PE改性瀝青及瀝青混合料性能研究

劉海增

（洛陽旭陽建設集團有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

隨著我國社會經濟的快速發展，廢舊農膜等PE 塑料的大量產生，傳統的填埋和焚燒處理方式非常污染環境。在“碳達峰”與“碳中和”目標下，將廢舊PE 塑料無害化、資源化利用是建設綠色低碳社會的必然要求。

瀝青路面在溫度變化和車輛荷載作用下容易產生開裂和車轍病害。低溫會導致開裂，高溫會導致車轍。通過摻入不同的改性劑，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，可以改善瀝青結合料性能，進而提高瀝青混合料的工程性能，是實現廢舊PE 塑料資源化循環利用的有效途徑。部分學者已開展相關研究。段振洲［2］對比分析了SBS、PE 和湖瀝青三種改性劑對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。此外還有學者開展了PE 改性瀝青干拌工藝［5］、不同PE類型［6］和雜質類型［7］對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展。但對于特定實體工程，針對不同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，本項目指導工程應用，仍需進一步研究。基于此，以某高速公路工程為例，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，為實際工程應用提供參考。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

瀝青選擇中石油AH-70 石油瀝青，集料選擇石灰巖集料。瀝青及集料性能滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）規范的要求。PE改性劑為以農膜等廢舊PE 為原材料，經工廠化提純、粒化形成的黑色固體PE 顆粒，粒徑為4~6 mm，密度為1.02~1.10 g/cm3，熔點為100~150 ℃。

1.2 試驗方法

PE 改性瀝青的制備：將基質瀝青預熱至150~165 ℃，以基質瀝青為基準，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規范》（JTG F40—2004）規范中AC-13 中的級配，將集料和拌鍋預熱至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。混合料油石比均采用5.0%。混合料拌制完成后可以成型不同性能的測試試件。

試驗方法分為瀝青試驗方法和瀝青混合料試驗方法。瀝青試驗方法為動態剪切流變（DSR）試驗，測試溫度為50 ℃、58 ℃、60 ℃、64 ℃和70 ℃。對改性和未改性的瀝青結合料進行DSR試驗，從而評價瀝青的黏彈性行為、勁度、彈性和溫度敏感性，以及老化前后的抗車轍能力［8］。

瀝青混合料試驗為馬歇爾試驗和車轍試驗，以進一步評價PE 改性劑對瀝青混合料性能的影響。瀝青混合料試驗及瀝青RTFOT 老化試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）規范的要求。

2 試驗結果和討論

2.1 老化前PE改性瀝青流變性能

老化前PE 改性瀝青復合模量M和相位角δ測試結果如圖1所示。根據復合模量和相位角計算得到不同改性瀝青的車轍因子，如圖2所示。由圖1和圖2 可知，在50~70 ℃的測試范圍內，與基質瀝青（PE 摻量為0%）相比，PE 改性瀝青的復合模量和車轍因子均有所增加；相位角在58 ℃之前增加，60 ℃及以后基本相當。相同測試溫度下，隨著改性瀝青中PE改性劑摻量的增加，改性瀝青復合模量和車轍因子先增加后減小，在PE 摻量為6%時達到峰值。在58 ℃之前，PE 改性劑摻量對相位角影響顯著，60 ℃及以上時，PE改性劑摻量對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改性瀝青復合模量和相位角

圖2 未老化PE改性瀝青車轍因子

2.2 老化后PE改性瀝青流變性能

RTFOT老化后復合模量M和相位角δ如圖3所示，根據復合模量和相位角計算得到不同改性瀝青的車轍因子，如圖4所示。由圖3和圖4可知，PE改性瀝青復合模型、相位角和車轍因子隨測試溫度和PE 改性劑摻量的變化規律與老化前基本一致。不同的PE改性劑含量對RTFOT老化后瀝青結合料黏彈性有顯著影響。相同改性劑摻量下，DSR 測試從50 ℃到70 ℃的不同測試溫度，與未老化瀝青相比，老化后改性瀝青復合模量呈整體增大趨勢，相位角呈減小趨勢，車轍因子提高。相位角越小表明瀝青中彈性成分越高。根據復合模量和相位角評估黏彈性，改性瀝青彈性提高，相應的抗車轍能力提高。摻加PE 改性劑的改性瀝青車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，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，具有較強的抗熱氧化老化特性。

圖3 老化后PE改性瀝青復合模量和相位角

圖4 老化后PE改性瀝青車轍因子

2.3 馬歇爾試驗

馬歇爾試驗可評價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、位移和剪切應力變形的測試方法。馬歇爾穩定度、馬歇爾流值和馬歇爾模數測試結果如圖5 所示。馬歇爾模數為馬歇爾穩定度與馬歇爾流值之比，可作為抗變形指標。

圖5 馬歇爾試驗結果

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，改性瀝青穩定度和馬歇爾模數逐漸增大，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定性，提高混合料強度，且顯著增強了改性瀝青混合料的抗變形能力。較高的馬歇爾模數表明PE 改性瀝青硬度提高，更能抵抗永久變形。當PE 改性劑摻量在6%以下時，隨著PE 摻量的增加，改性瀝青穩定度和馬歇爾模數增長幅度較大。當PE 摻量由6%增加到8%時，改性瀝青穩定度和馬歇爾模數增長幅度顯著降低，且PE 摻量為6%時，流值已降低為2.36 mm。《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）要求流值為2~4 mm，因此PE 摻量不宜過高，在6%時較為合適。

2.4 車轍試驗

車轍試驗可直觀評價瀝青混合料的抗車轍性能。車轍變形與混合料中改性瀝青對應力和溫度的敏感性有關。不同改性劑摻量下的車轍試驗結果如圖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穩定度逐漸增強，車轍深度逐漸減小，抗車轍性能顯著提升。當PE 改性劑摻量為6%時，改性瀝青混合料動穩定達到5 000 次/mm，完全滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）規范中改性瀝青混合料性能要求。當PE 改性劑摻量為8%時，混合料動穩定和車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轍能力，在降低施工和維護成本方面是有效的添加劑，摻量6%時可完全滿足工程要求。

圖6 車轍試驗結果

3 結論

通過對不同PE 改性劑摻量下改性瀝青和瀝青混合料性能的研究，得出以下結論。

①老化前相同測試溫度下，隨著改性瀝青中PE改性劑摻量的增加，改性瀝青復合模量和車轍因子先增加后減小，在PE 摻量為6%時達到峰值。在58 ℃之前，PE改性劑摻量對相位角影響顯著，60 ℃及以上，PE改性劑摻量對相位角影響逐漸減小。

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

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

④隨著瀝青中PE 改性劑摻量增加，改性瀝青混合料的動穩定度逐漸增加，車轍深度逐漸減小，抗車轍性能顯著提升。當PE 改性劑摻量為6%時，改性瀝青混合料動穩定達到5 000 次/mm，滿足規范中對改性瀝青混合料性能的要求。