廢舊聚乙烯塑料改性瀝青混合料耐老化性能分析

劉海增

摘 要：【目的】分析廢舊聚乙烯塑料（Polyethylene，PE）改性瀝青混合料的耐老化性能?！痉椒ā客ㄟ^(guò)車(chē)轍試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)老化前后不同類(lèi)型瀝青混合料的性能?！窘Y(jié)果】試驗(yàn)結(jié)果表明：在短期和長(zhǎng)期老化后，PE和SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和貫入強(qiáng)度的增加幅度分別為12%～18%、25%～35%，水穩(wěn)定性能和低溫性能均滿(mǎn)足規(guī)范要求；普通瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和貫入強(qiáng)度增加幅度分別為30%～35%、60%～70%。只有短期老化后的水穩(wěn)定性能和低溫性能才能滿(mǎn)足要求?！窘Y(jié)論】PE和SBS改性瀝青混合料耐老化性能基本相當(dāng)，且明顯高于普通瀝青混合料。PE改性劑可抑制或減少自由基的產(chǎn)生，能顯著減緩改性瀝青的氧化老化程度。

關(guān)鍵詞：道路工程；廢舊聚乙烯塑料；改性瀝青；混合料；耐老化性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U414? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）03-0082-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.017

Analysis of Aging Resistance of Waste Polyethylene Plastic Modified

Asphalt Mixture

LIU Haizeng

（Luoyang Xuyang Construction Group Co.， Ltd.， Luoyang 471000，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to analyze the aging resistance of waste polyethylene modified asphalt mixture.[Methods] The performance of different types of asphalt mixtures before and after aging was evaluated by rutting test， uniaxial penetration test， low temperature bending test， freeze-thaw splitting test and four-point bending fatigue test.[Findings] The test results show that the dynamic stability and penetration strength of PE and SBS modified asphalt mixture increase by 12%～18% and 25%～35% respectively after short-term and long-term aging， and the water stability and low temperature performance meet the requirements of the specification. The dynamic stability and penetration strength of ordinary asphalt mixture increase by 30%～35% and 60%～70% respectively. Only the water stability and low temperature performance after short-term aging can meet the requirements. [Conclusions] The aging resistance of PE and SBS modified asphalt mixture is basically the same， and significantly higher than that of ordinary asphalt mixture. PE modifier can inhibit or reduce the production of free radicals， and can significantly slow down the degree of oxidative aging of modified asphalt.

Keywords： road engineering; waste polyethylene plastic; modified asphalt; mixtures; aging resistance

0 引言

隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大棚農(nóng)膜、PE工業(yè)膜、PE生活塑料等廢舊PE塑料的數(shù)量不斷增加，若采用傳統(tǒng)的焚燒、填埋方式來(lái)處理廢舊PE塑料，將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染和破壞。在“碳達(dá)峰、碳中和”的綠色低碳社會(huì)建設(shè)背景下，如何實(shí)現(xiàn)廢舊PE塑料資源循環(huán)利用是亟待解決的問(wèn)題。

目前，我國(guó)道路交通建設(shè)速度不斷加快，而瀝青路面建設(shè)需要用到大量的聚合物改性瀝青。將廢舊PE塑料作為改性劑來(lái)制備改性瀝青，是實(shí)現(xiàn)廢舊PE資源無(wú)污染利用的有效途徑。部分學(xué)者已開(kāi)展相關(guān)研究，Du等［1］對(duì)PE改性瀝青結(jié)合料的低溫開(kāi)裂機(jī)理和現(xiàn)有的低溫性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究；Liang等［2］對(duì)比分析了不同密度類(lèi)型的PE改性瀝青的流變性能和相容性；吳正光等［3］分析了不同密度廢舊PE改性瀝青的綜合性能，結(jié)果表明，低密度PE改性瀝青的總體性能最佳。此外，還開(kāi)展了PE改性劑最佳摻量確定［4］、干法制備工藝［5］、與SBS改性瀝青性能對(duì)比［6］等方面的研究。綜上所述，目前對(duì)PE改性瀝青的研究重點(diǎn)主要集中在老化前不同路用性能等方面，而對(duì)PE改性瀝青耐老化性能的相關(guān)研究相對(duì)較少。

基于此，本研究采用車(chē)轍試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)PE改性瀝青老化前后的性能變化進(jìn)行分析，并與工程中常用的SBS改性瀝青及普通瀝青進(jìn)行對(duì)比分析，以期為全面研究PE改性瀝青的性能提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

AH-70普通瀝青和SBS改性瀝青均為市售成品，PE改性瀝青為實(shí)驗(yàn)室自制，PE改性劑的摻量以普通瀝青為基準(zhǔn)外摻6%，集料為石灰?guī)r材質(zhì)，集料及不同類(lèi)型瀝青的性能均滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的要求。

利用PE改性瀝青、SBS改性瀝青和AH-70普通瀝青分別拌和瀝青混合料，不同類(lèi)型的混合料除瀝青種類(lèi)不同外，級(jí)配、油石比等其他條件均相同，將不同瀝青類(lèi)型混合料分別記為AC-13（PE）、AC-13（SBS）和AC-13（普通）。

1.2 試驗(yàn)方法

瀝青混合料短期老化、長(zhǎng)期老化及老化后的車(chē)轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法參照（JTG E20—2011）中的相關(guān)要求。其中，四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的溫度為15 ℃、試驗(yàn)頻率為10 Hz、應(yīng)變水平為400 με，加載模式為連續(xù)偏正弦應(yīng)變控制模式［7-8］。老化后的單軸貫入試驗(yàn)方法參照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）。

對(duì)不同類(lèi)型的混合料分別進(jìn)行短期老化和長(zhǎng)期老化試驗(yàn)，同時(shí)分別設(shè)置未老化對(duì)照組。分別測(cè)試不同類(lèi)型混合料老化前后不同性能的變化情況，并評(píng)價(jià)不同類(lèi)型混合料的耐老化性能。將老化前后的PE改性瀝青分別進(jìn)行FTIR紅外光譜分析，測(cè)試范圍為4 500～500 cm-1。

2 結(jié)果分析

2.1 老化后高溫性能

2.1.1 基于車(chē)轍試驗(yàn)的老化后高溫性能。不同類(lèi)型瀝青混合料在經(jīng)過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)老化后得到的動(dòng)穩(wěn)定度如圖1所示。

由圖1可知，與老化前相比，老化后不同類(lèi)型瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有著不同程度提高，這是因?yàn)槔匣蟮臑r青的針入度減小、軟化點(diǎn)升高、延度降低，混合料中的瀝青變硬，導(dǎo)致宏觀上動(dòng)穩(wěn)定度增加。動(dòng)穩(wěn)定度變化幅度越大，瀝青變硬和老化程度就越嚴(yán)重。高性能PE改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料老化后的動(dòng)穩(wěn)定度變化幅度基本相當(dāng)，短期老化后的變化范圍為15%～18%，長(zhǎng)期老化后的變化幅度為30%～33%，均明顯低于普通瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的變化幅度。因此，基于動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)指標(biāo)，高性能PE改性瀝青混合料耐老化性能和SBS改性瀝青混合料耐老化性能基本相當(dāng)，且明顯優(yōu)于普通瀝青混合料。

2.1.2 基于單軸貫入試驗(yàn)的老化后高溫性能。對(duì)老化前后的不同類(lèi)型瀝青混合料在60 ℃上分別進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得到不同類(lèi)型瀝青混合料的貫入強(qiáng)度，如圖2所示。

由圖2可知，與老化前相比，經(jīng)過(guò)短期老化和長(zhǎng)期老化后，不同類(lèi)型瀝青混合料的貫入強(qiáng)度均有不同程度的提高，這表明老化會(huì)使瀝青變硬，與車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果基本一致。對(duì)不同類(lèi)型混合料老化前后貫入強(qiáng)度變化幅度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，高性能PE改性混合料貫入強(qiáng)度變化幅度與SBS改性瀝青混合料變化幅度基本相當(dāng)，短期老化后的變化幅度為12%～16%，長(zhǎng)期老化后的變化幅度為25%～29%，均低于普通瀝青混合料。相較于短期老化，長(zhǎng)期老化后的高性能PE改性混合料與SBS改性瀝青混合料貫入強(qiáng)度增加幅度并不明顯，但普通瀝青混合料長(zhǎng)期老化后貫入強(qiáng)度增加幅度非常明顯。這表明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化后，普通瀝青混合料比PE改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料的老化程度更為嚴(yán)重。

2.2 老化后低溫性能

不同類(lèi)型混合料老化前后低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，與未老化相比，在經(jīng)過(guò)短期老化和長(zhǎng)期老化后，不同類(lèi)型瀝青混合料的低溫破壞彎曲應(yīng)變均有所降低。從低溫破壞彎曲應(yīng)變衰減幅度來(lái)看，PE改性瀝青混合料衰減幅度與SBS改性瀝青混合料衰減幅度基本相當(dāng)，均明顯低于普通瀝青混合料。且PE改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料在經(jīng)過(guò)老化后，低溫破壞彎曲應(yīng)變?nèi)源笥? 500 με，滿(mǎn)足規(guī)范要求。普通瀝青混合料短期老化后的低溫破壞彎曲應(yīng)變大于2 000 με，滿(mǎn)足規(guī)范要求；長(zhǎng)期老化后，其低溫破壞彎曲應(yīng)變已無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此，以低溫破壞彎曲應(yīng)變?yōu)樵u(píng)價(jià)指標(biāo)，基于不同類(lèi)型混合料老化前后的低溫性能變化情況，高性能PE改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的耐老化性能基本相當(dāng)，且明顯優(yōu)于普通瀝青混合料。

2.3 老化后水穩(wěn)定性能

對(duì)老化前后的不同類(lèi)型瀝青混合料分別進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，得到殘留強(qiáng)度比，通過(guò)評(píng)價(jià)不同類(lèi)型混合料老化前后的水穩(wěn)定性能變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，與未老化混合料相比，經(jīng)過(guò)短期老化和長(zhǎng)期老化后，不同類(lèi)型瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比有所降低。從凍融劈裂強(qiáng)度比衰減幅度來(lái)看，高性能PE改性瀝青混合料衰減幅度與SBS改性瀝青混合料衰減幅度基本相當(dāng)，均明顯低于普通瀝青混合料。且高性能PE改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料經(jīng)過(guò)老化后，凍融劈裂強(qiáng)度比仍大于80%，滿(mǎn)足規(guī)范要求。普通瀝青混合料經(jīng)過(guò)短期老化后，殘留強(qiáng)度比大于75%，滿(mǎn)足規(guī)范要求，但長(zhǎng)期老化后不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.4 老化后疲勞性能

不同類(lèi)型瀝青混合料老化后疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，與老化前相比，老化后不同類(lèi)型混合料的疲勞壽命均有所降低。從疲勞壽命衰減幅度來(lái)看，高性能PE改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的衰減幅度基本相當(dāng)，短期老化后疲勞壽命衰減幅度為12%～14%，長(zhǎng)度老化后衰減幅度為30%～33%，均明顯低于普通瀝青混合料。相較于短期老化，長(zhǎng)期老化后高性能PE改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命下降幅度約為19%，普通瀝青混合料下降幅度約為32%。普通瀝青混合料的老化程度比高性能PE改性混合料與SBS改性瀝青混合料的更為嚴(yán)重。

因此，以疲勞壽命為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于不同類(lèi)型混合料老化前后疲勞壽命的變化情況分析可知，高性能PE改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的耐老化性能基本相當(dāng)，且明顯高于普通瀝青混合料。

2.5 老化機(jī)理分析

PE改性瀝青老化前后的紅外光譜如圖3所示。由圖3可知，PE改性瀝青老化前后的主要吸收帶幾乎相同，均在1 708 cm-1處出現(xiàn)碳基帶吸收峰、在1 024 cm-1處出現(xiàn)亞砜帶吸收峰，原樣瀝青及聚合物添加劑僅存在少量老化。

在PE改性瀝青制備過(guò)程中，PE改性劑通過(guò)高速剪切可均勻分散在基質(zhì)瀝青中，并在瀝青中發(fā)生溶脹，吸收瀝青中的部分輕質(zhì)組分，可降低輕質(zhì)組分在老化過(guò)程中被氧化程度，降低老化過(guò)程中自由基的含量，減緩輕組分氧化對(duì)原瀝青性能的影響，改善瀝青的老化性能。

3 結(jié)論

①經(jīng)過(guò)短期老化，PE改性瀝青和SBS改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度和貫入強(qiáng)度的增加幅度為12%～18%；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化，二者的增加幅度為25%～35%。即短期和長(zhǎng)期老化后水穩(wěn)定性能和低溫性能仍能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

②經(jīng)過(guò)短期老化，普通瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度和貫入強(qiáng)度增加幅度為30%～35%；經(jīng)長(zhǎng)期老化，二者的增加幅度為60%～70%。在短期老化后，水穩(wěn)定性能和低溫性能仍能滿(mǎn)足規(guī)范要求，而在長(zhǎng)期老化后，二者不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

③對(duì)短期老化和長(zhǎng)期老化前后的高低溫、水穩(wěn)定及疲勞性能進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，PE改性瀝青混合料耐老化性能和SBS改性瀝青混合料耐老化性能基本相當(dāng)，且明顯高于普通瀝青混合料。

④PE改性劑可抑制或降低自由基的產(chǎn)生，能顯著減緩改性瀝青氧化老化的程度。

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