聚乙烯對(duì)膠粉改性瀝青及其混合料性能的影響研究

李 琨，卞俊威，韓 鵬，孫雪琦

(1山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心，山東濟(jì)南 250000；2山東省水利科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250000)

隨著人民生活質(zhì)量的不斷提高，汽車擁有量也在不斷攀升，隨之而來(lái)的是汽車出行比例增加，路面負(fù)重不斷加大，尤其是重載車輛，將會(huì)加快路面病害的出現(xiàn)，對(duì)于路面耐久性能帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。相對(duì)于水泥路面，瀝青路面以其行車舒適性高、維修養(yǎng)護(hù)方便和工期短等優(yōu)點(diǎn)取得了較大的應(yīng)用，瀝青路面耐久性很大程度上取決于路面材料的性能，如何在提高瀝青路面使用性能的同時(shí)又能兼顧經(jīng)濟(jì)性，是道路工程領(lǐng)域?qū)＜液脱芯繉W(xué)者的共同研究課題。

近幾年有關(guān)橡膠瀝青研究頗多，不但解決了廢舊輪胎長(zhǎng)期堆放的“黑色污染”問(wèn)題，而且提高了瀝青路面性能，尤其是脫硫橡膠瀝青，解決了普通橡膠瀝青存在的存儲(chǔ)穩(wěn)定性差、易離析以及高黏度帶來(lái)的施工困難等問(wèn)題[1-2]。但脫硫橡膠瀝青也存在一定不足，如相對(duì)于普通橡膠瀝青，其高溫穩(wěn)定性相對(duì)較差，無(wú)法滿足高等級(jí)路面對(duì)于高溫抗車轍變形能力的要求。研究表明[3-4]，聚乙烯在提高瀝青路面高溫性能方面具有很大優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)將聚乙烯加入脫硫橡膠瀝青中，研究聚乙烯用量對(duì)于脫硫橡膠瀝青性能的影響，以期為工程實(shí)踐提供有利參考價(jià)值。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料性能

試驗(yàn)原材料主要是基質(zhì)瀝青、廢胎膠粉和PE改性劑、礦料等。其中基質(zhì)瀝青采用的是東海70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。廢胎膠粉采用四川某新材料科技公司生產(chǎn)的40目脫硫膠粉，外觀為黑色顆粒物，橡膠含量為52%，灰分為4.5%，它是由硫化廢膠粉經(jīng)過(guò)深度脫硫技術(shù)獲得的表面活性較高的一種脫硫膠粉[5]。聚乙烯是一種價(jià)格低廉的熱塑性樹脂材料，它是經(jīng)聚乙烯聚合而得，常用的聚乙烯主要分為高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和低密度線型聚乙烯，有研究表明[6-7]低密度線型聚乙烯在提高瀝青路面性能方面效果最好，因此試驗(yàn)中采用低密度線型聚乙烯進(jìn)行研究。在進(jìn)行瀝青混合料性能研究時(shí)粗集料采用玄武巖，細(xì)集料為石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，各種礦料技術(shù)性能均滿足規(guī)范要求。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性能Table 1 Technical performance of matrix bitumen

1.2 試驗(yàn)方案

研究表明[8]，脫硫膠粉用于制備改性瀝青的摻量宜為16%～18%，本文在試驗(yàn)時(shí)脫硫膠粉用量取固定值18%，并改變PE用量，其取值分別為1%、3%、5%，用于評(píng)價(jià)不同用量PE對(duì)于脫硫膠粉改性瀝青及其混合料的影響規(guī)律。

首先從針入度、軟化點(diǎn)和延度等角度分析不同PE用量的脫硫膠粉改性瀝青常規(guī)性能，并在此基礎(chǔ)上研究PE用量對(duì)于復(fù)合改性瀝青的高溫和低溫流變性能的影響。實(shí)踐表明[9]，橡膠瀝青混合料更適合采用間斷級(jí)配，因此試驗(yàn)選擇AR-SMA-13間斷級(jí)配，其合成級(jí)配見表2。室內(nèi)成型300mm×300mm×50mm車轍板試件，并依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0719-2011試驗(yàn)方法研究不同用量PE的膠粉改性瀝青混合料高溫抗車轍性能。將成型好的車轍板試件切割成250mm×30mm×35mm小梁試件，按規(guī)程T0715-2011試驗(yàn)方法，利用MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性。成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，并按照規(guī)程T0709-2011和T0729-2000試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)PE/膠粉改性瀝青混合料的抗水損害性能。

表2 AR-SMA-13級(jí)配組成Table 2 Composition of the AR-SMA-13 grade division

1.3 改性瀝青制備工藝

首先將基質(zhì)瀝青在140℃烘箱中加熱至熱熔流動(dòng)狀態(tài)，然后利用燒杯稱取一定質(zhì)量基質(zhì)瀝青置于墊有石棉網(wǎng)的電爐上，緩緩加入18%脫硫膠粉并用玻璃棒不斷順著同一方向攪拌5min，持續(xù)加熱至175℃并保持該溫度，采用高速剪切儀以4500轉(zhuǎn)r/min速率持續(xù)剪切30min，使膠粉均勻分散于瀝青中。然后將按比例稱取的PE改性劑緩緩加入橡膠瀝青中，調(diào)整高速剪切速率為3000r/min，持續(xù)剪切45min，然后移至160℃恒溫烘箱中保溫發(fā)育1h后即可完成PE/膠粉改性瀝青制備[10]。

2 瀝青性能

2.1 常規(guī)性能

為研究PE用量對(duì)于膠粉改性瀝青膠結(jié)料常規(guī)性能的影響，得到圖1試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 PE用量對(duì)于瀝青三大指標(biāo)性能的影響Fig.1 Influence of PE dosage on the three major indexes of asphalt

從圖1看出，隨著PE用量增加，瀝青的針入度和延度逐漸減小，軟化點(diǎn)逐漸升高，說(shuō)明一定量PE能夠增強(qiáng)膠粉改性瀝青的抵抗剪切破壞能力，提高其熱穩(wěn)定性，但降低了改性瀝青在低溫的延展性和抗裂性。

2.2 高溫流變性能

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀分別對(duì)摻不同量PE的膠粉改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，溫度掃描范圍為52～82 ℃，試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，加載頻率為10rad/s，以試驗(yàn)得到的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ及計(jì)算出的車轍因子G*/sinδ為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 復(fù)數(shù)剪切模量G＊與溫度的關(guān)系Fig.2 Complex shear modulusG＊versus temperature

復(fù)數(shù)剪切模量G*反映了瀝青材料的抵抗變形能力。從圖2可以看出，隨著溫度升高，三種PE摻量的復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*逐漸降低，最終趨于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，這是由于在溫度升高時(shí)，瀝青材料作為黏彈性材料，其成分逐漸從彈性成分轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば猿煞?，材料逐漸“變軟”。而在同一溫度下隨著PE用量增大，G*逐漸增大，說(shuō)明PE可以增強(qiáng)膠粉改性瀝青的高溫抗變形能力。

相位角是瀝青材料黏彈性比例的參數(shù)，當(dāng)相位角為0°時(shí)其為一種理想的彈性材料，當(dāng)相位角為90°時(shí)其為一種理想的黏性材料。從圖3可知，隨著溫度升高，四種改性瀝青相位角逐漸增大，說(shuō)明溫度升高時(shí)瀝青材料的彈性成分向黏性成分轉(zhuǎn)變。在同一種溫度時(shí)相位角隨著PE用量增加而減小，說(shuō)明加入聚乙烯后改善了膠粉改性瀝青在高溫時(shí)的彈性性能，提高了高溫抗變形能力。

圖3 相位角δ與溫度的關(guān)系Fig.3 Phase angle δ versus temperature

車轍因子反映瀝青材料在高溫時(shí)的抵抗車轍能力，其值越大，抗車轍能力越強(qiáng)。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，四種改性瀝青車轍因子逐漸減小，并在70℃后趨于穩(wěn)定，在同種溫度下隨著PE用量增大，其車轍因子越高，說(shuō)明聚乙烯可以明顯增強(qiáng)膠粉改性瀝青的高溫抗車轍和抗永久變形能力。

圖4 車轍因子與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between rut factor and temperature

2.3 低溫流變性能

為評(píng)價(jià)PE/膠粉改性瀝青膠結(jié)料的低溫流變性能，采用低溫彎曲梁流變儀對(duì)不同用量PE的膠粉改性瀝青進(jìn)行低溫BBR試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-12℃和-18℃、-24℃，以試驗(yàn)第60s時(shí)的蠕變速率m和蠕變勁度S為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中m應(yīng)不小于0.3，S不大于300MPa。試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 蠕變勁度S與溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between creep strength S and temperature

圖6 蠕變速率m與溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between creep rate m and temperature

從圖5和圖6可知，隨著溫度降低，蠕變勁度S持續(xù)增大，蠕變速率m值逐漸減小。在同一溫度下，隨著PE用量增加，S值也隨著增大，m值隨之減小，當(dāng)溫度為-24℃時(shí)四種瀝青材料的S值均已明顯大于300MPa，摻加PE的改性瀝青在-18℃時(shí)m值已低于0.3。因此，從試驗(yàn)結(jié)果看，摻加PE并不能提高膠粉改性瀝青的低溫抗裂性，反而起到相反的作用，這與前文延度試驗(yàn)結(jié)論相一致。

3 瀝青混合料路用性能

3.1 高溫穩(wěn)定性

研究表明[11]，瀝青路面產(chǎn)生車轍、推移和擁包等破壞主要是由于瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不足所導(dǎo)致。在高溫季節(jié)，瀝青作為一種黏彈性材料受熱會(huì)變軟，此時(shí)在車輛荷載的反復(fù)作用下，瀝青路面逐漸出現(xiàn)不可逆的塑性變形，隨著變形量不斷增大從而形成車轍。實(shí)踐表明，車轍試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫啬M瀝青路面在高溫和車輛荷載作用下的實(shí)際狀況。本文采用車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)PE/膠粉改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力，溫度環(huán)境為60℃，加載頻率為42次/min，以試驗(yàn)開始后第45min至60min之間的動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Rut test results

從表3可以看出，隨著PE用量增加，車轍變形量逐漸減小，動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大，相對(duì)于不摻PE的膠粉改性瀝青混合料，摻1%、3%和5% PE對(duì)應(yīng)的動(dòng)穩(wěn)定度分別增大了7.1%、25.0%和36.4%。說(shuō)明一定量PE可以增強(qiáng)膠粉改性瀝青混合料的高溫抗永久變形能力和抗車轍能力。可能是由于加入PE后，形成以膠粉為結(jié)點(diǎn)、PE均勻分散其中的網(wǎng)狀穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，限制了瀝青分子在高溫狀態(tài)下的流動(dòng)，提高了高溫穩(wěn)定性。

3.2 低溫抗裂性

瀝青混合料作為一種黏彈性材料，當(dāng)溫度較低時(shí)，材料的脆硬性會(huì)增加，柔韌性降低，尤其是外界溫度突然降低時(shí)，內(nèi)部材料的溫度應(yīng)力來(lái)不及釋放，當(dāng)這種應(yīng)力大于材料自身拉應(yīng)力時(shí)便會(huì)形成裂縫，路面開裂后會(huì)嚴(yán)重影響道路的使用壽命和服務(wù)質(zhì)量。利用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)溫度為-10℃，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Low-temperature trabecular bending test results

從表4可以看出，隨著PE用量增加，瀝青混合料的彎拉應(yīng)變逐漸增大，勁度模量減小，結(jié)果表明摻入PE對(duì)于瀝青混合料低溫性能有一定改善作用，可提高膠粉改性瀝青混合料的低溫抗裂性，但該結(jié)論與前文瀝青膠結(jié)料的延度和低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)論相反。結(jié)合聚乙烯自身材料特性，其玻璃化溫度相對(duì)較低，一般為-90℃，即當(dāng)溫度低于-90℃時(shí)PE才會(huì)變得脆硬，因此正常狀況下其較低的玻璃化溫度理應(yīng)是成為PE改性瀝青具有較好低溫抗裂性的基礎(chǔ)條件，故關(guān)于PE/膠粉改性瀝青膠結(jié)料的低溫性能評(píng)價(jià)方法還需進(jìn)一步專題研究。

3.3 水穩(wěn)定性

研究表明[12]，路表水通過(guò)裂隙或空隙滲透到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在車輛荷載作用下內(nèi)部會(huì)形成動(dòng)水壓力，當(dāng)這種壓力超過(guò)集料與瀝青界面的粘附力時(shí)，瀝青薄膜便會(huì)從集料表面脫落形成水損害。目前主要采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表5和表6。

表5 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of the submerged Marshall test

表6 凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of freeze-thaw split strength test

從表5和表6可以看出，兩種試驗(yàn)結(jié)論是一致的，隨著PE用量增加，殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比逐漸增大，說(shuō)明加入PE可以增強(qiáng)改性瀝青膠結(jié)料的界面粘附性，有效降低瀝青結(jié)合料從集料表面脫落，提高膠粉改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）從三大指標(biāo)結(jié)果看，摻加PE可提高軟化點(diǎn)，降低針入度，提高改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和黏稠度，但延度有所減小，降低改性瀝青的低溫延展性能。

（2）從DSR和BBR流變性能試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加PE能夠提高膠粉改性瀝青的高溫彈性恢復(fù)能力，提高其高溫抗車轍永久變形能力，但摻入PE降低了膠粉改性瀝青的低溫抗裂性。

（3）從路用性能試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著PE用量增加，動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比等指標(biāo)相應(yīng)增大，PE提高了膠粉改性瀝青混合料的高溫抗車轍、抗永久變形能力和抗水損害能力。但在低溫性能方面，隨著PE用量增加，彎拉應(yīng)變逐漸增大，勁度模量減小，摻入PE能夠提高膠粉改性瀝青混合料的低溫抗裂性，但這與瀝青膠結(jié)料的延度和低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)論相反，因此需進(jìn)一步進(jìn)行研究。