PE蜡对沥青性能的影响及作用机理研究

宋文佳

（西安外事学院 应用技术学院，陕西 西安 710077）

0 引言

沥青混凝土作为良好的道路建筑材料，在我国各级道路均有不同规模的应用，尤其在高速通路领域应用广泛。现有的沥青混合料大多采用高温拌合及摊铺、碾压施工。通常热拌沥青混合料的拌合温度在160～180℃，在高温拌合和摊铺过程中，沥青材料会释放出COx、SO2、NOx及颗粒污染物等大量有害物质，对于施工人员健康以及自然环境具有极为不利的影响[1]。为了解决热拌沥青混合料拌合及施工过程中出现的污染问题，国内外道路领域的研究学者开展了诸多研究，例如俞方英等[2]研发了一种新型温拌沥青添加剂，并对其性能进行了评价。张苛和张争奇[3]对不同温拌剂作用于沥青材料的效能进行了评价。李闯民等[4]对比分析了不同成型方法应用于温拌沥青混合料配合比设计的合理性。杨彦海等[5]对温拌沥青混合料可压实性与路用性能进行了分析。陈宙翔等[6]研究了温拌沥青技术在冬季施工中的应用工艺及效果；李宏志和郑健龙[7]研究了温拌沥青胶浆的流变性能。张荣辉和李斌[8]基于表面活性平台制备了温拌环氧沥青混凝土，并对其性能展开研究。张旭亮和陈勇[9]采用不同类型温拌改性剂制备了改性沥青混合料，并对其进行了路用性能比选。罗要飞等[10]分析了高原寒冷地区温拌沥青混合料水稳性能分析。李曦鹏[11]借助微观手段对温拌沥青的老化性能进行了研究。通过国内外研究可以发现，PE蜡作为一种良好的温拌改性剂，对于改善热拌沥青混合料的污染状况具有良好的效果。

为此，本文优选不同类型PE蜡及沥青材料，制备了多种具有温拌功效的改性沥青材料，通过三大指标试验系统研究了PE蜡类型及掺量对于沥青高低温性能的影响，通过粘度试验评价了不同类型PE蜡改性沥青的流变性能，在此基础上，采用SEM及FTIR分析手段深入探究了PE蜡的温拌改性机理，可为温拌改性沥青在施工节能减排方面的应用提供参考依据。

1 试验

1.1 原材料及主要仪器设备

（1）PE蜡：采用高密度氧化PE蜡和3001型PE蜡作为温拌沥青改性剂，优选的2种PE蜡技术性能指标如表1所示。PE蜡的应用掺量为沥青混合料质量的0.10%、0.15%、0.20%、0.25%及0.30%。

表1 PE蜡的主要技术性能指标

（2）基础沥青：壳牌90#基质沥青和SBS改性沥青，其技术性能指标如表2所示。

表2 沥青的技术性能指标

（3）布氏粘度仪：DV1MHB高粘度布氏粘度计，德国产；扫描电子显微镜：JSM型，日本产，放大倍数为1000～10 000倍；傅立叶变换红外光谱仪：TENSOR27型，美国产。

1.2 温拌沥青的制备方法

（1）采用恒温加热装置将沥青加热至熔融状态；

（2）定量称取片状PE蜡，装入预先准备好的粉碎器中，将其粉碎至均匀的小颗粒状，过4.75 mm筛后，将其装入洁净的容器中，将容器中的PE蜡均分为3份；

（3）将沥青采用高速剪切仪进行处理，以2000 r/min的转速进行搅拌，均匀加入1份PE蜡，并继续搅拌5 min；

（4）加入第2份PE蜡，以3500 r/min搅拌3 min；将转速调至2000 r/min，并加入最后1份PE蜡，继续搅拌3 min；

（5）最后将转速调至1500 r/min，保持低速搅拌5 min，即制得温拌沥青。

1.3 测试与表征

（1）基本性能测试：依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》测试PE温拌改性沥青材料的软化点、针入度及延度等。

（2）流变性能测试：参照JTG E 20—2011对不同类型PE温拌改性沥青的旋转粘度进行测试，测试温度分别为100、120、140、160 ℃。

（3）SEM分析：采用扫描电子显微镜进行SEM分析，放大倍数2000。

（4）FTIR分析：FTIR分辨率为0.2 cm-1，扫描次数32次，测试范围为 4000～900 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 PE蜡对沥青基本性能的影响

2.1.1 PE蜡掺量对不同基础沥青基本性能的影响测试不同高密度氧化PE蜡掺量条件下，温拌改性沥青

材料的软化点、针入度及延度，结果如图1所示。

图1 PE蜡掺量对不同基础沥青基本性能的影响

由图1可见，随着PE蜡掺量的逐渐增大，沥青材料的软化点逐渐升高，这表明PE蜡的加入能够明显提高沥青材料的高温性能；而针入度和延度均逐渐减小，这表明PE蜡的加入会对沥青材料的温度敏感性和低温性能造成不利影响.因此，在应用过程中应注意其对沥青材料低温性能的影响，采用合理的用量。

2.1.2 PE蜡类型及掺量对基质沥青基本性能的影响

分别采用高密度氧化PE蜡和3001型PE蜡对壳牌90#基质沥青进行改性，并测试其软化点、针入度及延度，结果如图2所示。

图2 PE蜡类型及掺量对基质沥青基本性能的影响

由图2可见，不同类型PE蜡对于沥青的影响程度存在明显差异。随着高密度氧化PE蜡和3001型PE蜡掺量的增加，壳牌90#基质沥青的软化点明显提高，而针入度和软化点明显降低。同时，在相同掺量条件下，3001型PE蜡对于壳牌90#基质沥青的作用效果比高密度氧化PE蜡更为明显。

2.2 PE蜡对改性沥青流变性能的影响

在壳牌90#基质沥青中掺入不同类型的PE蜡制备温拌改性沥青，分别测试在不同温度下改性沥青的布氏粘度，结果如图3所示。

图3 PE蜡类型对沥青粘度的影响

由图3可见，掺入0.3%高密度氧化PE蜡和3001型PE蜡对于沥青材料均具有明显的降粘效果，在120～140℃区间内，3100型PE蜡的降粘效果相对较高，与高密度氧化PE蜡相比，其降粘效果提高了8.2%；但随着温度的继续升高，二者对沥青的降粘效果均明显减小。

2.3 PE蜡作用机理分析

2.3.1 SEM分析

采用扫描电镜对壳牌90#基质沥青和掺加0.3%高密度氧化PE蜡改性壳牌90#基质沥青的微观结构进行表征，结果如图4所示。

由图4可见，未掺加PE蜡的基质沥青材料其内部具有明显的突起和结状结构，在拍摄的过程中材料整体流动行为较为剧烈；而对于掺加PE蜡的改性沥青材料，其内部的异状构造相对较少，同时在电子束撞击过程中其表现出了较为稳定的状态，整体移动状况较少，这可能是由于PE蜡的加入增强了沥青材料的高温性能，使其性质更为稳定。

2.3.2 FTIR分析

分别对壳牌90#基质沥青和掺加0.3%高密度氧化PE蜡的改性壳牌90#基质沥青进行FTIR分析，结果如图5所示。

图4 基质沥青与PE蜡改性沥青SEM照片（×2000倍）

图5 基质沥青与PE改性沥青的FTIR图谱

由图5可见，掺加PE蜡后，改性沥青的红外光谱图在不同波数位置处出现了明显的新吸收峰，在官能团区（1333～3700 cm-1）3500 cm-1处羟基伸缩振动吸收峰吸光度明显增强，而在3000 cm-1处和1700～1500 cm-1处，出现了多处微小吸收峰；在指纹区（650～1333 cm-1）750 cm-1处，亚甲基 CH2摇摆振动吸收峰的强度增强，而且出现了新的吸收峰。综上，PE蜡的加入对于沥青材料内部成分实现了明显的改性作用，这也是其能够明显降低沥青粘度效果的机理所在。

3 结论

（1）随着PE蜡掺量的逐渐增加，沥青材料的软化点逐渐升高，针入度和延度逐渐减小，3001型PE蜡对于沥青的作用效果比高密度氧化PE蜡更为明显。

（2）在120～140℃区间范围内，3100型PE蜡的降粘效果相对较高，与高密度氧化PE蜡相比，其降粘效果提高了8.2%，但随着温度的继续升高，二者对于沥青的降粘效果均明显减小。

（3）掺加PE蜡的改性沥青材料内部的异状构造相对较少，同时在电子束撞击过程中其表现出了较为稳定的状态，整体移动状况较少，

（4）PE蜡的加入对于沥青材料内部成分实现了明显的改性作用，这也是其能够明显降低沥青粘度效果的机理所在。

[1] 仰建岗.温拌沥青混合料应用现状与性能[J].公路交通科技，2006（8）：32-34.

[2] 俞方英，纪小平，储伟伟.一种新型温拌沥青添加剂及其应用[J].新型建筑材料，2013，40（2）：16-18.

[3] 张苛，张争奇.基于温拌沥青性能的不同温拌剂效能评价[J].材料科学与工程学报，2016，34（3）：389-393.

[4] 李闯民，王涛，邓泰.不同成型方法应用于温拌沥青混合料配合比设计的对比分析[J].公路，2015（2）：193-198.

[5] 杨彦海，刘梦晴，孙贯益.温拌沥青混合料可压实性与路用性能分析[J].公路，2016（1）：32-35.

[6] 陈宙翔，杨强，张存华，等.温拌沥青技术在冬季施工中的应用[J].公路，2016（4）：47-50.

[7] 李宏志，郑健龙.温拌沥青胶浆流变性能研究[J].长安大学学报（自然科学版），2013，33（6）：22-27.

[8] 张荣辉，李斌.基于表面活性平台的温拌环氧沥青混凝土性能研究[J].新型建筑材料，2011，38（12）：24-26.

[9] 张旭亮，陈勇.基于路用性能的温拌沥青混合料改性剂比选[J].材料导报，2015（s1）：373-375.

[10] 罗要飞，张争奇，张苛，等.高原寒冷地区温拌沥青混合料水稳性能分析[J].冰川冻土，2016，38（6）：1592-1597.

[11] 李曦鹏.基于微观特性的温拌沥青老化特性研究[J].硅酸盐通报，2016，35（11）：3741-3747.