聚乙烯对胶粉改性沥青及其混合料性能的影响研究

李 琨，卞俊威，韩 鹏，孙雪琦

(1山东省调水工程运行维护中心，山东济南 250000；2山东省水利科学研究院，山东济南 250000)

随着人民生活质量的不断提高，汽车拥有量也在不断攀升，随之而来的是汽车出行比例增加，路面负重不断加大，尤其是重载车辆，将会加快路面病害的出现，对于路面耐久性能带来了极大的挑战。相对于水泥路面，沥青路面以其行车舒适性高、维修养护方便和工期短等优点取得了较大的应用，沥青路面耐久性很大程度上取决于路面材料的性能，如何在提高沥青路面使用性能的同时又能兼顾经济性，是道路工程领域专家和研究学者的共同研究课题。

近几年有关橡胶沥青研究颇多，不但解决了废旧轮胎长期堆放的“黑色污染”问题，而且提高了沥青路面性能，尤其是脱硫橡胶沥青，解决了普通橡胶沥青存在的存储稳定性差、易离析以及高黏度带来的施工困难等问题[1-2]。但脱硫橡胶沥青也存在一定不足，如相对于普通橡胶沥青，其高温稳定性相对较差，无法满足高等级路面对于高温抗车辙变形能力的要求。研究表明[3-4]，聚乙烯在提高沥青路面高温性能方面具有很大优势。本文通过将聚乙烯加入脱硫橡胶沥青中，研究聚乙烯用量对于脱硫橡胶沥青性能的影响，以期为工程实践提供有利参考价值。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料性能

试验原材料主要是基质沥青、废胎胶粉和PE改性剂、矿料等。其中基质沥青采用的是东海70号A级道路石油沥青，其相关技术指标见表1。废胎胶粉采用四川某新材料科技公司生产的40目脱硫胶粉，外观为黑色颗粒物，橡胶含量为52%，灰分为4.5%，它是由硫化废胶粉经过深度脱硫技术获得的表面活性较高的一种脱硫胶粉[5]。聚乙烯是一种价格低廉的热塑性树脂材料，它是经聚乙烯聚合而得，常用的聚乙烯主要分为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和低密度线型聚乙烯，有研究表明[6-7]低密度线型聚乙烯在提高沥青路面性能方面效果最好，因此试验中采用低密度线型聚乙烯进行研究。在进行沥青混合料性能研究时粗集料采用玄武岩，细集料为石灰岩，填料为石灰岩磨细的矿粉，各种矿料技术性能均满足规范要求。

表1 基质沥青技术性能Table 1 Technical performance of matrix bitumen

1.2 试验方案

研究表明[8]，脱硫胶粉用于制备改性沥青的掺量宜为16%～18%，本文在试验时脱硫胶粉用量取固定值18%，并改变PE用量，其取值分别为1%、3%、5%，用于评价不同用量PE对于脱硫胶粉改性沥青及其混合料的影响规律。

首先从针入度、软化点和延度等角度分析不同PE用量的脱硫胶粉改性沥青常规性能，并在此基础上研究PE用量对于复合改性沥青的高温和低温流变性能的影响。实践表明[9]，橡胶沥青混合料更适合采用间断级配，因此试验选择AR-SMA-13间断级配，其合成级配见表2。室内成型300mm×300mm×50mm车辙板试件，并依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0719-2011试验方法研究不同用量PE的胶粉改性沥青混合料高温抗车辙性能。将成型好的车辙板试件切割成250mm×30mm×35mm小梁试件，按规程T0715-2011试验方法，利用MTS万能材料试验机测试复合改性沥青混合料的低温抗裂性。成型标准马歇尔试件，并按照规程T0709-2011和T0729-2000试验方法评价PE/胶粉改性沥青混合料的抗水损害性能。

表2 AR-SMA-13级配组成Table 2 Composition of the AR-SMA-13 grade division

1.3 改性沥青制备工艺

首先将基质沥青在140℃烘箱中加热至热熔流动状态，然后利用烧杯称取一定质量基质沥青置于垫有石棉网的电炉上，缓缓加入18%脱硫胶粉并用玻璃棒不断顺着同一方向搅拌5min，持续加热至175℃并保持该温度，采用高速剪切仪以4500转r/min速率持续剪切30min，使胶粉均匀分散于沥青中。然后将按比例称取的PE改性剂缓缓加入橡胶沥青中，调整高速剪切速率为3000r/min，持续剪切45min，然后移至160℃恒温烘箱中保温发育1h后即可完成PE/胶粉改性沥青制备[10]。

2 沥青性能

2.1 常规性能

为研究PE用量对于胶粉改性沥青胶结料常规性能的影响，得到图1试验结果。

图1 PE用量对于沥青三大指标性能的影响Fig.1 Influence of PE dosage on the three major indexes of asphalt

从图1看出，随着PE用量增加，沥青的针入度和延度逐渐减小，软化点逐渐升高，说明一定量PE能够增强胶粉改性沥青的抵抗剪切破坏能力，提高其热稳定性，但降低了改性沥青在低温的延展性和抗裂性。

2.2 高温流变性能

利用动态剪切流变仪分别对掺不同量PE的胶粉改性沥青进行温度扫描试验，温度扫描范围为52～82 ℃，试验采用应变控制模式，加载频率为10rad/s，以试验得到的复数剪切模量G*和相位角δ及计算出的车辙因子G*/sinδ为评价指标，结果如图2～图4所示。

图2 复数剪切模量G＊与温度的关系Fig.2 Complex shear modulusG＊versus temperature

复数剪切模量G*反映了沥青材料的抵抗变形能力。从图2可以看出，随着温度升高，三种PE掺量的复合改性沥青的复数剪切模量G*逐渐降低，最终趋于相对平稳状态，这是由于在温度升高时，沥青材料作为黏弹性材料，其成分逐渐从弹性成分转变为黏性成分，材料逐渐“变软”。而在同一温度下随着PE用量增大，G*逐渐增大，说明PE可以增强胶粉改性沥青的高温抗变形能力。

相位角是沥青材料黏弹性比例的参数，当相位角为0°时其为一种理想的弹性材料，当相位角为90°时其为一种理想的黏性材料。从图3可知，随着温度升高，四种改性沥青相位角逐渐增大，说明温度升高时沥青材料的弹性成分向黏性成分转变。在同一种温度时相位角随着PE用量增加而减小，说明加入聚乙烯后改善了胶粉改性沥青在高温时的弹性性能，提高了高温抗变形能力。

图3 相位角δ与温度的关系Fig.3 Phase angle δ versus temperature

车辙因子反映沥青材料在高温时的抵抗车辙能力，其值越大，抗车辙能力越强。从图4可以发现，随着温度升高，四种改性沥青车辙因子逐渐减小，并在70℃后趋于稳定，在同种温度下随着PE用量增大，其车辙因子越高，说明聚乙烯可以明显增强胶粉改性沥青的高温抗车辙和抗永久变形能力。

图4 车辙因子与温度的关系Fig.4 Relationship between rut factor and temperature

2.3 低温流变性能

为评价PE/胶粉改性沥青胶结料的低温流变性能，采用低温弯曲梁流变仪对不同用量PE的胶粉改性沥青进行低温BBR试验，试验温度为-12℃和-18℃、-24℃，以试验第60s时的蠕变速率m和蠕变劲度S为评价指标，其中m应不小于0.3，S不大于300MPa。试验结果如图5和图6所示。

图5 蠕变劲度S与温度的关系Fig.5 Relationship between creep strength S and temperature

图6 蠕变速率m与温度的关系Fig.6 Relationship between creep rate m and temperature

从图5和图6可知，随着温度降低，蠕变劲度S持续增大，蠕变速率m值逐渐减小。在同一温度下，随着PE用量增加，S值也随着增大，m值随之减小，当温度为-24℃时四种沥青材料的S值均已明显大于300MPa，掺加PE的改性沥青在-18℃时m值已低于0.3。因此，从试验结果看，掺加PE并不能提高胶粉改性沥青的低温抗裂性，反而起到相反的作用，这与前文延度试验结论相一致。

3 沥青混合料路用性能

3.1 高温稳定性

研究表明[11]，沥青路面产生车辙、推移和拥包等破坏主要是由于沥青混合料高温稳定性不足所导致。在高温季节，沥青作为一种黏弹性材料受热会变软，此时在车辆荷载的反复作用下，沥青路面逐渐出现不可逆的塑性变形，随着变形量不断增大从而形成车辙。实践表明，车辙试验能够很好地模拟沥青路面在高温和车辆荷载作用下的实际状况。本文采用车辙试验来评价PE/胶粉改性沥青混合料的高温抗车辙能力，温度环境为60℃，加载频率为42次/min，以试验开始后第45min至60min之间的动稳定度作为评价指标，试验结果见表3。

表3 车辙试验结果Table 3 Rut test results

从表3可以看出，随着PE用量增加，车辙变形量逐渐减小，动稳定度逐渐增大，相对于不掺PE的胶粉改性沥青混合料，掺1%、3%和5% PE对应的动稳定度分别增大了7.1%、25.0%和36.4%。说明一定量PE可以增强胶粉改性沥青混合料的高温抗永久变形能力和抗车辙能力。可能是由于加入PE后，形成以胶粉为结点、PE均匀分散其中的网状稳定结构，限制了沥青分子在高温状态下的流动，提高了高温稳定性。

3.2 低温抗裂性

沥青混合料作为一种黏弹性材料，当温度较低时，材料的脆硬性会增加，柔韧性降低，尤其是外界温度突然降低时，内部材料的温度应力来不及释放，当这种应力大于材料自身拉应力时便会形成裂缝，路面开裂后会严重影响道路的使用寿命和服务质量。利用低温小梁弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验温度为-10℃，试验结果见表4。

表4 低温小梁弯曲试验结果Table 4 Low-temperature trabecular bending test results

从表4可以看出，随着PE用量增加，沥青混合料的弯拉应变逐渐增大，劲度模量减小，结果表明掺入PE对于沥青混合料低温性能有一定改善作用，可提高胶粉改性沥青混合料的低温抗裂性，但该结论与前文沥青胶结料的延度和低温弯曲梁流变试验结论相反。结合聚乙烯自身材料特性，其玻璃化温度相对较低，一般为-90℃，即当温度低于-90℃时PE才会变得脆硬，因此正常状况下其较低的玻璃化温度理应是成为PE改性沥青具有较好低温抗裂性的基础条件，故关于PE/胶粉改性沥青胶结料的低温性能评价方法还需进一步专题研究。

3.3 水稳定性

研究表明[12]，路表水通过裂隙或空隙渗透到结构内部，在车辆荷载作用下内部会形成动水压力，当这种压力超过集料与沥青界面的粘附力时，沥青薄膜便会从集料表面脱落形成水损害。目前主要采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性，试验结果见表5和表6。

表5 浸水马歇尔试验结果Table 5 Results of the submerged Marshall test

表6 冻融劈裂强度试验结果Table 6 Results of freeze-thaw split strength test

从表5和表6可以看出，两种试验结论是一致的，随着PE用量增加，残留稳定度和劈裂强度比逐渐增大，说明加入PE可以增强改性沥青胶结料的界面粘附性，有效降低沥青结合料从集料表面脱落，提高胶粉改性沥青混合料的水稳定性。

4 结论

（1）从三大指标结果看，掺加PE可提高软化点，降低针入度，提高改性沥青的高温稳定性和黏稠度，但延度有所减小，降低改性沥青的低温延展性能。

（2）从DSR和BBR流变性能试验结果可知，掺加PE能够提高胶粉改性沥青的高温弹性恢复能力，提高其高温抗车辙永久变形能力，但掺入PE降低了胶粉改性沥青的低温抗裂性。

（3）从路用性能试验结果发现，随着PE用量增加，动稳定度、残留稳定度和劈裂强度比等指标相应增大，PE提高了胶粉改性沥青混合料的高温抗车辙、抗永久变形能力和抗水损害能力。但在低温性能方面，随着PE用量增加，弯拉应变逐渐增大，劲度模量减小，掺入PE能够提高胶粉改性沥青混合料的低温抗裂性，但这与沥青胶结料的延度和低温弯曲梁流变试验结论相反，因此需进一步进行研究。