基于DSR的交聯聚乙烯改性瀝青流變特性研究

陸騰飛，葉群山

(長沙理工大學，湖南　長沙　410114)

基于DSR的交聯聚乙烯改性瀝青流變特性研究

陸騰飛，葉群山

(長沙理工大學，湖南長沙410114)

陸騰飛(1990—)，在讀碩士研究生，研究方向：交通運輸工程；

葉群山(1978—)，副教授，研究方向：交通運輸工程。

摘要：文章以交聯聚乙烯(XLPE)作為改性劑制備交聯聚乙烯改性瀝青，分析其改性機理，并使用動態剪切流變儀(DSR)對交聯聚乙烯改性瀝青進行了溫度掃描和頻率掃描試驗。試驗結果表明：XLPE能夠提高瀝青的勁度并增加瀝青的彈性成分，改善了瀝青的高溫穩定性和抗流動變形能力。

關鍵詞：交聯聚乙烯；改性瀝青；溫度掃描；頻率掃描；流變特性

0引言

瀝青作為使用最廣泛的路面材料之一，憑借其優越的使用性能和行車舒適性被大規模地應用到公路建設中，由于交通量的迅猛增加、車輛重載化以及夏天的持續高溫天氣，使得瀝青路面出現車轍等高溫破壞，而在北方寒冷地區更容易出現低溫開裂；這就需要對瀝青路面的性能進行改善，改性瀝青是改善瀝青路面性能最主要的方法。

現階段最常用的道路改性瀝青都是聚合物改性瀝青，聚合物改性瀝青由于其改性劑性質的不同表現為瀝青性能的差別[1]；橡膠類改性劑如丁苯橡膠(SBR)、氯丁橡膠(CR)、丁二烯橡膠(BR)等，當溫度較低時瀝青變硬變脆而橡膠富有彈性，當受到外力時改性劑能夠起到增韌增塑的作用，因此橡膠類改性瀝青具有良好的低溫性能，同時橡膠的大分子吸附了瀝青的輕質油份，對瀝青的高溫性能也有一定的提升。樹脂類改性劑主要有乙烯—乙酸乙烯脂共聚物(EAV)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等，樹脂類改性劑與瀝青有良好的相容性，瀝青中的芳香類小分子能夠進入樹脂改性劑的大分子中發生溶脹，在高溫條件下吸附了輕質小分子的分子鏈能夠阻滯瀝青分子的流動，對瀝青的高溫性能有著很好的提升；最常用的熱塑性彈性體是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)[2]，SBS兼有橡膠和塑料的性質，塑料性質能夠使SBS在加工時有塑料的流動性，易于加工，橡膠性質能夠使材料具有彈性性質而無需交聯，在瀝青中作為改性劑能夠同時改善瀝青的高溫性能和低溫性能，成為性能最好、使用最廣的瀝青改性劑。

1改性劑XLPE及改性機理淺析

交聯聚乙烯(XLPE)是通過物理或化學方法把線型的聚乙烯分子通過共價鍵交聯成三維空間網狀結構的一種改性聚乙烯，與傳統的聚乙烯(PE)相比，交聯聚乙烯(XLPE)具有以下幾個特點[3，4]：(1)具有更好的耐熱性能。由于XLPE相互交聯的分子鏈之間通過共價鍵鏈接在一起，即使在高溫下交聯的分子鏈也不會分開，這種特點能夠很大程度上提高XLPE的耐熱性能。(2)具有更好的機械性能。XLPE中分子之間通過化學鍵鏈接，它的硬度、強度、耐磨損和抗沖擊性能都有顯著的提高，彌補了聚乙烯(PE)在受環境應力時強度不足的缺點。(3)具有更好的化學穩定性。XLPE穩固的三維空間網狀結構對抗酸堿腐蝕、抗油腐蝕性能都有更好的提升。通過高速剪切將XLPE融入基質瀝青中后，瀝青中的芳香類小分子能夠進入XLPE改性劑的大分子中發生溶脹，使得大分子鏈能夠在瀝青中舒展并均勻分散在瀝青中，同時XLPE的分子鏈間通過交聯形成的空間網狀結構限制了瀝青膠體的流動性，對瀝青的高溫性能有著很好的提升[5]。

2試驗材料和試驗方法

2.1　原材料

本研究中采用的基質瀝青為湖南寶利瀝青有限公司生產的70#重交瀝青，表1為其相關技術指標值。XLPE改性劑為通過將聚乙烯(PE)化學交聯自制所得。

表1　70#瀝青技術指標表

2.1　交聯聚乙烯改性瀝青制備和試驗方案

本研究中XLPE摻量分別為3%、5%、7%；在180 ℃溫度下以4 000轉/min的轉速對摻配的瀝青高速剪切90 min制得交聯聚乙烯改性瀝青。

本文以動態剪切流變儀(DSR)對交聯聚乙烯改性瀝青進行了溫度掃描和頻率掃描試驗，其中溫度掃描試驗溫度范圍為30 ℃~78 ℃，目標應變值為12%，加載頻率為10 rad/s；頻率掃描試驗溫度為60 ℃，目標應變值為1%，加載頻率為0.1~100 Hz。

3試驗結果分析

3.1　溫度掃描試驗

通過溫度掃描試驗可以得出瀝青在不同溫度下的車轍因子G*/sinδ、復數剪切模量G*和相位角δ變化情況，以基質瀝青和成品SBS改性瀝青作為對比來分析交聯聚乙烯改性瀝青的特性，試驗結果如圖1~3所示。

圖1　瀝青車轍因子G*/sinδ隨溫度變化曲線圖

圖2　瀝青復數剪切模量G*隨溫度變化曲線圖

圖3　瀝青相位角δ隨溫度變化曲線圖

從圖1和圖2可以看出五種瀝青車轍因子G*/sinδ和復數剪切模量G*隨著溫度的升高有著相似的變化規律，在溫度由30 ℃升高到78 ℃的過程中，瀝青的車轍因子G*/sinδ和復數剪切模量G*都減小，其中基質瀝青減小的速率最快，SBS改性瀝青的減小速率略小于交聯聚乙烯改性瀝青。這是由于SBS改性劑和XLPE改性劑的在試驗溫度范圍內具有良好的彈性和較高的強度，并且改性劑在瀝青中吸附輕質油分，改性劑的長鏈舒展后形成空間網狀結構，阻滯了瀝青膠體在高溫下的流動，使得瀝青的車轍因子G*/sinδ和復數剪切模量G*都得到提升，并隨著改性劑摻量的增加而變大。由此可以看出XLPE改性劑能夠明顯改善瀝青的高溫性能，提高瀝青在高溫狀態的抵抗變形能力，其改善效果甚至還優于SBS改性劑[6]。

相位角δ的大小能夠表現出瀝青粘彈特性，從圖3可以看出隨著溫度升高瀝青的相位角δ都變大，說明在溫度升高的過程中瀝青的彈性成分減小而黏性成分增大，其中基質瀝青相位角增加速率最快，SBS改性瀝青相位角δ的變化最緩慢，但在60 ℃以下交聯聚乙烯改性瀝青的相位角δ要比SBS改性瀝青的還要小，說明XLPE改性劑能夠顯著提升瀝青的彈性性能，對瀝青的高溫性能改善效果非常明顯。

3.2　頻率掃描試驗

在頻率掃描試驗中，加載頻率的大小代表了實際路面上汽車行駛速度的快慢，瀝青路面在車輛高速行駛時的性能狀態可以通過高頻區瀝青的性能來反映，同樣低頻區瀝青的性能也能在一定程度上描述瀝青路面在車輛低速行駛時對路面的影響，例如在停車場、收費站位置車輛對瀝青的低速荷載，在超低頻區甚至可以描述道路在斜坡處受自重蠕變荷載的影響。

下頁圖4為瀝青復數剪切模量G*隨頻率變化的結果，可以看出瀝青的復數剪切模量G*隨著頻率的降低而變小，這也解釋了瀝青路面在停車場、收費站等低速行駛或者急剎車處比行駛路面上更容易發生車轍的原因；在高頻區5%摻量的交聯聚乙烯改性瀝青的復數剪切模量G*最大，在低頻區其復數剪切模量G*與SBS改性瀝青相近，說明XLPE改性劑在較廣的車輛行駛速度即加載頻率范圍內都能夠提高瀝青抗變形能力；下頁圖5中復數黏度η*是隨著頻率的增大而減小的，這是由于高聚物的剪切變稀現象造成的，可以發現交聯聚乙烯改性瀝青剪切變稀現象要弱于SBS改性瀝青；在1~100Hz頻率的范圍內，交聯聚乙烯改性瀝青的復數黏度η*比SBS改性瀝青和基質都要高，在<1Hz的低頻區聯聚乙烯改性瀝青的復數黏度η*比SBS改性瀝青略低，說明XLPE能夠在較廣的頻率范圍內提高瀝青的黏性，使其抵抗流動變形能力增大，從而提高其強度性能；圖6相位角δ隨頻率增大變小，交聯聚乙烯改性瀝青的相位角δ在整個試驗頻率范圍內都要小于基質瀝青，說明XLPE增加了瀝青的彈性成分，提高了其抗變形能力，與復數剪切模量G*和復數黏度η*的分析相一致。

圖4　瀝青復數剪切模量G*隨頻率變化曲線圖

圖5　瀝青復數粘度η*隨頻率變化曲線圖

圖6　瀝青相位角δ隨頻率變化曲線圖

4結語

(1)XLPE改性劑使得瀝青的車轍因子G*/sinδ和復數剪切模量G*增高，相位角δ降低，提高了瀝青的勁度并增加瀝青的彈性成分；

(2)在0.1~100Hz頻率范圍內，瀝青的復數黏度η*和復數剪切模量G*都有著顯著的提升，在高頻區的改善效果最為明顯，說明XLPE改性劑對瀝青的高溫性能有很大的改善。

參考文獻

[1]沈金安.改性瀝青和SMA路面[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2]揚軍.聚合物改性瀝青[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3]劉新民，崔濤，李琳.交聯聚乙烯的應用及技術進展[J].合成樹脂及塑料，2003，20(5)：52-60.

[4]陳寶盛.交聯電纜發展狀況和硅烷交聯的生產工藝[J].電線電纜，1997(2)：17-22.

[5]Martin L.G.New Polymer-modified Functionalized Asphalt Compositions and Methodsof Preparation[P].U.S.，P5348994，1995-09-07.

[6]張爭奇.聚乙烯塑料改性瀝青性能研究[J].西安公路交通大學學報，2000，21(4)：14-18.

Research on Rheological Properties of Cross-linked Polyethylene Modified Asphalt Based on DSR

LU Teng-fei，YE Qun-shan

(Changsha University of Science & Technology，Changsha，Hunan，410114)

Abstract：With cross-linked polyethylene(XLPE)as the modifier for preparing the cross-linked polyethy-lene modified asphalt，this article analyzed its modification mechanism，and conducted the temperature scanning and frequency scanning tests on cross-linked polyethylene modified asphalt by using the dy-namic shear rheometer(DSR).The results showed that：XLPE can improve the stiffness of asphalt and increase the flexibility component of asphalt，which improved the high-temperature stability and flow de-formation resistance.

Keywords：Cross-linked polyethylene；Modified asphalt；Temperature scanning；Frequency scanning；Rheological properties

文章編號：1673-4874(2015)12-0015-04

中圖分類號：U415

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.003

作者簡介

收稿日期：2015-11-20