废旧聚乙烯塑料改性沥青混合料耐老化性能分析

化工与材料工程
河南科技
Henan Science and Technology
总第874期第3期2024年2月
收稿日期：2023-06-08
作者简介：刘海增（1986—），男，本科，工程师，研究方向：道路桥梁建设与管理。

废旧聚乙烯塑料改性沥青混合料耐老化性能
分析
刘海增
（洛阳旭阳建设集团有限公司，河南 洛阳 471000）
摘 要：【目的】分析废旧聚乙烯塑料（Polyethylene ，PE ）改性沥青混合料的耐老化性能。

【方法】通
过车辙试验、单轴贯入试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验和四点弯曲疲劳试验来评价老化前后不同类型沥青混合料的性能。

【结果】试验结果表明：在短期和长期老化后，PE 和SBS 改性沥青混合料的动稳定度和贯入强度的增加幅度分别为12%~18%、25%~35%，水稳定性能和低温性能均满足规范要求；普通沥青混合料的动稳定度和贯入强度增加幅度分别为30%~35%、60%~70%。

只有短期老化后的水稳定性能和低温性能才能满足要求。

【结论】PE 和SBS 改性沥青混合料耐老化性能基本相当，且明显高于普通沥青混合料。

PE 改性剂可抑制或减少自由基的产生，能显著减缓改性沥青的氧化老化程度。

关键词：道路工程；废旧聚乙烯塑料；改性沥青；混合料；耐老化性能
中图分类号：U414 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）03-0082-04DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2024.03.017
Analysis of Aging Resistance of Waste Polyethylene Plastic Modified
Asphalt Mixture
LIU Haizeng
(Luoyang Xuyang Construction Group Co., Ltd., Luoyang 471000,China)
Abstract: [Purposes ] This paper aims to analyze the aging resistance of waste polyethylene modified as⁃
phalt mixture.[Methods ] The performance of different types of asphalt mixtures before and after aging was evaluated by rutting test, uniaxial penetration test, low temperature bending test, freeze-thaw split⁃ting test and four-point bending fatigue test.[Findings ] The test results show that the dynamic stability and penetration strength of PE and SBS modified asphalt mixture increase by 12%~18% and 25%~35% respectively after short-term and long-term aging, and the water stability and low temperature perfor⁃mance meet the requirements of the specification. The dynamic stability and penetration strength of ordi⁃nary asphalt mixture increase by 30%~35% and 60%~70% respectively. Only the water stability and low temperature performance after short-term aging can meet the requirements. [Conclusions ] The aging re⁃sistance of PE and SBS modified asphalt mixture is basically the same, and significantly higher than that
of ordinary asphalt mixture. PE modifier can inhibit or reduce the production of free radicals, and can sig⁃nificantly slow down the degree of oxidative aging of modified asphalt.
Keywords: road engineering; waste polyethylene plastic; modified asphalt; mixtures; aging resistance
0 引言
随着我国工农业的快速发展，大棚农膜、PE工
业膜、PE生活塑料等废旧PE塑料的数量不断增
加，若采用传统的焚烧、填埋方式来处理废旧PE塑
料，将会对生态环境产生严重的污染和破坏。

在
“碳达峰、碳中和”的绿色低碳社会建设背景下，如
何实现废旧PE塑料资源循环利用是亟待解决的
问题。

目前，我国道路交通建设速度不断加快，而沥
青路面建设需要用到大量的聚合物改性沥青。

将
废旧PE塑料作为改性剂来制备改性沥青，是实现
废旧PE资源无污染利用的有效途径。

部分学者已
开展相关研究，Du等［1］对PE改性沥青结合料的低
温开裂机理和现有的低温性能评价方法进行研究；Liang等［2］对比分析了不同密度类型的PE改性沥青的流变性能和相容性；吴正光等［3］分析了不同密度
废旧PE改性沥青的综合性能，结果表明，低密度PE改性沥青的总体性能最佳。

此外，还开展了PE 改性剂最佳掺量确定［4］、干法制备工艺［5］、与SBS改性沥青性能对比［6］等方面的研究。

综上所述，目前对PE改性沥青的研究重点主要集中在老化前不同路用性能等方面，而对PE改性沥青耐老化性能的相关研究相对较少。

基于此，本研究采用车辙试验、单轴贯入试验、
低温弯曲试验、冻融劈裂试验和四点弯曲疲劳试验
对PE改性沥青老化前后的性能变化进行分析，并与
工程中常用的SBS改性沥青及普通沥青进行对比分
析，以期为全面研究PE改性沥青的性能提供参考。

1 原材料与试验方法
1.1 原材料
AH-70普通沥青和SBS改性沥青均为市售成品，PE改性沥青为实验室自制，PE改性剂的掺量以普通沥青为基准外掺6%，集料为石灰岩材质，集料及不同类型沥青的性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中的要求。

利用PE改性沥青、SBS改性沥青和AH-70普
通沥青分别拌和沥青混合料，不同类型的混合料除
沥青种类不同外，级配、油石比等其他条件均相同，
将不同沥青类型混合料分别记为AC-13（PE）、AC-13（SBS）和AC-13（普通）。

1.2 试验方法
沥青混合料短期老化、长期老化及老化后的车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验、四点弯曲疲劳试验方法参照（JTG E20—2011）中的相关要求。

其中，四点弯曲疲劳试验的温度为15 ℃、试验频率为10 Hz、应变水平为400 με，加载模式为连续偏正弦应变控制模式［7-8］。

老化后的单轴贯入试验方法参照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）。

对不同类型的混合料分别进行短期老化和长期老化试验，同时分别设置未老化对照组。

分别测试不同类型混合料老化前后不同性能的变化情况，并评价不同类型混合料的耐老化性能。

将老化前后的PE改性沥青分别进行FTIR红外光谱分析，测试范围为4 500~500 cm-1。

2 结果分析
2.1 老化后高温性能
2.1.1 基于车辙试验的老化后高温性能。

不同类型沥青混合料在经过车辙试验老化后得到的动稳定度如图1所示。

图1 不同类型混合料不同情况下动稳定度
由图1可知，与老化前相比，老化后不同类型沥青混合料的动稳定度有着不同程度提高，这是因为老化后的沥青的针入度减小、软化点升高、延度降低，混合料中的沥青变硬，导致宏观上动稳定度增加。

动稳定度变化幅度越大，沥青变硬和老化程度就越严重。

高性能PE改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料老化后的动稳定度变化幅度基本相当，短期老化后的变化范围为15%~18%，长期老化后的变化幅度为30%~33%，均明显低于普通沥青混合料动稳定度的变化幅度。

因此，基于动稳定度评价指标，高性能PE改性沥青混合料耐老化性能和SBS改性沥青混合料耐老化性能基本相当，且明显优于普通沥青混合料。

8 000
7 000
6 000
5 000
4 000
3 000
2 000
1 000
动
稳
定
度
/
（
次
·
m
m
-
1
）
80
70
60
50
40
30
20
10
动
稳
定
度
变
化
率
/
%
未老化
长期老化
长期老化变化率
短期老化
短期老化变化率
AC-13（PE） AC-13（SBS） AC-13（普通）
2.1.2 基于单轴贯入试验的老化后高温性能。

对老化前后的不同类型沥青混合料在60 ℃上分别进行单轴贯入试验，根据试验结果进行计算，得到不同类型沥青混合料的贯入强度，如图2所示。

图2 不同类型混合料老化前后单轴贯入试验结果
由图2可知，与老化前相比，经过短期老化和长期老化后，不同类型沥青混合料的贯入强度均有不同程度的提高，这表明老化会使沥青变硬，与车辙试验结果基本一致。

对不同类型混合料老化前后贯入强度变化幅度进行分析发现，高性能PE 改性混合料贯入强度变化幅度与SBS 改性沥青混合料变化幅度基本相当，短期老化后的变化幅度为12%~16%，长期老化后的变化幅度为25%~29%，均低于普通沥青混合料。

相较于短期老化，长期老化后的高性能PE 改性混合料与SBS 改性沥青混合料贯入强度增加幅度并不明显，但普通沥青混合料长期老化后贯入强度增加幅度非常明显。

这表明经过长期老化后，普通沥青混合料比PE 改性沥青混合料、SBS 改性沥青混合料的老化程度更为严重。

2.2 老化后低温性能不同类型混合料老化前后低温弯曲试验结果
见表1。

表1 不同类型混合料老化前后低温弯曲试验结果
混合料类型
AC-13（PE ）
AC-13（SBS ）AC-13（普通）
低温弯曲应变/με未老化
3 5153 4022 512
短期老化3 3113 2012 170
长期老化3 0192 8541 768
JTG F40—
2004规范要求≥2 500≥2 500≥2 000
由表1可知，与未老化相比，在经过短期老化和长期老化后，不同类型沥青混合料的低温破坏弯曲应变均有所降低。

从低温破坏弯曲应变衰减幅
度来看，PE 改性沥青混合料衰减幅度与SBS 改性沥青混合料衰减幅度基本相当，均明显低于普通沥青混合料。

且PE 改性沥青混合料与SBS 改性沥青混合料在经过老化后，低温破坏弯曲应变仍大于2 500 με，满足规范要求。

普通沥青混合料短期老化后的低温破坏弯曲应变大于2 000 με，满足规范要求；长期老化后，其低温破坏弯曲应变已无法满足规范要求。

因此，以低温破坏弯曲应变为评价指标，基于不同类型混合料老化前后的低温性能变化情况，高性能PE 改性沥青混合料和SBS 改性沥青混合料的耐老化性能基本相当，且明显优于普通沥青混合料。

2.3 老化后水稳定性能
对老化前后的不同类型沥青混合料分别进行冻融劈裂试验，得到残留强度比，通过评价不同类型混合料老化前后的水稳定性能变化情况，试验结果见表2。

表2 不同类型混合料老化前后冻融劈裂试验结果
混合料类型
AC-13（PE ）
AC-13（SBS ）AC-13（普通）
残留强度比/%未老化
88.987.686.7
短期老化86.385.781.4
长期老化82.783.672.8
JTG F40—
2004规范要求≥80≥80≥75
由表2可知，与未老化混合料相比，经过短期老化和长期老化后，不同类型沥青混合料的冻融劈裂残留强度比有所降低。

从冻融劈裂强度比衰减幅度来看，高性能PE 改性沥青混合料衰减幅度与SBS 改性沥青混合料衰减幅度基本相当，均明显低于普通沥青混合料。

且高性能PE 改性沥青混合料与SBS 改性沥青混合料经过老化后，冻融劈裂强度比仍大于80%，满足规范要求。

普通沥青混合料经过短期老化后，残留强度比大于75%，满足规范要求，但长期老化后不满足规范要求。

2.4 老化后疲劳性能不同类型沥青混合料老化后疲劳试验结果见
表3。

由表3可知，与老化前相比，老化后不同类型混合料的疲劳寿命均有所降低。

从疲劳寿命衰减幅度来看，高性能PE 改性沥青混合料与SBS 改性沥青混合料的衰减幅度基本相当，短期老化后疲劳寿命衰减幅度为12%~14%，长度老化后衰减幅度为30%~33%，均明显低于普通沥青混合料。

相较于短期老化，长期老化后高性能PE 改性沥青混合料与SBS 改性沥青混合料的疲劳寿命下降幅度约
2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0
贯入强度/M P a 70605040302010
贯入强度变化率/%AC-13（PE ） AC-13（SBS ） AC-13（普通）
未老化
长期老化
长期老化变化率
短期老化
短期老化变化率
为19%，普通沥青混合料下降幅度约为32%。

普通沥青混合料的老化程度比高性能PE 改性混合料与SBS 改性沥青混合料的更为严重。

因此，以疲劳寿命为评价指标，基于不同类型
混合料老化前后疲劳寿命的变化情况分析可知，高性能PE 改性沥青混合料和SBS 改性沥青混合料的耐老化性能基本相当，且明显高于普通沥青混合料。

2.5 老化机理分析
PE 改性沥青老化前后的红外光谱如图3所示。

由图3可知，PE 改性沥青老化前后的主要吸收带几乎相同，均在1 708 cm -1处出现碳基带吸收峰、在1 024 cm -1处出现亚砜带吸收峰，原样沥青及聚合物添加剂仅存在少量老化。

图3 PE 改性沥青老化前后红外光谱
在PE 改性沥青制备过程中，PE 改性剂通过高速剪切可均匀分散在基质沥青中，并在沥青中发生溶胀，吸收沥青中的部分轻质组分，可降低轻质组分在老化过程中被氧化程度，降低老化过程中自由基的含量，减缓轻组分氧化对原沥青性能的影响，改善沥青的老化性能。

3 结论
①经过短期老化，PE 改性沥青和SBS 改性沥青
混合料动稳定度和贯入强度的增加幅度为12%~
18%；经过长期老化，二者的增加幅度为25%~35%。

即短期和长期老化后水稳定性能和低温性能仍能满足规范要求。

②经过短期老化，普通沥青混合料动稳定度和
贯入强度增加幅度为30%~35%；经长期老化，二者的增加幅度为60%~70%。

在短期老化后，水稳定性能和低温性能仍能满足规范要求，而在长期老化后，二者不满足规范要求。

③对短期老化和长期老化前后的高低温、水稳
定及疲劳性能进行对比分析发现，PE 改性沥青混合料耐老化性能和SBS 改性沥青混合料耐老化性
能基本相当，且明显高于普通沥青混合料。

④PE 改性剂可抑制或降低自由基的产生，能
显著减缓改性沥青氧化老化的程度。

参考文献：
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表3 不同类型混合料老化前后四点弯曲疲劳试验结果
混合料类型AC-13（PE ）
AC-13（SBS ）
AC-13（普通）
疲劳寿命/万次
未老化44.746
35.8短期老化38.840.325.6
长期老化30.431.614.3
相对于未老化变化幅度/%短期老化-13.2-12.4-28.5
长期老化-32.0-31.3-60.1
100908070605040302010
透过率/%
5 000 4 500 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500
波长/cm -1
老化前
老化后。