驗結果Table 3 Rut test results

從表3可以看出，隨著PE用量增加，車轍變形量逐漸減小，動穩定度逐漸增大，相對于不摻PE的膠粉改性瀝青混合料，摻1%、3%和5% PE對應的動穩定度分別增大了7.1%、25.0%和36.4%。說明一定量PE可以增強膠粉改性瀝青混合料的高溫抗永久變形能力和抗車轍能力?？赡苁怯捎诩尤隤E后，形成以膠粉為結點、PE均勻分散其中的網狀穩定結構，限制了瀝青分子在高溫狀態下的流動，提高了高溫穩定性。

3.2 低溫抗裂性

瀝青混合料作為一種黏彈性材料，當溫度較低時，材料的脆硬性會增加，柔韌性降低，尤其是外界溫度突然降低時，內部材料的溫度應力來不及釋放，當這種應力大于材料自身拉應力時便會形成裂縫，路面開裂后會嚴重影響道路的使用壽命和服務質量。利用低溫小梁彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗溫度為-10℃，試驗結果見表4。

表4 低溫小梁彎曲試驗結果Table 4 Low-temperature trabecular bending test results

從表4可以看出，隨著PE用量增加，瀝青混合料的彎拉應變逐漸增大，勁度模量減小，結果表明摻入PE對于瀝青混合料低溫性能有一定改善作用，可提高膠粉改性瀝青混合料的低溫抗裂性，但該結論與前文瀝青膠結料的延度和低溫彎曲梁流變試驗結論相反。結合聚乙烯自身材料特性，其玻璃化溫度相對較低，一般為-90℃，即當溫度低于-90℃時PE才會變得脆硬，因此正常狀況下其較低的玻璃化溫度理應是成為PE改性瀝青具有較好低溫抗裂性的基礎條件，故關于PE/膠粉改性瀝青膠結料的低溫性能評價方法還需進一步專題研究。

3.3 水穩定性

研究表明[12]，路表水通過裂隙或空隙滲透到結構內部，在車輛荷載作用下內部會形成動水壓力，當這種壓力超過集料與瀝青界面的粘附力時，瀝青薄膜便會從集料表面脫落形成水損害。目前主要采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩定性，試驗結果見表5和表6。

表5 浸水馬歇爾試驗結果Table 5 Results of the submerged Marshall test

表6 凍融劈裂強度試驗結果Table 6 Results of freeze-thaw split strength test

從表5和表6可以看出，兩種試驗結論是一致的，隨著PE用量增加，殘留穩定度和劈裂強度比逐漸增大，說明加入PE可以增強改性瀝青膠結料的界面粘附性，有效降低瀝青結合料從集料表面脫落，提高膠粉改性瀝青混合料的水穩定性。

4 結論

（1）從三大指標結果看，摻加PE可提高軟化點，降低針入度，提高改性瀝青的高溫穩定性和黏稠度，但延度有所減小，降低改性瀝青的低溫延展性能。

（2）從DSR和BBR流變性能試驗結果可知，摻加PE能夠提高膠粉改性瀝青的高溫彈性恢復能力，提高其高溫抗車轍永久變形能力，但摻入PE降低了膠粉改性瀝青的低溫抗裂性。

（3）從路用性能試驗結果發現，隨著PE用量增加，動穩定度、殘留穩定度和劈裂強度比等指標相應增大，PE提高了膠粉改性瀝青混合料的高溫抗車轍、抗永久變形能力和抗水損害能力。但在低溫性能方面，隨著PE用量增加，彎拉應變逐漸增大，勁度模量減小，摻入PE能夠提高膠粉改性瀝青混合料的低溫抗裂性，但這與瀝青膠結料的延度和低溫彎曲梁流變試驗結論相反，因此需進一步進行研究。