PE改性硫瀝青的高溫性能與環境評價研究

摘要：為研究再生聚乙烯（PE）對硫瀝青高溫性能的影響，文章通過制備不同摻量下的PE改性硫瀝青（PSA），將其與同摻量下的PE改性瀝青進行性能比較分析，并通過常規試驗和不同老化條件下的流變試驗，探討了PSA的基本特性和高溫流變特性，同時開展了毒性浸出試驗對PSA進行環境評價研究。試驗結果表明，與PE改性瀝青相比，PSA的針入度、黏度和軟化點差值更低，而軟化點和車轍因子更高，這說明在高溫下PSA的物理性能、流變性能和儲存穩定性均優于普通PE改性瀝青，這是因為硫磺的結晶效益有助于PE在瀝青基體中的性能表征；環境評價分析表明PSA浸出液中的金屬元素和硫元素滿足規范要求，PSA有作為可持續性瀝青路面材料的潛力。

關鍵詞：道路工程；硫瀝青；聚乙烯；流變性能；高溫性能；環境評價

中圖分類號：U414.1

0 引言

隨著柔性路面建設的飛速發展，作為不可再生資源的瀝青消耗巨大，基于可持續發展理念，尋找瀝青的部分或完全替代材料是目前的研究熱點［1］。之前的研究表明，硫瀝青可作為一種可持續性的瀝青路面材料［2-3］。硫磺屬于可再生資源，能通過回收含硫的廢氣和廢渣得到，硫瀝青中的硫磺可取代30%～40%的瀝青膠結料。因硫磺成本遠低于瀝青，硫瀝青的使用還能降低工程成本。與傳統道路石油瀝青相比，硫瀝青的高溫穩定性和抗疲勞性能更高，硫瀝青還可明顯改善瀝青與石料的粘附性問題［4］。

再生聚乙烯（PE）是一種低成本且可回收的瀝青改性劑，將其作為路面材料能緩解廢棄塑料的處置問題［5］。許多研究表明PE能明顯改善瀝青的高溫流變性能［6-7］。然而，以往的研究大多集中在分析硫瀝青或PE改性瀝青的流變性能，而PE改性硫瀝青（PSA）的路用性能尚未有充分的研究，并且關于PSA在路面施工中環境影響的研究也仍不足，限制了PSA在綠色瀝青路面材料中的實際應用。因此，有必要對PAS的常規性能、流變性能和環境影響進行綜合研究，拓展硫瀝青和PE改性劑在實際工程中的應用。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

采用寶利國際70#道路石油瀝青和硫瀝青作為基質瀝青。基于參考文獻［4］，硫瀝青的硫磺摻量選為30%。其中，硫磺由湖南某化工有限公司提供，呈粉末狀且純度達99%。70#石油瀝青的基本特性如表1所示。PE由上海某材料有限公司供應，屬于低密度聚乙烯，其物理性質如表2所示。

1.2 瀝青制備

（1）硫瀝青的制備：將70#道路石油瀝青加熱至熔融態，向瀝青加入定量的硫磺，采用高速剪切儀對其高速剪切30 min，剪切溫度和剪切速率分別控制在140 ℃和800 r/min。

（2）PE改性瀝青的制備：將70#道路石油瀝青加熱至熔融態，向瀝青加入定量的PE，先用玻璃棒手動攪拌10 min，再采用高速剪切儀對其高速剪切45 min，剪切溫度和剪切速率分別控制在175 ℃和5 000 r/min。

（3）PSA的制備：完成PE改性瀝青的制備后，將定量的硫磺加入改性瀝青中，在140 ℃的剪切溫度和800 r/min的剪切速率下，采用高速剪切儀對PSA試樣高速剪切30 min。

其中，PSA的制備順序的選定是因為PE的剪切溫度較高，為避免硫磺在高溫剪切過程揮發，因此先添加PE后添加硫磺。硫磺的摻量為基質瀝青重量的30%，而PE摻量分別為基質瀝青重量的2%、4%、6%和8%。基于以往的研究［4］，考慮到高摻量硫磺的重結晶效應，對添加硫磺的瀝青試樣，先在常溫下養生15 d后再對其進行性能測試。

1.3 試驗方案

將基質瀝青、硫瀝青、PE改性瀝青作為對照組，而PSA作為試驗組，基于針入度試驗和軟化點試驗，研究PSA的常規物理性能。采用動態剪切流變儀（DSR）試驗和布氏黏度試驗，分別研究PSA的高溫流變性能和高溫抗剪切性能。開展聚合物離析試驗，分析PSA的高溫儲存穩定性。最后，采用浸出毒性試驗評價PSA對環境的影響。其中，針入度試驗、軟化點試驗、離析試驗和黏度試驗的試樣均為未老化瀝青，DSR試驗試樣為未老化瀝青和短期老化瀝青，浸出毒性試驗的試樣均為未老化瀝青。

2 結果與討論

2.1 常規物理性能

如圖1和圖2所示為PE摻量對基質瀝青和硫瀝青的針入度和軟化點的影響情況。從圖1可知，PE的添加均使得基質瀝青與硫瀝青的針入度下降。隨著PE摻量的增加，PE改性瀝青的針入度持續下降，而PSA的針入度先顯著下降后趨于穩定，且PSA的針入度均低于PE改性瀝青。這說明PE改性劑的加入使得瀝青的物理交聯作用更強，且在硫瀝青基體中PE的改善效果高于基質瀝青。由圖2可知，PE使得瀝青的軟化點增加，即在2%PE摻量下瀝青的軟化點有顯著改善。對于PE改性瀝青，可以發現隨著PE摻量的增加，瀝青的軟化點增長速率變緩；與PE改性瀝青相比，隨著PE摻量的增加，PSA的軟化點增長速率更大，這說明硫瀝青中的硫使得高摻量下的PE在瀝青中均勻性增強，有助于PE在瀝青基體中的性能表征。

2.2 高溫抗剪切性能

圖3顯示了135 ℃測試溫度下PE摻量對瀝青布氏黏度的影響情況。由圖3可知，隨著PE摻量的增加，PE改性瀝青的黏度顯著提升。與PE改性瀝青相比，在相同PE摻量下，PSA的布氏黏度值更低。例如，在6%PE摻量下PE改性瀝青的黏度值已超過3 Pa·s，不利于瀝青混合料施工過程中的和易性，而6%PE摻量下PAS的黏度值低于規定值。該現象說明PSA中的高摻量硫磺能起到降黏效果，即硫磺能降低瀝青混合料的拌和與壓實溫度。同時可以發現，硫瀝青（PE摻量為0的PSA）的黏度高于基質瀝青（PE摻量為0的PE改性瀝青），這說明硫磺能改善瀝青的高溫抗剪切性能，這是因為高摻量的硫磺能通過結晶效益，均勻分散于瀝青基體中，即以顆粒形式來增大瀝青分子的內摩擦阻力。

2.3 高溫儲存穩定性能

如圖4所示為PE摻量對瀝青軟化點差值的影響情況。由圖4可知，隨著PE摻量的增加，PE改性瀝青的軟化點差值增加，8%PE改性瀝青的軟化點差值達到6 ℃以上，說明PE在瀝青基體中易出現離析現象。與PE改性瀝青相比，在相同PE摻量下，PSA的軟化點差值均低于PE改性瀝青，說明PE在瀝青基體中的離析現象得到改善。例如，8%PSA的軟化點差值為3.3 ℃，與8%PE改性瀝青相比，瀝青的軟化點差值降低50%，接近ASTM D5892規范的限值（2.2 ℃）。這一現象表明，硫瀝青的硫磺有助于改善PE改性瀝青的離析現象，這是由于硫磺可部分替代瀝青作為膠結料，能包裹瀝青中的PE顆粒，有利于維持和增強PE在瀝青基體中的三維網絡結構。

2.4 高溫流變性能

64 ℃的測試溫度下，未老化與短期老化瀝青的車轍因子如圖5和圖6所示。由圖5可知，PE的添加使得瀝青的車轍因子有明顯提高，這說明PE分子能與瀝青分子形成三維網絡結構，使瀝青剛度增加，提高其高溫抗車轍性能。由圖6可知，與未老化瀝青相比，老化狀態下瀝青的車轍因子增大，這是因為老化后瀝青的輕質組分揮發，使得瀝青剛度增加。盡管老化能使瀝青的車轍因子增大，但是其開裂風險也隨之增大。與PE改性瀝青相比，在相同PE摻量下，PSA的車轍因子更高。這說明在硫磺的重結晶效益下，瀝青基體中的結晶硫對PE顆粒有促進作用，使得PE顆粒在瀝青基體中的三維網絡結構更強，即PSA的高溫穩定性越高。

2.5 浸出元素濃度

根據ASTM D3987規程，對基質瀝青、硫瀝青和PSA開展浸出毒性試驗。將70 g瀝青試樣放入裝滿1.4 L蒸餾水的玻璃瓶中，將其在25 ℃的條件下水浴18 h。收集水樣并采用原子吸收光譜進行分析。在3種瀝青試樣的滲濾液中，測定鎘、硒、鉻、銅、鋅和鉛6種金屬元素和硫化物的濃度，并與《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）（以下簡稱標準）的限定值進行對比，結果如表3所示。

由表3可知，基質瀝青不含上述6種有害金屬元素和硫元素，而與基質瀝青和基準液相比，硫瀝青和PSA含有鎘元素和硫化物。盡管PAS中存在少量鎘元素和硫化物，但其濃度低于《標準》中的規定值。這說明使用PSA進行瀝青路面施工不會產生較大的環境問題，即不會嚴重污染水資源和土壤。

3 結語

（1）瀝青常規試驗結果表明，PE的添加能降低瀝青的針入度和軟化點差值，提高其軟化點，這說明PE有利于瀝青的物理性能和儲存穩定性。同時，在硫磺作用下，PE顆粒在瀝青中的性能提升有進一步增強。

（2）瀝青流變結果表明，與PE改性瀝青相比，PSA的黏度更低而車轍因子更大，說明硫磺對PE改性瀝青有降黏功能，可降低PE改性瀝青混合料的拌和與壓實溫度；硫磺的重結晶效益能有助于PE顆粒在瀝青中的均勻分布，進一步提高瀝青的高溫抗車轍性能。

（3）毒性浸出試驗結果表明，PSA浸出液中的金屬元素與硫元素均滿足《標準》中的規定值，說明這種瀝青材料對生態環境不會產生嚴重負面影響。

（4）后續研究應繼續開展PSA及其混合料的路用性能試驗，綜合評價PSA的短期性能和長期性能，并開展分子動力學模擬來揭示這種路面新材料的改性機理。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-18

作者簡介：朱 皓（1990—），工程師，主要從事高速公路工程試驗管理工作。