PE改性瀝青及瀝青混合料性能研究

劉海增

（洛陽(yáng)旭陽(yáng)建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，廢舊農(nóng)膜等PE 塑料的大量產(chǎn)生，傳統(tǒng)的填埋和焚燒處理方式非常污染環(huán)境。在“碳達(dá)峰”與“碳中和”目標(biāo)下，將廢舊PE 塑料無(wú)害化、資源化利用是建設(shè)綠色低碳社會(huì)的必然要求。

瀝青路面在溫度變化和車(chē)輛荷載作用下容易產(chǎn)生開(kāi)裂和車(chē)轍病害。低溫會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂，高溫會(huì)導(dǎo)致車(chē)轍。通過(guò)摻入不同的改性劑，可以提高瀝青混合料的工程性能。已有研究表明［1］，將廢塑料用作瀝青添加劑，可以改善瀝青結(jié)合料性能，進(jìn)而提高瀝青混合料的工程性能，是實(shí)現(xiàn)廢舊PE 塑料資源化循環(huán)利用的有效途徑。部分學(xué)者已開(kāi)展相關(guān)研究。段振洲［2］對(duì)比分析了SBS、PE 和湖瀝青三種改性劑對(duì)改性瀝青的高低溫性能和抗水損害性能影響情況；陳江偉等［3］以某市政道路工程為例，研究了PE改性瀝青最佳改性劑摻量；高崇等［4］研究了廢舊地膜PE 改性瀝青混合料的高低溫性能和抗凍融性能。此外還有學(xué)者開(kāi)展了PE 改性瀝青干拌工藝［5］、不同PE類(lèi)型［6］和雜質(zhì)類(lèi)型［7］對(duì)PE改性瀝青性能的影響等方面的研究，PE 改性瀝青已取得一定的研究進(jìn)展。但對(duì)于特定實(shí)體工程，針對(duì)不同PE改性劑摻量下的瀝青及瀝青混合料性能，確定合適的PE 改性劑摻量，本項(xiàng)目指導(dǎo)工程應(yīng)用，仍需進(jìn)一步研究?；诖耍阅掣咚俟饭こ虨槔?，研究不同PE 改性劑摻量下瀝青及瀝青混合料性能，確定PE 改性劑推薦用量，分析PE 改性瀝青及瀝青混合料工程適用性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青選擇中石油AH-70 石油瀝青，集料選擇石灰?guī)r集料。瀝青及集料性能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）規(guī)范的要求。PE改性劑為以農(nóng)膜等廢舊PE 為原材料，經(jīng)工廠化提純、?；纬傻暮谏腆wPE 顆粒，粒徑為4~6 mm，密度為1.02~1.10 g/cm3，熔點(diǎn)為100~150 ℃。

1.2 試驗(yàn)方法

PE 改性瀝青的制備：將基質(zhì)瀝青預(yù)熱至150~165 ℃，以基質(zhì)瀝青為基準(zhǔn)，采用重量百分比，分別加入0%、4%、6%、8%的PE 改性劑。利用高速剪切攪拌儀，先以500~1 000 r/min 速度攪拌3~5 min，再以1 000~1 500 r/min 速度攪拌5~8 min，即得到PE改性瀝青。

PE 改性瀝青混合料的制備：選用接近《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）規(guī)范中AC-13 中的級(jí)配，將集料和拌鍋預(yù)熱至170~180 ℃，集料加入拌鍋中攪拌90 s，再加入PE 改性瀝青攪拌90 s，最后加入礦粉攪拌90 s?；旌狭嫌褪染捎?.0%。混合料拌制完成后可以成型不同性能的測(cè)試試件。

試驗(yàn)方法分為瀝青試驗(yàn)方法和瀝青混合料試驗(yàn)方法。瀝青試驗(yàn)方法為動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）試驗(yàn)，測(cè)試溫度為50 ℃、58 ℃、60 ℃、64 ℃和70 ℃。對(duì)改性和未改性的瀝青結(jié)合料進(jìn)行DSR試驗(yàn)，從而評(píng)價(jià)瀝青的黏彈性行為、勁度、彈性和溫度敏感性，以及老化前后的抗車(chē)轍能力［8］。

瀝青混合料試驗(yàn)為馬歇爾試驗(yàn)和車(chē)轍試驗(yàn)，以進(jìn)一步評(píng)價(jià)PE 改性劑對(duì)瀝青混合料性能的影響。瀝青混合料試驗(yàn)及瀝青RTFOT 老化試驗(yàn)方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)范的要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 老化前PE改性瀝青流變性能

老化前PE 改性瀝青復(fù)合模量M和相位角δ測(cè)試結(jié)果如圖1所示。根據(jù)復(fù)合模量和相位角計(jì)算得到不同改性瀝青的車(chē)轍因子，如圖2所示。由圖1和圖2 可知，在50~70 ℃的測(cè)試范圍內(nèi)，與基質(zhì)瀝青（PE 摻量為0%）相比，PE 改性瀝青的復(fù)合模量和車(chē)轍因子均有所增加；相位角在58 ℃之前增加，60 ℃及以后基本相當(dāng)。相同測(cè)試溫度下，隨著改性瀝青中PE改性劑摻量的增加，改性瀝青復(fù)合模量和車(chē)轍因子先增加后減小，在PE 摻量為6%時(shí)達(dá)到峰值。在58 ℃之前，PE 改性劑摻量對(duì)相位角影響顯著，60 ℃及以上時(shí)，PE改性劑摻量對(duì)相位角影響程度逐漸減小。PE 改性劑摻量為6%和8%的改性瀝青相位角基本一致，這表明PE改性瀝青抗車(chē)轍性能顯著提升。PE改性瀝青性能提升主要是由于PE顆粒融入瀝青中，導(dǎo)致改性瀝青的黏度和黏彈性提升。

圖1 未老化PE改性瀝青復(fù)合模量和相位角

圖2 未老化PE改性瀝青車(chē)轍因子

2.2 老化后PE改性瀝青流變性能

RTFOT老化后復(fù)合模量M和相位角δ如圖3所示，根據(jù)復(fù)合模量和相位角計(jì)算得到不同改性瀝青的車(chē)轍因子，如圖4所示。由圖3和圖4可知，PE改性瀝青復(fù)合模型、相位角和車(chē)轍因子隨測(cè)試溫度和PE 改性劑摻量的變化規(guī)律與老化前基本一致。不同的PE改性劑含量對(duì)RTFOT老化后瀝青結(jié)合料黏彈性有顯著影響。相同改性劑摻量下，DSR 測(cè)試從50 ℃到70 ℃的不同測(cè)試溫度，與未老化瀝青相比，老化后改性瀝青復(fù)合模量呈整體增大趨勢(shì)，相位角呈減小趨勢(shì)，車(chē)轍因子提高。相位角越小表明瀝青中彈性成分越高。根據(jù)復(fù)合模量和相位角評(píng)估黏彈性，改性瀝青彈性提高，相應(yīng)的抗車(chē)轍能力提高。摻加PE 改性劑的改性瀝青車(chē)轍因子提高幅度顯著高于未改性瀝青。PE 改性劑摻量為6%時(shí)，提高幅度最大。在瀝青中加入PE 改性劑可提高改性瀝青勁度，從而提供更好的耐久性和抗老化性能，以及更好的抗變形和抗開(kāi)裂性能［9］。與未改性瀝青相比，PE 改性瀝青顯示出較少的硬化行為，具有較強(qiáng)的抗熱氧化老化特性。

圖3 老化后PE改性瀝青復(fù)合模量和相位角

圖4 老化后PE改性瀝青車(chē)轍因子

2.3 馬歇爾試驗(yàn)

馬歇爾試驗(yàn)可評(píng)價(jià)瀝青混合料在交通荷載下承受破壞和變形的能力，是瀝青混合料抗扭曲、位移和剪切應(yīng)力變形的測(cè)試方法。馬歇爾穩(wěn)定度、馬歇爾流值和馬歇爾模數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。馬歇爾模數(shù)為馬歇爾穩(wěn)定度與馬歇爾流值之比，可作為抗變形指標(biāo)。

圖5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由圖5 中可知，與未改性瀝青混合料相比，隨著混合料中PE 改性劑摻量的增加，改性瀝青穩(wěn)定度和馬歇爾模數(shù)逐漸增大，流值逐漸減小。PE 改性劑可使改性瀝青混合料顯示出更好的穩(wěn)定性，提高混合料強(qiáng)度，且顯著增強(qiáng)了改性瀝青混合料的抗變形能力。較高的馬歇爾模數(shù)表明PE 改性瀝青硬度提高，更能抵抗永久變形。當(dāng)PE 改性劑摻量在6%以下時(shí)，隨著PE 摻量的增加，改性瀝青穩(wěn)定度和馬歇爾模數(shù)增長(zhǎng)幅度較大。當(dāng)PE 摻量由6%增加到8%時(shí)，改性瀝青穩(wěn)定度和馬歇爾模數(shù)增長(zhǎng)幅度顯著降低，且PE 摻量為6%時(shí)，流值已降低為2.36 mm?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求流值為2~4 mm，因此PE 摻量不宜過(guò)高，在6%時(shí)較為合適。

2.4 車(chē)轍試驗(yàn)

車(chē)轍試驗(yàn)可直觀評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗車(chē)轍性能。車(chē)轍變形與混合料中改性瀝青對(duì)應(yīng)力和溫度的敏感性有關(guān)。不同改性劑摻量下的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。由圖6可知，隨著瀝青中PE 改性劑摻量的增加，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增強(qiáng)，車(chē)轍深度逐漸減小，抗車(chē)轍性能顯著提升。當(dāng)PE 改性劑摻量為6%時(shí)，改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定達(dá)到5 000 次/mm，完全滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）規(guī)范中改性瀝青混合料性能要求。當(dāng)PE 改性劑摻量為8%時(shí)，混合料動(dòng)穩(wěn)定和車(chē)轍深度變化幅度減小。因此，PE 改性劑能夠提高瀝青混合料抗車(chē)轍能力，在降低施工和維護(hù)成本方面是有效的添加劑，摻量6%時(shí)可完全滿足工程要求。

圖6 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同PE 改性劑摻量下改性瀝青和瀝青混合料性能的研究，得出以下結(jié)論。

①老化前相同測(cè)試溫度下，隨著改性瀝青中PE改性劑摻量的增加，改性瀝青復(fù)合模量和車(chē)轍因子先增加后減小，在PE 摻量為6%時(shí)達(dá)到峰值。在58 ℃之前，PE改性劑摻量對(duì)相位角影響顯著，60 ℃及以上，PE改性劑摻量對(duì)相位角影響逐漸減小。

②老化后PE 改性瀝青復(fù)合模型、相位角和車(chē)轍因子隨測(cè)試溫度和PE 改性劑摻量的變化規(guī)律與老化前基本一致。與未老化瀝青相比，老化后改性瀝青復(fù)合模量呈整體增大趨勢(shì)，相位角呈減小趨勢(shì)，車(chē)轍因子提高。PE 改性劑摻量為6%時(shí)，提高幅度最大。

③隨著混合料中PE 摻量的增加，改性瀝青混合料穩(wěn)定度和馬歇爾模數(shù)逐漸增大，流值逐漸減小。PE 摻量為6%時(shí)，流值降低為2.36 mm。為確保流值滿足規(guī)范要求，PE摻量不宜過(guò)高。

④隨著瀝青中PE 改性劑摻量增加，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增加，車(chē)轍深度逐漸減小，抗車(chē)轍性能顯著提升。當(dāng)PE 改性劑摻量為6%時(shí)，改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定達(dá)到5 000 次/mm，滿足規(guī)范中對(duì)改性瀝青混合料性能的要求。