基于DSR的交联聚乙烯改性沥青流变特性研究

陆腾飞，叶群山

(长沙理工大学，湖南　长沙　410114)

基于DSR的交联聚乙烯改性沥青流变特性研究

陆腾飞，叶群山

(长沙理工大学，湖南长沙410114)

陆腾飞(1990—)，在读硕士研究生，研究方向：交通运输工程；

叶群山(1978—)，副教授，研究方向：交通运输工程。

摘要：文章以交联聚乙烯(XLPE)作为改性剂制备交联聚乙烯改性沥青，分析其改性机理，并使用动态剪切流变仪(DSR)对交联聚乙烯改性沥青进行了温度扫描和频率扫描试验。试验结果表明：XLPE能够提高沥青的劲度并增加沥青的弹性成分，改善了沥青的高温稳定性和抗流动变形能力。

关键词：交联聚乙烯；改性沥青；温度扫描；频率扫描；流变特性

0引言

沥青作为使用最广泛的路面材料之一，凭借其优越的使用性能和行车舒适性被大规模地应用到公路建设中，由于交通量的迅猛增加、车辆重载化以及夏天的持续高温天气，使得沥青路面出现车辙等高温破坏，而在北方寒冷地区更容易出现低温开裂；这就需要对沥青路面的性能进行改善，改性沥青是改善沥青路面性能最主要的方法。

现阶段最常用的道路改性沥青都是聚合物改性沥青，聚合物改性沥青由于其改性剂性质的不同表现为沥青性能的差别[1]；橡胶类改性剂如丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、丁二烯橡胶(BR)等，当温度较低时沥青变硬变脆而橡胶富有弹性，当受到外力时改性剂能够起到增韧增塑的作用，因此橡胶类改性沥青具有良好的低温性能，同时橡胶的大分子吸附了沥青的轻质油份，对沥青的高温性能也有一定的提升。树脂类改性剂主要有乙烯—乙酸乙烯脂共聚物(EAV)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等，树脂类改性剂与沥青有良好的相容性，沥青中的芳香类小分子能够进入树脂改性剂的大分子中发生溶胀，在高温条件下吸附了轻质小分子的分子链能够阻滞沥青分子的流动，对沥青的高温性能有着很好的提升；最常用的热塑性弹性体是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)[2]，SBS兼有橡胶和塑料的性质，塑料性质能够使SBS在加工时有塑料的流动性，易于加工，橡胶性质能够使材料具有弹性性质而无需交联，在沥青中作为改性剂能够同时改善沥青的高温性能和低温性能，成为性能最好、使用最广的沥青改性剂。

1改性剂XLPE及改性机理浅析

交联聚乙烯(XLPE)是通过物理或化学方法把线型的聚乙烯分子通过共价键交联成三维空间网状结构的一种改性聚乙烯，与传统的聚乙烯(PE)相比，交联聚乙烯(XLPE)具有以下几个特点[3，4]：(1)具有更好的耐热性能。由于XLPE相互交联的分子链之间通过共价键链接在一起，即使在高温下交联的分子链也不会分开，这种特点能够很大程度上提高XLPE的耐热性能。(2)具有更好的机械性能。XLPE中分子之间通过化学键链接，它的硬度、强度、耐磨损和抗冲击性能都有显著的提高，弥补了聚乙烯(PE)在受环境应力时强度不足的缺点。(3)具有更好的化学稳定性。XLPE稳固的三维空间网状结构对抗酸碱腐蚀、抗油腐蚀性能都有更好的提升。通过高速剪切将XLPE融入基质沥青中后，沥青中的芳香类小分子能够进入XLPE改性剂的大分子中发生溶胀，使得大分子链能够在沥青中舒展并均匀分散在沥青中，同时XLPE的分子链间通过交联形成的空间网状结构限制了沥青胶体的流动性，对沥青的高温性能有着很好的提升[5]。

2试验材料和试验方法

2.1　原材料

本研究中采用的基质沥青为湖南宝利沥青有限公司生产的70#重交沥青，表1为其相关技术指标值。XLPE改性剂为通过将聚乙烯(PE)化学交联自制所得。

表1　70#沥青技术指标表

2.1　交联聚乙烯改性沥青制备和试验方案

本研究中XLPE掺量分别为3%、5%、7%；在180 ℃温度下以4 000转/min的转速对掺配的沥青高速剪切90 min制得交联聚乙烯改性沥青。

本文以动态剪切流变仪(DSR)对交联聚乙烯改性沥青进行了温度扫描和频率扫描试验，其中温度扫描试验温度范围为30 ℃~78 ℃，目标应变值为12%，加载频率为10 rad/s；频率扫描试验温度为60 ℃，目标应变值为1%，加载频率为0.1~100 Hz。

3试验结果分析

3.1　温度扫描试验

通过温度扫描试验可以得出沥青在不同温度下的车辙因子G*/sinδ、复数剪切模量G*和相位角δ变化情况，以基质沥青和成品SBS改性沥青作为对比来分析交联聚乙烯改性沥青的特性，试验结果如图1~3所示。

图1　沥青车辙因子G*/sinδ随温度变化曲线图

图2　沥青复数剪切模量G*随温度变化曲线图

图3　沥青相位角δ随温度变化曲线图

从图1和图2可以看出五种沥青车辙因子G*/sinδ和复数剪切模量G*随着温度的升高有着相似的变化规律，在温度由30 ℃升高到78 ℃的过程中，沥青的车辙因子G*/sinδ和复数剪切模量G*都减小，其中基质沥青减小的速率最快，SBS改性沥青的减小速率略小于交联聚乙烯改性沥青。这是由于SBS改性剂和XLPE改性剂的在试验温度范围内具有良好的弹性和较高的强度，并且改性剂在沥青中吸附轻质油分，改性剂的长链舒展后形成空间网状结构，阻滞了沥青胶体在高温下的流动，使得沥青的车辙因子G*/sinδ和复数剪切模量G*都得到提升，并随着改性剂掺量的增加而变大。由此可以看出XLPE改性剂能够明显改善沥青的高温性能，提高沥青在高温状态的抵抗变形能力，其改善效果甚至还优于SBS改性剂[6]。

相位角δ的大小能够表现出沥青粘弹特性，从图3可以看出随着温度升高沥青的相位角δ都变大，说明在温度升高的过程中沥青的弹性成分减小而黏性成分增大，其中基质沥青相位角增加速率最快，SBS改性沥青相位角δ的变化最缓慢，但在60 ℃以下交联聚乙烯改性沥青的相位角δ要比SBS改性沥青的还要小，说明XLPE改性剂能够显著提升沥青的弹性性能，对沥青的高温性能改善效果非常明显。

3.2　频率扫描试验

在频率扫描试验中，加载频率的大小代表了实际路面上汽车行驶速度的快慢，沥青路面在车辆高速行驶时的性能状态可以通过高频区沥青的性能来反映，同样低频区沥青的性能也能在一定程度上描述沥青路面在车辆低速行驶时对路面的影响，例如在停车场、收费站位置车辆对沥青的低速荷载，在超低频区甚至可以描述道路在斜坡处受自重蠕变荷载的影响。

下页图4为沥青复数剪切模量G*随频率变化的结果，可以看出沥青的复数剪切模量G*随着频率的降低而变小，这也解释了沥青路面在停车场、收费站等低速行驶或者急刹车处比行驶路面上更容易发生车辙的原因；在高频区5%掺量的交联聚乙烯改性沥青的复数剪切模量G*最大，在低频区其复数剪切模量G*与SBS改性沥青相近，说明XLPE改性剂在较广的车辆行驶速度即加载频率范围内都能够提高沥青抗变形能力；下页图5中复数黏度η*是随着频率的增大而减小的，这是由于高聚物的剪切变稀现象造成的，可以发现交联聚乙烯改性沥青剪切变稀现象要弱于SBS改性沥青；在1~100Hz频率的范围内，交联聚乙烯改性沥青的复数黏度η*比SBS改性沥青和基质都要高，在<1Hz的低频区联聚乙烯改性沥青的复数黏度η*比SBS改性沥青略低，说明XLPE能够在较广的频率范围内提高沥青的黏性，使其抵抗流动变形能力增大，从而提高其强度性能；图6相位角δ随频率增大变小，交联聚乙烯改性沥青的相位角δ在整个试验频率范围内都要小于基质沥青，说明XLPE增加了沥青的弹性成分，提高了其抗变形能力，与复数剪切模量G*和复数黏度η*的分析相一致。

图4　沥青复数剪切模量G*随频率变化曲线图

图5　沥青复数粘度η*随频率变化曲线图

图6　沥青相位角δ随频率变化曲线图

4结语

(1)XLPE改性剂使得沥青的车辙因子G*/sinδ和复数剪切模量G*增高，相位角δ降低，提高了沥青的劲度并增加沥青的弹性成分；

(2)在0.1~100Hz频率范围内，沥青的复数黏度η*和复数剪切模量G*都有着显著的提升，在高频区的改善效果最为明显，说明XLPE改性剂对沥青的高温性能有很大的改善。

参考文献

[1]沈金安.改性沥青和SMA路面[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2]扬军.聚合物改性沥青[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]刘新民，崔涛，李琳.交联聚乙烯的应用及技术进展[J].合成树脂及塑料，2003，20(5)：52-60.

[4]陈宝盛.交联电缆发展状况和硅烷交联的生产工艺[J].电线电缆，1997(2)：17-22.

[5]Martin L.G.New Polymer-modified Functionalized Asphalt Compositions and Methodsof Preparation[P].U.S.，P5348994，1995-09-07.

[6]张争奇.聚乙烯塑料改性沥青性能研究[J].西安公路交通大学学报，2000，21(4)：14-18.

Research on Rheological Properties of Cross-linked Polyethylene Modified Asphalt Based on DSR

LU Teng-fei，YE Qun-shan

(Changsha University of Science & Technology，Changsha，Hunan，410114)

Abstract：With cross-linked polyethylene(XLPE)as the modifier for preparing the cross-linked polyethy-lene modified asphalt，this article analyzed its modification mechanism，and conducted the temperature scanning and frequency scanning tests on cross-linked polyethylene modified asphalt by using the dy-namic shear rheometer(DSR).The results showed that：XLPE can improve the stiffness of asphalt and increase the flexibility component of asphalt，which improved the high-temperature stability and flow de-formation resistance.

Keywords：Cross-linked polyethylene；Modified asphalt；Temperature scanning；Frequency scanning；Rheological properties

文章编号：1673-4874(2015)12-0015-04

中图分类号：U415

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.003

作者简介

收稿日期：2015-11-20