再生PE改性沥青性能的试验

周志刚，韩 良，辜丽萍

在20世纪90年代初，中国从奥地利引进了聚乙烯（Polyethylene，简称为PE）改性沥青专利技术，并对其开展了多方面研究工作，促进了该项技术的发展［1－2］。但由于PE改性沥青具有储存稳定性较差的缺陷，制约了PE改性沥青技术的推广应用。随着人们环境保护意识的增强，大量废旧塑料需要再生利用，其有效途径之一就是用作沥青改性剂。因此，近年来PE改性沥青技术重新得到了人们的重视［3－4］。

鉴于资源节约和环境保护的需要，早期应用的PE改性沥青路面逐渐进入到再生利用的阶段。尽管沥青混合料再生技术己经比较成熟，但对改性沥青再生技术涉及较少，如：现行沥青路面再生技术规范［5］未解决改性沥青路面的再生问题。在以往研究和实践中，人们也主要关注SBS之类材料改性沥青路面的再生［6－10］。而至今除笔者工作［11－13］之外，尚未见到PE改性沥青路面再生的相关文献报道。随着废旧塑料制作沥青改性剂技术的深入研究和推广应用，可以预见，PE改性沥青路面再生技术将具有良好的市场前景和显著的社会经济效益。

课题组关于再生PE改性沥青的试验研究证明［11－13］，旧PE改性沥青可通过添加适当的再生剂使其性能达到改性沥青相关性能要求。但当时因工程急需、时间有限，主要对现场挖取的老化PE沥青混合料进行了抽提，回收旧PE改性沥青，并将其用于再生前、后性能的试验对比分析。由于抽提过程中PE改性剂存在离析现象，所抽提的旧沥青不一定能真实地反映旧PE改性沥青的性能。为此，近期课题组通过室内旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）和压力老化试验（PAV），制备短期老化和长期老化的PE改性沥青，对老化前、后和不同再生方式在再生前、后的沥青及其混合料的常规物理力学指标、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和疲劳特性等进行了系统的试验，全面论证了PE改性沥青混合料再生的可能性、再生机理及再生方案［14－15］。作者拟通过常规性能指标和动态剪切流变等试验［16］，对比分析PE改性沥青的原样沥青、不同老化程度的沥青以及采用不同再生方式的再生沥青的路用性能，为PE改性沥青再生方法的选择提供依据。

1 老化沥青再生后常规性能指标分析

采用两种再生剂分别与不同程度老化后的PE改性沥青融合在一起。该两种再生剂分别为［14］：

再生剂A：由SK－70号新沥青与深圳海川公司生产的再生剂OP－1100原液（一种墨绿色的粘稠液体）以2∶8的比例混合而成，以反映再生时所添加新沥青混合料中的新沥青与再生剂OP－1100混合情形。

再生剂B：由新PE改性沥青III－B与深圳海川公司生产的再生剂OP－1100原液以2∶8的比例混合而成，以反映再生时所添加新PE改性沥青混合料中的新PE改性沥青与再生剂OP－1100混合情形。

1）针对原样沥青、RTFOT老化85min＋PAV老化5h后PE改性沥青、分别添加不同掺量的再生剂A和再生剂B的再生沥青，所测试的常规性能指标结果见表1。

表1 PE改性沥青再生后的性能指标（PAV 5h）Table 1 Performances of regenerated PE modified asphalt（5hby PAV）

从表1中可以看出，经过RTFOT老化85min以及PAV老化5h后的沥青与原样沥青相比，25℃针入度下降了41%，15℃延度下降了60%，软化点上升了23%，135℃粘度上升了73%。沥青主要路用指标中，135℃粘度变化最大，15℃延度次之。对老化的PE改性沥青中分别掺加再生剂A和再生剂B后，随着再生剂掺量的增加，再生沥青的25℃针入度、15℃延度、软化点和135℃粘度变化规律趋于原样沥青。例如：再生剂A的掺量为12%时，再生沥青的主要路用性指标均达到原样PE改性沥青的质量标准。而再生剂A掺量为6%时，主要路用性能指标达不到PE改性沥青的质量标准，但是，相比老化沥青，其性能有所改善。对于相同掺量，添加再生剂A的再生沥青性能优于添加再生剂B的。这是由于再生剂B中使用了PE改性剂，它能改善沥青的高温稳定性，其作用类似于增加沥青中沥青质成分，增大沥青的粘度，趋于老化沥青性质。因此，对于老化的PE改性沥青，不应再采用PE改性沥青进行再生。

2）针对原样沥青、RTFOT老化85min＋PAV老化20h后PE改性沥青、分别添加不同掺量的再生剂A和再生剂B的再生沥青，所测试的常规性能指标结果见表2。

表2 PE改性沥青再生后的性能指标（PAV 20h）Table 2 Performances of regenerated PE modified asphalt（20hby PAV）

从表2中可以看出，PAV老化20h后的沥青与原样沥青相比，25℃针入度下降了63%，15℃延度下降了76%，软化点上升了37%，135℃粘度上升了3.58倍。沥青主要路用指标中，135℃粘度变化最大，15℃延度次之。添加再生剂后，老化沥青的主要路用指标得到了改善。随着掺量的增加，其改善效果更为明显。当再生剂A掺量为16%时，再生沥青的25℃针入度、软化点及15℃延度与原样沥青的相关指标接近。除了粘度指标外，其他性能指标达到规范要求。当再生剂A掺量为24%时，再生沥青的25℃针入度、软化点及15℃延度3个指标均优于原样沥青的。而135℃粘度为3.12Pa·s，大于规范要求的3Pa·s。对于掺量相同，添加再生剂A的再生沥青性能优于添加再生剂B的。

分析结果表明：对于老化严重（RTFOT老化85min＋PAV老化20h）的PE改性沥青，与老化相对轻微（RTFOT老化85min＋PAV老化5h）的PE改性沥青相比，需要添加更多掺量的再生剂才能将其性能恢复至原样沥青水平。

2 老化沥青再生后高温稳定性的DSR试验分析

为了模拟路面实际承受的反复施加的交通荷载，动态剪切流变仪（DSR）采用的试验方法是强制振动法。PE改性沥青（原样沥青）的DSR试验结果见表3。

表3 PE改性沥青的DSR试验结果Table 3 DSR test results of PE modified asphalt

选取经过RTFOT老化85min＋PAV老化5h和RTFOT老化85min＋PAV老化20h的PE改性沥青进行再生，分别添加再生剂A和再生剂B，采用动态剪切流变仪测试再生沥青的复数剪切劲度模量G＊、相位角δ和抗车辙因子G＊／sinδ，分析再生沥青的高温性能。

1）在PAV老化5h的沥青中，分别添加6%～12%掺量的再生剂A和再生剂B，再生沥青的DSR试验结果分别如图1，2所示。

根据SHRP设计规范，用平均最高路面设计温度时原样沥青的G＊／sinδ作为沥青的高温稳定性指标之一，要求原样沥青的G＊／sinδ不低于1.00kPa。70℃时，3种掺量再生沥青的G＊／sinδ均大于1.00kPa，如图1所示。在抗车辙因子G＊／sinδ为1.00kPa时，按照再生剂A掺量百分比从小到大的失效温度分别为：75.3，74.1和72.7℃。这说明随着再生剂A掺量增加，失效温度降低，老化沥青高温稳定性降低。再生剂A掺量12%时，失效温度最接近70℃。这说明再生剂A掺12%效果最好。对于再生剂B，如图2所示，抗车辙因子随温度变化规律与再生剂A相似，但其失效温度更高。这说明添加同样掺量的再生剂B的再生沥青高温稳定性较强。

图1 掺入再生剂A的再生沥青的DSR试验结果（PAV 5h）Fig.1 DSR test results of regenerated asphalt by the incorporation of recycling reagent A（5hby PAV ）

图2 掺入再生剂B的再生沥青的DSR试验结果（PAV 5h）Fig.2 DSR test results of regenerated asphalt by the incorporation of recycling reagent B（5hby PAV）

2）在PAV老化20h的沥青中，分别添加6%～16%掺量的再生剂A和再生剂B，再生沥青的DSR试验结果分别如图3，4所示。

再生剂A掺量为6%的再生沥青失效温度为88.6℃，如图3所示。掺量为8%的再生沥青失效温度为82.1℃，70℃时的G＊／sinδ为3.54kPa。掺量为12%的再生沥青失效温度是80.6℃，70℃时的G＊／sinδ为2.33kPa。掺量为16%的再生沥青失效温度是76℃，70℃时的G＊／sinδ为2.28kPa。由此可以看出，在同一温度下，随着再生剂A掺量的增加，抗车辙因子G＊／sinδ不断减小，失效温度也在逐渐降低。添加再生剂B的再生沥青抗车辙因子随温度变化规律如图4所示，其情况与添加再生剂A时的情况相似。

图3 掺入再生剂A的再生沥青的DSR试验结果（PAV 20h）Fig.3 DSR test results of regenerated asphalt by the incorporation of recycling reagent A（20hby PAV）

图4 掺入再生剂B的再生沥青的DSR试验结果（PAV 20h）Fig.4 DSR test results of regenerated asphalt by the incorporation of recycling reagent B（20hby PAV）

3 老化沥青再生后抗疲劳性能的DSR试验分析

SHRP沥青路用性能规范中，沥青疲劳性能采用的抗疲劳因子指标是G″＝G＊sinδ。沥青疲劳性能试验温度被规定为最高设计温度与最低设计温度的平均值以上4℃。很显然，它处于年最不利季节时期的路面温度状态下［14］，在此试验温度下，要求G＊sinδ小于5 000kPa。沥青路面的疲劳破坏会发生在沥青路面使用的后期，那时沥青已经老化，因此，本研究的老化沥青试验不仅要模拟短期老化（RTFOT），还需模拟长期老化（PAV）。PE改性沥青抗疲劳性能试验结果见表4。

在RTFOT老化85min＋PAV老化20h的沥青中，分别添加6%～16%掺量的再生剂A和再生剂B，再生沥青抗疲劳性能试验结果见表5。

表4 PE改性沥青抗疲劳性能试验结果Table 4 The fatigue resistance results of the PE modified asphalt results

表5 再生沥青抗疲劳性能试验结果Table 5 The fatigue resistance results of regenerated asphalts

从表5中可以发现，不管是再生剂A或者再生剂B，随着温度升高，沥青的G＊sinδ逐渐减小。例如：再生剂A掺量为12%时，温度22℃时，G＊sinδ为4 490kPa；温度19℃ 时，G＊sinδ为5 930kPa，不符合G＊sinδ小于5 000kPa的规范要求。这说明沥青的疲劳破坏发生在较低的温度。在相同温度时，随着再生剂掺量的增加，沥青的G＊sinδ也在逐渐减小。这说明再生剂掺量越高，老化沥青再生效果越好。

4 结论

1）对于老化程度相同的PE改性沥青，添加不同或者相同再生剂但掺量不同，其再生效果不同，即老化沥青性能恢复程度不相同。掺量相同时，添加再生剂A的再生效果优于添加再生剂B的。这与再生剂B中使用了PE改性剂有关。

2）两种再生剂均能恢复老化PE改性沥青的性能。对于老化5h和老化20h的PE改性沥青，当分别按12%和16%掺量添加两种再生剂时，其常规性能指标和DSR试验确定的PG分级的高温等级均能达到原样沥青的质量标准，高温等级均为PG－76。

3）沥青疲劳破坏会发生在中低温度，再生剂A和再生剂B的最佳掺量为16%。

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）：

［1］ 李同祥.PE改性沥青的路用研究［J］.中国公路学报，1994，7（1）：8－13，27.（LI Tong－xiang.A study of PE modified bitumen in road［J］.China Journal of Highway and Transport，1994，7（1）：8－13，27.（in Chinese））

［2］ 张争奇，张登良.聚乙烯改性沥青研究［J］.中国公路学 报，1996，9（3）：14－19.（ZHANG Zheng－qi，ZHANG Deng－liang.A study of polyethylene modified bitumen［J］.China Journal of Highway and Transport，1996，9（3）：14－19.（in Chinese））

［3］ 杨锡武，刘克，杨大田.PE改性沥青的几个问题［J］.中外公路，2008，28（6）：203－207.（YANG Xi－wu，LIU Ke，YANG Da－tian.Several problems of PE modified asphalt［J］.Journal of China ＆ Foreign Highway，2008，28（6）：203－207.（in Chinese））

［4］ Othman A M.Impact of polypropylene application method on long－term aging of polypropylene－modified HMA［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22（10）：1012－1018.

［5］ 交通部公路科学研究院.JTG F41－2008，公路沥青路面再生技术规范［M］.北京：人民交通出版社，2008.（The Ministry of Communications Highway Research Institute.JTG F41－2008，Technical specification for highway asphalt pavement recycling［M］.Beijing：People’s Communications Press，2008.（in Chinese））

［6］ 黄晓明，赵永利，江臣.沥青路面再生利用试验分析［J］.岩土工程学报，2001，23（4）：468－471.（HUANG Xiao－ming，ZHAO Yong－li，JIANG Chen.Test and analysis of recycled mixture for old asphalt pavement［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2001，23（4）：468－471.（in Chinese））

［7］ 季节.再生沥青及其混合料路用性能的评价技术［D］.上海：同 济 大 学，2007.（JI Jie.Evaluation techniques of recycled asphalt and the mixture road performance［D］.Shanghai：Tongji University，2007.（in Chinese））

［8］ Lee S，Kim H，Akisetty C K，et al.Laboratory characterization of recycled crumbrubber－modified asphalt mixture after extended aging［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，2008，35：1308－1317.

［9］ Lee S，Amirkhanian S N，Putman B J.Characterization of recycled aged RAP binders containing crumb rubber modifier using gel permeation chromatography［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2009，21（8）：382－391.

［10］ Xiao F，Amirkhanian S N.Laboratory investigation of utilizing high percentage of RAP in rubberized asphalt mixture［J］.Materials and Structures，2010，43：223－233.

［11］ 高及阳.海南地区高速公路就地热再生沥青路面再生沥青研究［D］.长沙：长沙理工大学，2009.（GAO Ji－yang.Study on recycled asphalt of asphalt pavement hot in place recycling in Hainan expressway［D］.Changsha：Changsha University of Science ＆Technology，2009.（in Chinese））

［12］ 周文.海南沥青路面现场热再生沥青混合料性能研究［D］.长 沙：长 沙 理 工 大 学，2009.（ZHOU Wen.The research on the properties of hot in－place recycling asphalt mixture of asphalt pavement in Hainan［D］.Changsha：Changsha University of Science ＆Technology，2009.（in Chinese））

［13］ 李炎炎.就地热再生PE改性沥青混合料性能研究［D］.长沙：长沙理工大学，2010.（LI Yan－yan.A research on properties of hot in－place recycling PE modified asphalt mixture［D］.Changsha：Changsha University of Science ＆ Technology，2010.（in Chinese））

［14］ 辜丽萍.PE改性沥青的老化与再生性能研究［D］.长沙：长 沙 理 工 大 学，2012.（GU Li－ping.Research on properties of aging and regenerated PE modified asphalts［D］.Changsha：Changsha University of Science ＆ Technology，2012.（in Chinese））

［15］ 佘满汉.PE改性沥青混合料模拟老化和再生性能研究［D］.长沙：长沙理工大学，2012.（SHE Man－han.Research of simulated aging and regenerative properties of PE modified asphalt mixture［D］.Changsha：Changsha University of Science ＆Technology，2012.（in Chinese））

［16］ 交通运输公路科学研究院.JTG E20－2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京：人民交通出版 社，2011.（Highway Transportation Research Institute.JTG E20－2011，Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering［S］.Beijing：China Communication Press，2011.（in Chinese））