PE和SBS復(fù)合改性瀝青混合料路用性能

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州，510641)

道路瀝青是瀝青路面中起重要作用的材料之一，其性能的改善一直是道路工作者所關(guān)注的問題。目前，有很多種對(duì)道路瀝青進(jìn)行改性的技術(shù)手段，如添加高分子材料等。高分子材料能夠有效提高道路瀝青的高溫黏度和低溫延展性，可以使瀝青瀝青路面具有抵抗高溫車轍和低溫抗裂的能力[1?2]。作為常用的瀝青改性劑，聚苯乙烯-丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物(SBS)可以為改性瀝青提供特殊的高溫穩(wěn)定性、低溫柔性和彈性恢復(fù)性能(抵抗變形能力)，目前已成為用量較大的瀝青改性劑之一[3?8]。然而，隨著石油化工等產(chǎn)品價(jià)格的不斷上漲，SBS的價(jià)格也不斷提高，目前SBS的基本價(jià)格都在23 000元/t左右。另外，也有研究指出：在氣候條件因素(光照、降水等)的影響下，SBS改性劑或許會(huì)發(fā)生一定程度的老化，從而影響其原有性能的發(fā)揮?；谝陨蟂BS應(yīng)用中遇到的現(xiàn)實(shí)問題，很多道路工作者開始將目光轉(zhuǎn)向價(jià)格低廉、數(shù)量充足甚至是廢品的聚乙烯(PE)材料。廢品塑料(WPE)是一種不可發(fā)生降解并循環(huán)利用的材料，有道路工作者將其應(yīng)用于道路瀝青的改性，發(fā)現(xiàn)它可以賦予道路瀝青可觀的剛性并顯著減少瀝青路面的車轍變形。但是，廢品塑料(WPE)的使用量不能太高，當(dāng)用量(與瀝青質(zhì)量之比)為6%～30%時(shí)，其改性過的瀝青的低溫性能大大降低以及發(fā)生開裂等破壞[9?11]。由于各類WPE產(chǎn)品成分比較復(fù)雜及回收時(shí)不免會(huì)帶有多種雜質(zhì)，增加了改性瀝青的制備難度。因此，為了滿足不同的實(shí)際工程需要，國內(nèi)通常將其加工制備成多種PE添加劑產(chǎn)品來使用?？紤]到SBS和PE的性能特點(diǎn)，有科研工作者開始嘗試將二者聯(lián)合起來對(duì)道路瀝青復(fù)合改性并取得了一定的進(jìn)展。由于二者之間的相容性較差，對(duì)SBS和PE復(fù)合改性的研究遇到了一些技術(shù)難題，影響其大規(guī)模的使用和推廣。因此，本研究利用SBS和PE改性劑試驗(yàn)制備 PE/SBS改性瀝青，然后，采用國內(nèi)通常的配合比設(shè)計(jì)方法制備PE/SBS瀝青混合料，利用一系列技術(shù)手段研究 PE/SBS瀝青混合料的路用性能，并選擇合適的SBS和PE的摻加量，為PE/SBS瀝青混合料在我國大規(guī)模推廣使用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)用材料

本研究使用中海AH-70號(hào)基質(zhì)瀝青，其性能指標(biāo)見表 1；采用的集料為珠海洪武玄武巖礦料，礦粉為廣東四會(huì)徑口石灰石礦粉，礦料和礦粉的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求；礦料級(jí)配選擇 AC?20型，合成級(jí)配見圖1；采用美國Kraton公司D1101線型SBS，性能參數(shù)見表2；遼寧某公司生產(chǎn)的高質(zhì)量聚乙烯PE，性能參數(shù)見表 3；采用廣州潤翊嘉化工有限公司生產(chǎn)的改性瀝青穩(wěn)定劑。

表1 AH-70基質(zhì)瀝青技術(shù)性能Table 1 Technology indexes of AH-70 asphalt

圖1 試驗(yàn)用礦料級(jí)配Fig.1 Test gradation of asphalt mixture

表2 SBS聚合物改性劑的性能指標(biāo)Table 2 Technical properties indexes of SBS

表3 PE性能指標(biāo)Table 3 Technical properties indexes of PE

與改性瀝青制備方法類似[12]，SBS和PE改性劑采用內(nèi)摻法加入，可用濕法來制備不同SBS和PE含量的高模量瀝青。經(jīng)過大量試驗(yàn)，本研究先確定SBS摻加量為4.5% (與瀝青質(zhì)量之比)，此瀝青可滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[13]中對(duì)II類SBS改性瀝青的要求。在此基礎(chǔ)上再加入一定量的PE來制備高模量瀝青，制備流程見圖2。SBS瀝青混合料瀝青用量為4.6%，SBS/PE瀝青混合料瀝青用量為4.5%。

圖2 改性瀝青制備流程圖Fig.2 Preparation of PE modified asphalt

2 高模量瀝青混合料路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性能

2.1.1 車轍試驗(yàn)

采用規(guī)范中的車轍試驗(yàn)來評(píng)價(jià)混合料的高溫性能[14]，并開展了64 ℃和70 ℃的超高溫車轍試驗(yàn)。不同PE含量的瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可以看出：隨著PE摻加量(與瀝青質(zhì)量之比，下同)的增加，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度不斷增加，當(dāng)摻加量為2.5%(其中SBS為4.5%，下同)時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比SBS瀝青混合料提高了2倍多；當(dāng)摻加量從 2.5%提高到 5.5%時(shí)，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度繼續(xù)增加，為SBS改性瀝青混合料的2.8倍左右，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到12514次/mm, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中夏炎熱的技術(shù)要求(改性瀝青混合料穩(wěn)定度大于3 000 次/mm的要求)。但當(dāng)摻加量超過5.5%后, 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增加速度開始逐漸變緩。在64 ℃和70 ℃車轍試驗(yàn)中，隨著溫度的升高，SBS改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度急劇減小，在70 ℃時(shí)的車轍動(dòng)穩(wěn)定度減小到60 ℃時(shí)的13.2%。PE/SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度減幅較小。其中摻加2.5%PE的改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為其 60 ℃時(shí)的18%；摻加5.5% PE的改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為其60 ℃的時(shí)35%，動(dòng)穩(wěn)定度仍達(dá)到4 381 次/mm。

表4 混合料車轍動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果Table 4 Wheel rutting test results 次/mm

本研究對(duì)不同 PE摻加量的改性瀝青進(jìn)行了瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)和高溫動(dòng)態(tài)掃描試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著PE摻加量的增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)逐漸增大，針入度和延度逐漸減??；當(dāng)PE摻加量為5.5%時(shí)，改性瀝青(在60 ℃時(shí))的車轍因子超過10 kPa；76 ℃時(shí)，車轍因子超過1 kPa，達(dá)到文獻(xiàn)[15]中對(duì)高模量瀝青提出的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；隨著 PE摻加量的增加，改性瀝青的黏度逐漸增大。根據(jù)規(guī)范[13]中對(duì)于瀝青軟化點(diǎn)、延度和針入度指標(biāo)以及對(duì)高模量瀝青的要求，結(jié)合5.5% PE的摻加量的瀝青混合料的高溫性能得到顯著增加，本研究將PE的合理摻加量定為5.5%。

2.1.2 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)模量是指對(duì)于具有一定周期和波形的動(dòng)態(tài)荷載，其應(yīng)力的模(振幅)與材料響應(yīng)的應(yīng)變的模(振幅)的比值反映了材料抵抗變形的能力。法國 NF EN 13108-1—2007中規(guī)定了高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量：在溫度15 ℃和試驗(yàn)頻率為10 Hz時(shí)，高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量應(yīng)大于14 GPa(通過T型梁試件得出)。本研究應(yīng)用我國通常使用圓柱體試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量測(cè)定，結(jié)果見表 5。為了考察高溫下各瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量變化，本研究對(duì)所有瀝青混合料60 ℃下的動(dòng)態(tài)模量(頻率分別為0.1，0.5，1，5和10 Hz)進(jìn)行了測(cè)定，通過時(shí)溫等效原理(WLF方程)建立各瀝青混合料的模量主曲線，見圖3。由表6可以看出：摻加5.5%PE后，瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量得到顯著提高，約為SBS瀝青混合料的 1.26倍，基質(zhì)瀝青混合料的 1.76倍。由圖3可以看出：在60 ℃時(shí)，PE/SBS瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量(在所有縮減頻率f縮減下)均大于SBS改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，顯示其具有優(yōu)良的高溫動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)文獻(xiàn)[15]中對(duì)高模量瀝青混合料的定義，摻加5.5% PE和4.5% SBS的瀝青混合料可被稱為高模量瀝青混合料。

表5 各瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量(平均值)Table 5 Dynamic modulus of asphalt mixtures

圖3 各瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線Fig.3 Master curves of asphalt mixtures

2.2 力學(xué)性能

本研究采用抗壓回彈模量試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)對(duì)摻加PE的改性瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行研究?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)方法：首先將成型瀝青混合料圓柱體試件(直徑(100±2) mm，高度(100±2) mm)置于15 ℃恒溫水浴中2.5 h以上，然后，將試件置于萬能材料試驗(yàn)機(jī)(MTS)上，以2 mm/min的加載速率均勻加載至破壞，獲得荷載峰值，用荷載峰值除以試件橫截面積算得抗壓強(qiáng)度。抗壓回彈模量試驗(yàn)方法為：根據(jù)測(cè)試抗壓強(qiáng)度的平均值，將其均分為10級(jí)荷載，分別取0.1P～0.7P共7級(jí)試驗(yàn)荷載，然后，計(jì)算各級(jí)荷載下試件實(shí)際承受的壓強(qiáng)，繪制各級(jí)壓強(qiáng)與各回彈變形的關(guān)系曲線，修正原點(diǎn)坐標(biāo)軸從第5級(jí)荷載讀取壓強(qiáng)Q5及相應(yīng)的試件形變△5，最后按照計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。瀝青混合料劈裂試件成型和試驗(yàn)步驟按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E02—2011)要求進(jìn)行。瀝青混合料力學(xué)性能見表6。由表6可以看出：摻加5.5% PE的SBS瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度為10.1 MPa，比SBS瀝青混合料提高了36%；抗壓回彈模量為4 212 MPa，比SBS瀝青混合料提高了1.9倍。從劈裂試驗(yàn)結(jié)果可以看出：PE/SBS瀝青混合料的極限劈裂強(qiáng)度比 SBS瀝青混合料提高了43%，破壞模量是SBS瀝青混合料的1.97倍。同理，PE/SBS瀝青混合料比基質(zhì)瀝青混合料的各項(xiàng)力學(xué)性能提高更加明顯。采用SBS和PE改性劑復(fù)合改性的瀝青混合料抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量和劈裂強(qiáng)度和劈裂破壞模量均有顯著提高，具有良好的力學(xué)性能。

2.3 水穩(wěn)定性能

本研究采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)摻加 PE的瀝青混合料的水穩(wěn)定性，具體試件制備和試樣方法見《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)。表7所示為浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果。

表6 瀝青混合料力學(xué)性能參數(shù)(平均值)Table 6 Parameters of mechanical properties of asphalt mixtures MPa

從浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果看，PE/SBS改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度比未摻加PE的SBS瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度要高6.9%，表明PE改性劑對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能具有改善作用。PE/SBS瀝青混合料與 SBS瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比都大于 75%(規(guī)范中的要求)，而且該高模量瀝青混合料的凍融試驗(yàn)強(qiáng)度比達(dá)到 89.4%，相對(duì) SBS瀝青混合料提高了6.8%，表明PE改性劑的加入提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

2.4 低溫抗裂性能

文獻(xiàn)[16?18]表明：PE改性劑使瀝青的低溫抗開裂性能得到改善，認(rèn)為聚合物的加入總可以改善瀝青的低溫性能；聚乙烯使瀝青的低溫下的韌性增加，使瀝青的低溫性能得到改善，但PE和SBS改性劑加入瀝青后，所制備的瀝青混合料的低溫性能一直是道路工作者所關(guān)注的對(duì)象。本研究根據(jù)規(guī)范提供的試驗(yàn)方法在?10 ℃和加載速率為50 mm/min的條件下進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，結(jié)果見表8。從表8可知：PE改性劑摻入SBS瀝青混合料后，混合料低溫破壞應(yīng)變較小，而在破壞強(qiáng)度指標(biāo)上，低溫彎曲勁度模量較大，說明采用低溫彎曲小梁試驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)，PE/SBS改性混合料低溫抗裂性能有所降低，但低溫破壞應(yīng)變?nèi)源笥? 500με，因此，瀝青混合料低溫抗裂性能的好壞應(yīng)基于使用的環(huán)境來評(píng)定優(yōu)劣。PE/SBS改性瀝青混合料用于南方高溫地區(qū)上、中和下面層或北方低溫地區(qū)的中、下面層，其低溫抗裂性能完全能滿足要求，可以認(rèn)為其具有優(yōu)良的低溫抗裂性能。

2.5 疲勞性能

為評(píng)價(jià)瀝青混合料的疲勞性能，依據(jù)美國 SHRP M-009標(biāo)準(zhǔn)，采用英國COOPER NU-14性瀝青混合料疲勞試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行梁式試件四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)(采用應(yīng)變控制，應(yīng)變分別為300，400和500 μm，試驗(yàn)溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz)。所用試件均采用芬蘭SRC高精度雙面鋸雙面同步切割技術(shù)切割成滿足試驗(yàn)要求的梁式試件。疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表9。由表9可以看出：在不同的應(yīng)變水平下，摻加 PE的高模量瀝青混合料的累積耗散能均比 SBS瀝青混合料的大(分別是SBS瀝青的1.8倍、1.5倍和1.3倍)，但疲勞壽命有所降低(分別是 SBS瀝青混合料 93.5%，84%和80%)，但仍大于各應(yīng)變水平下的基質(zhì)瀝青混合料的疲勞壽命。PE改性劑的加入，對(duì)SBS瀝青混合料的疲勞性能具有一定的影響；與 SBS瀝青混合料相比，PE/SBS瀝青混合料的疲勞壽命為其85.8%左右，相對(duì)基質(zhì)瀝青混合料來說仍具有較好的疲勞性能。

3 結(jié)論

(1) 通過摻加PE和SBS可以制備高模量瀝青；SBS/PE高模量瀝青混合料的高溫性能優(yōu)越，隨著PE含量的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和動(dòng)態(tài)模量明顯增大，耐高溫性能增強(qiáng)。

表9 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Results of fatigue properties of asphalt mixtures

(2) SBS/PE高模量瀝青混合料的抗壓回彈模量、劈裂模量與SBS瀝青混合料相比提高2倍左右，表明PE改性劑對(duì)混合料的力學(xué)性能影響顯著。

(3) 摻加PE改性劑后，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度與SBS瀝青混合料相比明顯提高，混合料水穩(wěn)定性也得到提高。

(4) 摻加PE改性劑后，SBS/PE瀝青混合料的低溫性能有所降低，但低溫破壞應(yīng)變?nèi)匀淮笥? 500με，若用于南方高溫地區(qū)上、中和下面層或低溫地區(qū)的中、下面層，低溫性能仍能滿足實(shí)際要求。

(5) 摻加PE改性劑后，SBS/PE瀝青混合料的累積耗散能增大(疲勞破壞時(shí)需要的能量增加)，但疲勞性能有所降低，仍比基質(zhì)瀝青混合料具有更好的疲勞性能。

總之，PE改性劑的加入可以顯著提高瀝青混合料的路用性能，增加路面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但在低溫地區(qū)和車流量較大的路段使用時(shí)需要謹(jǐn)慎考慮。另外，以上結(jié)論是通過AH-70號(hào)基質(zhì)瀝青制備高模量瀝青，進(jìn)而采用AC-20級(jí)配制備的高模量混合料得出的，其他類型的高模量瀝青混合料的制備以及特性還有待一步研究。

[1] Airey G D. Rheological evaluation of ethylene vinyl acetate polymer modified bitumen[J]. Construction and Building Materials, 2002,16(8): 473?487.

[2] Ait-Kadi, A., Brahimi, B., and Bousmina, M. Polymer blends for enhanced asphalt binders[J]. Polymer Engineering and Science,1996, 36: 1724?1733.

[3] Lu X, Isacsson U. Characterization of styrene-butadiene-styrene polymer modified bitumens-comparison of conventional methods and dynamic mechanical analysis[J]. Journal of Testing Evaluation, 1997, 25: 383?390.

[4] Isacsson U, Lu X. Characterization of bitumens modified with SEBS, EVA and EBA polymers[J]. Journal of Materials Science,1999, 34: 3737?3745.

[5] William G E. Polymer Enhances Asphalt: USA, 9745488 [P].1997?08?15.

[6] William A G, Baton L R. Compatible Asphalt-polymer Blends:USA, 5672642[P]. 1997?09?30.

[7] Shingo K. Compatibilizer role of Styrene Butadiene Styrene triblock copolymer in asphalt[J]. Journal of Polymer Science,2001, 33: 209?210.

[8] Vargas M A. Asphalt modified by partially hydrogenated SBS triblock copolymers[J]. Rubber Chemistry and Technology, 2005,78: 620?643.

[9] Yousefy A A, Ait-Kadi A, Roy C. Composite asphalt binders:effect of modified RPE on asphalt[J]. Journal Material of Civil and Engineering, 2000, 12(2): 113?123.

[10] Panda M, Mazumdar M. Utilization of reclaimed polyethylene in bituminous paving mixes[J]. Journal of Material Civil and Engineering, 2002, 14(6): 527?530.

[11] Giavarini C, De Filippis P, Santarelli M L, et al. Production of stable polypropylene-modified bitumens[J]. Fuel, 1996, 75(6):681?686.

[12] 余劍英, 羅小峰, 吳少鵬, 等. 阻燃瀝青SBS改性瀝青的制備及性能[J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2007, 20(2): 35?39.YU Jian-ying, LUO Xiao-feng, WU Shao-peng, et al.Preparation and properties of flame-retarded SBS modified asphalt[J]. China Journal of Highway and Transport, 2007, 20(2):35?39.

[13] JTG F40—2004, 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].JTG F40—2004, Technical specifications for construction of highway asphalt pavements[S].

[14] JTG E20—2011, 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].JTG E20—2011, Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering[S].

[15] LIU Yun-quan, FAN Xin-hua, ZHANG Huai-zhi. Development and evaluation of the hard-grade asphalt[J]. Journal of Material in Civil Engineering, 2010, 22(8): 800?805.

[16] Hinislioglu S, Agar E. Use of waste high density polyethylene as bitumen modifier in asphalt concrete mix[J]. Material Letters,2004, 58: 267?271.

[17] Othman A. Laboratory performance evaluation of polymer modified asphaltic mixtures[J]. Journal of Engineering Sciences,2005, 33: 1149?1162.

[18] 張倩, 謝來斌, 李彥偉, 等. 廢舊塑料改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量研究[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2011, 43(5):755?759.ZHANG Qian, XIE Lai-bin, LI Yan-wei, et al. Research on dynamic modulus of waste plastic modified asphalt mixture[J].Journal of Xi’an University of Architecture and Technology:Natural Science Edition, 2011, 43(5): 755?759.