PE對瀝青及瀝青混合料性能影響研究

劉少鵬， 黃衛(wèi)東， 紀(jì)淑貞

(1．同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上?！?01804；　2.交通運輸部規(guī)劃研究院， 北京　100028；3．上海群康瀝青科技有限公司， 上?！?00433)

?

PE對瀝青及瀝青混合料性能影響研究

劉少鵬1，2， 黃衛(wèi)東1， 紀(jì)淑貞3

(1．同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海201804；2.交通運輸部規(guī)劃研究院， 北京100028；3．上海群康瀝青科技有限公司， 上海200433)

[摘要]通過常規(guī)瀝青指標(biāo)試驗、PG分級試驗對瀝青結(jié)合料進(jìn)行測試，采用單軸壓縮試驗、車轍試驗、BFA疲勞試驗測試混合料性能。瀝青結(jié)合料試驗表明：經(jīng)濕法加入PE顆粒，瀝青的軟化點、復(fù)數(shù)模量及車轍因子得到明顯提高； PE改性瀝青的勁度模量及蠕變速率與基質(zhì)瀝青相比變化不明顯，認(rèn)為PE對低溫性能影響較小?；旌狭显囼灡砻鳎篜E顆?？梢燥@著提高瀝青混合料的靜態(tài)模量及動穩(wěn)定度，濕法改性比干法效果更為明顯；當(dāng)濕法HDPE摻量為6%時，動穩(wěn)定度比干法提高了48.7%；HDPE較LLDPE、廢舊PE更有優(yōu)勢。經(jīng)過驗證，濕法改性對混合料路用性能的改善效果比干法更為明顯。

[關(guān)鍵詞]道路工程; PE; 濕法; 模量; 單軸壓縮試驗; 疲勞性能

0前言

聚乙烯(Polyethylene)簡稱PE，是指由乙烯單體經(jīng)自由基聚合而成的線性聚合物，具有同烷烴相似的結(jié)構(gòu)，屬于高分子長鏈脂肪烴[1, 2]。PE對瀝青性能的提高，主要是PE形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)束縛了瀝青分子的移動，因而擴(kuò)大了粘彈性域[3]，降低了瀝青的感溫性能，提高了使用性能[4, 5]。

PE顆粒是一種較為常見的高模量改性劑。本文同時借鑒法國的高模量瀝青混凝土(HMAC)技術(shù)[6，7]，其原理是通過提高瀝青混凝土的模量，減輕路面在車輛荷載作用下產(chǎn)生的變形，提高路面抗高溫變形能力，并改善路面的疲勞性能，延長路面的使用壽命。

本研究的改性理念是先將PE摻加到瀝青中對瀝青進(jìn)行改性，得到PE改性瀝青，之后再將其作為結(jié)合料使用，即濕法改性。通過對PE的濕法改性效果進(jìn)行研究，探索濕法改性PE高模量瀝青及其混合料的合理性。

1試驗材料及級配設(shè)計

1.1瀝青

基質(zhì)瀝青材料選用ESSO 70#重交石油瀝青，其性能指標(biāo)見表1，結(jié)果滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ F40-2004)對于70#基質(zhì)瀝青的要求。

表1 埃索70#基質(zhì)瀝青常規(guī)指標(biāo)檢測結(jié)果Table1 ConventionaltestresultsforESSO70#試驗項目實測值規(guī)范要求試驗方法針入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)65.8 60～80T0604軟化點(環(huán)球法)/℃49.6 ≥46 T0606粘度(135℃)/(Pa·s)0.52 /T0625溶解度/%99.8 ≥99.5T0607閃點(COC)/℃276 ≥260 T0611密度/(g·cm-3) 1.025實測T0603延度(5cm/min,15℃)/cm>150 ≥100 T0605質(zhì)量變化,%0.2 ≤0.8T0609薄膜加熱試驗(163℃,5h)殘余針入度比/%76 ≥61 T0604延度(15℃)/cm57.2 ≥15 T0605

1.2集料

選用粗集料(≥4.75mm)為江蘇茅迪玄武巖，細(xì)集料(2.36mm以下各檔)為石灰?guī)r，填料采用普通硅酸鹽水泥。集料密度見表2所示。

表2 集料密度Table2 Densityofaggregate集料種類粒徑/mm表觀密度/(g·cm-3)毛體積密度/(g·cm-3)13.22.9242.864玄武巖9.52.9252.8544.752.9322.8512.362.708/1.182.698/石灰?guī)r0.62.696/0.32.700/0.152.699/0.0752.645/礦粉2.75

1.3PE

聚乙烯按密度不同可分為低密度聚乙烯(Low Density Polyethylene，簡稱LDPE)、高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，簡稱HDPE)和線性低密度聚乙烯(Line-Low Density Polyethylene，簡稱LLDPE)。

筆者主要選擇了具有代表性的HDPE、LLDPE、廢舊PE 3類中的4種PE對瀝青進(jìn)行濕法改性，通過改性瀝青所表現(xiàn)的性能初步對PE的效果及摻加量進(jìn)行研究。

對于PE摻量，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，首先以外摻6%作為基準(zhǔn)，對幾種PE所配制的瀝青進(jìn)行研究。瀝青加工溫度定為180℃，利用小型對流式拌和設(shè)備進(jìn)行攪拌，拌和時間為1.5h。

2試驗方法與級配設(shè)計

2.1常規(guī)試驗

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)，分別測試改性瀝青的針入度、軟化點、135℃粘度等常規(guī)性能。

2.2PG分級試驗

① 動態(tài)剪切流變試驗(DSR)。

采用動態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer，簡稱DSR)，對原樣瀝青及RTFOT老化后殘留瀝青試樣分別進(jìn)行兩次動態(tài)剪切試驗，以G*/sinδ作為評價瀝青結(jié)合料高溫性能的重要評價指標(biāo)。

② 彎曲梁流變試驗(BBR)。

通過量測瀝青結(jié)合料在路面最低設(shè)計溫度下的蠕變勁度S和蠕變速率m值來反映瀝青結(jié)合料的抗低溫開裂性能。

2.3單軸壓縮試驗

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ E20-2011)中T0713-2000瀝青混合料單軸壓縮試驗所規(guī)定的試驗方法測定試件的靜態(tài)抗壓回彈模量。根據(jù)規(guī)范采用靜壓法成型，試件尺寸采用Φ100mm×100mm，試驗溫度按照試驗規(guī)程的要求采用20℃。

瀝青混合料試件的抗壓回彈模量按式(1)、式(2)計算：

(1)

(2)

式中： qi為相應(yīng)于各級試驗荷載Pi作用下的壓強(qiáng)，MPa；Pi為施加于試件的各級荷載值，N；E′抗壓回彈模量，MPa；qs為相應(yīng)于第五級荷載時的荷載壓強(qiáng)，MPa；h為試件軸心高度，mm；ΔLs為相應(yīng)于第五級荷載時經(jīng)原點修正后的回彈變形，mm。

2.4車轍試驗

采用車轍試驗評價混合料的高溫穩(wěn)定性能，試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程JTG E20-2011》T0719-2011。

2.54點彎曲梁疲勞試驗

為了更好地模擬瀝青路面的受力方式，與國外研究保持一致，采用澳大利亞IPC公司產(chǎn)四點彎曲試驗機(jī)BFA，BFA為氣動伺服提供動力，相比MTS用的疲勞小梁，BFA小梁尺寸較大，控制更為精確，以及BFA使用精度更高的位移和力傳感器從理論角度會使得試驗結(jié)果更加準(zhǔn)確。另外BFA自帶恒溫環(huán)境箱，密閉性能良好，在中控器上有溫度傳感器接口，可以實時記錄試驗溫度，環(huán)境箱也可用于實現(xiàn)不同溫度下的疲勞試件，溫度可控制在-20℃至60℃，精度達(dá)0.1℃。試驗參數(shù)如表3所示。

表3 試驗控制參數(shù)Table3 Testcontrolparameters加載方式加載波形應(yīng)變水平/με溫度/℃頻率/Hz是否間歇應(yīng)變控制半正弦200,3001510否

2.6混合料級配及瀝青用量確定

參照法國高模量技術(shù)規(guī)范，初步選定了兩種級配進(jìn)行研究，通過混合料試驗發(fā)現(xiàn)，級配二在高瀝青用量下具有優(yōu)勢，因此選取級配二進(jìn)行進(jìn)一步研究。各篩孔通過率見表4。基于高瀝青用量、低空隙率及疲勞耐久性能要求，瀝青用量確定為濕法5.3%(其中PE占0.3%)、干法為5.0%(摻加PE 0.3%)，目標(biāo)空隙率定為3.0%。

表4 混合料級配Table4 Themixturegradation篩孔尺寸/mm級配一級配二篩孔尺寸/mm級配一級配二161001001.182421 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瀝青結(jié)合料性能

3.1PE改性瀝青常規(guī)指標(biāo)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的規(guī)定對制備得到的PE改性瀝青進(jìn)行常規(guī)指標(biāo)測定。結(jié)果如表5所示，直觀對比如圖1。

由表5可知: PE的加入可明顯提高基質(zhì)瀝青的軟化點及135 ℃粘度，其中HDPE與LLDPE1#效果尤為明顯，LLDPE1#改性瀝青的軟化點超過100 ℃；將瀝青樣品靜置后發(fā)現(xiàn)，LLDPE1#上浮結(jié)殼，出現(xiàn)了嚴(yán)重離析，這影響到試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對135℃粘度分析發(fā)現(xiàn)，LLDPE1#摻量在6%時135℃粘度達(dá)到3.5Pa.s，出于施工和易性考慮，改性瀝青135℃粘度應(yīng)盡量小于3Pa.s，因此6%摻量的LLDPE1#不能滿足規(guī)范要求，而HDPE符合要求。

表5 6%摻量下不同PE對瀝青的改性效果Table5 ThemodificationeffectsusingdifferentPEPE類型針入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)軟化點/℃135℃粘度/(Pa.s)HDPE34.685.32.71LLDPE1#29.6>1003.5廢舊PE31.762.42.54LLDPE2#38.5581.96

圖1　HDPE與LLDPE1#改性瀝青針入度、軟化點和粘度　的隨摻量變化趨勢對比Figure 1　Penetration， softening point and viscosity change 　trend with dosage

將HDPE與LLDPE1#進(jìn)行不同摻量下其對瀝青性能的改善效果研究，其中HDPE摻量采用4%、5%、6%、7%，LLDPE1#摻量取4%、5%、6%，分別采取同樣的條件配制瀝青。瀝青指標(biāo)測試結(jié)果如表6，各項指標(biāo)隨PE摻量變化趨勢如圖1。

結(jié)合表6及圖1、2、3可知: HDPE與LLDPE1#的加入可顯著提高瀝青的軟化點，且隨著摻量的增加軟化點呈現(xiàn)出不同程度的上升趨勢，其中LLDPE1#對軟化點的提高尤為顯著。針入度隨著摻量的增加，出現(xiàn)較為顯著的下降，同樣LLDPE1#對針入度的影響更為顯著。135℃粘度隨著PE摻量的上升也呈上升趨勢，當(dāng)HDPE跟LLDPE1#摻量分別增加到7%與6%時，粘度都已超過3Pa·s。

表6 2種PE在不同摻量下瀝青基本指標(biāo)Table6 ConventionalindicatorsunderdifferentdosagePE類型針入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)軟化點/℃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為，在高溫及攪拌作用下PE顆?？梢跃鶆虻胤稚⒂跒r青中，使瀝青膠體通過PE細(xì)小顆粒連接在一起，同時PE顆粒吸收瀝青中的油分溶脹，引起瀝青中瀝青質(zhì)的含量相對增加，從而改變了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)和粘彈性質(zhì)，增強(qiáng)了瀝青抵御外力的能力，PE顆粒在瀝青形成的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[8]限制了瀝青膠體體系的流動性，使瀝青的變形能力降低，改善了瀝青的抗變形能力和瀝青在高溫下的強(qiáng)度。

綜合儲存穩(wěn)定性、粘度等方面考慮，HDPE在瀝青中的摻量可初步定為6%，而LLDPE1#的摻量定為5%，進(jìn)行混合料試驗。

3.2PE改性瀝青SHRP指標(biāo)

3.2.1動態(tài)剪切流變試驗(DSR)

選取HDPE、LLDPE1#在6%摻量下的改性瀝青原樣進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗，并與基質(zhì)瀝青進(jìn)行比較，試驗結(jié)果見表7，圖2，圖3。

結(jié)合表7、圖2、圖3可知: PE改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*與基質(zhì)瀝青相比提高了6倍以上，而相位角δ與基質(zhì)瀝青相比有較為明顯的下降，HDPE改性瀝青的相位角下降幅度更大，δ值由原來的87.4°下降為73.3°；這說明相對于基質(zhì)瀝青，PE改性瀝青的彈性特征提高幅度要高于粘性特征。因此，PE改性瀝青的車轍因子(G*/sinδ)與基質(zhì)瀝青相比可以提高6～8倍以上，PE的加入可以很好地改善瀝青的抗高溫變形能力。

表7 瀝青DSR試驗結(jié)果Table7 TestresultsofDSR瀝青類型溫度/℃振動應(yīng)力/PaG*/PaHDPE60164.216460LLDPE1#60135.913710基質(zhì)瀝青60287.12394δ/(°)應(yīng)變(G*/sinδ)/kPa(G*.sinδ)/kPa73.30.998617.1915.7782.30.991213.8413.5987.4122.392.39

圖2　瀝青結(jié)合料復(fù)數(shù)模量對比Figure 2　Complex modulus of asphalt binder

圖3　車轍因子對比Figure 3　Comparison of rut factor

3.2.2彎曲梁流變試驗(BBR)

PE摻量在6%時，瀝青的彎曲梁流變試驗結(jié)果見表8。

表8 彎曲梁流變試驗結(jié)果Table8 TestresultsofBBR瀝青類型老化程度S/-6℃m/-6℃S/-12℃m/-12℃原樣35.40.4541830.382基質(zhì)瀝青TFOT87.70.4092290.309PAV1420.3773150.298原樣79.80.4612360.327HDPETFOT97.30.4222570.308PAV1600.3973260.285原樣68.50.4482080.342LLDPE1#TFOT93.10.4192410.316PAV1530.3583280.294

由表8可以看出: -6 ℃條件下，3種瀝青的S值都小于300，但PE改性瀝青相較于基質(zhì)瀝青S值略有升高； -12℃條件下，3種瀝青的S值差別不大，都略高于300，而m值略低于0.3。根據(jù)BBR結(jié)果，PE對瀝青的低溫性能的影響較小。

4瀝青混合料性能

4.1瀝青混合料模量

在6%HDPE摻量下，用兩種改性方法成型試件，對所測得的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表9,圖4。

表9 2種改性方法在6%PE摻量下模量結(jié)果對比Table9 Comparisonofmodulus瀝青膠結(jié)料類型抗壓強(qiáng)度/MPa回彈模量/MPa70#基質(zhì)瀝青3.561158.5干法改性5.092036.6濕法改性6.372710.8

圖4　6%PE摻量下干、濕法模量對比Figure 4　Comparison of modulus

由圖4可知: HDPE顆粒的加入可以明顯提高混合料的靜態(tài)模量值，而濕法添加對于模量的提高幅度更大，與不添加PE的混合料相比模量提高了134%，與干法添加相比提高33%。這說明濕法添加PE與干法添加相比，對混合料模量的改善效果更為明顯。

4.2PE改性瀝青混合料的高溫性能

由表10可知: HDPE對混合料的動穩(wěn)定度改善明顯，濕法4%摻量的動穩(wěn)定度比基質(zhì)瀝青提高6倍以上。相對于HDPE來說，LLDPE1#對高溫性能的改善效果明顯不及HDPE。通過圖5可以看出: 濕法對動穩(wěn)定度的提高明顯優(yōu)于干法，濕法HDPE摻量為6%時的動穩(wěn)定度比干法提高48.7%；對于5%摻量，濕法比干法動穩(wěn)定度提高76.4%。

表10 車轍試驗結(jié)果Table10 ResultsofRuttingtestPE摻量動穩(wěn)定度(DS)車轍深度HDPE6%濕法161530.8285干法(3‰)108621.446HDPE5%濕法123521.115干法(2.5‰)70001.966HDPE4%濕法86301.176干法(2‰)45981.939LLDPE6%濕法34803.209干法(3‰)29713.739LLDPE5%濕法30003.528干法(2.5‰)25783.964基質(zhì)瀝青011725.015 注:濕法中PE6%是指PE占瀝青的6%,此時PE用量與干法的3‰相同。

圖5　HDPE在不同摻量下干、濕法動穩(wěn)定度對比Figure 5　Comparison of dynamic stability

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，對于HDPE改性瀝青來說混合料的動穩(wěn)定度結(jié)果與瀝青的軟化點有較好的相關(guān)性，軟化點越高則動穩(wěn)定度越高。但LLDPE1#瀝青軟化點普遍偏高而動穩(wěn)定度較低，分析其主要原因可能是由于LLDPE在瀝青與瀝青的相容性較差，瀝青靜置過程中PE顆粒會出現(xiàn)大量上浮現(xiàn)象，這就嚴(yán)重影響了PE對瀝青的改性效果。

通過對試驗結(jié)果的綜合分析，HDPE可以作為適合工程應(yīng)用中的PE類型。

4.3PE瀝青混合料疲勞性能研究

對于試驗數(shù)據(jù)的分析，本研究主要采用歸一化勁度次數(shù)積評價法，同時以50%勁度模量衰減方法作為參照。6%HDPE摻量下，混合料小梁疲勞試驗測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表11，圖6、圖7。

表11 疲勞試驗結(jié)果Table11 Fatiguetestresults應(yīng)變水平添加方法模量/MPaNf50NfNM200με干法10145173650296250濕法14122227330421956300με干法10504148470237130濕法12360180380348060

圖6　200，300 με下干、濕法疲勞壽命對比Figure 6　Comparison of fatigue life under 200，300 με

圖7　不同應(yīng)變水平下PE的干、濕法模量對比Figure 7　Comparison of modulus under different strain level

由圖6可以發(fā)現(xiàn): 采用歸一化勁度次數(shù)積評價法所獲得的疲勞壽命數(shù)據(jù)與50%勁度模量衰減方法所獲得的數(shù)據(jù)具有較好的一致性。在兩種應(yīng)變水平下，采用濕法改性的混合料試件的疲勞壽命明顯高于干法，采用歸一化勁度次數(shù)積評價方法所獲得的疲勞壽命，濕法較干法提高40%以上。

由圖7可以清晰地看出: 2種應(yīng)變水平下，采用濕法添加PE所成型的試件的模量明顯高于干法，與前面所測得的試件的靜態(tài)抗壓回彈模量值相一致。

5結(jié)語

① 瀝青中加入PE顆粒，可以使瀝青的軟化點、復(fù)數(shù)模量及車轍因子得到明顯提高；勁度模量S值及m值與基質(zhì)瀝青相比變化不明顯，即認(rèn)為PE對低溫性能影響較??；

② PE顆?？梢燥@著提高瀝青混合料的靜態(tài)模量及動穩(wěn)定度，而濕法改性比干法效果更為明顯；當(dāng)HDPE摻量為6%時，濕法改性混合料的靜態(tài)模量與不添加PE的混合料相比提高了134%，比干法改性提高了33%，動穩(wěn)定度比干法提高了48.7%；

③ 對試驗結(jié)果綜合進(jìn)行分析可以得出：HDPE較LLDPE、廢舊PE更有優(yōu)勢；PE改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及靜態(tài)模量值得到顯著提高；PE顆粒濕法添加比干法對混合料路用性能的改善效果更為明顯。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙可,杜月宗.PE復(fù)合改性瀝青技術(shù)研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010, 29(6): 907-911, 941.

[2]王璐,陳華鑫,王金慶,等.聚乙烯(PE)處理集料對瀝青混合料水穩(wěn)性的影響[J]. 中外公路,2011, 33(6): 239-242.

[3]李德超,武賢慧. PE改性瀝青性能研究[J]. 石油瀝青，2003, 17(3): 39-43.

[4]郭淑華,曾赟. 聚合物對改性瀝青性能影響的綜合評價[J]. 公路交通科技，2003, 20(3): 5-9.

[5]楊錫武, 劉克, 楊大田. PE改性瀝青的幾個問題[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,張國強(qiáng),等.廢塑料改性瀝青的性能研究[J].石油瀝青.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

[中圖分類號]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0028-05

[作者簡介]劉少鵬(1989-)，男，河北保定人，碩士研究生，主要從事瀝青及瀝青混合料方面的研究。

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目(50308021)

[收稿日期]2014-09-12