PE对沥青及沥青混合料性能影响研究

刘少鹏， 黄卫东， 纪淑贞

(1．同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海　201804；　2.交通运输部规划研究院， 北京　100028；3．上海群康沥青科技有限公司， 上海　200433)



PE对沥青及沥青混合料性能影响研究

刘少鹏1，2， 黄卫东1， 纪淑贞3

(1．同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海201804；2.交通运输部规划研究院， 北京100028；3．上海群康沥青科技有限公司， 上海200433)

[摘要]通过常规沥青指标试验、PG分级试验对沥青结合料进行测试，采用单轴压缩试验、车辙试验、BFA疲劳试验测试混合料性能。沥青结合料试验表明：经湿法加入PE颗粒，沥青的软化点、复数模量及车辙因子得到明显提高； PE改性沥青的劲度模量及蠕变速率与基质沥青相比变化不明显，认为PE对低温性能影响较小。混合料试验表明：PE颗粒可以显著提高沥青混合料的静态模量及动稳定度，湿法改性比干法效果更为明显；当湿法HDPE掺量为6%时，动稳定度比干法提高了48.7%；HDPE较LLDPE、废旧PE更有优势。经过验证，湿法改性对混合料路用性能的改善效果比干法更为明显。

[关键词]道路工程; PE; 湿法; 模量; 单轴压缩试验; 疲劳性能

0前言

聚乙烯(Polyethylene)简称PE，是指由乙烯单体经自由基聚合而成的线性聚合物，具有同烷烃相似的结构，属于高分子长链脂肪烃[1, 2]。PE对沥青性能的提高，主要是PE形成的网络结构束缚了沥青分子的移动，因而扩大了粘弹性域[3]，降低了沥青的感温性能，提高了使用性能[4, 5]。

PE颗粒是一种较为常见的高模量改性剂。本文同时借鉴法国的高模量沥青混凝土(HMAC)技术[6，7]，其原理是通过提高沥青混凝土的模量，减轻路面在车辆荷载作用下产生的变形，提高路面抗高温变形能力，并改善路面的疲劳性能，延长路面的使用寿命。

本研究的改性理念是先将PE掺加到沥青中对沥青进行改性，得到PE改性沥青，之后再将其作为结合料使用，即湿法改性。通过对PE的湿法改性效果进行研究，探索湿法改性PE高模量沥青及其混合料的合理性。

1试验材料及级配设计

1.1沥青

基质沥青材料选用ESSO 70#重交石油沥青，其性能指标见表1，结果满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ F40-2004)对于70#基质沥青的要求。

表1 埃索70#基质沥青常规指标检测结果Table1 ConventionaltestresultsforESSO70#试验项目实测值规范要求试验方法针入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)65.8 60～80T0604软化点(环球法)/℃49.6 ≥46 T0606粘度(135℃)/(Pa·s)0.52 /T0625溶解度/%99.8 ≥99.5T0607闪点(COC)/℃276 ≥260 T0611密度/(g·cm-3) 1.025实测T0603延度(5cm/min,15℃)/cm>150 ≥100 T0605质量变化,%0.2 ≤0.8T0609薄膜加热试验(163℃,5h)残余针入度比/%76 ≥61 T0604延度(15℃)/cm57.2 ≥15 T0605

1.2集料

选用粗集料(≥4.75mm)为江苏茅迪玄武岩，细集料(2.36mm以下各档)为石灰岩，填料采用普通硅酸盐水泥。集料密度见表2所示。

表2 集料密度Table2 Densityofaggregate集料种类粒径/mm表观密度/(g·cm-3)毛体积密度/(g·cm-3)13.22.9242.864玄武岩9.52.9252.8544.752.9322.8512.362.708/1.182.698/石灰岩0.62.696/0.32.700/0.152.699/0.0752.645/矿粉2.75

1.3PE

聚乙烯按密度不同可分为低密度聚乙烯(Low Density Polyethylene，简称LDPE)、高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，简称HDPE)和线性低密度聚乙烯(Line-Low Density Polyethylene，简称LLDPE)。

笔者主要选择了具有代表性的HDPE、LLDPE、废旧PE 3类中的4种PE对沥青进行湿法改性，通过改性沥青所表现的性能初步对PE的效果及掺加量进行研究。

对于PE掺量，根据以往工程经验，首先以外掺6%作为基准，对几种PE所配制的沥青进行研究。沥青加工温度定为180℃，利用小型对流式拌和设备进行搅拌，拌和时间为1.5h。

2试验方法与级配设计

2.1常规试验

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，分别测试改性沥青的针入度、软化点、135℃粘度等常规性能。

2.2PG分级试验

① 动态剪切流变试验(DSR)。

采用动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer，简称DSR)，对原样沥青及RTFOT老化后残留沥青试样分别进行两次动态剪切试验，以G*/sinδ作为评价沥青结合料高温性能的重要评价指标。

② 弯曲梁流变试验(BBR)。

通过量测沥青结合料在路面最低设计温度下的蠕变劲度S和蠕变速率m值来反映沥青结合料的抗低温开裂性能。

2.3单轴压缩试验

采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ E20-2011)中T0713-2000沥青混合料单轴压缩试验所规定的试验方法测定试件的静态抗压回弹模量。根据规范采用静压法成型，试件尺寸采用Φ100mm×100mm，试验温度按照试验规程的要求采用20℃。

沥青混合料试件的抗压回弹模量按式(1)、式(2)计算：

(1)

(2)

式中： qi为相应于各级试验荷载Pi作用下的压强，MPa；Pi为施加于试件的各级荷载值，N；E′抗压回弹模量，MPa；qs为相应于第五级荷载时的荷载压强，MPa；h为试件轴心高度，mm；ΔLs为相应于第五级荷载时经原点修正后的回弹变形，mm。

2.4车辙试验

采用车辙试验评价混合料的高温稳定性能，试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20-2011》T0719-2011。

2.54点弯曲梁疲劳试验

为了更好地模拟沥青路面的受力方式，与国外研究保持一致，采用澳大利亚IPC公司产四点弯曲试验机BFA，BFA为气动伺服提供动力，相比MTS用的疲劳小梁，BFA小梁尺寸较大，控制更为精确，以及BFA使用精度更高的位移和力传感器从理论角度会使得试验结果更加准确。另外BFA自带恒温环境箱，密闭性能良好，在中控器上有温度传感器接口，可以实时记录试验温度，环境箱也可用于实现不同温度下的疲劳试件，温度可控制在-20℃至60℃，精度达0.1℃。试验参数如表3所示。

表3 试验控制参数Table3 Testcontrolparameters加载方式加载波形应变水平/με温度/℃频率/Hz是否间歇应变控制半正弦200,3001510否

2.6混合料级配及沥青用量确定

参照法国高模量技术规范，初步选定了两种级配进行研究，通过混合料试验发现，级配二在高沥青用量下具有优势，因此选取级配二进行进一步研究。各筛孔通过率见表4。基于高沥青用量、低空隙率及疲劳耐久性能要求，沥青用量确定为湿法5.3%(其中PE占0.3%)、干法为5.0%(掺加PE 0.3%)，目标空隙率定为3.0%。

表4 混合料级配Table4 Themixturegradation筛孔尺寸/mm级配一级配二筛孔尺寸/mm级配一级配二161001001.182421 13.2 95 800.61715 9.5 75 620.31110.5 4.75 50 350.15 8 8 2.36 35 270.075 7 7

3沥青结合料性能

3.1PE改性沥青常规指标

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的规定对制备得到的PE改性沥青进行常规指标测定。结果如表5所示，直观对比如图1。

由表5可知: PE的加入可明显提高基质沥青的软化点及135 ℃粘度，其中HDPE与LLDPE1#效果尤为明显，LLDPE1#改性沥青的软化点超过100 ℃；将沥青样品静置后发现，LLDPE1#上浮结壳，出现了严重离析，这影响到试验结果的准确性。通过对135℃粘度分析发现，LLDPE1#掺量在6%时135℃粘度达到3.5Pa.s，出于施工和易性考虑，改性沥青135℃粘度应尽量小于3Pa.s，因此6%掺量的LLDPE1#不能满足规范要求，而HDPE符合要求。

表5 6%掺量下不同PE对沥青的改性效果Table5 ThemodificationeffectsusingdifferentPEPE类型针入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)软化点/℃135℃粘度/(Pa.s)HDPE34.685.32.71LLDPE1#29.6>1003.5废旧PE31.762.42.54LLDPE2#38.5581.96

图1　HDPE与LLDPE1#改性沥青针入度、软化点和粘度　的随掺量变化趋势对比Figure 1　Penetration， softening point and viscosity change 　trend with dosage

将HDPE与LLDPE1#进行不同掺量下其对沥青性能的改善效果研究，其中HDPE掺量采用4%、5%、6%、7%，LLDPE1#掺量取4%、5%、6%，分别采取同样的条件配制沥青。沥青指标测试结果如表6，各项指标随PE掺量变化趋势如图1。

结合表6及图1、2、3可知: HDPE与LLDPE1#的加入可显著提高沥青的软化点，且随着掺量的增加软化点呈现出不同程度的上升趋势，其中LLDPE1#对软化点的提高尤为显著。针入度随着掺量的增加，出现较为显著的下降，同样LLDPE1#对针入度的影响更为显著。135℃粘度随着PE掺量的上升也呈上升趋势，当HDPE跟LLDPE1#掺量分别增加到7%与6%时，粘度都已超过3Pa·s。

表6 2种PE在不同掺量下沥青基本指标Table6 ConventionalindicatorsunderdifferentdosagePE类型针入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)软化点/℃135℃粘度/(Pa.s)LLDPE1#6%29.6>1003.5LLDPE1#5%31.191.82.72LLDPE1#4%41.161.51.74HDPE7%23.6>1003.12HDPE6%34.685.32.71HDPE5%39.576.32.17HDPE4%45.464.41.58

分析其原因可能是因为，在高温及搅拌作用下PE颗粒可以均匀地分散于沥青中，使沥青胶体通过PE细小颗粒连接在一起，同时PE颗粒吸收沥青中的油分溶胀，引起沥青中沥青质的含量相对增加，从而改变了沥青的胶体结构和粘弹性质，增强了沥青抵御外力的能力，PE颗粒在沥青形成的连续网状结构[8]限制了沥青胶体体系的流动性，使沥青的变形能力降低，改善了沥青的抗变形能力和沥青在高温下的强度。

综合储存稳定性、粘度等方面考虑，HDPE在沥青中的掺量可初步定为6%，而LLDPE1#的掺量定为5%，进行混合料试验。

3.2PE改性沥青SHRP指标

3.2.1动态剪切流变试验(DSR)

选取HDPE、LLDPE1#在6%掺量下的改性沥青原样进行动态剪切流变试验，并与基质沥青进行比较，试验结果见表7，图2，图3。

结合表7、图2、图3可知: PE改性沥青的复数模量G*与基质沥青相比提高了6倍以上，而相位角δ与基质沥青相比有较为明显的下降，HDPE改性沥青的相位角下降幅度更大，δ值由原来的87.4°下降为73.3°；这说明相对于基质沥青，PE改性沥青的弹性特征提高幅度要高于粘性特征。因此，PE改性沥青的车辙因子(G*/sinδ)与基质沥青相比可以提高6～8倍以上，PE的加入可以很好地改善沥青的抗高温变形能力。

表7 沥青DSR试验结果Table7 TestresultsofDSR沥青类型温度/℃振动应力/PaG*/PaHDPE60164.216460LLDPE1#60135.913710基质沥青60287.12394δ/(°)应变(G*/sinδ)/kPa(G*.sinδ)/kPa73.30.998617.1915.7782.30.991213.8413.5987.4122.392.39

图2　沥青结合料复数模量对比Figure 2　Complex modulus of asphalt binder

图3　车辙因子对比Figure 3　Comparison of rut factor

3.2.2弯曲梁流变试验(BBR)

PE掺量在6%时，沥青的弯曲梁流变试验结果见表8。

表8 弯曲梁流变试验结果Table8 TestresultsofBBR沥青类型老化程度S/-6℃m/-6℃S/-12℃m/-12℃原样35.40.4541830.382基质沥青TFOT87.70.4092290.309PAV1420.3773150.298原样79.80.4612360.327HDPETFOT97.30.4222570.308PAV1600.3973260.285原样68.50.4482080.342LLDPE1#TFOT93.10.4192410.316PAV1530.3583280.294

由表8可以看出: -6 ℃条件下，3种沥青的S值都小于300，但PE改性沥青相较于基质沥青S值略有升高； -12℃条件下，3种沥青的S值差别不大，都略高于300，而m值略低于0.3。根据BBR结果，PE对沥青的低温性能的影响较小。

4沥青混合料性能

4.1沥青混合料模量

在6%HDPE掺量下，用两种改性方法成型试件，对所测得的试验数据进行分析，结果见表9,图4。

表9 2种改性方法在6%PE掺量下模量结果对比Table9 Comparisonofmodulus沥青胶结料类型抗压强度/MPa回弹模量/MPa70#基质沥青3.561158.5干法改性5.092036.6湿法改性6.372710.8

图4　6%PE掺量下干、湿法模量对比Figure 4　Comparison of modulus

由图4可知: HDPE颗粒的加入可以明显提高混合料的静态模量值，而湿法添加对于模量的提高幅度更大，与不添加PE的混合料相比模量提高了134%，与干法添加相比提高33%。这说明湿法添加PE与干法添加相比，对混合料模量的改善效果更为明显。

4.2PE改性沥青混合料的高温性能

由表10可知: HDPE对混合料的动稳定度改善明显，湿法4%掺量的动稳定度比基质沥青提高6倍以上。相对于HDPE来说，LLDPE1#对高温性能的改善效果明显不及HDPE。通过图5可以看出: 湿法对动稳定度的提高明显优于干法，湿法HDPE掺量为6%时的动稳定度比干法提高48.7%；对于5%掺量，湿法比干法动稳定度提高76.4%。

表10 车辙试验结果Table10 ResultsofRuttingtestPE掺量动稳定度(DS)车辙深度HDPE6%湿法161530.8285干法(3‰)108621.446HDPE5%湿法123521.115干法(2.5‰)70001.966HDPE4%湿法86301.176干法(2‰)45981.939LLDPE6%湿法34803.209干法(3‰)29713.739LLDPE5%湿法30003.528干法(2.5‰)25783.964基质沥青011725.015 注:湿法中PE6%是指PE占沥青的6%,此时PE用量与干法的3‰相同。

图5　HDPE在不同掺量下干、湿法动稳定度对比Figure 5　Comparison of dynamic stability

通过分析可以发现，对于HDPE改性沥青来说混合料的动稳定度结果与沥青的软化点有较好的相关性，软化点越高则动稳定度越高。但LLDPE1#沥青软化点普遍偏高而动稳定度较低，分析其主要原因可能是由于LLDPE在沥青与沥青的相容性较差，沥青静置过程中PE颗粒会出现大量上浮现象，这就严重影响了PE对沥青的改性效果。

通过对试验结果的综合分析，HDPE可以作为适合工程应用中的PE类型。

4.3PE沥青混合料疲劳性能研究

对于试验数据的分析，本研究主要采用归一化劲度次数积评价法，同时以50%劲度模量衰减方法作为参照。6%HDPE掺量下，混合料小梁疲劳试验测试数据分析结果见表11，图6、图7。

表11 疲劳试验结果Table11 Fatiguetestresults应变水平添加方法模量/MPaNf50NfNM200με干法10145173650296250湿法14122227330421956300με干法10504148470237130湿法12360180380348060

图6　200，300 με下干、湿法疲劳寿命对比Figure 6　Comparison of fatigue life under 200，300 με

图7　不同应变水平下PE的干、湿法模量对比Figure 7　Comparison of modulus under different strain level

由图6可以发现: 采用归一化劲度次数积评价法所获得的疲劳寿命数据与50%劲度模量衰减方法所获得的数据具有较好的一致性。在两种应变水平下，采用湿法改性的混合料试件的疲劳寿命明显高于干法，采用归一化劲度次数积评价方法所获得的疲劳寿命，湿法较干法提高40%以上。

由图7可以清晰地看出: 2种应变水平下，采用湿法添加PE所成型的试件的模量明显高于干法，与前面所测得的试件的静态抗压回弹模量值相一致。

5结语

① 沥青中加入PE颗粒，可以使沥青的软化点、复数模量及车辙因子得到明显提高；劲度模量S值及m值与基质沥青相比变化不明显，即认为PE对低温性能影响较小；

② PE颗粒可以显著提高沥青混合料的静态模量及动稳定度，而湿法改性比干法效果更为明显；当HDPE掺量为6%时，湿法改性混合料的静态模量与不添加PE的混合料相比提高了134%，比干法改性提高了33%，动稳定度比干法提高了48.7%；

③ 对试验结果综合进行分析可以得出：HDPE较LLDPE、废旧PE更有优势；PE改性沥青混合料的高温稳定性及静态模量值得到显著提高；PE颗粒湿法添加比干法对混合料路用性能的改善效果更为明显。

[参考文献]

[1]赵可,杜月宗.PE复合改性沥青技术研究[J]. 重庆交通大学学报:自然科学版,2010, 29(6): 907-911, 941.

[2]王璐,陈华鑫,王金庆,等.聚乙烯(PE)处理集料对沥青混合料水稳性的影响[J]. 中外公路,2011, 33(6): 239-242.

[3]李德超,武贤慧. PE改性沥青性能研究[J]. 石油沥青，2003, 17(3): 39-43.

[4]郭淑华,曾赟. 聚合物对改性沥青性能影响的综合评价[J]. 公路交通科技，2003, 20(3): 5-9.

[5]杨锡武, 刘克, 杨大田. PE改性沥青的几个问题[J]. 中外公路，2008, 28(6): 203-207.

[6]Diefenderfer B K, Maupin G W. Design of a High-Binder-High-Modulus Asphalt Mixture[R]. 2007.

[7]Corte J. Development and uses of hard-grade asphalt and of high-modulus asphalt mixes in France[J]. Washington DC：Transportation Research Board，2001：12-31.

[8]周研,于永生,张国强,等.废塑料改性沥青的性能研究[J].石油沥青.2007,21(4): 6-9.

Influence on the Performance of Asphalt and Asphalt Mixture Adding PE

LIU Shaopeng1,2, HUANG Weidong1， JI Shuzhen3

(1．Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804,China；2.Transport Planning and Research Institute, Beijing 100028, China;3. Shanghai Qunkang Asphalt Technology Institute，Shanghai 200433,China)

[Abstract]By conventional asphalt test , PG classification test , Uniaxial compression test, Rutting test, BFA Fatigue Test. Asphalt binder tests showed: adding PE particles by wet process, asphalt softening point, the complex modulus and rutting factor improved significantly; stiffness modulus and creep rate of PE modified asphalt did not change significantly compared with matrix asphalt. Mixture tests showed: PE particles can significantly improve the static modulus and dynamic stability of asphalt mixture, the effect of wet process is much obvious than dry process; when HDPE content is 6%, the dynamic stability improved 48.7%; compared with LLDPE, PE scrap ,HDPE has more advantage. After verification, the wet process modified on road performance improvement effect is more obvious than the dry process method.

[Key words]road engineering； PE； wet process； modulus； uniaxial compression test; fatigue performance

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0028-05

[作者简介]刘少鹏(1989-)，男，河北保定人，硕士研究生，主要从事沥青及沥青混合料方面的研究。

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(50308021)

[收稿日期]2014-09-12