基于DSR的交聯(lián)聚乙烯改性瀝青流變特性研究

陸騰飛，葉群山

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南　長(zhǎng)沙　410114)

基于DSR的交聯(lián)聚乙烯改性瀝青流變特性研究

陸騰飛，葉群山

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410114)

陸騰飛(1990—)，在讀碩士研究生，研究方向：交通運(yùn)輸工程；

葉群山(1978—)，副教授，研究方向：交通運(yùn)輸工程。

摘要：文章以交聯(lián)聚乙烯(XLPE)作為改性劑制備交聯(lián)聚乙烯改性瀝青，分析其改性機(jī)理，并使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)交聯(lián)聚乙烯改性瀝青進(jìn)行了溫度掃描和頻率掃描試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：XLPE能夠提高瀝青的勁度并增加瀝青的彈性成分，改善了瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗流動(dòng)變形能力。

關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚乙烯；改性瀝青；溫度掃描；頻率掃描；流變特性

0引言

瀝青作為使用最廣泛的路面材料之一，憑借其優(yōu)越的使用性能和行車舒適性被大規(guī)模地應(yīng)用到公路建設(shè)中，由于交通量的迅猛增加、車輛重載化以及夏天的持續(xù)高溫天氣，使得瀝青路面出現(xiàn)車轍等高溫破壞，而在北方寒冷地區(qū)更容易出現(xiàn)低溫開裂；這就需要對(duì)瀝青路面的性能進(jìn)行改善，改性瀝青是改善瀝青路面性能最主要的方法。

現(xiàn)階段最常用的道路改性瀝青都是聚合物改性瀝青，聚合物改性瀝青由于其改性劑性質(zhì)的不同表現(xiàn)為瀝青性能的差別[1]；橡膠類改性劑如丁苯橡膠(SBR)、氯丁橡膠(CR)、丁二烯橡膠(BR)等，當(dāng)溫度較低時(shí)瀝青變硬變脆而橡膠富有彈性，當(dāng)受到外力時(shí)改性劑能夠起到增韌增塑的作用，因此橡膠類改性瀝青具有良好的低溫性能，同時(shí)橡膠的大分子吸附了瀝青的輕質(zhì)油份，對(duì)瀝青的高溫性能也有一定的提升。樹脂類改性劑主要有乙烯—乙酸乙烯脂共聚物(EAV)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等，樹脂類改性劑與瀝青有良好的相容性，瀝青中的芳香類小分子能夠進(jìn)入樹脂改性劑的大分子中發(fā)生溶脹，在高溫條件下吸附了輕質(zhì)小分子的分子鏈能夠阻滯瀝青分子的流動(dòng)，對(duì)瀝青的高溫性能有著很好的提升；最常用的熱塑性彈性體是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)[2]，SBS兼有橡膠和塑料的性質(zhì)，塑料性質(zhì)能夠使SBS在加工時(shí)有塑料的流動(dòng)性，易于加工，橡膠性質(zhì)能夠使材料具有彈性性質(zhì)而無(wú)需交聯(lián)，在瀝青中作為改性劑能夠同時(shí)改善瀝青的高溫性能和低溫性能，成為性能最好、使用最廣的瀝青改性劑。

1改性劑XLPE及改性機(jī)理淺析

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)是通過物理或化學(xué)方法把線型的聚乙烯分子通過共價(jià)鍵交聯(lián)成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的一種改性聚乙烯，與傳統(tǒng)的聚乙烯(PE)相比，交聯(lián)聚乙烯(XLPE)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[3，4]：(1)具有更好的耐熱性能。由于XLPE相互交聯(lián)的分子鏈之間通過共價(jià)鍵鏈接在一起，即使在高溫下交聯(lián)的分子鏈也不會(huì)分開，這種特點(diǎn)能夠很大程度上提高XLPE的耐熱性能。(2)具有更好的機(jī)械性能。XLPE中分子之間通過化學(xué)鍵鏈接，它的硬度、強(qiáng)度、耐磨損和抗沖擊性能都有顯著的提高，彌補(bǔ)了聚乙烯(PE)在受環(huán)境應(yīng)力時(shí)強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)。(3)具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性。XLPE穩(wěn)固的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)抗酸堿腐蝕、抗油腐蝕性能都有更好的提升。通過高速剪切將XLPE融入基質(zhì)瀝青中后，瀝青中的芳香類小分子能夠進(jìn)入XLPE改性劑的大分子中發(fā)生溶脹，使得大分子鏈能夠在瀝青中舒展并均勻分散在瀝青中，同時(shí)XLPE的分子鏈間通過交聯(lián)形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)限制了瀝青膠體的流動(dòng)性，對(duì)瀝青的高溫性能有著很好的提升[5]。

2試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

2.1　原材料

本研究中采用的基質(zhì)瀝青為湖南寶利瀝青有限公司生產(chǎn)的70#重交瀝青，表1為其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)值。XLPE改性劑為通過將聚乙烯(PE)化學(xué)交聯(lián)自制所得。

表1　70#瀝青技術(shù)指標(biāo)表

2.1　交聯(lián)聚乙烯改性瀝青制備和試驗(yàn)方案

本研究中XLPE摻量分別為3%、5%、7%；在180 ℃溫度下以4 000轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速對(duì)摻配的瀝青高速剪切90 min制得交聯(lián)聚乙烯改性瀝青。

本文以動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)交聯(lián)聚乙烯改性瀝青進(jìn)行了溫度掃描和頻率掃描試驗(yàn)，其中溫度掃描試驗(yàn)溫度范圍為30 ℃~78 ℃，目標(biāo)應(yīng)變值為12%，加載頻率為10 rad/s；頻率掃描試驗(yàn)溫度為60 ℃，目標(biāo)應(yīng)變值為1%，加載頻率為0.1~100 Hz。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　溫度掃描試驗(yàn)

通過溫度掃描試驗(yàn)可以得出瀝青在不同溫度下的車轍因子G*/sinδ、復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ變化情況，以基質(zhì)瀝青和成品SBS改性瀝青作為對(duì)比來(lái)分析交聯(lián)聚乙烯改性瀝青的特性，試驗(yàn)結(jié)果如圖1~3所示。

圖1　瀝青車轍因子G*/sinδ隨溫度變化曲線圖

圖2　瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*隨溫度變化曲線圖

圖3　瀝青相位角δ隨溫度變化曲線圖

從圖1和圖2可以看出五種瀝青車轍因子G*/sinδ和復(fù)數(shù)剪切模量G*隨著溫度的升高有著相似的變化規(guī)律，在溫度由30 ℃升高到78 ℃的過程中，瀝青的車轍因子G*/sinδ和復(fù)數(shù)剪切模量G*都減小，其中基質(zhì)瀝青減小的速率最快，SBS改性瀝青的減小速率略小于交聯(lián)聚乙烯改性瀝青。這是由于SBS改性劑和XLPE改性劑的在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)具有良好的彈性和較高的強(qiáng)度，并且改性劑在瀝青中吸附輕質(zhì)油分，改性劑的長(zhǎng)鏈?zhǔn)嬲购笮纬煽臻g網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻滯了瀝青膠體在高溫下的流動(dòng)，使得瀝青的車轍因子G*/sinδ和復(fù)數(shù)剪切模量G*都得到提升，并隨著改性劑摻量的增加而變大。由此可以看出XLPE改性劑能夠明顯改善瀝青的高溫性能，提高瀝青在高溫狀態(tài)的抵抗變形能力，其改善效果甚至還優(yōu)于SBS改性劑[6]。

相位角δ的大小能夠表現(xiàn)出瀝青粘彈特性，從圖3可以看出隨著溫度升高瀝青的相位角δ都變大，說明在溫度升高的過程中瀝青的彈性成分減小而黏性成分增大，其中基質(zhì)瀝青相位角增加速率最快，SBS改性瀝青相位角δ的變化最緩慢，但在60 ℃以下交聯(lián)聚乙烯改性瀝青的相位角δ要比SBS改性瀝青的還要小，說明XLPE改性劑能夠顯著提升瀝青的彈性性能，對(duì)瀝青的高溫性能改善效果非常明顯。

3.2　頻率掃描試驗(yàn)

在頻率掃描試驗(yàn)中，加載頻率的大小代表了實(shí)際路面上汽車行駛速度的快慢，瀝青路面在車輛高速行駛時(shí)的性能狀態(tài)可以通過高頻區(qū)瀝青的性能來(lái)反映，同樣低頻區(qū)瀝青的性能也能在一定程度上描述瀝青路面在車輛低速行駛時(shí)對(duì)路面的影響，例如在停車場(chǎng)、收費(fèi)站位置車輛對(duì)瀝青的低速荷載，在超低頻區(qū)甚至可以描述道路在斜坡處受自重蠕變荷載的影響。

下頁(yè)圖4為瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*隨頻率變化的結(jié)果，可以看出瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*隨著頻率的降低而變小，這也解釋了瀝青路面在停車場(chǎng)、收費(fèi)站等低速行駛或者急剎車處比行駛路面上更容易發(fā)生車轍的原因；在高頻區(qū)5%摻量的交聯(lián)聚乙烯改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*最大，在低頻區(qū)其復(fù)數(shù)剪切模量G*與SBS改性瀝青相近，說明XLPE改性劑在較廣的車輛行駛速度即加載頻率范圍內(nèi)都能夠提高瀝青抗變形能力；下頁(yè)圖5中復(fù)數(shù)黏度η*是隨著頻率的增大而減小的，這是由于高聚物的剪切變稀現(xiàn)象造成的，可以發(fā)現(xiàn)交聯(lián)聚乙烯改性瀝青剪切變稀現(xiàn)象要弱于SBS改性瀝青；在1~100Hz頻率的范圍內(nèi)，交聯(lián)聚乙烯改性瀝青的復(fù)數(shù)黏度η*比SBS改性瀝青和基質(zhì)都要高，在<1Hz的低頻區(qū)聯(lián)聚乙烯改性瀝青的復(fù)數(shù)黏度η*比SBS改性瀝青略低，說明XLPE能夠在較廣的頻率范圍內(nèi)提高瀝青的黏性，使其抵抗流動(dòng)變形能力增大，從而提高其強(qiáng)度性能；圖6相位角δ隨頻率增大變小，交聯(lián)聚乙烯改性瀝青的相位角δ在整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)都要小于基質(zhì)瀝青，說明XLPE增加了瀝青的彈性成分，提高了其抗變形能力，與復(fù)數(shù)剪切模量G*和復(fù)數(shù)黏度η*的分析相一致。

圖4　瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*隨頻率變化曲線圖

圖5　瀝青復(fù)數(shù)粘度η*隨頻率變化曲線圖

圖6　瀝青相位角δ隨頻率變化曲線圖

4結(jié)語(yǔ)

(1)XLPE改性劑使得瀝青的車轍因子G*/sinδ和復(fù)數(shù)剪切模量G*增高，相位角δ降低，提高了瀝青的勁度并增加瀝青的彈性成分；

(2)在0.1~100Hz頻率范圍內(nèi)，瀝青的復(fù)數(shù)黏度η*和復(fù)數(shù)剪切模量G*都有著顯著的提升，在高頻區(qū)的改善效果最為明顯，說明XLPE改性劑對(duì)瀝青的高溫性能有很大的改善。

參考文獻(xiàn)

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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

文章編號(hào)：1673-4874(2015)12-0015-04

中圖分類號(hào)：U415

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.003

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-11-20