聚乙烯和硫磺對(duì)瀝青抗老化性能的影響

摘 要：【目的】研究聚乙烯和硫磺對(duì)瀝青抗老化性能影響。【方法】制備不同改性劑摻量的聚乙烯改性瀝青和硫磺改性瀝青，并對(duì)不同瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜加熱老化試驗(yàn)和壓力老化試驗(yàn)，測(cè)試不同瀝青老化前后針入度、軟化點(diǎn)和延度，分析老化前后針入度和延度老化指數(shù)及軟化點(diǎn)差。通過(guò)紅外光譜試驗(yàn)分析瀝青中官能團(tuán)，探究聚乙烯和硫磺對(duì)瀝青抗老化影響機(jī)理?！窘Y(jié)果】相同老化條件時(shí)，隨著聚乙烯或硫磺摻量增加，改性瀝青針入度老化指數(shù)和延度老化指數(shù)逐漸增加，軟化點(diǎn)差逐漸降低，老化前后性能差異減?。痪垡蚁┖土蚧菍?duì)瀝青的改性以物理改性為主。相對(duì)于原基質(zhì)瀝青，改性瀝青的羰基指數(shù)和亞砜指數(shù)降低?！窘Y(jié)論】聚乙烯和硫磺可增強(qiáng)瀝青的抗氧化老化性能。

關(guān)鍵詞：道路材料；聚乙烯；硫磺；瀝青；抗老化

中圖分類號(hào)：U414" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）22-0086-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.018

Effect of Polyethylene and Sulfur on Agti-aging Performance of Asphalt

Abstract： [Purposes] In order to study the influence of polyethylene and sulfur on the agti-aging performance of asphalt. [Methods] Polyethylene modified asphalt and sulfur modified asphalt with different modifier contents were prepared， and the rotating film heating aging test and pressure aging test were carried out for different asphalt. The penetration， softening point， and ductility of different asphalt before and after aging were tested， and the penetration and ductility aging index and softening point difference before and after aging were analyzed. The influence mechanism of polyethylene and sulfur on asphalt aging resistance was explored by analyzing the functional groups in asphalt by infrared spectrum test. [Findings] The results show that under the same aging conditions， with the increase of polyethylene or sulfur content， the penetration aging index and elongation aging index of modified asphalt gradually increase， and the softening point difference gradually decrease， and the performance difference before and after aging decrease. The modification of asphalt by polyethylene and sulfur is mainly based on physical modification. Compared to the original matrix asphalt， the carbonyl index and sulfoxide index of modified asphalt decrease. [Conclusions] Polyethylene and sulfur can increase the antioxidant aging performance of asphalt.

Keywords： road materials; polyethylene; sulfur; asphalt; anti-aging

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)的快速發(fā)展，早期建成的公路運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)不同程度的路面病害。公路瀝青路面的破壞大多是非結(jié)構(gòu)性車(chē)轍或不同類型的開(kāi)裂引起的［1］。非結(jié)構(gòu)性車(chē)轍主要是瀝青混合料路用性能差、行車(chē)荷載大或?yàn)r青耐高溫性能不足等原因造成的［2］。開(kāi)裂主要有橫向裂縫、縱向裂縫和網(wǎng)裂，其中網(wǎng)裂對(duì)路面性能影響較大。瀝青耐老化性能不足則是引起開(kāi)裂的重要原因［3］。聚乙烯作為回收廢舊塑料的一種，利用聚乙烯制備改性瀝青用于道路工程具有顯著的環(huán)境效益。硫磺是改性瀝青中常用的改性劑，可提高改性瀝青穩(wěn)定性［4］。目前不同學(xué)者對(duì)聚乙烯改性已開(kāi)展較多相關(guān)研究，結(jié)果表明聚乙烯改性瀝青可提高路面抗車(chē)轍性能［5-7］。然而，針對(duì)聚乙烯對(duì)瀝青耐老化性能影響的研究相對(duì)較少。為全面評(píng)價(jià)聚乙烯改性瀝青性能，有必要進(jìn)一步開(kāi)展聚乙烯改性瀝青耐老化方面的研究。

本研究制備不同改性劑摻量的聚乙烯改性瀝青和硫磺改性瀝青，并對(duì)不同瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜加熱老化試驗(yàn)和壓力老化試驗(yàn)，測(cè)試不同瀝青老化前后針入度、軟化點(diǎn)和延度，分析老化前后針入度和延度老化指數(shù)及軟化點(diǎn)差。通過(guò)紅外光譜試驗(yàn)分析瀝青中官能團(tuán)變化，探究聚乙烯和硫磺對(duì)瀝青抗老化影響機(jī)理，為全面分析聚乙烯和硫磺對(duì)瀝青抗老化性能的影響提供參考。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 材料

瀝青為70#石油瀝青，性能指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工規(guī)范》（JTG F40—2004）要求。聚乙烯為工業(yè)化成品，密度0.89～0.96 g/cm3，熔點(diǎn)115～135℃，硫磺為結(jié)晶粉末，密度1.92 g/cm3，熔點(diǎn)120℃。聚乙烯和硫磺改性瀝青制備方法為：取適量瀝青加熱至135～145 ℃，使瀝青呈流動(dòng)狀態(tài)。分解加入設(shè)定劑量的聚乙烯和硫磺改，加入量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的2%、3%和5%，再使用高速剪切混合機(jī)在140 ℃和1 200 r/min條件繼續(xù)攪拌約30 min，使聚乙烯和硫磺能完全溶解在瀝青中。

1.2 試驗(yàn)方法

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中T0610、T0630對(duì)不同瀝青分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜加熱老化試驗(yàn)（RTFOT）和壓力老化試驗(yàn)（PAV），參照T0604、T0605、T0606分別測(cè)試不同瀝青老化前后的針入度、軟化點(diǎn)和延度，其中延度測(cè)試溫度為10℃。采用紅外光譜研究不同瀝青的化學(xué)和結(jié)構(gòu)改性，評(píng)估老化對(duì)改性瀝青的影響。紅外光譜測(cè)試波長(zhǎng)范圍為4 000～400 cm-1，分辨率0.125 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 老化前后性能分析

2.1.1 針入度。不同聚乙烯和硫磺摻量下瀝青針入度和針入度老化指數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖1所示。其中針入度老化指數(shù)PAI（Penetration Aging Index）為老化后針入度與老化前針入度的比值。針入度值代表了瀝青在常溫下的剛度和硬化程度。針入度值越低，瀝青的勁度越高。由圖1可知，隨著基質(zhì)瀝青中聚乙烯含量從2%增加到5%，改性瀝青的針入度值降低；隨著硫磺含量從2%增加到5%，改性瀝青針入度逐漸增加。這表明測(cè)試范圍內(nèi)聚乙烯可增加瀝青稠度和硬度；相反，硫磺會(huì)降低改性瀝青稠度和硬度。

相同改性劑類型和摻量下，未老化瀝青針入度最高，RTFOT老化后次之，PAV老化后最低。這表明老化后瀝青稠度和硬度增加。老化越嚴(yán)重，稠度和硬度增加越明顯。對(duì)于聚乙烯改性瀝青，隨著聚乙烯摻量增加，RTFOT老化和PAV老化后老化指數(shù)均逐漸增加；對(duì)于硫磺改性瀝青，隨著硫磺摻量增加，RTFOT老化后老化指數(shù)亦逐漸增加，但增加幅度略高于聚乙烯改性瀝青；硫磺摻量0%和2%時(shí)，改性瀝青PAV老化后老化指數(shù)差異不顯著，之后老化指數(shù)隨著硫磺摻量增加逐漸增加。老化指數(shù)越高，表明老化前后瀝青性能指標(biāo)越接近，即老化對(duì)瀝青性能的影響越小，瀝青越耐老化。上述結(jié)果表明聚乙烯改性瀝青和硫磺改性瀝青比基質(zhì)瀝青更耐氧化老化。

2.1.2 軟化點(diǎn)。改性劑摻量和老化條件對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)的影響用軟化點(diǎn)差（即老化后軟化點(diǎn)減去老化前軟化點(diǎn)）表示。不同改性劑摻量和老化條件時(shí)改性瀝青軟化點(diǎn)和軟化點(diǎn)差如圖2所示。由圖2可知，不同在基礎(chǔ)黏結(jié)劑中加入2%～5%的聚乙烯，相同老化條件下，隨著聚乙烯摻量增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)逐漸提高；相同改性劑摻量時(shí)，PAV老化后軟化點(diǎn)最高，RTFOT老化后次之，這表明老化使瀝青硬度增加，軟化點(diǎn)提高。未老化條件下，與基質(zhì)瀝青相比，PE添加量為5%時(shí)，改性瀝青軟化點(diǎn)提高30.4%。與基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)相比，PAV老化和RTFOT老化后，相同改性劑摻量時(shí)改性瀝青軟化點(diǎn)增加幅度小于未老化時(shí)增加幅度。在基礎(chǔ)粘結(jié)劑中加入2%～5%的硫磺，相同老化條件下，隨著硫磺摻量增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)逐漸降低，這與之前基于針入度的研究結(jié)果一致，即硫磺的加入使瀝青變軟；相同改性劑摻量時(shí)，PAV老化后軟化點(diǎn)最高，RTFOT老化后次之，老化后改性瀝青硬度不斷提高。

相同老化條件下，隨著聚乙烯和硫磺摻量增加，老化后改性瀝青軟化點(diǎn)差逐漸降低。軟化點(diǎn)差越小，老化條件對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響越小，瀝青越耐老化，即在基質(zhì)瀝青中摻入聚乙烯和硫磺提高了改性瀝青的耐老化性能。綜合分析認(rèn)為，將聚乙烯加入改善了改性瀝青的高溫性能，使改性瀝青具有較好的高溫抗車(chē)轍性能，但硫磺的加入降低了改性瀝青的高溫性能。聚乙烯和硫磺均可提高改性瀝青的耐老化性能。

2.1.3 延度。不同聚乙烯和硫磺摻量下瀝青延度和延度老化指數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。其中延度老化指數(shù)DAI（Ductility Aging Index）為老化后延度與老化前延度的比值。延度值代表了瀝青在柔韌程度。延度值越低，瀝青的柔韌性越好。由圖3可知，隨著基質(zhì)瀝青中聚乙烯含量從2%增加到5%，改性瀝青的延度值降低；隨著硫磺含量從2%增加到5%，改性瀝青針入度逐漸增加。但不同聚乙烯或硫磺摻量下，改性瀝青延度的差異幅度不十分顯著。與基質(zhì)瀝青相比，不同聚乙烯或硫磺摻量下改性瀝青延度變化約在10%以內(nèi)。隨著聚乙烯或硫磺摻量增加，PAV老化和RTFOT老化后改性瀝青延度老化指數(shù)均增加，即老化前后改性瀝青延度值更接近，老化對(duì)改性瀝青影響降低，聚乙烯或硫磺可提高改性瀝青耐老化性能。

2.2 老化影響機(jī)理分析

原基質(zhì)瀝青、聚乙烯摻量3%的改性瀝青、硫磺摻量2%的改性瀝青的紅外光譜如圖4所示。由圖4分析可知，對(duì)于基質(zhì)瀝青的紅外光譜圖，1 720～1 750 cm-1區(qū)域的峰代表C=O羰基官能團(tuán)。1 070～1 030 cm-1區(qū)域代表亞砜基團(tuán)的強(qiáng)S=O伸縮。不同瀝青的紅外光譜圖之間很少或沒(méi)有明顯的峰變化，這表明聚乙烯和硫磺對(duì)瀝青基質(zhì)瀝青的改性在本質(zhì)上主要以物理改性為主。

S=O和C=O兩個(gè)官能團(tuán)受到瀝青老化硬化影響較顯著。通過(guò)對(duì)目標(biāo)官能團(tuán)的峰進(jìn)行數(shù)值積分，然后除以紅外光譜圖600～2 000 cm-1的-CH3總面積來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)指數(shù)。

不同瀝青結(jié)構(gòu)指數(shù)變化如圖5所示。由圖5可知，相對(duì)于原基質(zhì)瀝青，改性瀝青的羰基指數(shù)和亞砜指數(shù)降低。對(duì)于聚乙烯摻量3%的改性瀝青，羰基指數(shù)降低了16.3%，亞砜指數(shù)分別降低了34.5%；硫磺摻量2%的改性瀝青，羰基指數(shù)降低了21.9%。亞砜指數(shù)降低了43.1%。結(jié)構(gòu)指數(shù)的降低表明改性瀝青的抗氧化老化性能增強(qiáng)。

3 結(jié)論

①相同老化條件下，隨著基質(zhì)瀝青中聚乙烯摻量增加，改性瀝青針入度和延度降低，軟化點(diǎn)升高。隨著基質(zhì)瀝青中硫磺摻量增加，改性瀝青針入度和延度增加，軟化點(diǎn)降低。

②相同聚乙烯或硫磺摻量時(shí)，老化后針入度和延度降低，軟化點(diǎn)升高。PAV老化后瀝青性能指標(biāo)變化幅度大于RTFOT老化后性能指標(biāo)變化幅度。

③相同老化條件時(shí)，隨著聚乙烯或硫磺摻量增加，改性瀝青針入度老化指數(shù)和延度老化指數(shù)逐漸增加，軟化點(diǎn)差逐漸降低，老化前后性能差異減小，耐老化性能提升。

④聚乙烯和硫磺對(duì)瀝青基質(zhì)瀝青的改性以物理改性為主。相對(duì)于原基質(zhì)瀝青，改性瀝青的羰基指數(shù)和亞砜指數(shù)降低，抗氧化老化性能增強(qiáng)。

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