PE改性瀝青混合料路用性能試驗研究

萬 鈺， 徐 朔， 吳文朋

(1.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015； 2.湘潭大學，湖南 湘潭 411105)

0 前言

隨著城市發(fā)展和國民經(jīng)濟的快速騰飛，各地新建高速公路以滿足人們出行交通需求。高等級公路采用高性能瀝青混凝土，根據(jù)路面結構適用性要求通常采用AC、SMA、SUP等級配[1-3]。為全面提升道路的服役水平及壽命，國內外研究學者對路面的結構、材料等進行深入研究，認為改性瀝青、外摻劑等新材料可以改善材料路用性能，增強力學性能[4]。顧萬[5]等在再生瀝青混合料中摻入了高模量劑和玄武巖纖維進行性能試驗研究，發(fā)現(xiàn)外摻劑材料可以提升混合料的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能；余紅杰[6]在AC-13和SMA-13兩種級配中摻入了抗車轍劑，認為可以大幅度改善瀝青混合料內部結構受力特征，增強材料的黏度性和抗壓強度，這對于材料的結構穩(wěn)定和優(yōu)化是有利的。吳正光[7]等采用廢舊PE材料對AC-20級配的瀝青混合料進行路用性能試驗研究，認為PE改性劑材料可以提升混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，在高等級公路中具有廣闊的應用推廣價值。無論是高模量劑、抗車轍劑還是PE改性劑，其有效成分均含有聚乙烯成分，該材料具有高彈性和高粘度，提高了瀝青的高溫流動性，并增加了瀝青的韌性。材料具有高彈高粘作用，可提高瀝青的粘度，改善高溫流動性，增大瀝青的韌性[8-10]。本研究將PE改性劑以不同摻量形式分別制備改性瀝青和瀝青混合料，通過性能測試探究PE摻量對其的性能影響演變規(guī)律，研究成果可為PE改性瀝青路面的應用推廣提供理論基礎。

1 PE改性瀝青性能試驗研究

研究分別選取了0%、1.5%、3%、4.5%、6%的5種不同摻量的PE改性劑外摻入基質瀝青中制備改性瀝青，通過針入度、軟化點、黏度等指標來研究材料技術指標變化規(guī)律[11-12]。其中，PE改性劑材料型號為PEⅢ-B，外表為黑色固體顆粒，其性能技術指標如下：外觀形貌為黑色/扁平狀顆粒，粒徑范圍2～6 mm,密度0.92～0.98 g/cm3。熔點135 ℃～150 ℃。選用瀝青為普通70#基質瀝青，其技術參數(shù)如表1所示。

表1 70#基質瀝青性能技術指標Table1 Performanceindexof70#matrixasphalt測試項目針入度25℃/0.1mm軟化點/℃延度5℃/mm測試結果65.853.5>100規(guī)范要求60～8050～70>100

PE改性瀝青的制備工藝為：將基質瀝青置于120 ℃烘箱中加熱待用，將基質瀝青倒入高速剪切儀中進行剪切攪拌，再將PE改性劑分批加入剪切設備中，剪切時長控制在30 min左右，溫度170 ℃，轉速3 000 r/min。將制備好的改性瀝青置于135 ℃烘箱中靜置30 min后，進行瀝青性能測試相關的試驗。

研究將不同摻量下制備的PE改性瀝青進行瀝青的針入度、軟化點及黏度試驗，測試結果如表2所示。

表2 PE改性瀝青性能測試結果Table2 PEmodifiedasphaltperformancetestresultsPE改性劑摻量/%針入度/0.1mm軟化點/℃黏度/(Pa·s)0.065.853.500.621.552.762.501.253.045.868.221.784.538.771.382.256.033.273.412.56

相關技術性能隨PE改性劑摻量的變化關系如圖1所示。

圖1 改性瀝青技術指標隨摻量變化規(guī)律

由圖1可知，隨著PE改性劑摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸減小，軟化點和黏度逐漸增大，這與瀝青材料的特性直接相關。在PE改性劑添加初期，針入度下降趨勢較快，但后期下降趨勢減慢，這說明PE改性劑對瀝青特性的影響是較大的，但隨著PE摻量的逐漸增加，其有效成分聚乙烯使得瀝青材料內部的彈性組分增加，黏度增大，當PE摻量過多時，瀝青材料中的油脂成分不能與聚乙烯形成有效地融合，材料的性能提升速率減緩。考慮到PE改性瀝青的制備為濕法，與路面施工過程中直投式“干法”施工存在差異，研究需進一步探討PE改性劑在瀝青混合料中的性能影響。

2 PE改性瀝青混合料路用性能研究

研究將不同摻量的PE改性劑以“干法”方式制備AC-13級配的PE改性瀝青混合料，PE改性劑摻量分別為0%、1.5%、3%、4.5%、6%。分別考察了改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗開裂性能。

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料在高溫環(huán)境下，容易使內部瀝青油脂組分發(fā)生變形和遷移，使得內部材料結構失穩(wěn)，造成路面車轍、麻面、泛油等病害現(xiàn)象。研究常采用車轍試驗探究混合料高溫性能技術狀況，相關測試結果如表3所示。

表3 PE改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗結果Table3 High-temperaturestabilitytestresultsofPEmodi-fiedasphaltmixturePE改性劑摻量/%總變形/mm動穩(wěn)定度/(次·mm-1)0.012.212151.58.519623.07.325514.56.828366.06.43045

繪制總變形和動穩(wěn)定度與PE改性劑摻量的變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 總變形-PE改性劑摻量

圖3 動穩(wěn)定度-PE改性劑摻量

由圖2、圖3可知，隨著PE改性劑摻量的增加，瀝青混合料的總變形逐漸降低，動穩(wěn)定度逐漸增大。相較于普通瀝青混合料，PE改性劑摻量為1.5%、3%、4.5%、6%時，對應瀝青混合料的總變形分別下降30.33%、40.16%、44.26%、47.54%，動穩(wěn)定度分別增長61.48%、109.96%、133.42%、150.62%。PE改性劑中的彈性組分能夠增強瀝青的黏度，進而增強了材料的抗壓強度。PE改性劑均勻分散在瀝青混合料中，并與瀝青成分有效交融，在一定程度上也促進了材料的結構穩(wěn)定。然而，就瀝青的路用性能而言，并非高溫穩(wěn)定性越高，材料的性能越好，在一定程度上會削減其他指標性能。因此，需綜合考慮水穩(wěn)性能、低溫抗拉性能等指標。

2.2 水穩(wěn)定性

瀝青混合料的水穩(wěn)定性是指混合料在水損傷環(huán)境下材料的劣化影響，水損傷既包括了雨水的沖刷浸潤損傷，也包括了在低溫環(huán)境下凍融損傷。研究通常采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來表征混合料的水穩(wěn)定性能，測試結果如表4所示。

表4 PE改性瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結果Table4 WaterstabilitytestresultsofPEmodifiedasphaltmixturePE改性劑摻量/%殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂強度比/%0.090.586.21.591.286.83.093.487.54.590.787.06.089.685.4

繪制殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比分別與PE改性劑摻量的變化曲線，如圖4、圖5所示。

如圖4、圖5可知，隨著PE改性劑摻量的增長，混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當PE改性劑摻量為3%時，混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比分別為93.4%和87.5%，相較于普通瀝青混合料，分別增長了3.20%和1.51%。在改性劑摻入初期，PE改性劑中的聚乙烯和瀝青的油脂成分能夠有效融合，形成不飽和狀態(tài)，使得瀝青的黏度增大，材料內部結構處于穩(wěn)定狀態(tài)。而PE改性劑摻量過多時，PE改性劑與瀝青形成不飽和狀態(tài)，PE中的聚乙烯含量過多會削弱材料的穩(wěn)定，造成局部應力集中。

圖4 殘留穩(wěn)定度-PE改性劑摻量

圖5 凍融劈裂強度比-PE改性劑摻量

2.3 低溫抗裂性

瀝青混合料低溫開裂主要是因為在外界溫度的循環(huán)升降或者溫度短時間內的急劇變化導致的溫度應力大于材料本身的直接拉伸強度而產(chǎn)生的裂縫?；旌狭系蜏乜沽研匝芯坎捎眯×旱蜏貜澢囼炦M行研究，測試結果如表5所示。

表5 PE改性瀝青混合料低溫抗裂性試驗結果Table5 LowtemperaturecrackresistancetestresultsofPEmodifiedasphaltmixturePE改性劑摻量/%抗彎拉強度/MPa破壞應變/με勁度模量/MPa0.011.05198866451.511.81239952093.012.12283545834.512.58346834056.012.2130123807

研究繪制了抗彎拉強度、破壞應變、勁度模量隨PE改性劑摻量的變化曲線，如圖6～圖8所示。

圖6 抗彎拉強度-PE改性劑摻量

圖7 破壞應變-PE改性劑摻量

圖8 勁度模量-PE改性劑摻量

由圖6～圖8可知，隨著PE改性劑摻量的逐漸增加，混合料的抗彎拉強度和破壞應變逐漸增大，勁度模量逐漸下降。其中，破壞應變的增大說明混合料在低溫環(huán)境下抵抗開裂變形的能力越強。相較于普通瀝青混合料，PE改性劑摻量在1.5%、3%、4.5%時對應的破壞應變分別增長20.67%、42.61%、74.45%，說明PE材料的增加可以顯著增強材料的抗開裂能力。其主要原因是PE材料中的彈性組分與瀝青混合料有效融合，使得瀝青混合料也具有一定彈性變形能力，在外部荷載作用下，混合料能夠抵抗低溫變形，在一定程度上可以提升材料路用性能和使用壽命。但是PE改性劑摻量的過多會導致材料的內部結構失穩(wěn)，在一定程度上會削弱材料性能。

2.4 PE改性劑無量綱化摻量比選

通過上述研究表明，PE改性劑材料與瀝青進行拌合可以提升材料的黏度，與瀝青混合料以干法拌合可以促進材料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性提升，對于水溫度性而言，會隨摻量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。為量化表征優(yōu)選的PE改性劑摻量，研究以動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比、破壞應變?yōu)閰?shù)，進行無量綱化評價模型建立，如表6所示。

表6 無量綱化PE改性劑摻量優(yōu)選Table6 Optimaldosageofnon-dimensionalPEmodifierPE改性劑摻量/%動穩(wěn)定度/(次·mm-1)殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂強度比/%破壞應變/με0.00.400.970.990.571.50.640.980.990.693.00.841.001.000.824.50.930.970.991.006.01.000.960.980.87

將無摻量化的相關技術指標進行排列，并賦予一定權重進行計算?？紤]到殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均為水穩(wěn)定性能的評價指標，研究對動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、熔融劈裂強度比、破壞應變的權重幅值分別為1/3、1/6、1/6、1/3。通過無量綱化的賦值和權重進行乘積計算可得到最終的PE改性劑摻量排序方案。0%、1.5%、3%、4.5%、6%的5種摻量下的最終量化指標分別為0.65、0.77、0.89、0.97、0.95。結合本試驗研究及實際的道路施工技術狀況，建議采用4.5%摻量的PE改性劑應用于實際施工。

3 結語

PE改性劑作為一種低成本、高性能的路面材料添加劑，可在一定程度上改善瀝青混合料的路用性能。研究分別選取了1.5%、3%、4.5%和6%摻量的PE改性劑制備改性瀝青及其瀝青混合料，并與普通瀝青混合料進行性能對比分析，認為PE改性劑可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗開裂性能，對于水穩(wěn)定性能而言，PE改性劑摻量的過多會在一定程度上削弱瀝青混合料的水穩(wěn)定性，研究通過無量綱化的指標評價計算，最終推薦4.5%摻量的PE改性劑。對PE改性瀝青混合料的深入研究，有利于全面改善混合料路用性能，提升道路服役水平和使用壽命。