PU/LDPE復(fù)合改性瀝青的流變性能研究

摘要：為評(píng)價(jià)廢棄塑料對(duì)瀝青流變性能的影響，文章選擇聚氨酯（PU）和低密度聚乙烯（LDPE）作為改性劑，制備不同摻量下的PU/LDPE復(fù)合改性瀝青，并采用常規(guī)物理性能、動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）、多重應(yīng)力蠕變與恢復(fù)（MSCR）、彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)，評(píng)價(jià)PU/LDPE復(fù)合改性瀝青的流變性能。結(jié)果表明：PU/LDPE復(fù)合改性瀝青均有良好的高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性，但需要控制LDPE的摻量＜6%以減少離析；PU和LDPE的添加均能改善瀝青的高溫流變性能，且二者的復(fù)合改性對(duì)高溫性能的提升作用優(yōu)于單一改性；PU能增強(qiáng)瀝青的低溫流變性能，LDPE對(duì)瀝青低溫性能雖有不利影響，但PU/LDPE復(fù)合改性瀝青的低溫性能仍明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

關(guān)鍵詞：道路工程；改性瀝青；聚氨酯；低密度聚乙烯；流變性能

中圖分類號(hào)：U416.03

0 引言

瀝青路面因其行車舒適、噪音低、養(yǎng)護(hù)成本低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路，而由于交通量和行車荷載的增加，開發(fā)一種高性能的瀝青混合料來適應(yīng)復(fù)雜路面情況已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。瀝青混合料由瀝青、骨料和填料組成，其中瀝青的性能對(duì)瀝青路面的服役性能起關(guān)鍵作用［1-2］。根據(jù)以往的研究，利用廢棄材料作為改性劑是改善瀝青性能的有效手段，如廢橡膠粉（CR）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）等［3-5］。將廢棄材料應(yīng)用于瀝青路面制備增值型產(chǎn)品還能降低成本，推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用。

PU屬于“第五種塑料”，具有良好的耐磨性和耐油性，是鞋類、涂料、膠粘劑等的主要來源。目前，PU的主要處理方式是焚燒和填埋，嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境［6］。已有研究表明，PU是一種理想的瀝青改性材料，熱穩(wěn)定性好，能明顯改善瀝青的高溫性能［7］。此外，低密度聚乙烯（LDPE）因其優(yōu)異的性能也被廣泛用于改性瀝青的制備，有研究表明LDPE改性瀝青在LDPE用量＜6%時(shí)，具有較好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和抗車轍性能，能明顯降低瀝青的溫度敏感性［8］。

以往的研究表明PU或LDPE均能改善瀝青的路用性能，但對(duì)PU/LDPE復(fù)合改性瀝青流變性能的研究較少。因此，本文采用常規(guī)物理試驗(yàn)、儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）、多重應(yīng)力蠕變與恢復(fù)（MSCR）、彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)，對(duì)PU/LDPE復(fù)合改性瀝青的流變性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青選擇A級(jí)70#道路石油瀝青，其基本性能如表1所示。采用PU和LDPE作為瀝青改性劑，PU選擇熱塑性聚氨酯橡膠材料，LDPE為半透明固體顆粒，PU和LDPE的基本性能如表2和表3所示。

1.2 改性瀝青制備

PU和LDPE的試驗(yàn)摻量均為基質(zhì)瀝青重量的0、2%、4%和6%，以此制備PU/LDPE復(fù)合改性瀝青，制備過程采用高速剪切儀對(duì)瀝青進(jìn)行剪切和攪拌。將基質(zhì)瀝青加熱至熔融態(tài)，將PU粉末緩慢加入基質(zhì)瀝青中，在185 ℃的溫度下以3 000 r/min的速率剪切30 min。在相同溫度下添加LDPE顆粒，提升剪切儀的轉(zhuǎn)速至4 000 r/min剪切60 min，以保證兩種改性劑與基質(zhì)瀝青的完全混合。繼續(xù)在185 ℃的溫度下以2 000 r/min的速率剪切20 min，以去除剪切過程中產(chǎn)生的氣泡。為避免瀝青制備過程中的熱老化影響試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)所有試樣均按照上述制備過程處理。為簡(jiǎn)化文中瀝青試樣的相關(guān)表述，本文“70#”表示A級(jí)70號(hào)道路石油瀝青，“P2L2”表示2%PU+2%LDPE的復(fù)合改性瀝青。

1.3 試驗(yàn)方案

針對(duì)不同PU摻量（0、2%、4%和6%）和LDPE摻量（0、2%、4%和6%）下的復(fù)合改性瀝青，通過延度（ASTM D113）、軟化點(diǎn)（ASTM D36）、針入度（ASTM D5）、軟化點(diǎn)差值（ASTM D 5892）等一系列試驗(yàn)，對(duì)其常規(guī)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)AASHTO T315標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合改性瀝青的高溫特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，基于DSR的溫度掃描試驗(yàn)，溫度范圍為40 ℃～76 ℃，溫升為2 ℃/min，加載頻率為10 rad/s，在12%的應(yīng)變水平下測(cè)試瀝青的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，并以此計(jì)算車轍因子G*/sinδ和Shenoy參數(shù)G*/［1-（1/tanδsinδ）］。MSCR試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式，測(cè)試溫度為64 ℃，在0.1 kPa[HTXH]和3.2 kPa兩個(gè)應(yīng)力水平下計(jì)算得到恢復(fù)率R，MSCR每個(gè)加載和卸載階段分別為1.0 s和9.0 s，總測(cè)試時(shí)間為200 s。采用BBR試驗(yàn)評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的低溫流變特性，基于蠕變速率m和蠕變勁度S作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試溫度為-12 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 三大指標(biāo)

瀝青的針入度結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，與基質(zhì)瀝青相比，PU或LDPE的加入均使瀝青的針入度下降，說明加入PU或LDPE后瀝青的勁度增大。當(dāng)PU摻量一定時(shí)，2%的LDPE使瀝青的針入度顯著降低，這可能是由于LDPE的不定型微觀結(jié)構(gòu)，提高了瀝青與改性劑之間的粘結(jié)力。隨著LDPE摻量的增加，瀝青的針入度增加。因?yàn)長(zhǎng)DPE摻量越高，團(tuán)聚的可能性越大，使得針入度反而增加。當(dāng)LDPE摻量一定時(shí)，隨著PU摻量的增加，瀝青的針入度下降。

一般常用軟化點(diǎn)來研究瀝青的高溫性能，瀝青的軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，與基質(zhì)瀝青相比，PU或LDPE均能增加瀝青的軟化點(diǎn)，而與針入度變化趨勢(shì)不同，隨著LDPE摻量的增加，瀝青的軟化點(diǎn)呈線性增加趨勢(shì)。PU摻量的增加對(duì)瀝青的軟化點(diǎn)影響不顯著，這是因?yàn)長(zhǎng)DPE的物理吸附（降低自由瀝青）和PU與瀝青的交聯(lián)反應(yīng)（溶脹增大分子間移動(dòng)），使瀝青的軟化點(diǎn)增加，進(jìn)而改善瀝青的高溫性能。

用延度來評(píng)價(jià)瀝青的低溫拉伸能力，15 ℃瀝青的延度結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著PU摻量的增加，瀝青的延度降低，這與針入度的變化趨勢(shì)一致。隨著LDPE摻量的增加，瀝青的延度逐漸降低。這是因?yàn)樵谥械蜏貤l件下，LDPE比PU的塑性更高，導(dǎo)致瀝青的應(yīng)力集中而延度下降。

2.2 軟化點(diǎn)差值

如圖4所示顯示了PU/LDPE復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)差值，即根據(jù)軟化點(diǎn)差值評(píng)價(jià)瀝青的相分離現(xiàn)象。軟化點(diǎn)差值越大，改性瀝青的相分離現(xiàn)象越明顯。由圖4可知，瀝青的軟化點(diǎn)差值均隨改性劑的添加而增大，這表明PU或LDPE的加入使得瀝青的相分離現(xiàn)象更加明顯。一般來說，出現(xiàn)相分離現(xiàn)象的原因是PU的密度大于瀝青，在高溫下PU會(huì)遷移至底部，而LDPE屬于低密度塑料，也易與瀝青分離，使得瀝青的軟化點(diǎn)差值增加。整體而言，除P6L6（兩種改性劑均為最高摻量）之外，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求，其他瀝青的軟化點(diǎn)差值均滿足≤2.5 ℃要求，說明PU、LDPE和瀝青之間存在較好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

2.3 車轍因子

采用DSR試驗(yàn)的64 ℃車轍因子（G*/sinδ）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析PU和LDPE對(duì)瀝青高溫性能的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，與基質(zhì)瀝青相比，改性后瀝青的車轍因子有明顯提高，說明PU和LDPE能提高瀝青的抗車轍性能。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)P0L2的車轍因子低于P2L0，說明相同改性劑摻量下PU的改善效果優(yōu)于LDPE，PU能在瀝青基體中發(fā)生溶脹反應(yīng)，減少瀝青的輕質(zhì)組分，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而改善瀝青的高溫性能?？梢园l(fā)現(xiàn)PU和LDPE復(fù)合改性后效果更加顯著，對(duì)瀝青的高溫改善效果高于單一改性。

2.4 Shenoy參數(shù)

如圖6所示為采用DSR試驗(yàn)的64 ℃下Shenoy參數(shù)G*/［1-（1/tanδsinδ）］的試驗(yàn)結(jié)果，Shenoy參數(shù)是車轍因子的修正指標(biāo)，能真實(shí)表征瀝青的彈性反應(yīng)。由圖6可知，與圖5車轍因子的結(jié)果一致，PU或LDPE的添加均使瀝青的Shenoy參數(shù)增大，且P2L6的Shenoy參數(shù)最大，即2%PU+6%LDPE的改性劑摻量下瀝青的高溫性能最大，說明PU和LDPE均可增加瀝青的彈性響應(yīng)。與圖5車轍因子相比，瀝青的Shenoy參數(shù)明顯增大，這說明PU/LLDPE復(fù)合改性瀝青的彈性響應(yīng)較大，而車轍因子無法完全體現(xiàn)。

2.5 彈性恢復(fù)率

針對(duì)DSR試驗(yàn)的溫度掃描無法充分反應(yīng)瀝青的粘彈性特性，采用MSCR試驗(yàn)的彈性恢復(fù)率（R）來表征瀝青的高溫抗車轍性能。一般來說瀝青的R值越高，其抗車轍性能越好。在64 ℃測(cè)試溫度下，瀝青在兩種應(yīng)力水平（0.1 kPa和3.2 kPa）下的R值分別如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可以看出，不論應(yīng)力水平如何，PU/LDPE復(fù)合改性瀝青的R值均大于基質(zhì)瀝青和單一改性瀝青，說明PU與LDPE的復(fù)合改性可以顯著提高高溫抗車轍性能。這是因?yàn)镻U可在瀝青基體中形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大瀝青分子的流動(dòng)阻力，而LDPE可以吸附瀝青的大分子，提高分子間的范德華力，PU和LDPE的復(fù)合改性同時(shí)具備各自的改善作用，從而使高溫提升效果更加顯著。

2.6 蠕變勁度和蠕變速率

根據(jù)低溫延度試驗(yàn)結(jié)果可知，PU與LDPE的添加會(huì)使得瀝青延度值下降，但這可能與改性劑在瀝青基體的應(yīng)力集中現(xiàn)象有關(guān)，不能真實(shí)反映瀝青的低溫性能。因此，采用BBR試驗(yàn)來表征PU/LDPE的低溫流變性能，基于-12 ℃下的蠕變速率（m）和蠕變勁度（S）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖9和圖10所示為PU/LDPE復(fù)合改性瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果。由圖9和圖10可知，與基質(zhì)瀝青相比，PU可以增大瀝青的m值降低S值，說明PU可以改善瀝青的低溫流變性能。還可以發(fā)現(xiàn)P0L2的S值大于基質(zhì)瀝青，而m值略低于基質(zhì)瀝青，這說明LDPE的添加對(duì)低溫確有負(fù)面影響。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，所有BBR試驗(yàn)中的瀝青的S值均＜300 MPa，m值均＞0.300，這說明在-12 ℃下PU/LDPE復(fù)合改性瀝青的低溫性能均滿足規(guī)范要求，且遠(yuǎn)優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

3 結(jié)語

（1）本文共制備了不同摻量下的PU/LDPE復(fù)合改性瀝青，采用三大指標(biāo)和軟化點(diǎn)差值，初步結(jié)果顯示PU和LDPE均能改善瀝青的高溫性能，盡管對(duì)瀝青的延度值有負(fù)面影響，同時(shí)PU/LDPE復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性也滿足規(guī)范要求，但需控制LDPE的摻量＜6%。

（2）溫度掃描試驗(yàn)和MSCR試驗(yàn)結(jié)果表明，PU和LDPE均能增加瀝青的車轍因子、Shenoy參數(shù)和彈性恢復(fù)率，即PU和LDPE能改善瀝青的高溫穩(wěn)定性，且PU比LDPE的高溫提升效果更高，復(fù)合改性的高溫改善也優(yōu)于單一改性。

（3）BBR試驗(yàn)表明PU可以增大瀝青的蠕變速率，降低瀝青的蠕變勁度，而LDPE對(duì)瀝青的低溫效果相反，即PU可以改善瀝青的低溫流變性能，盡管LDPE對(duì)瀝青的低溫性能有不利影響，但復(fù)合改性瀝青的低溫性能依然優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

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收稿日期：2024-03-23

作者簡(jiǎn)介：龍麟優(yōu)（1988—），工程師，主要從事道路工程建設(shè)試驗(yàn)檢測(cè)管理工作。