聚乙烯和硫磺对沥青抗老化性能的影响

摘 要：【目的】研究聚乙烯和硫磺对沥青抗老化性能影响。【方法】制备不同改性剂掺量的聚乙烯改性沥青和硫磺改性沥青，并对不同沥青进行旋转薄膜加热老化试验和压力老化试验，测试不同沥青老化前后针入度、软化点和延度，分析老化前后针入度和延度老化指数及软化点差。通过红外光谱试验分析沥青中官能团，探究聚乙烯和硫磺对沥青抗老化影响机理。【结果】相同老化条件时，随着聚乙烯或硫磺掺量增加，改性沥青针入度老化指数和延度老化指数逐渐增加，软化点差逐渐降低，老化前后性能差异减小；聚乙烯和硫磺对沥青的改性以物理改性为主。相对于原基质沥青，改性沥青的羰基指数和亚砜指数降低。【结论】聚乙烯和硫磺可增强沥青的抗氧化老化性能。

关键词：道路材料；聚乙烯；硫磺；沥青；抗老化

中图分类号：U414" " " 文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2024）22-0086-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.018

Effect of Polyethylene and Sulfur on Agti-aging Performance of Asphalt

Abstract： [Purposes] In order to study the influence of polyethylene and sulfur on the agti-aging performance of asphalt. [Methods] Polyethylene modified asphalt and sulfur modified asphalt with different modifier contents were prepared， and the rotating film heating aging test and pressure aging test were carried out for different asphalt. The penetration， softening point， and ductility of different asphalt before and after aging were tested， and the penetration and ductility aging index and softening point difference before and after aging were analyzed. The influence mechanism of polyethylene and sulfur on asphalt aging resistance was explored by analyzing the functional groups in asphalt by infrared spectrum test. [Findings] The results show that under the same aging conditions， with the increase of polyethylene or sulfur content， the penetration aging index and elongation aging index of modified asphalt gradually increase， and the softening point difference gradually decrease， and the performance difference before and after aging decrease. The modification of asphalt by polyethylene and sulfur is mainly based on physical modification. Compared to the original matrix asphalt， the carbonyl index and sulfoxide index of modified asphalt decrease. [Conclusions] Polyethylene and sulfur can increase the antioxidant aging performance of asphalt.

Keywords： road materials; polyethylene; sulfur; asphalt; anti-aging

0 引言

随着我国公路建设的快速发展，早期建成的公路运营后出现不同程度的路面病害。公路沥青路面的破坏大多是非结构性车辙或不同类型的开裂引起的［1］。非结构性车辙主要是沥青混合料路用性能差、行车荷载大或沥青耐高温性能不足等原因造成的［2］。开裂主要有横向裂缝、纵向裂缝和网裂，其中网裂对路面性能影响较大。沥青耐老化性能不足则是引起开裂的重要原因［3］。聚乙烯作为回收废旧塑料的一种，利用聚乙烯制备改性沥青用于道路工程具有显著的环境效益。硫磺是改性沥青中常用的改性剂，可提高改性沥青稳定性［4］。目前不同学者对聚乙烯改性已开展较多相关研究，结果表明聚乙烯改性沥青可提高路面抗车辙性能［5-7］。然而，针对聚乙烯对沥青耐老化性能影响的研究相对较少。为全面评价聚乙烯改性沥青性能，有必要进一步开展聚乙烯改性沥青耐老化方面的研究。

本研究制备不同改性剂掺量的聚乙烯改性沥青和硫磺改性沥青，并对不同沥青进行旋转薄膜加热老化试验和压力老化试验，测试不同沥青老化前后针入度、软化点和延度，分析老化前后针入度和延度老化指数及软化点差。通过红外光谱试验分析沥青中官能团变化，探究聚乙烯和硫磺对沥青抗老化影响机理，为全面分析聚乙烯和硫磺对沥青抗老化性能的影响提供参考。

1 材料与试验方法

1.1 材料

沥青为70#石油沥青，性能指标满足《公路沥青路面施工规范》（JTG F40—2004）要求。聚乙烯为工业化成品，密度0.89～0.96 g/cm3，熔点115～135℃，硫磺为结晶粉末，密度1.92 g/cm3，熔点120℃。聚乙烯和硫磺改性沥青制备方法为：取适量沥青加热至135～145 ℃，使沥青呈流动状态。分解加入设定剂量的聚乙烯和硫磺改，加入量为基质沥青质量的2%、3%和5%，再使用高速剪切混合机在140 ℃和1 200 r/min条件继续搅拌约30 min，使聚乙烯和硫磺能完全溶解在沥青中。

1.2 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）中T0610、T0630对不同沥青分别进行旋转薄膜加热老化试验（RTFOT）和压力老化试验（PAV），参照T0604、T0605、T0606分别测试不同沥青老化前后的针入度、软化点和延度，其中延度测试温度为10℃。采用红外光谱研究不同沥青的化学和结构改性，评估老化对改性沥青的影响。红外光谱测试波长范围为4 000～400 cm-1，分辨率0.125 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 老化前后性能分析

2.1.1 针入度。不同聚乙烯和硫磺掺量下沥青针入度和针入度老化指数测试结果如图1所示。其中针入度老化指数PAI（Penetration Aging Index）为老化后针入度与老化前针入度的比值。针入度值代表了沥青在常温下的刚度和硬化程度。针入度值越低，沥青的劲度越高。由图1可知，随着基质沥青中聚乙烯含量从2%增加到5%，改性沥青的针入度值降低；随着硫磺含量从2%增加到5%，改性沥青针入度逐渐增加。这表明测试范围内聚乙烯可增加沥青稠度和硬度；相反，硫磺会降低改性沥青稠度和硬度。

相同改性剂类型和掺量下，未老化沥青针入度最高，RTFOT老化后次之，PAV老化后最低。这表明老化后沥青稠度和硬度增加。老化越严重，稠度和硬度增加越明显。对于聚乙烯改性沥青，随着聚乙烯掺量增加，RTFOT老化和PAV老化后老化指数均逐渐增加；对于硫磺改性沥青，随着硫磺掺量增加，RTFOT老化后老化指数亦逐渐增加，但增加幅度略高于聚乙烯改性沥青；硫磺掺量0%和2%时，改性沥青PAV老化后老化指数差异不显著，之后老化指数随着硫磺掺量增加逐渐增加。老化指数越高，表明老化前后沥青性能指标越接近，即老化对沥青性能的影响越小，沥青越耐老化。上述结果表明聚乙烯改性沥青和硫磺改性沥青比基质沥青更耐氧化老化。

2.1.2 软化点。改性剂掺量和老化条件对改性沥青软化点的影响用软化点差（即老化后软化点减去老化前软化点）表示。不同改性剂掺量和老化条件时改性沥青软化点和软化点差如图2所示。由图2可知，不同在基础黏结剂中加入2%～5%的聚乙烯，相同老化条件下，随着聚乙烯掺量增加，改性沥青的软化点逐渐提高；相同改性剂掺量时，PAV老化后软化点最高，RTFOT老化后次之，这表明老化使沥青硬度增加，软化点提高。未老化条件下，与基质沥青相比，PE添加量为5%时，改性沥青软化点提高30.4%。与基质沥青软化点相比，PAV老化和RTFOT老化后，相同改性剂掺量时改性沥青软化点增加幅度小于未老化时增加幅度。在基础粘结剂中加入2%～5%的硫磺，相同老化条件下，随着硫磺掺量增加，改性沥青的软化点逐渐降低，这与之前基于针入度的研究结果一致，即硫磺的加入使沥青变软；相同改性剂掺量时，PAV老化后软化点最高，RTFOT老化后次之，老化后改性沥青硬度不断提高。

相同老化条件下，随着聚乙烯和硫磺掺量增加，老化后改性沥青软化点差逐渐降低。软化点差越小，老化条件对沥青软化点的影响越小，沥青越耐老化，即在基质沥青中掺入聚乙烯和硫磺提高了改性沥青的耐老化性能。综合分析认为，将聚乙烯加入改善了改性沥青的高温性能，使改性沥青具有较好的高温抗车辙性能，但硫磺的加入降低了改性沥青的高温性能。聚乙烯和硫磺均可提高改性沥青的耐老化性能。

2.1.3 延度。不同聚乙烯和硫磺掺量下沥青延度和延度老化指数测试结果如图3所示。其中延度老化指数DAI（Ductility Aging Index）为老化后延度与老化前延度的比值。延度值代表了沥青在柔韧程度。延度值越低，沥青的柔韧性越好。由图3可知，随着基质沥青中聚乙烯含量从2%增加到5%，改性沥青的延度值降低；随着硫磺含量从2%增加到5%，改性沥青针入度逐渐增加。但不同聚乙烯或硫磺掺量下，改性沥青延度的差异幅度不十分显著。与基质沥青相比，不同聚乙烯或硫磺掺量下改性沥青延度变化约在10%以内。随着聚乙烯或硫磺掺量增加，PAV老化和RTFOT老化后改性沥青延度老化指数均增加，即老化前后改性沥青延度值更接近，老化对改性沥青影响降低，聚乙烯或硫磺可提高改性沥青耐老化性能。

2.2 老化影响机理分析

原基质沥青、聚乙烯掺量3%的改性沥青、硫磺掺量2%的改性沥青的红外光谱如图4所示。由图4分析可知，对于基质沥青的红外光谱图，1 720～1 750 cm-1区域的峰代表C=O羰基官能团。1 070～1 030 cm-1区域代表亚砜基团的强S=O伸缩。不同沥青的红外光谱图之间很少或没有明显的峰变化，这表明聚乙烯和硫磺对沥青基质沥青的改性在本质上主要以物理改性为主。

S=O和C=O两个官能团受到沥青老化硬化影响较显著。通过对目标官能团的峰进行数值积分，然后除以红外光谱图600～2 000 cm-1的-CH3总面积来计算结构指数。

不同沥青结构指数变化如图5所示。由图5可知，相对于原基质沥青，改性沥青的羰基指数和亚砜指数降低。对于聚乙烯掺量3%的改性沥青，羰基指数降低了16.3%，亚砜指数分别降低了34.5%；硫磺掺量2%的改性沥青，羰基指数降低了21.9%。亚砜指数降低了43.1%。结构指数的降低表明改性沥青的抗氧化老化性能增强。

3 结论

①相同老化条件下，随着基质沥青中聚乙烯掺量增加，改性沥青针入度和延度降低，软化点升高。随着基质沥青中硫磺掺量增加，改性沥青针入度和延度增加，软化点降低。

②相同聚乙烯或硫磺掺量时，老化后针入度和延度降低，软化点升高。PAV老化后沥青性能指标变化幅度大于RTFOT老化后性能指标变化幅度。

③相同老化条件时，随着聚乙烯或硫磺掺量增加，改性沥青针入度老化指数和延度老化指数逐渐增加，软化点差逐渐降低，老化前后性能差异减小，耐老化性能提升。

④聚乙烯和硫磺对沥青基质沥青的改性以物理改性为主。相对于原基质沥青，改性沥青的羰基指数和亚砜指数降低，抗氧化老化性能增强。

参考文献：

［1］《中国公路学报》编辑部.中国路面工程学术研究综述·2024［J］.中国公路学报，2024，37（3）： 1-81.

［2］王曦光.路面车辙的主要成因及减缓措施［J］.北方交通，2020（7）：56-58.

［3］居玮.公路沥青路面裂缝成因及修补技术研究［J］.交通科技与管理，2024，5（12）：29-32.

［4］连海坤.硫磺沥青的改性剂及施工技术实例研究［J］.交通世界，2023（21）：20-22.

［5］刘海增.PE改性沥青及沥青混合料性能研究［J］.河南科技，2023，42（23）：87-90.

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［7］朱皓，周楚淮，钟浩生.PE改性硫沥青的高温性能与环境评价研究［J］.西部交通科技，2024（1）：80-82.