PE改性沥青混合料路用性能试验研究

万 钰， 徐 朔， 吴文朋

(1.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015； 2.湘潭大学，湖南 湘潭 411105)

0 前言

随着城市发展和国民经济的快速腾飞，各地新建高速公路以满足人们出行交通需求。高等级公路采用高性能沥青混凝土，根据路面结构适用性要求通常采用AC、SMA、SUP等级配[1-3]。为全面提升道路的服役水平及寿命，国内外研究学者对路面的结构、材料等进行深入研究，认为改性沥青、外掺剂等新材料可以改善材料路用性能，增强力学性能[4]。顾万[5]等在再生沥青混合料中掺入了高模量剂和玄武岩纤维进行性能试验研究，发现外掺剂材料可以提升混合料的高温稳定性和抗疲劳性能；余红杰[6]在AC-13和SMA-13两种级配中掺入了抗车辙剂，认为可以大幅度改善沥青混合料内部结构受力特征，增强材料的黏度性和抗压强度，这对于材料的结构稳定和优化是有利的。吴正光[7]等采用废旧PE材料对AC-20级配的沥青混合料进行路用性能试验研究，认为PE改性剂材料可以提升混合料的高温稳定性和水稳定性，在高等级公路中具有广阔的应用推广价值。无论是高模量剂、抗车辙剂还是PE改性剂，其有效成分均含有聚乙烯成分，该材料具有高弹性和高粘度，提高了沥青的高温流动性，并增加了沥青的韧性。材料具有高弹高粘作用，可提高沥青的粘度，改善高温流动性，增大沥青的韧性[8-10]。本研究将PE改性剂以不同掺量形式分别制备改性沥青和沥青混合料，通过性能测试探究PE掺量对其的性能影响演变规律，研究成果可为PE改性沥青路面的应用推广提供理论基础。

1 PE改性沥青性能试验研究

研究分别选取了0%、1.5%、3%、4.5%、6%的5种不同掺量的PE改性剂外掺入基质沥青中制备改性沥青，通过针入度、软化点、黏度等指标来研究材料技术指标变化规律[11-12]。其中，PE改性剂材料型号为PEⅢ-B，外表为黑色固体颗粒，其性能技术指标如下：外观形貌为黑色/扁平状颗粒，粒径范围2～6 mm,密度0.92～0.98 g/cm3。熔点135 ℃～150 ℃。选用沥青为普通70#基质沥青，其技术参数如表1所示。

表1 70#基质沥青性能技术指标Table1 Performanceindexof70#matrixasphalt测试项目针入度25℃/0.1mm软化点/℃延度5℃/mm测试结果65.853.5>100规范要求60～8050～70>100

PE改性沥青的制备工艺为：将基质沥青置于120 ℃烘箱中加热待用，将基质沥青倒入高速剪切仪中进行剪切搅拌，再将PE改性剂分批加入剪切设备中，剪切时长控制在30 min左右，温度170 ℃，转速3 000 r/min。将制备好的改性沥青置于135 ℃烘箱中静置30 min后，进行沥青性能测试相关的试验。

研究将不同掺量下制备的PE改性沥青进行沥青的针入度、软化点及黏度试验，测试结果如表2所示。

表2 PE改性沥青性能测试结果Table2 PEmodifiedasphaltperformancetestresultsPE改性剂掺量/%针入度/0.1mm软化点/℃黏度/(Pa·s)0.065.853.500.621.552.762.501.253.045.868.221.784.538.771.382.256.033.273.412.56

相关技术性能随PE改性剂掺量的变化关系如图1所示。

图1 改性沥青技术指标随掺量变化规律

由图1可知，随着PE改性剂掺量的增加，改性沥青的针入度逐渐减小，软化点和黏度逐渐增大，这与沥青材料的特性直接相关。在PE改性剂添加初期，针入度下降趋势较快，但后期下降趋势减慢，这说明PE改性剂对沥青特性的影响是较大的，但随着PE掺量的逐渐增加，其有效成分聚乙烯使得沥青材料内部的弹性组分增加，黏度增大，当PE掺量过多时，沥青材料中的油脂成分不能与聚乙烯形成有效地融合，材料的性能提升速率减缓。考虑到PE改性沥青的制备为湿法，与路面施工过程中直投式“干法”施工存在差异，研究需进一步探讨PE改性剂在沥青混合料中的性能影响。

2 PE改性沥青混合料路用性能研究

研究将不同掺量的PE改性剂以“干法”方式制备AC-13级配的PE改性沥青混合料，PE改性剂掺量分别为0%、1.5%、3%、4.5%、6%。分别考察了改性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性及低温抗开裂性能。

2.1 高温稳定性

沥青混合料在高温环境下，容易使内部沥青油脂组分发生变形和迁移，使得内部材料结构失稳，造成路面车辙、麻面、泛油等病害现象。研究常采用车辙试验探究混合料高温性能技术状况，相关测试结果如表3所示。

表3 PE改性沥青混合料高温稳定性试验结果Table3 High-temperaturestabilitytestresultsofPEmodi-fiedasphaltmixturePE改性剂掺量/%总变形/mm动稳定度/(次·mm-1)0.012.212151.58.519623.07.325514.56.828366.06.43045

绘制总变形和动稳定度与PE改性剂掺量的变化曲线，如图2、图3所示。

图2 总变形-PE改性剂掺量

图3 动稳定度-PE改性剂掺量

由图2、图3可知，随着PE改性剂掺量的增加，沥青混合料的总变形逐渐降低，动稳定度逐渐增大。相较于普通沥青混合料，PE改性剂掺量为1.5%、3%、4.5%、6%时，对应沥青混合料的总变形分别下降30.33%、40.16%、44.26%、47.54%，动稳定度分别增长61.48%、109.96%、133.42%、150.62%。PE改性剂中的弹性组分能够增强沥青的黏度，进而增强了材料的抗压强度。PE改性剂均匀分散在沥青混合料中，并与沥青成分有效交融，在一定程度上也促进了材料的结构稳定。然而，就沥青的路用性能而言，并非高温稳定性越高，材料的性能越好，在一定程度上会削减其他指标性能。因此，需综合考虑水稳性能、低温抗拉性能等指标。

2.2 水稳定性

沥青混合料的水稳定性是指混合料在水损伤环境下材料的劣化影响，水损伤既包括了雨水的冲刷浸润损伤，也包括了在低温环境下冻融损伤。研究通常采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来表征混合料的水稳定性能，测试结果如表4所示。

表4 PE改性沥青混合料水稳定性试验结果Table4 WaterstabilitytestresultsofPEmodifiedasphaltmixturePE改性剂掺量/%残留稳定度/%冻融劈裂强度比/%0.090.586.21.591.286.83.093.487.54.590.787.06.089.685.4

绘制残留稳定度、冻融劈裂强度比分别与PE改性剂掺量的变化曲线，如图4、图5所示。

如图4、图5可知，随着PE改性剂掺量的增长，混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比呈现先上升后下降的趋势。当PE改性剂掺量为3%时，混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比分别为93.4%和87.5%，相较于普通沥青混合料，分别增长了3.20%和1.51%。在改性剂掺入初期，PE改性剂中的聚乙烯和沥青的油脂成分能够有效融合，形成不饱和状态，使得沥青的黏度增大，材料内部结构处于稳定状态。而PE改性剂掺量过多时，PE改性剂与沥青形成不饱和状态，PE中的聚乙烯含量过多会削弱材料的稳定，造成局部应力集中。

图4 残留稳定度-PE改性剂掺量

图5 冻融劈裂强度比-PE改性剂掺量

2.3 低温抗裂性

沥青混合料低温开裂主要是因为在外界温度的循环升降或者温度短时间内的急剧变化导致的温度应力大于材料本身的直接拉伸强度而产生的裂缝。混合料低温抗裂性研究采用小梁低温弯曲试验进行研究，测试结果如表5所示。

表5 PE改性沥青混合料低温抗裂性试验结果Table5 LowtemperaturecrackresistancetestresultsofPEmodifiedasphaltmixturePE改性剂掺量/%抗弯拉强度/MPa破坏应变/με劲度模量/MPa0.011.05198866451.511.81239952093.012.12283545834.512.58346834056.012.2130123807

研究绘制了抗弯拉强度、破坏应变、劲度模量随PE改性剂掺量的变化曲线，如图6～图8所示。

图6 抗弯拉强度-PE改性剂掺量

图7 破坏应变-PE改性剂掺量

图8 劲度模量-PE改性剂掺量

由图6～图8可知，随着PE改性剂掺量的逐渐增加，混合料的抗弯拉强度和破坏应变逐渐增大，劲度模量逐渐下降。其中，破坏应变的增大说明混合料在低温环境下抵抗开裂变形的能力越强。相较于普通沥青混合料，PE改性剂掺量在1.5%、3%、4.5%时对应的破坏应变分别增长20.67%、42.61%、74.45%，说明PE材料的增加可以显著增强材料的抗开裂能力。其主要原因是PE材料中的弹性组分与沥青混合料有效融合，使得沥青混合料也具有一定弹性变形能力，在外部荷载作用下，混合料能够抵抗低温变形，在一定程度上可以提升材料路用性能和使用寿命。但是PE改性剂掺量的过多会导致材料的内部结构失稳，在一定程度上会削弱材料性能。

2.4 PE改性剂无量纲化掺量比选

通过上述研究表明，PE改性剂材料与沥青进行拌合可以提升材料的黏度，与沥青混合料以干法拌合可以促进材料的高温稳定性和低温抗裂性提升，对于水温度性而言，会随掺量的增加呈现先上升后下降的趋势。为量化表征优选的PE改性剂掺量，研究以动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂强度比、破坏应变为参数，进行无量纲化评价模型建立，如表6所示。

表6 无量纲化PE改性剂掺量优选Table6 Optimaldosageofnon-dimensionalPEmodifierPE改性剂掺量/%动稳定度/(次·mm-1)残留稳定度/%冻融劈裂强度比/%破坏应变/με0.00.400.970.990.571.50.640.980.990.693.00.841.001.000.824.50.930.970.991.006.01.000.960.980.87

将无掺量化的相关技术指标进行排列，并赋予一定权重进行计算。考虑到残留稳定度和冻融劈裂强度比均为水稳定性能的评价指标，研究对动稳定度、残留稳定度、熔融劈裂强度比、破坏应变的权重幅值分别为1/3、1/6、1/6、1/3。通过无量纲化的赋值和权重进行乘积计算可得到最终的PE改性剂掺量排序方案。0%、1.5%、3%、4.5%、6%的5种掺量下的最终量化指标分别为0.65、0.77、0.89、0.97、0.95。结合本试验研究及实际的道路施工技术状况，建议采用4.5%掺量的PE改性剂应用于实际施工。

3 结语

PE改性剂作为一种低成本、高性能的路面材料添加剂，可在一定程度上改善沥青混合料的路用性能。研究分别选取了1.5%、3%、4.5%和6%掺量的PE改性剂制备改性沥青及其沥青混合料，并与普通沥青混合料进行性能对比分析，认为PE改性剂可以提高沥青混合料的高温稳定性和低温抗开裂性能，对于水稳定性能而言，PE改性剂掺量的过多会在一定程度上削弱沥青混合料的水稳定性，研究通过无量纲化的指标评价计算，最终推荐4.5%掺量的PE改性剂。对PE改性沥青混合料的深入研究，有利于全面改善混合料路用性能，提升道路服役水平和使用寿命。