直投式环保型沥青改性剂的路用性能

裘国平，杨振文，章俊屾

(浙江大学城乡规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引 言

近年来，聚合物改性沥青在路面施工中得到了广泛运用。聚合物改性沥青具有抗高温性能好、抗水损害能力强等诸多优势[1-2]。作为一种常用的改性剂，聚乙烯(PE)成分可有效增大沥青材料的黏度和抗疲劳特性。回收PE价格低廉，从环境友好角度出发，可将其作为改性剂应用于当前的道路建设中，从而极大地降低沥青路面的建设成本，同时也实现了资源的回收利用，因而该方法受到了国内外专家学者的密切关注。Panda等[3]研究了回收PE对沥青混合料性能的影响，结果表明，回收PE可提高混合料的回弹模量，增强水稳定性，提高疲劳寿命。Garc’a-Morales等[4]对包括PE在内的4种废旧聚合物改性沥青的流变性能进行了研究，其中PE和EVA复合改性后可形成聚合物网状结构，沥青的抗高温流变性能得到改善。Punith等[5]的研究发现，经回收PE改性后，沥青混合料的疲劳寿命可提高2.5倍。方长青等[6]研究了废PE和有机蒙脱土复合改性沥青的微观结构与路用性能。于凯等[7]研究发现，废胶粉和废PE复合改性后，沥青的针入度等基本性能得到提高。大部分已有研究将废旧PE作为改性剂来制备成品沥青，而针对回收的聚乙烯直投式改性剂的研究很少。相较于普通的改性剂而言，直投式改性剂可直接混入矿料和基质沥青之中，并通过混合搅拌等方式产出改性沥青混合料。这样可有效减少改性剂加工、储存等诸多繁琐的环节，有效实现资源和能源成本的节约，将废旧的聚乙烯作为一种路用直投式改性剂具有更好的环保效益和经济效益。

本文对一种回收聚乙烯材料进行分析，并以该材料为原材料制备路用直投式改性剂，同时对这种改性剂改性的沥青的高低温流变特性、温度敏感性、DSC热分析及混合料的性能进行研究，分析其路用特性，为实际工程应用提供理论依据。

1 试 验

1.1 试验材料

1.1.1 直投式改性剂

直投式改性剂包含3个主要部分，分别为回收的聚乙烯材料、有机耐候胶以及高分子纳米材料。其主要性能指标见表1。

表1 直投式改性剂的主要性能指标

1.1.2 沥青

选用江苏保利沥青公司销售的70#道路石油沥青作为基质沥青，同时对比试验中所用的SBS(I-D)改性沥青，其主要技术指标如表2、3所示，经过分析，相关指标均满足规范要求。

1.1.3 直投式新型改性沥青的制备

制备直投式改性沥青采用的方法为高速剪切法，设备为小型高速剪切乳化仪。具体制作流程如下：首先将基质沥青加热至150 ℃，并在恒温状态下保持一定时间，然后将基质沥青进行干燥处理，将干燥的改性剂按3%、6%、9%的剂量(与基质沥青的质量比)缓慢、分批加入到基质沥青中，并以500 r·min-1的速率剪切15 min，使改性剂均匀分散在基质沥青中；然后，将温度升至180 ℃，以4 000 r·min-1的速率高速剪切60 min；最后，在剪切机中以500 r·min-1的速率运行30 min，排出基质沥青中的气泡。

表2 70#基质沥青的技术指标

表3 SBS改性沥青的技术指标

1.1.4 集料与矿粉

粗集料采用玄武岩碎石，采用人工砂作为细集料材料，矿粉为石灰岩矿粉。粗集料的主要性能指标如表4所示。

表4 粗集料的技术指标

1.2 试验方法

1.2.1 动态剪切流变试验(DSR)

采用英国Malvern公司生产的ADS型全自动动态剪切流变仪，对3种不同掺量的直投式新型改性沥青、70#基质沥青和SBS改性沥青在原样和RTFOT短期老化2种状态下进行DSR试验。试样直径为25 mm，厚1 mm。采用应变控制模式，加载频率为10 rad·s-1，约1.59 Hz。试验起始温度为64 ℃，以6 ℃为一级逐级提高，直至不满足车辙因子指标为止。按ASTM D7175标准[8]中的方法进行试验。

1.2.2 弯曲梁流变试验(BBR)

采用美国ATS公司生产的RHE-102型弯曲梁流变仪对经RTFOT短期老化和PVA长期老化后的3种直投式新型改性沥青、70#基质沥青和SBS改性沥青进行流变试验，2组试验温度控制在-12 ℃和-18 ℃。按ASTM D6648标准[9]中的方法进行试验。

1.2.3 差示扫描量热试验(DSC)

采用美国TA公司生产的Q100DSC型分析仪对2组沥青材料进行DSC试验。试验时为氮气气氛，试验温度在-40 ℃～100 ℃之间，控制试验升温速率为10 ℃·min-1。

1.2.4 沥青混合料的路用性能试验

对基质沥青、SBS沥青和直投式改性沥青3种沥青混合料进行常规路用性能试验。直投式改性沥青混合料由改性剂直投法制备，经过多次试验确定改性剂最佳用量为沥青总质量的0.35%，上述沥青混合料均采用AC-13型级配中值。

采用车辙试验对混合料的性能指标进行测定，除了标准的试验条件之外，还新增了2种较为苛刻的试验条件，分别为60 ℃、0.7 MPa浸水和70 ℃、0.8 MPa浸水。利用小梁弯曲试验对沥青混合料的路用低温性能进行评价，标准试验条件为：温度-10 ℃，加载速率50 mm·min-1。混合料的水稳定性采用冻融劈裂试验法测定，其他相关路用性能指标测定采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中要求的试验方法。

2 结果与讨论

2.1 改性沥青性能分析

2.1.1 高温流变性能

沥青路面的车辙或永久变形是沥青混合料在高温反复荷载作用下，剪切流动变形中不可恢复部分累积的结果，与沥青在高温时的动黏弹特性密切相关。因此，通过DSR试验研究高温下沥青的流变特性已成为评价沥青高温性能的有效手段[10-12]。由DSR试验可以得到复数剪切模量G*和相位角δ。G*表征沥青抵抗剪切变形的能力，G*越大，抗剪切变形能力越强；δ反映了沥青黏性与弹性间的比例，δ越大，沥青黏性成分越大，变形不可恢复部分越大。SHRP计划采用车辙因子G*/sinδ作为高温稳定性的评价指标，高温条件下，若G*越大、δ越小，则G*/sinδ越大，抵抗剪切流动变形能力越强，高温稳定性越好。SHRP规范中规定，在高温设计温度下，原样沥青的G*/sinδ不得小于1.0 kPa，经RTFOT后残留沥青的G*/sinδ不得小于2.2 kPa。

(1)复数模量G*与相位角δ。沥青DSR试验结果如表5所示。由表5可知，经直投式改性剂改性后，不同温度下沥青的复数模量G*较基质沥青均有明显提高，沥青抗剪切变形能力得到增强。G*的提高效果与改性剂用量相关，相同温度下，改性剂用量越大，G*的增强效果越显著。对于相位角δ，改性剂的加入使沥青的相位角减小，且改性剂用量越多，减小幅度越大。δ为损失模量G″与贮存模量G′之比的量度，SBP改性剂使沥青贮存模量G′的增加幅度高于损失模量G″，沥青弹性成分增加，黏性损耗成分降低，即变形可恢复的部分增多，抵抗永久变形能力变强。

表5 直投式改性沥青DSR试验结果

(2)车辙因子G*/sinδ。原样沥青和RTFOT短期老化沥青的车辙因子计算结果见表6。在同一温度下，加入直投式改性剂后，沥青的车辙因子变大，高温稳定性得到提高，改性剂用量越多，改性越充分，高温稳定性的提高幅度越大。当温度为64 ℃时，添加6%直投改性剂后，车辙因子由基质沥青的1 925 Pa提高到11 050 Pa，高温稳定性提高了4.74倍，是SBS改性沥青的2.64倍，远远优于SBS改性沥青。根据SHRP规范对5种沥青进行高温性能分级，3种用量下，直投式改性沥青高温分级，温度由基质沥青的64 ℃分别提高到70 ℃、76 ℃和82℃。6%直投改性沥青可达到SBS改性沥青的高温性能分级，9%直投沥青高温分级高于SBS改性沥青。这是因为，直投式改性剂加入基质沥青后，其交联的网状结构对高温下沥青的流动起到约束作用，由此提高了沥青在高温状态下的黏度和抗剪切流动变形能力，且改性剂用量变多，交联网状结构的形成越充分，改性效果越显著。直投式改性剂可有效改善基质沥青的高温稳定性能，就高温稳定性而言，改性剂的有效掺量应在6%以上。

表6 直投式改性沥青的车辙因子

2.1.2 高温区间温度敏感性

沥青混合料的高温区间感温特性影响沥青混合料的路用性能强弱，若感温性强，则温度升高沥青黏度有所减小，抵抗剪切的能力下降，容易产生永久变形。在64 ℃～82 ℃的高温区间，沥青车辙因子与温度在半对数坐标下符合较好的线性关系，因此可以用此线性关系的斜率k评价沥青的感温性能。斜率的绝对值越大，车辙因子随温度变化的幅度越大，沥青对温度越敏感，相应拟合结果见表7和图1(R2为拟合优度)。由表7可知，SBS改性沥青对温度的敏感性最弱，70#基质沥青最强，直投式改性沥青较基质沥青有所改善，但对温度仍较不敏感，其原因可能是因为回收PE性能退化，随着温度升高，改性剂网状结构逐渐破坏，失去了对沥青的约束作用，故表现为车辙因子随温度升高下降较快，但在高温范围内，掺量6%以上直投式改性沥青的高温稳定性能仍优于SBS改性沥青。

表7 车辙因子与温度的关系拟合结果

图1 车辙因子与温度关系曲线

图2 70# 沥青DSC曲线

图3 直投式改性沥青DSC曲线

2.1.3 DSC分析

沥青DSC试验结果见图2、3。在30 ℃～60 ℃范围内，2种沥青DSC曲线上均出现了一个吸热峰，这是因为在此温度区间内，沥青发生了由黏弹态到黏流态的转变，沥青内一部分组分发生了由固态到液态的聚集态转变，这种转变程度越大，对沥青宏观性能的影响越显著。而此温度区间正是沥青路面开始发生车辙等高温永久变形的温度区间，由此可知，对该温度区间沥青吸热特性进行研究，有助于沥青混合料高温性能的评定。将此温度区间内的吸热峰曲线对时间积分，得到吸热峰所对应的吸热量，结果见表8。

表8 直投式改性沥青BBR试验结果

注：S为劲度模量；m为蠕变速率。

由图2、3可知，在沥青由黏弹态转变为黏流态的高温区间，70#基质沥青的平均吸热量大于直投式沥青，吸热量较大则说明沥青中发生较大程度的聚集态转变，故液相之间的转化增多。基质沥青中混入改性剂后，在相同的温度区间内，沥青聚合态组分有所降低，相较于基质沥青而言，混合料的高温稳定性有所提升。而温度区间则反映了沥青聚集态的温度范围，直投式改性沥青聚集态温度范围变窄，说明聚集态转变受温度的影响更小，改性沥青具有更低的温度敏感性。这一结果与DSR试验一致。

2.1.4 低温流变性能

BBR试验结果如表8所示，利用S和m两个指标来反应沥青材料的低温流变性能。蠕变劲度模量S同材料脆性之间呈现明显的正相关关系，且S越大，路面发生损坏的可能性就越大。然而m越大，则温度下降时路面会产生收缩反应，降低了材料劲度，材料之间的拉力值降低，增加了沥青低温开裂的可能性。由表8可知，加入直投改性剂后，沥青的劲度模量S变小，m增大，应力松弛能力得到提高，低温性能得到改善，且改性剂用量为6%时改善效果最佳。SHRP计划PG低温分级要求S<300 MPa，m>0.3。按此标准进行低温分级，则直投式改性沥青与70#基质沥青均为-22 ℃，这是由于低温PG分级以-6 ℃为间隔，温度间隔较大，不能有效区分沥青的低温性能差异，同时也表明直投式改性剂虽然可以改善沥青的低温性能，但改善效果有限，并不能改善基质沥青的低温性能分级。

2.2 改性沥青混合料的性能分析

2.2.1 高温稳定性

车辙试验结果见表9。由表9可知，在标准情况下，直投式混合沥青的稳定度高达9 000 次·mm-1，且高温稳定性是普通沥青混合料的8.1倍，是SBS改性沥青的1.5倍。浸水及70 ℃、0.8 MPa条件下的动稳定度均有所降低，但在此苛刻条件下，直投式沥青混合料仍表现出优于SBS改性沥青混合料的抗车辙性能。车辙试验结果与DSR试验结果表现出较高的契合性，通过试验研究可知，直投式改性剂的应用极大提升了沥青混合料的高温稳定性。

表9 车辙试验结果

2.2.2 低温抗裂性

低温弯曲试验结果见表10。由表10可知，直投式改性剂对于混合料的低温抗裂性正向作用效果不明显。

表10 低温弯曲试验结果

2.2.3 水稳定性

冻融劈裂试验结果见表11。由表11可知，直投改性剂可明显提高混合料的力学性能，水稳定性也有所提升。这是由于:加入改性剂后，通过骨料的高温传热作用和混合料之间的摩擦作用，改性剂分散后黏附在集料表面形成改性剂薄膜，提升了集料和沥青材料之间的黏结力，有助于提升混合料的抗水损害能力。

表11 冻融劈裂试验结果

3 结 语

(1)加入直投式改性剂，沥青复数模量增大，相位角减小，高温性能得到改善；且改性剂用量越多，改善效果越明显。改性剂对于高温区间感温性能的改善效果并不如高温稳定性那样显著。

(2)热分析结果证明，采用直投式改性剂进行改性后，沥青高温区间平均吸热量会大大降低，吸热峰温度范围变小，高温稳定性得到改善，DSC与DSR试验结果具有较好的一致性。

(3)就沥青低温性能而言，改性剂最佳掺量为6%，掺入改性剂可在一定程度上改善沥青低温性能，但并不足以改变沥青低温性能分级。

(4)直投式改性剂显著提升沥青混合料的抗高温性能和水稳定性，对于低温性能影响不明显。