PU/LDPE复合改性沥青的流变性能研究

摘要：为评价废弃塑料对沥青流变性能的影响，文章选择聚氨酯（PU）和低密度聚乙烯（LDPE）作为改性剂，制备不同掺量下的PU/LDPE复合改性沥青，并采用常规物理性能、动态剪切流变仪（DSR）、多重应力蠕变与恢复（MSCR）、弯曲梁流变仪（BBR）试验，评价PU/LDPE复合改性沥青的流变性能。结果表明：PU/LDPE复合改性沥青均有良好的高温储存稳定性，但需要控制LDPE的掺量＜6%以减少离析；PU和LDPE的添加均能改善沥青的高温流变性能，且二者的复合改性对高温性能的提升作用优于单一改性；PU能增强沥青的低温流变性能，LDPE对沥青低温性能虽有不利影响，但PU/LDPE复合改性沥青的低温性能仍明显优于基质沥青。

关键词：道路工程；改性沥青；聚氨酯；低密度聚乙烯；流变性能

中图分类号：U416.03

0 引言

沥青路面因其行车舒适、噪音低、养护成本低等特点被广泛应用于高等级公路，而由于交通量和行车荷载的增加，开发一种高性能的沥青混合料来适应复杂路面情况已成为当下的研究热点。沥青混合料由沥青、骨料和填料组成，其中沥青的性能对沥青路面的服役性能起关键作用［1-2］。根据以往的研究，利用废弃材料作为改性剂是改善沥青性能的有效手段，如废橡胶粉（CR）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）等［3-5］。将废弃材料应用于沥青路面制备增值型产品还能降低成本，推进资源全面节约和循环利用。

PU属于“第五种塑料”，具有良好的耐磨性和耐油性，是鞋类、涂料、胶粘剂等的主要来源。目前，PU的主要处理方式是焚烧和填埋，严重影响了生态环境［6］。已有研究表明，PU是一种理想的沥青改性材料，热稳定性好，能明显改善沥青的高温性能［7］。此外，低密度聚乙烯（LDPE）因其优异的性能也被广泛用于改性沥青的制备，有研究表明LDPE改性沥青在LDPE用量＜6%时，具有较好的储存稳定性和抗车辙性能，能明显降低沥青的温度敏感性［8］。

以往的研究表明PU或LDPE均能改善沥青的路用性能，但对PU/LDPE复合改性沥青流变性能的研究较少。因此，本文采用常规物理试验、储存稳定性试验、动态剪切流变仪（DSR）、多重应力蠕变与恢复（MSCR）、弯曲梁流变仪（BBR）试验，对PU/LDPE复合改性沥青的流变性能进行系统研究。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

基质沥青选择A级70#道路石油沥青，其基本性能如表1所示。采用PU和LDPE作为沥青改性剂，PU选择热塑性聚氨酯橡胶材料，LDPE为半透明固体颗粒，PU和LDPE的基本性能如表2和表3所示。

1.2 改性沥青制备

PU和LDPE的试验掺量均为基质沥青重量的0、2%、4%和6%，以此制备PU/LDPE复合改性沥青，制备过程采用高速剪切仪对沥青进行剪切和搅拌。将基质沥青加热至熔融态，将PU粉末缓慢加入基质沥青中，在185 ℃的温度下以3 000 r/min的速率剪切30 min。在相同温度下添加LDPE颗粒，提升剪切仪的转速至4 000 r/min剪切60 min，以保证两种改性剂与基质沥青的完全混合。继续在185 ℃的温度下以2 000 r/min的速率剪切20 min，以去除剪切过程中产生的气泡。为避免沥青制备过程中的热老化影响试验结果，对所有试样均按照上述制备过程处理。为简化文中沥青试样的相关表述，本文“70#”表示A级70号道路石油沥青，“P2L2”表示2%PU+2%LDPE的复合改性沥青。

1.3 试验方案

针对不同PU掺量（0、2%、4%和6%）和LDPE掺量（0、2%、4%和6%）下的复合改性沥青，通过延度（ASTM D113）、软化点（ASTM D36）、针入度（ASTM D5）、软化点差值（ASTM D 5892）等一系列试验，对其常规性能进行评价。根据AASHTO T315标准对复合改性沥青的高温特性进行评价，基于DSR的温度扫描试验，温度范围为40 ℃～76 ℃，温升为2 ℃/min，加载频率为10 rad/s，在12%的应变水平下测试沥青的复数模量G*和相位角δ，并以此计算车辙因子G*/sinδ和Shenoy参数G*/［1-（1/tanδsinδ）］。MSCR试验采用应力控制模式，测试温度为64 ℃，在0.1 kPa[HTXH]和3.2 kPa两个应力水平下计算得到恢复率R，MSCR每个加载和卸载阶段分别为1.0 s和9.0 s，总测试时间为200 s。采用BBR试验评价复合改性沥青的低温流变特性，基于蠕变速率m和蠕变劲度S作为评价指标，测试温度为-12 ℃。

2 结果与讨论

2.1 三大指标

沥青的针入度结果如图1所示。由图1可知，与基质沥青相比，PU或LDPE的加入均使沥青的针入度下降，说明加入PU或LDPE后沥青的劲度增大。当PU掺量一定时，2%的LDPE使沥青的针入度显著降低，这可能是由于LDPE的不定型微观结构，提高了沥青与改性剂之间的粘结力。随着LDPE掺量的增加，沥青的针入度增加。因为LDPE掺量越高，团聚的可能性越大，使得针入度反而增加。当LDPE掺量一定时，随着PU掺量的增加，沥青的针入度下降。

一般常用软化点来研究沥青的高温性能，沥青的软化点试验结果如图2所示。由图2可知，与基质沥青相比，PU或LDPE均能增加沥青的软化点，而与针入度变化趋势不同，随着LDPE掺量的增加，沥青的软化点呈线性增加趋势。PU掺量的增加对沥青的软化点影响不显著，这是因为LDPE的物理吸附（降低自由沥青）和PU与沥青的交联反应（溶胀增大分子间移动），使沥青的软化点增加，进而改善沥青的高温性能。

用延度来评价沥青的低温拉伸能力，15 ℃沥青的延度结果如图3所示。由图3可知，随着PU掺量的增加，沥青的延度降低，这与针入度的变化趋势一致。随着LDPE掺量的增加，沥青的延度逐渐降低。这是因为在中低温条件下，LDPE比PU的塑性更高，导致沥青的应力集中而延度下降。

2.2 软化点差值

如图4所示显示了PU/LDPE复合改性沥青的软化点差值，即根据软化点差值评价沥青的相分离现象。软化点差值越大，改性沥青的相分离现象越明显。由图4可知，沥青的软化点差值均随改性剂的添加而增大，这表明PU或LDPE的加入使得沥青的相分离现象更加明显。一般来说，出现相分离现象的原因是PU的密度大于沥青，在高温下PU会迁移至底部，而LDPE属于低密度塑料，也易与沥青分离，使得沥青的软化点差值增加。整体而言，除P6L6（两种改性剂均为最高掺量）之外，根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求，其他沥青的软化点差值均满足≤2.5 ℃要求，说明PU、LDPE和沥青之间存在较好的储存稳定性。

2.3 车辙因子

采用DSR试验的64 ℃车辙因子（G*/sinδ）作为评价指标，分析PU和LDPE对沥青高温性能的影响，结果如图5所示。由图5可知，与基质沥青相比，改性后沥青的车辙因子有明显提高，说明PU和LDPE能提高沥青的抗车辙性能。同时可以发现P0L2的车辙因子低于P2L0，说明相同改性剂掺量下PU的改善效果优于LDPE，PU能在沥青基体中发生溶胀反应，减少沥青的轻质组分，形成网状结构从而改善沥青的高温性能。可以发现PU和LDPE复合改性后效果更加显著，对沥青的高温改善效果高于单一改性。

2.4 Shenoy参数

如图6所示为采用DSR试验的64 ℃下Shenoy参数G*/［1-（1/tanδsinδ）］的试验结果，Shenoy参数是车辙因子的修正指标，能真实表征沥青的弹性反应。由图6可知，与图5车辙因子的结果一致，PU或LDPE的添加均使沥青的Shenoy参数增大，且P2L6的Shenoy参数最大，即2%PU+6%LDPE的改性剂掺量下沥青的高温性能最大，说明PU和LDPE均可增加沥青的弹性响应。与图5车辙因子相比，沥青的Shenoy参数明显增大，这说明PU/LLDPE复合改性沥青的弹性响应较大，而车辙因子无法完全体现。

2.5 弹性恢复率

针对DSR试验的温度扫描无法充分反应沥青的粘弹性特性，采用MSCR试验的弹性恢复率（R）来表征沥青的高温抗车辙性能。一般来说沥青的R值越高，其抗车辙性能越好。在64 ℃测试温度下，沥青在两种应力水平（0.1 kPa和3.2 kPa）下的R值分别如图7和图8所示。从图7和图8可以看出，不论应力水平如何，PU/LDPE复合改性沥青的R值均大于基质沥青和单一改性沥青，说明PU与LDPE的复合改性可以显著提高高温抗车辙性能。这是因为PU可在沥青基体中形成交联网状结构，增大沥青分子的流动阻力，而LDPE可以吸附沥青的大分子，提高分子间的范德华力，PU和LDPE的复合改性同时具备各自的改善作用，从而使高温提升效果更加显著。

2.6 蠕变劲度和蠕变速率

根据低温延度试验结果可知，PU与LDPE的添加会使得沥青延度值下降，但这可能与改性剂在沥青基体的应力集中现象有关，不能真实反映沥青的低温性能。因此，采用BBR试验来表征PU/LDPE的低温流变性能，基于-12 ℃下的蠕变速率（m）和蠕变劲度（S）作为评价指标，如图9和图10所示为PU/LDPE复合改性沥青的BBR试验结果。由图9和图10可知，与基质沥青相比，PU可以增大沥青的m值降低S值，说明PU可以改善沥青的低温流变性能。还可以发现P0L2的S值大于基质沥青，而m值略低于基质沥青，这说明LDPE的添加对低温确有负面影响。同时可以发现，所有BBR试验中的沥青的S值均＜300 MPa，m值均＞0.300，这说明在-12 ℃下PU/LDPE复合改性沥青的低温性能均满足规范要求，且远优于基质沥青。

3 结语

（1）本文共制备了不同掺量下的PU/LDPE复合改性沥青，采用三大指标和软化点差值，初步结果显示PU和LDPE均能改善沥青的高温性能，尽管对沥青的延度值有负面影响，同时PU/LDPE复合改性沥青的储存稳定性也满足规范要求，但需控制LDPE的掺量＜6%。

（2）温度扫描试验和MSCR试验结果表明，PU和LDPE均能增加沥青的车辙因子、Shenoy参数和弹性恢复率，即PU和LDPE能改善沥青的高温稳定性，且PU比LDPE的高温提升效果更高，复合改性的高温改善也优于单一改性。

（3）BBR试验表明PU可以增大沥青的蠕变速率，降低沥青的蠕变劲度，而LDPE对沥青的低温效果相反，即PU可以改善沥青的低温流变性能，尽管LDPE对沥青的低温性能有不利影响，但复合改性沥青的低温性能依然优于基质沥青。

参考文献

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收稿日期：2024-03-23

作者简介：龙麟优（1988—），工程师，主要从事道路工程建设试验检测管理工作。