PE改性瀝青及瀝青混合料抗老化影響評價

作者簡介：劉定清（1979—），高級工程師，主要從事高速公路設計、建設管理工作。

摘要：為評價PE對瀝青及瀝青混合料抗老化性能影響，文章選用基質瀝青、不同摻量PE及SBS改性瀝青，采用瀝青針入度、軟化點以及瀝青混合料車轍試驗、-10 ℃小梁彎曲試驗，對RTFOT與PAV老化條件下瀝青性能、不同老化時間下瀝青混合料性能進行分析。結果顯示：PE可使瀝青針入度降低、軟化點提升，也可提升瀝青混合料高低溫性能，且摻量越大效果越顯著；老化后瀝青變硬，隨PE摻量增大瀝青指標短期老化降幅較大，但長期老化條件下針入度穩定性提升，且軟化點穩定性優于SBS改性瀝青；老化后，PE改性瀝青混合料高溫性能降幅與SBS改性瀝青混合料相當，但低溫性能降幅顯著增大。實體工程應用時，建議對PE改性瀝青老化條件下的低溫性能進行重點評估。

關鍵詞：道路工程；PE；老化；改性瀝青；瀝青混合料

中圖分類號：U416.03A230754

0 引言

截至2021年，全球塑料年產量已經達到3億t^［1］，塑料產品產量的大幅增長帶來了一系列挑戰。由于使用功能需要，塑料制品耐用性強，難以被生物降解，可在環境中持續存在幾十年甚至數百年之久，因此塑料污染已成為一個嚴重的全球性問題。基于環境保護、廢物利用理念，廢舊塑料在我國得到了較為廣泛的再利用，將其應用于瀝青改性進行路面鋪筑具有較好的經濟與環保價值^［2］。

其中PE作為典型的廢舊塑料制品，可顯著提升瀝青及瀝青混合料的高溫穩定性、抗疲勞性能和抗水損害性^［2］。目前，國內外學者對PE改性瀝青及瀝青混合料進行了較為廣泛的研究。考慮PE來源廣泛，差異較大，史紹松等^［3］對不同熔點的廢舊溫拌PE改性瀝青進行研究，為該類材料的應用提供了參考。梁明等^［4］從分子結構方面研究了PE微觀結構對瀝青粘彈性能的影響，研究結果對不同密度PE（如LDPE、HDPE）的改性應用提供了理論指導。劉大路等^［5］則探究了PE-膠粉復合改性的適用性。另外，對PE改性瀝青混合料的研究也較廣泛^［6］。總體而言，現有研究主要集中于PE改性（或復合改性）瀝青及瀝青混合料性能及機理研究，但對老化條件下PE改性劑對瀝青及瀝青混合料性能的影響研究較少。而老化作為評價瀝青混合料施工及服役后性能變化的重要評估手段，理應予以重視。

針對上述問題，為研究老化條件下PE對瀝青及瀝青混合料性能的影響，選用基質瀝青、不同摻量SBS改性瀝青與不同摻量PE改性瀝青進行對比，采用瀝青針入度、軟化點以及瀝青混合料車轍試驗與-10 ℃小梁彎曲試驗，進行不同老化條件性能分析。擬通過老化影響評價，為PE改性瀝青的工程應用提供指導。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

為對比分析PE對瀝青老化性能影響，選用基質瀝青及目前最常用的SBS改性瀝青進行對比分析。三類瀝青分別為：（1）70^#基質瀝青，基本技術指標如表1所示；（2）不同摻量SBS改性瀝青，SBS摻量分別為2%、4%、6%；（3）不同摻量PE改性瀝青，PE摻量分別為2%、4%、6%。其中SBS改性瀝青與PE改性瀝青以70^#基質瀝青為基樣瀝青進行制備。

選用AC-13類型級配進行混合料試件制備，混合料級配曲線如下頁圖1所示。其中粗集料（5～10 mm、10～15 mm）選用玄武巖集料，細集料（0～5 mm）選用石灰巖集料。礦粉為石灰巖研磨制備得到。瀝青分別選用70^#基質瀝青、4%SBS改性瀝青、4%PE改性瀝青。其中，基質瀝青混合料最佳油石比為5.0。為對比分析，兩種改性瀝青混合料采用相同油石比，均取5.2%。

1.2 試驗方法

為研究PE改性瀝青及瀝青混合料老化特性，分別選用不同老化條件下瀝青或瀝青混合料試件進行對比分析。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011），瀝青采用旋轉薄膜烘箱試驗（RTFOT，參照T 0610-2011）、壓力老化試驗（PAV，參照T 0630-2011）分別模擬瀝青的短期老化與長期老化。短期老化為模擬瀝青在拌和、運輸、攤鋪及碾壓等施工過程中的老化；長期老化為在短期老化基礎上瀝青路面服役期間的老化。瀝青老化前后分別進行針入度（T 0604-2011）、軟化點（T 0606-2011）試驗^［7］。根據試驗規程，PAV老化在完成85 min的RTFOT老化后進行。所有試樣均進行3次平行試驗，取均值及標準差進行后續分析。

為模擬瀝青混合料老化，在拌和完成后，將混合料試件取出，平攤放置于托盤中；然后將混合料試樣在135 ℃烘箱中進行老化模擬，共老化48 h，每隔24 h取樣；取樣后分別加熱拌和至預定溫度，然后采用馬歇爾擊實試驗進行混合料試件制備。混合料性能分析采用車轍試驗（T 0719-2011）、-10 ℃低溫彎曲試驗（T 0715-2011），分別評價老化對瀝青混合料高溫及低溫性能的影響^［7］。所有試樣均進行3次平行試驗，取均值及標準差進行后續分析。

2 結果討論

2.1 瀝青老化影響

不同老化試驗條件下，瀝青針入度與軟化點對比結果如圖2、圖3所示。

分析可知：

（1）比較各瀝青試樣老化前技術指標，摻入改性劑后針入度降低、軟化點升高，且隨摻量增加，變化幅度更加顯著。整體而言，同摻量PE改性瀝青針入度與軟化點均較SBS改性瀝青高。摻入改性劑后，瀝青與改性劑發生熔融共混，改性劑與瀝青的交聯作用增強了瀝青的稠度與韌性，且摻量越大該變化越顯著，因此瀝青指標隨摻量增加變幅增大^［8］。而PE相較SBS與瀝青發生溶脹作用的程度略低，因此其針入度變幅稍小。而PE由于韌性大，可進行高黏瀝青制備，其對軟化點提升效果更加顯著。

（2）整體而言，兩次老化后各試樣針入度均減小、軟化點均增大。相較原樣瀝青，各試驗在RTFOT老化及PAV老化后針入度降幅及軟化點增幅對比如圖4所示。其中各試樣針入度在RTFOT老化后降幅在16%～46%，PAV老化后降幅在68%～75%。軟化點在RTFOT老化及PAV老化后分別增加2%～15%與13%～48%。針入度降低、軟化點升高表明瀝青稠度增大，硬度增加。這是由于熱氧老化時，瀝青輕質組分含量逐漸揮發，剩余硬質成分具有更大稠度與黏度引起^［9-10］。

（3）比較兩種改性瀝青在不同摻量下老化后技術指標，隨摻量增大針入度降幅并無一致變化規律，軟化點在兩種老化條件下增幅隨摻量增加均呈顯著的降低趨勢。具體分析如下：

①比較RTFOT老化與PAV老化后針入度變化，SBS改性瀝青均在4%摻量下降幅最小，即4%摻量下SBS改性瀝青針入度對老化敏感性最小。而在不同老化條件下，PE改性瀝青針入度降幅隨摻量增加變化相反。即RTFOT老化后降幅增加，而PAV老化后針入度降幅則減小。由于PAV試驗模擬為瀝青長期老化，表明隨PE摻量增大，PE改性瀝青針入度對老化的敏感性降低，其針入度穩定性提升。

②比較兩種老化條件下軟化點變化，隨摻量增加軟化點增幅均降低，且SBS與PE摻量越大，軟化點受老化影響越不顯著，表明軟化點隨摻量增加受老化影響的敏感性降低，即軟化點穩定性提升。比較兩種改性劑對軟化點的影響，RTFOT老化后，PE改性瀝青軟化點降幅水平基本與SBS改性瀝青一致。PAV老化后，PE改性瀝青軟化點降幅較SBS改性瀝青小，表明PE在長期老化條件下使瀝青軟化點穩定性得到提升。

（4）與基質瀝青相比，兩種改性瀝青在RTFOT老化后針入度降幅均較基質瀝青大，而長期老化條件下兩種改性瀝青變幅均較基質瀝青顯著降低。表明改性劑對瀝青短期老化穩定性有不利影響，但均可提升瀝青指標長期老化穩定性。

需注意的是，老化后針入度降低、軟化點升高，均是由瀝青組分損失或材料氧化導致硬化引起，并不能代表瀝青性能得到提升^［11］。因此，對瀝青指標變化進行分析僅可表示瀝青指標受老化影響的穩定性，更直觀的影響仍需對瀝青混合料性能進行驗證分析。

2.2 瀝青混合料高溫性能影響

采用60℃高溫車轍試驗進行瀝青混合料高溫穩定性評價，三種瀝青AC-13混合料動穩定度試驗結果如圖5所示。

（1）比較老化前各混合料高溫性能，兩種改性瀝青動穩定度提升顯著，且同摻量PE改性瀝青混合料提升幅度更大。相較基質瀝青，SBS與PE改性瀝青混合料動穩定度分別提升206%與279%。結果表明，PE對瀝青高溫性能的提升作用高于SBS，這是由于PE具有良好的耐熱性，可與瀝青有效融合，與文獻研究顯示4%SBS與2%PE高溫性能相當的結論較為一致^［12］。

（2）隨老化時間增加，三種瀝青混合料動穩定度顯著降低。相較未老化試樣，不同老化時間下動穩定度降幅如表2所示。結果顯示，SBS改性瀝青混合料在兩種老化條件下降幅均最小，表明SBS改性瀝青高溫性能受老化影響相對較小。但PAV老化后，PE瀝青混合料動穩定度仍達到5 165次/mm，較PAV老化后SBS瀝青混合料高18.7%，表明PE改性瀝青呈現出較好的高溫性能提升效果。

2.3 瀝青混合料低溫性能影響

采用-10 ℃小梁彎曲試驗進行瀝青混合料低溫性能評價，三種瀝青AC-13混合料破壞應變試驗結果如圖6所示。

（1）比較老化前各混合料低溫小梁彎曲破壞應變，兩種改性瀝青高溫性能提升顯著，但同摻量PE改性瀝青混合料較SBS小，表明經PE改性后，PE與瀝青的交聯作用可一定程度上提升瀝青混合料低溫性能，但相較SBS改性瀝青仍有一定差距，這也是PE改性瀝青混合料低溫抗裂性能略差的原因。

（2）隨老化時間延長，三種瀝青混合料破壞應變均減小。相較未老化試樣，不同老化時間下低溫破壞應變降幅如下頁表3所示。由表3可知，不同老化時間條件下SBS改性瀝青混合料降幅均最小，PE改性瀝青最大，表明PE低溫性能受老化影響較為敏感。這是由于PE相較SBS更加“硬、脆”，彈性性能相對不足，在低溫下瀝青間粘聚性能較小，更易發生開裂。

（3）綜合分析PE對瀝青混合料高溫及低溫性能影響可知，PE可顯著提升瀝青混合料高溫及低溫穩定性，且高溫性能較SBS改性瀝青混合料優，但在老化條件影響下，PE改性瀝青低溫性能降幅最大。因此，采用PE改性劑進行實體工程應用時，應重點對瀝青混合料在老化條件下的低溫性能進行重點評估。

3 結語

本文選用基質瀝青、三個摻量SBS及PE改性瀝青，采用瀝青針入度、軟化點以及瀝青混合料車轍試驗與-10 ℃小梁彎曲試驗，評價不同老化條件下瀝青及瀝青混合料性能變化情況，得到如下結論：

（1）PE可使瀝青針入度降低、軟化點提升，且隨摻量增大，瀝青性能變幅更加顯著。PE也可顯著提升瀝青混合料的高溫及低溫性能，同摻量PE較SBS改性瀝青混合料高溫性能更優，但低溫性能略有降低。

（2）老化后瀝青變硬，導致針入度降低、軟化點升高。隨PE摻量增大，短期老化指標敏感性增加，但其長期老化敏感性降低，即長期老化條件下針入度穩定性提升，且長期老化條件下，PE改性瀝青軟化點穩定性優于SBS改性瀝青。

（3）老化條件下，PE改性瀝青混合料高溫性能降幅與SBS改性瀝青相當，但PE改性瀝青混合料低溫性能隨老化時間延長，降幅顯著增大。實際工程應用時，建議對PE改性瀝青老化條件下的低溫性能進行重點評估。

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