PE蠟對瀝青性能的影響及作用機理研究

宋文佳

（西安外事學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710077）

0 引言

瀝青混凝土作為良好的道路建筑材料，在我國各級道路均有不同規(guī)模的應(yīng)用，尤其在高速通路領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。現(xiàn)有的瀝青混合料大多采用高溫拌合及攤鋪、碾壓施工。通常熱拌瀝青混合料的拌合溫度在160～180℃，在高溫拌合和攤鋪過程中，瀝青材料會釋放出COx、SO2、NOx及顆粒污染物等大量有害物質(zhì)，對于施工人員健康以及自然環(huán)境具有極為不利的影響[1]。為了解決熱拌瀝青混合料拌合及施工過程中出現(xiàn)的污染問題，國內(nèi)外道路領(lǐng)域的研究學(xué)者開展了諸多研究，例如俞方英等[2]研發(fā)了一種新型溫拌瀝青添加劑，并對其性能進(jìn)行了評價。張苛和張爭奇[3]對不同溫拌劑作用于瀝青材料的效能進(jìn)行了評價。李闖民等[4]對比分析了不同成型方法應(yīng)用于溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計的合理性。楊彥海等[5]對溫拌瀝青混合料可壓實性與路用性能進(jìn)行了分析。陳宙翔等[6]研究了溫拌瀝青技術(shù)在冬季施工中的應(yīng)用工藝及效果；李宏志和鄭健龍[7]研究了溫拌瀝青膠漿的流變性能。張榮輝和李斌[8]基于表面活性平臺制備了溫拌環(huán)氧瀝青混凝土，并對其性能展開研究。張旭亮和陳勇[9]采用不同類型溫拌改性劑制備了改性瀝青混合料，并對其進(jìn)行了路用性能比選。羅要飛等[10]分析了高原寒冷地區(qū)溫拌瀝青混合料水穩(wěn)性能分析。李曦鵬[11]借助微觀手段對溫拌瀝青的老化性能進(jìn)行了研究。通過國內(nèi)外研究可以發(fā)現(xiàn)，PE蠟作為一種良好的溫拌改性劑，對于改善熱拌瀝青混合料的污染狀況具有良好的效果。

為此，本文優(yōu)選不同類型PE蠟及瀝青材料，制備了多種具有溫拌功效的改性瀝青材料，通過三大指標(biāo)試驗系統(tǒng)研究了PE蠟類型及摻量對于瀝青高低溫性能的影響，通過粘度試驗評價了不同類型PE蠟改性瀝青的流變性能，在此基礎(chǔ)上，采用SEM及FTIR分析手段深入探究了PE蠟的溫拌改性機理，可為溫拌改性瀝青在施工節(jié)能減排方面的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料及主要儀器設(shè)備

（1）PE蠟：采用高密度氧化PE蠟和3001型PE蠟作為溫拌瀝青改性劑，優(yōu)選的2種PE蠟技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。PE蠟的應(yīng)用摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.10%、0.15%、0.20%、0.25%及0.30%。

表1 PE蠟的主要技術(shù)性能指標(biāo)

（2）基礎(chǔ)瀝青：殼牌90#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，其技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)

（3）布氏粘度儀：DV1MHB高粘度布氏粘度計，德國產(chǎn)；掃描電子顯微鏡：JSM型，日本產(chǎn)，放大倍數(shù)為1000～10 000倍；傅立葉變換紅外光譜儀：TENSOR27型，美國產(chǎn)。

1.2 溫拌瀝青的制備方法

（1）采用恒溫加熱裝置將瀝青加熱至熔融狀態(tài)；

（2）定量稱取片狀PE蠟，裝入預(yù)先準(zhǔn)備好的粉碎器中，將其粉碎至均勻的小顆粒狀，過4.75 mm篩后，將其裝入潔凈的容器中，將容器中的PE蠟均分為3份；

（3）將瀝青采用高速剪切儀進(jìn)行處理，以2000 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，均勻加入1份PE蠟，并繼續(xù)攪拌5 min；

（4）加入第2份PE蠟，以3500 r/min攪拌3 min；將轉(zhuǎn)速調(diào)至2000 r/min，并加入最后1份PE蠟，繼續(xù)攪拌3 min；

（5）最后將轉(zhuǎn)速調(diào)至1500 r/min，保持低速攪拌5 min，即制得溫拌瀝青。

1.3 測試與表征

（1）基本性能測試：依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》測試PE溫拌改性瀝青材料的軟化點、針入度及延度等。

（2）流變性能測試：參照J(rèn)TG E 20—2011對不同類型PE溫拌改性瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度進(jìn)行測試，測試溫度分別為100、120、140、160 ℃。

（3）SEM分析：采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM分析，放大倍數(shù)2000。

（4）FTIR分析：FTIR分辨率為0.2 cm-1，掃描次數(shù)32次，測試范圍為 4000～900 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 PE蠟對瀝青基本性能的影響

2.1.1 PE蠟摻量對不同基礎(chǔ)瀝青基本性能的影響測試不同高密度氧化PE蠟摻量條件下，溫拌改性瀝青

材料的軟化點、針入度及延度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 PE蠟摻量對不同基礎(chǔ)瀝青基本性能的影響

由圖1可見，隨著PE蠟摻量的逐漸增大，瀝青材料的軟化點逐漸升高，這表明PE蠟的加入能夠明顯提高瀝青材料的高溫性能；而針入度和延度均逐漸減小，這表明PE蠟的加入會對瀝青材料的溫度敏感性和低溫性能造成不利影響.因此，在應(yīng)用過程中應(yīng)注意其對瀝青材料低溫性能的影響，采用合理的用量。

2.1.2 PE蠟類型及摻量對基質(zhì)瀝青基本性能的影響

分別采用高密度氧化PE蠟和3001型PE蠟對殼牌90#基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，并測試其軟化點、針入度及延度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 PE蠟類型及摻量對基質(zhì)瀝青基本性能的影響

由圖2可見，不同類型PE蠟對于瀝青的影響程度存在明顯差異。隨著高密度氧化PE蠟和3001型PE蠟摻量的增加，殼牌90#基質(zhì)瀝青的軟化點明顯提高，而針入度和軟化點明顯降低。同時，在相同摻量條件下，3001型PE蠟對于殼牌90#基質(zhì)瀝青的作用效果比高密度氧化PE蠟更為明顯。

2.2 PE蠟對改性瀝青流變性能的影響

在殼牌90#基質(zhì)瀝青中摻入不同類型的PE蠟制備溫拌改性瀝青，分別測試在不同溫度下改性瀝青的布氏粘度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 PE蠟類型對瀝青粘度的影響

由圖3可見，摻入0.3%高密度氧化PE蠟和3001型PE蠟對于瀝青材料均具有明顯的降粘效果，在120～140℃區(qū)間內(nèi)，3100型PE蠟的降粘效果相對較高，與高密度氧化PE蠟相比，其降粘效果提高了8.2%；但隨著溫度的繼續(xù)升高，二者對瀝青的降粘效果均明顯減小。

2.3 PE蠟作用機理分析

2.3.1 SEM分析

采用掃描電鏡對殼牌90#基質(zhì)瀝青和摻加0.3%高密度氧化PE蠟改性殼牌90#基質(zhì)瀝青的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，未摻加PE蠟的基質(zhì)瀝青材料其內(nèi)部具有明顯的突起和結(jié)狀結(jié)構(gòu)，在拍攝的過程中材料整體流動行為較為劇烈；而對于摻加PE蠟的改性瀝青材料，其內(nèi)部的異狀構(gòu)造相對較少，同時在電子束撞擊過程中其表現(xiàn)出了較為穩(wěn)定的狀態(tài)，整體移動狀況較少，這可能是由于PE蠟的加入增強了瀝青材料的高溫性能，使其性質(zhì)更為穩(wěn)定。

2.3.2 FTIR分析

分別對殼牌90#基質(zhì)瀝青和摻加0.3%高密度氧化PE蠟的改性殼牌90#基質(zhì)瀝青進(jìn)行FTIR分析，結(jié)果如圖5所示。

圖4 基質(zhì)瀝青與PE蠟改性瀝青SEM照片（×2000倍）

圖5 基質(zhì)瀝青與PE改性瀝青的FTIR圖譜

由圖5可見，摻加PE蠟后，改性瀝青的紅外光譜圖在不同波數(shù)位置處出現(xiàn)了明顯的新吸收峰，在官能團區(qū)（1333～3700 cm-1）3500 cm-1處羥基伸縮振動吸收峰吸光度明顯增強，而在3000 cm-1處和1700～1500 cm-1處，出現(xiàn)了多處微小吸收峰；在指紋區(qū)（650～1333 cm-1）750 cm-1處，亞甲基 CH2搖擺振動吸收峰的強度增強，而且出現(xiàn)了新的吸收峰。綜上，PE蠟的加入對于瀝青材料內(nèi)部成分實現(xiàn)了明顯的改性作用，這也是其能夠明顯降低瀝青粘度效果的機理所在。

3 結(jié)論

（1）隨著PE蠟摻量的逐漸增加，瀝青材料的軟化點逐漸升高，針入度和延度逐漸減小，3001型PE蠟對于瀝青的作用效果比高密度氧化PE蠟更為明顯。

（2）在120～140℃區(qū)間范圍內(nèi)，3100型PE蠟的降粘效果相對較高，與高密度氧化PE蠟相比，其降粘效果提高了8.2%，但隨著溫度的繼續(xù)升高，二者對于瀝青的降粘效果均明顯減小。

（3）摻加PE蠟的改性瀝青材料內(nèi)部的異狀構(gòu)造相對較少，同時在電子束撞擊過程中其表現(xiàn)出了較為穩(wěn)定的狀態(tài)，整體移動狀況較少，

（4）PE蠟的加入對于瀝青材料內(nèi)部成分實現(xiàn)了明顯的改性作用，這也是其能夠明顯降低瀝青粘度效果的機理所在。

[1] 仰建崗.溫拌瀝青混合料應(yīng)用現(xiàn)狀與性能[J].公路交通科技，2006（8）：32-34.

[2] 俞方英，紀(jì)小平，儲偉偉.一種新型溫拌瀝青添加劑及其應(yīng)用[J].新型建筑材料，2013，40（2）：16-18.

[3] 張苛，張爭奇.基于溫拌瀝青性能的不同溫拌劑效能評價[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2016，34（3）：389-393.

[4] 李闖民，王濤，鄧泰.不同成型方法應(yīng)用于溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計的對比分析[J].公路，2015（2）：193-198.

[5] 楊彥海，劉夢晴，孫貫益.溫拌瀝青混合料可壓實性與路用性能分析[J].公路，2016（1）：32-35.

[6] 陳宙翔，楊強，張存華，等.溫拌瀝青技術(shù)在冬季施工中的應(yīng)用[J].公路，2016（4）：47-50.

[7] 李宏志，鄭健龍.溫拌瀝青膠漿流變性能研究[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，33（6）：22-27.

[8] 張榮輝，李斌.基于表面活性平臺的溫拌環(huán)氧瀝青混凝土性能研究[J].新型建筑材料，2011，38（12）：24-26.

[9] 張旭亮，陳勇.基于路用性能的溫拌瀝青混合料改性劑比選[J].材料導(dǎo)報，2015（s1）：373-375.

[10] 羅要飛，張爭奇，張苛，等.高原寒冷地區(qū)溫拌瀝青混合料水穩(wěn)性能分析[J].冰川凍土，2016，38（6）：1592-1597.

[11] 李曦鵬.基于微觀特性的溫拌瀝青老化特性研究[J].硅酸鹽通報，2016，35（11）：3741-3747.